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Reaktionen von Gasen an Metalloberflächen Motivation und Zielsetzung Experiment und Aufbau Eigenschaften von Cordierit Simulation Ergebnisse Ausblick Veröffentlichungen Literatur zum Thema english version

Scientific Work: Group of Dr. Hans-Robert Volpp
 
 

Motivation: Methan ,ein Naturgas, ist sauber, reichlich vorhanden und eine leicht extrahierbahre Quelle. Da die Vorkommen weit von Verbrennungsanlagen entfernt sind, ist der Transport von Methan in komprimierter oder flüssiger Form nicht nur teuer, sondern auch risikoreich. Wünschenswert wäre eine einfache Konversion zu flüssigen Produkten. Eine Möglichkeit bietet die partielle Oxidation von Methan zu CO und H2 (Syngas), das als Zwischenprodukt zur Herstellung von Methanol oder von niederen Alkanen (Fischer-Tropsch) dienen kann. Heterogene Katalysen ,speziell Reaktionen von Gasen an Metalloberflächen, bieten eine Variante zur Syngasherstellung mit hoher Selektivität und guter Ausbeute bei geringem Energiebedarf.

 

Zielsetzung Die Katalytische Partialoxidation ist durch ein komplexesWechselspiel von Massen- und Wärmetransport sowie Heterogener und Homogener Reaktionskinetik in den Monolithkanälen gekennzeichnet. Das Verständnis und die Optimierung der Verfahren erfordert eine detaillierte Betrachtung aller Teilprozesse der Reaktion und deren Kopplung. Ziel der Arbeit besteht in der Aufklärung dieser Teilprozesse und deren Wechselwirkung durch experimentelle und numerische Untersuchungen. Besonderer Wert wird hierbei auf exakte Übereinstimmung zwischen dem Experiment und Modell bzw. Simulation gelegt.

 

Experiment: In einem Strömungsreaktor wird Methan an einem mit Platin oder Rhodium beschichteten Monolithen katalysator oxidiert.  Dabei wird durch das Glasrohr mit einem Innendurchmesser von 24 mm Sauerstoff, Methan und Argon durchgeleitet. Bei den Experimenten wird zum einen das Methan/Sauerstoffverhältnis von 1,5 bis 2,5 variiert, die Verdünnung mit Argon (70% - 700) und zum anderen der gesamte Gasfluss, bzw. die Strömungsgeschwindigkeit. Der Monolith besteht aus Cordierit, mit 20 mm Durchmesser und 10 mm Länge. Die Reaktionsprodukte werden anschließend mit einem Quatropomassen- spektrometer analysiert.

 

Eigenschaften von Cordierit
Summenformel:	Al2O3 * MgO * 5SiO2
Wärmekapazität für wasserfreien Mg-Cordierit:	295-425 K
Wärmeleitfähigkeit:	1,5 - 2,5 W/m/K
mittlerer Längenausdehnungskoeffizient 30-100 °C	1 - 3 10-6K-1
30-600 °C	2 - 4 10-6K-1
Spezifischer Widerstand bei 20 °C/200 °C	1010
Verlustfaktor bei 20 °C, 48 bis 62 HZ	25 tandpf [10-3]
Permittivitätszahl, 46 - 62 HZ	5
Durchschlagfestigkeit, min.	10 Ed [kV mm-1]
Offene Porosität	0,5 max. Vol.%
Dichte	2,1 [gcm-3]
Biegfestigkeit	60 [Nmm-2]

 

Simulierung Die Modellierung wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Olaf Deutschmann und Dr. Luba Maier des IWRs durchgeführt. Zwei Modellansätze wurden behandelt:  2D-Simulation eines einzelnen Kanals im Monolithen mit dem Plugflow-Modell (ideales Strömungsrohr, d. h. keine Transportvorgänge in radialer Richtung) 3D-Simulation eines einzelnen Kanals im Monolithen mit Hilfe des CFD-Code FLUENT (reales Strömungsfeld, d. h. durch Berechnung der Navier-Stokes Gleichungen wurden radiale Transportvorgänge von Wärme, Impuls Diffusion ... berücksichtigt.).