Untersuchungen zum Mechanismus der Fischer-Tropsch-Synthese im Profilreaktor

Die Fischer-Tropsch-Synthese ist eine zentrale Prozessstufe zahlreicher Power-to-X-Konzepte zur nachhaltigen Herstellung hochwertiger chemischer Produkte aus CO₂ und H₂O unter Nutzung erneuerbarer Energien. Wesentliche Merkmale der Produktsynthese an eisenbasierten Katalysatoren, z. B. zur Erzeu­gung höherer Alkohole, sind das Vorliegen zahlreicher kataly­tisch aktiver Phasen, ein großes Reaktionsnetzwerk sowie ein Produktgemisch aus Kohlenwasserstoffen verschiedener Stoff­gruppen und Kettenlängen. Aufgrund dieser Komplexität ist der zugrundeliegende Reaktionsmechanismus bisher nur unzu­reichend verstanden – dies erschwert die Prozessoptimierung nach ökologischen und ökonomischen Kriterien. Der Einsatz von in-situ-Analyseverfahren bietet einen vielversprechenden Zugang zu bisher nicht zugänglichen Informationen.

Das neuartige Reaktorkonzept des Profilreaktors erlaubt erst­mals einen Blick ins Innere von Rohrreaktoren, so dass ablau­fende Haupt-, Neben- und Parallelreaktionen direkt anhand der Produktverteilung beobachtbar sind. Zur Probennahme dient eine zentral im Katalysatorbett angeordnete Kapillare, welche relativ zur Katalysatorschüttung bewegt werden kann. Die hierüber entnommene Gasphase wird gaschromatogra­phisch auf ihre Zusammensetzung untersucht. Das Ergebnis sind positionsaufgelöste Reaktionsprofile, die Rückschlüsse zu­lassen auf den Charakter des Kettenwachstums, auf kinetische Kenngrößen wie die Reaktionsrate, auf Readsorption sowie auf Sekundärreaktionen von Zwischenprodukten.

Durch Variation der Katalysatorzusammensetzung und der Betriebsbedingungen sind Aussagen zu den Struktur-Wirkungs-Beziehungen im Katalysator möglich. In den durchgeführten Untersuchungen konnten direkte Zusammenhänge zwischen dem Ausmaß der ablaufenden Sekundärreaktionen und den Reaktionsbedingungen aufgezeigt werden. Insbesondere Oxy­genate wie höhere Alkohole – ein vielversprechendes Zielpro­dukt der Fischer-Tropsch-Synthese an Eisenkatalysatoren – ten­dieren aufgrund ihrer chemischen Struktur stark dazu, in Nebenreaktionen zu unerwünschten Sekundärprodukten umgesetzt zu werden. Für eine Optimierung der Ausbeute an höheren Alkoholen ist deshalb das Verständnis des Reaktionsmechanis­mus besonders wichtig. Konkret konnte gezeigt werden, dass es durch eine gezielte Einstellung von Betriebsbedingungen wie Temperatur, Katalysatorbelastung sowie Druck möglich ist, diese unerwünschten Reaktionen zu unterdrücken. Weiterhin kann durch Applikation sogenannter Promotoren wie Kalium, Kupfer oder Molybdän die Produktselektivität in Richtung der höheren Alkohole verschoben werden.

Die etablierte Methodik kann auch zur Untersuchung und Auf­klärung von Reaktionsmechanismen anderer komplexer Reak­tionen eingesetzt werden.