Direkte partielle Oxidation von Methan bei höherem Druck und die Auswirkung von Additiven

Sen, Fikri

Die partielle homogene Oxidation von Methan in stationären Maschinen wäre bei ausreichender Reaktionsgeschwindigkeit interessant zur gekoppelten preisgünstigen Erzeugung von Grundchemikalien wie Synthesegas, Formaldehyd, Methanol, Ethan, Ethen und weiteren hochwertigen Nutzchemikalien und der Abgabe von Wärme und Arbeit. Die Umsetzung des Brennstoffs mit dem Ziel, mehrere Größen, wie Arbeit, Wärme und Chemikalien, gleichzeitig auszugeben, wird auch Polygeneration genannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die kinetischen Grundlagen des Prozesses sowohl experimentell als auch theoretisch zu untersuchen. Die Oxidation von Methan und Reaktionsmischungen aus Methan und geringen Anteilen von Ethan, Propen und Dimethylether als Additiv wurden unter brennstoffreichen Verhältnissen (ϕ = 20,00−22,25), bei hohen Drücken (6 bar), bei hohen Temperaturen (T = 531−1030 K) und langen Verweilzeiten (τ = 4,5−14,3 s) in einem Strömungsrohrreaktor mit Kolbenströmung untersucht. Darüber hinaus wurde auch die partielle Oxidation von Methan bei einem stöchiometrischen Verhältnis von ϕ = 2 und die partielle Oxidation von Ethan bei ϕ = 17,50 untersucht. Die Experimente wurden in einem extern beheizten und von einem Edelstahlrohr ummantelten Quarzrohrreaktor durchgeführt. Der Strömungsrohrreaktor wurde kontinuierlich verbessert. Die Gaszusammensetzung der Produkte wurde mit einem Flugzeit-Massenspektrometer analysiert. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit Hilfe von Vergleichsmessungen in Kaltgasgemischen quantifiziert und mit den Ergebnissen aus den Modellierungen, welche auf Simulationen mit Elementarreaktionsmechanismen beruhen, verglichen. Weiterhin wurde das Potential zur Aktivierung der Methanumsetzung mit Ethan, Propen und Dimethylether als Additive untersucht. Die detaillierte Analyse der Reaktionskinetik zeigt, dass die partielle Oxidation von Methan sehr stark durch die Bildung und durch den Verbrauch von OH-Radikalen beeinflusst wird. Der geschwindigkeitsbestimmende Teilschritt im Reaktionsnetzwerk ist die Umsetzung des Methans mit dem Hydroxyl-Radikal. Die Bildung von Methanol wird durch hohe Drücke begünstigt. Die Konzentrationen der anderen Chemikalien wie CO, H2 und C2H4 steigen mit der Reaktionstemperatur an. Ethan als Additiv zeigt keinen Aktivierungseffekt bei den Experimenten. Es wird lediglich die Produktverteilung leicht in Richtung Ethen verschoben. Des Weiteren steht Ethan in Konkurrenz mit dem Methan beim Verbrauch der wichtigen OH-Radikale bei der Startreaktion. In den Experimenten mit Propen als Additiv startet die Umsetzung bei niedrigeren Temperaturen und die C1-Chemie wird beeinflusst. Die Konzentration für das Zwischenprodukt Methanol, sowie die Molanteile von Formaldehyd und Kohlenmonoxid steigen durch Propenzusatz in die Eduktgasmischung. Die Erhöhung der Propenkonzentration als Additiv erhöht die Ausbeute an Methanol. Dimethylether als Additiv zeigt bei niedrigen Reaktionstemperaturen eine hohe Reaktivität und senkt die Starttemperatur. Eine weitere Erhöhung der DME-Konzentration in der Reaktionsmischung hat keinen Einfluss auf die Starttemperatur. Jedoch steigt durch DME-Zusatz die OH-Konzentration signifikant an. Der Vergleich der experimentellen Daten mit der Simulation zeigt, dass die Konzentrationsverläufe grundsätzlich korrekt erfasst werden, jedoch die absoluten Molanteile Abweichungen aufweisen. Die detaillierte Analyse der Reaktionskinetik zeigt, dass die Startreaktion von Methan mit dem Hydroxyl-Radikal bei allen Experimenten eine wichtige Rolle spielt. Angesichts der geringeren Reaktivität von Methan unter 1000 K ist die Zugabe von Additiven zum Gasgemisch ein gangbarer Weg, um die Starttemperatur zu senken und die partielle Oxidation von Methan attraktiver für die Erzeugung von Basischemikalien zu machen. Die experimentellen Ergebnisse in dieser Arbeit liefern wertvolle Daten zur Validierung von Reaktionsmechanismen in der Forschergruppe.

Preview

Share and cite

Citation style:

Sen, Fikri: Direkte partielle Oxidation von Methan bei höherem Druck und die Auswirkung von Additiven. 2017.

Could not load citation form. Default citation form is displayed.

Rights

Use and reproduction:

Export