Downstream-Prozesse für eine defossilisierte Chemie

Katalytische Umsetzung von regenerativen Einsatzstoffen

Fraunhofer UMSICHT Sulzbach-Rosenberg befasst sich seit Jahren mit der Erforschung von (Bio-)raffinerieprozessen. Das Ziel ist die Erzeugung nachhaltiger flüssiger Energieträger (z.B. Kraftstoffe der neuesten Generation) sowie die Herstellung von defossilen Chemikalien und Grundstoffen für die chemische Industrie.

Im Mittelpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten steht die Neu-Entwicklung und Optimierung von Downstream-Prozessrouten für Mineralöl-Substitute, z.B. Pyolyseöle, Synthesegase, halogenhaltige Kohlenwasserstoffe oder Fischer-Tropsch-Produkte. Ein Fokus liegt auf der Entfernung von Heteroatomen.

Leistungsangebot Downstream-Prozesse

Unser Leistungsangebot umfasst:

  • Die Erprobung und Optimierung von Katalysatoren im Technikumsmaßstab.
  • Die katalytische Umsetzung der Edukte in spezifische Produkte - vom Labor- bis zum Technikumsmaßstab.
  • Destillative Auftrennung von Zwischenprodukten
  • Die Auslegung effizienter Prozessrouten, inklusive Reaktionsführung, Reaktorauslegung und Prozesssimulation.

Dank Testständen und Versuchsreaktoren in unterschiedlichen Größen können wir projektspezifisch das richtige Setup anbieten, z.B. Prescreening-Versuche im Batch-Reaktor, gefolgt von einer kontinuierlichen Hydrierung (Hydrotreatment) im Labormaßstab, und dem anschließenden Scale-Up in den Pilotmaßstab.

Überblick Leistungen im Downstream-Processing

Der Fraunhofer UMSICHT Institutsteil Sulzbach-Rosenberg entwickelt, optimiert und evaluiert Downstream-Prozesse für flüssige und gasförmige Einsatzstoffe.

Katalysatortests

Bei der Erforschung und Optimierung von Katalysatoren bieten wir verschiedene Optionen an: von Tests und Anpassung an neue Einsatzstoffe, bis zur kompletten, einsatzstoffspezifischen Neuentwicklung.

Das Katalysatormaterial kann dabei zur Verfügung gestellt oder von uns im Labor- bzw. Technikumsmaßstab selbst hergestellt werden. Ebenso kann der Einsatzstoff bereitgestellt werden und Experimente mit entsprechenden Vorgaben durchgeführt werden.

Dabei können zum einen flüssige Edukte wie Pyrolyseöle, halogenhaltige Kohlenwasserstoffe, Fischer-Tropsch-Produkte oder andere flüssige Einsatzstoffe getestet werden. Zum anderen besteht die Möglichkeit, gasförmige Einsatzstoffe wie Synthesegas oder Abgasströme aus Industrieprozessen in unterschiedlichen Zusammensetzungen zu testen, diese mit potentiellen Katalysatorgiften zu versehen, und das Reaktionsverhalten zu erproben.

Für die Erforschung und Optimierung von Katalysatoren evaluieren wir Aktivität, Selektivität, Produktivität und Alterung von Katalysatoren. Um aussagekräftige Testergebnisse zu erhalten erarbeiten wir ein individuelles Testprogramm mit der notwendigen Analytik. Diese ist dabei sehr vielfältig und erstreckt sich über GCxMS, Elementaranalyse, TAN, Wassergehalt, Heizwert usw. bis hin zur Analyse der Katalysatoren mittels XRD, REM, EDX.

Destillationen

Wir führen Batch-Destillationen mit Volumina je Batch zwischen 2 und 18 Litern durch. Größere Mengen können in mehreren Chargen verarbeitet werden.

Hierbei können Kopfprodukte bis zu einer Siedetemperatur von bis zu 350 °C unter Atmosphärendruck destilliert werden. Diese Temperatur kann durch die Destillation unter Vakuum noch erhöht werden. Die Destillationen finden unter inerter Atmosphäre statt.

Sämtliche Parameter während der Destillation werden mitgeloggt, so dass am Ende einer Testreihe exakt dokumentierte Ergebnisse zur Verfügung stehen.

Die genaue Durchführung der Destillation und der benötigten Analysen werden gemeinsam geplant. Hierfür können auch Simulationen der Destillationen durchgeführt werden.

Katalytische Umsetzung von verschiedenen Einsatzstoffen

Wir führen katalytische Umsetzungen wie Hydrierungen (Hydrotreatment), Isomerisierungen, Reformierungen und weitere katalytische Umsetzungen von diversen Einsatzstoffen durch.

Technische Ausstattung

Katalysator-Teststand / Labor-Hydrierung

Kombinierter Batch- und kontinuierlicher Katalysator-Teststand für die heterogene Katalyse zwischen Gas und Feststoff. Batch-Reaktor zum Screening von Katalysatoren und flüssigen oder gasförmigen Einsatzstoffen sowie kontinuierlicher Laborteststand zum Transfer der Bedingungen vom diskontinuierlichen zum kontinuierlichen Betrieb.

