Experimentelle und modellbasierte Studien zur Bewertung des adsorptiven Reaktorkonzeptes am Beispiel der CLAUS-Reaktion

Martin Peter Elsner

ISBN 978-3-8325-0565-3
290 pages, year of publication: 2004
price: 40.50 €

Integrierte bzw. multifunktionale Reaktivprozesse, bei denen mindestens zwei physikalisch-chemische Funktionalitäten auf synergetische Art und Weise in einer einzigen Prozeßeinheit vereinigt werden, können zweifelsohne ein Gegenstück zu den in der Regel mehrstufigen, großtechnischen Verfahren darstellen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein multifunktionales adsorptives Reaktorkonzept, bei dem eine chemische Reaktion von einer Adsorptivtrennung eines Reaktionsproduktes überlagert wird, am Beispiel der ökonomisch und ökologisch interessanten, gleichgewichtslimitierten Claus-Reaktion untersucht. Erwartungsgemäß sollte der erzielbare Verstärkungseffekt der Gleichgewichtsverschiebung und die hierdurch resultierende Umsatzsteigerung durch die simultane H₂O-Entfernung wesentlich größer sein als durch die simultane S_n-Entfernung. Die immer restriktiver werdenden Umweltauflagen auf EU-Ebene hinsichtlich der SO₂-Emission steigern die Motivation, möglicherweise effizientere Prozeßvarianten zu entwickeln. Demzufolge stellt die vorliegende Arbeit eine Fallstudie zur Bewertung eines adsorptiven Reaktorkonzeptes für eine industriell interessante und umweltrelevante Testreaktion dar.

Nach vorhergehendem Screening und anschließendem Festlegen eines Zeolithen als adäquates und selektives Adsorptionsmittel für das Produkt H₂O wurden die Adsorptionseigenschaften im Bereich der Reaktionstemperatur mit Hilfe zweier unabhängiger Meßmethoden eingehend untersucht.

Die Reaktionskinetik der Claus-Reaktion wurde in Form einer Globalkinetik in einem gradientenfreien Differentialkreislaufreaktor ermittelt. Als Katalysator wurde dabei ein kommerzieller γ-Al₂O₃-Katalysator eingesetzt.

Auf der Basis der so ermittelten Kinetiken von Adsorption und Reaktion konnte anhand von Simulationsstudien gezeigt werden, daß die erwartete Umsatzsteigerung sowohl für den isothermen als auch für den adiabaten Betriebsfall prinzipiell möglich sein sollte.

Zur Validierung der theoretisch vorhergesagten Umsatzsteigerung wurden experimentelle Untersuchungen in einer eigens für dieses Reaktionssystem konzipierten Technikumsanlage durchgeführt. Ein Vergleich der H₂S-Umsatzkurven für den konventionellen sowie für den adsorptiven Fall läßt den Schluß zu, daß die simultane H₂O-Adsorption am Zeolithen augenscheinlich zu einer Umsatzsteigerung führt. Die durchgeführten Experimente gestatten sehr interessante Einblicke in den Mechanismus der nicht-stationär betriebenen Claus-Reaktion. Entgegen anfänglichen Überlegungen wurde ein unterschiedliches Sorptionsverhalten der beiden Edukte gegenüber dem Katalysator identifiziert, welches zum Auftreten eines Eduktschlupfes führt. Dies hat mitunter zur Folge, daß der erreichbare H₂S-Umsatz vom SO₂-Beladungszustand des Katalysators abhängt. Mit Hilfe dieser orientierenden Versuche werden erste Ansätze zur Diskriminierung der komplexen und sich gegenseitig stark beeinflussenden Effekte von Eduktadsorption, Reaktion und Produktadsorption gegeben. Zusätzlich werden die Modelle hinsichtlich der identifizierten Reaktions- und Adsorptionskanäle modifiziert und kritisch bewertet.