Katalysator-Teststand Labor
Katalysator-Teststand im Labormaßstab
  • Bis 10 g Katalysator möglich
  • Volumenströme von bis 4 Nl/min
  • Verfügbare Gase: H2, CO, CO2, He, N2 + ein weiteres gemischtes Prüfgas
  • Druck: 100 bar
  • Temperatur: bis 330°C (Thermalöl-Heizung)

Kontinuierliche Hydrieranlage / Hydrotreatment

Hydriersystem im Pilotmaßstab mit drei Hydrierreaktoren, die in unterschiedlicher Konfiguration miteinander verschaltet werden können. Herstellung von größeren Mengen an Produkt und Testung von größeren Mengen an Katalysator.

Bild Kontinuierliche Hydrieranlage
Kontinuierliche Hydrieranlage mit 3 Reaktoren
Bild2 Kontinuierliche Hydrieranlage
Integriertes Gasrecycling und GC-Online-Analytik
Bild3 Kontinuierliche Hydrieranlage
Durchsatz von 3 kg/h Einsatzstoff, 8000 l/h Wassserstoff

Die Anlage besteht aus drei Druckreaktoren, die je nach Anwendung in Reihe oder Parallel betrieben werden können. Der Anlagenbetrieb ist bis zu 500°C sowie 200 bar technisch zertifiziert. Die Druckreaktoren können dabei ein Gesamtvolumen von 7,5 Litern Katalysator fassen. Eine Rezyklierung der Prozessgase ist möglich, um die Effizienz des Gesamtprozesses zu erhöhen.

Hinsichtlich der eingesetzten Katalysatoren zeigt die Hydrieranlage maximale Flexibilität. Es können unterschiedlichste Formkörper sowie gesinterte Trägerkatalysatoren eingesetzt werden. Eine Aktivierung der Katalysatoren in den Druckreaktoren mit unterschiedlichsten Aktivierungsreagenzien kann durchgeführt werden, damit ist eine Aktivierung der Katalysatoren durch Sulfidierungsreaktionen möglich, indem der Katalysator aus der oxydischen Form in die Sulfid-Form überführt wird. Hierfür können Reagenzien wie Dimethyldisulfid und Wasserstoff verwendet werden, um den Schwefelwasserstoff bereitzustellen. Katalysatoren können ebenfalls nur durch Reduktion mit Wasserstoff in die aktive Form überführt werden.

Analytisch wird der Hydrierumsatz mittels eines online GC FID/WLD Gerätes untersucht. Hierbei können Permanentgase wie H2, CO, CO2 und N2 analysiert werden. Das online GC ist ebenfalls für die Produkte der Hydrierung kalibriert. Zu den Produkten gehören unteranderem H2S, NH3 und H2O.Aber auch Nebenprodukte der Hydrierung, die durch das Cracken von Kohlenwasserstoffen gebildet werden.

Die Kalibrierung der einzelnen Produkte liegt je nach zu erwartenden Mengen im Bereich zwischen 1000 ppm und mehreren Volumenprozent.

  • 30 ml Probenvolumen
  • 500 ml Reaktorvolumen
  • Diskontinuierlicher Betrieb
  • Druck: 200 bar
  • Temperatur: bis zu 500 °C (elektrisch beheizt)
  • Verfügbare Gase: Wasserstoff und Stickstoff

Batch-Destillation

  • Maximale Betriebstemperatur (Sumpf): 350°C
  • Verdampfertyp: Rundkolben 20 Liter
  • Betriebsdruck: 1000 - 1mbar abs.
  • Kolonnendurchmesser: DN 50
  • Kolonnenlänge: 1 Segment, ca. 1000 mm Trennlänge
  • Trennleistung mit WIRE MESH: bis zu 25 theoretischen Böden
  • Sammelbehälter: 5000 ml temperiert, mit Ablasshahn zur Entleerung in Schott-Laborflaschen, Ausschleusen von einzelnen Fraktionen auch unter Vakuum möglich
  • Batch-Rektifikation
  • Kolbenvolumen: 20 l
  • Stickstoffinertisierung während und vor der Destillation
  • Vakuum-Destillationen bis 10 mbar abs. möglich
  • Destillation unter Rücklauf mit automatisierter Flüssigkeitsverteiler möglich; Einstellung von verschiedenen Rücklaufverhältnissen möglich

Vorgehensweise im Projekt

Fraunhofer UMSICHT bietet eine individuelle, an das jeweilige Projekt angepasste Vorgehensweise an.

  • Zieldefinition zu Projektbeginn
  • Klärung der Problemstellung und Lösungsweg
  • Planung der Experimente (Parameter- und Anlagenauswahl)
  • Durchführung der Experimente
  • Ständiger Austausch um ggfs. im laufenden Projekt Anpassungen vorzunehmen
  • Abschließende Analytik (intern und extern)
  • Erstellung des Berichts und Diskussion der Ergebnisse

Ergebnisse der Zusammenarbeit         

Am Ende des Projekts steht eine ausführliche Projektdokumentation mit allen Versuchsparametern und Ergebnissen der Analytik. Die hergestellten Proben werden zur Verfügung gestellt.