PID-Micromeritics Referenz für Mikroaktivität
L. C. Almeida1, O. Sanz1, J. D'olhaberriague2, S. Yunes3, M. Montes1
- Dep. de Química Aplicada, Facultad de Química, Universidad del País Vasco UPV-EHU, P. Manuel de
Lardizábal 3, 20018 Donostia-San Sebastián, España. - PID Eng&Tech, S.L. C/Plomo 15, Polígono Industrial Sur, 28770 Colmenar Viejo, Madrid, Spanien
- Micromeritics Instruments Corporation, 4356 Communications Drive, Norcross, GA 30093, USA
Die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) ist eine bekannte Reaktion, die aufgrund des wachsenden Interesses am Mikro-GTL-Prozess wieder an Aufmerksamkeit gewinnt. Begleitgase in Offshore-Plattformen und isolierten Onshore-Gasfeldern (stranded gas) erfordern kompakte Einheiten, die in der Lage sind, Gas in viel kleinerem Maßstab in flüssigen Kraftstoff umzuwandeln, als dies in herkömmlichen GTL-Anlagen möglich ist. Infolgedessen wurden in den letzten zehn Jahren sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft mehrere Veröffentlichungen, Bücher und Patente zum Thema Mikrokanalreaktoren einschließlich des GTL-Prozesses und insbesondere FTS veröffentlicht.
Die Mikrokanaltechnologie bietet neue Möglichkeiten für FTS, die sehr kompakte Einheiten (Prozessintensivierung), eine eigensichere Funktionsweise und eine ausgezeichnete Temperaturregelung mit erheblicher Bedeutung für die Regelselektivität für flüssige Brennstoffe (C5+-Selektivität) ermöglichen.
Ziel dieser Mitteilung ist es, die Entwicklungen bei der Anpassung einer katalytischen Testeinheit (PID-Micromeritics Microactivity Reference) für die Prüfung von Mikrokanal-Querstromblöcken während FTS vorzustellen. Die Entwicklung ermöglicht es, dass dieselbe Einheit für die Prüfung von Pulverkatalysatoren, strukturierten Katalysatoren (Monolithen) und Mikrokanalblöcken verwendet werden kann.
Die Mikrokanalblöcke (Abbildung 1) bestehen aus 100 Mikrokanälen (0,7 x 0,7 x 20 mm), die mit einem FT-Katalysator (20%Co-0,5%Re/Al2O3) beschichtet sind, der senkrecht mit 100 ähnlichen Mikrokanälen zur Kühlung durchsetzt ist [1].
Die ursprüngliche Anlage ermöglichte die Kontrolle der Reaktortemperatur sowie des Drucks und des Durchflusses der verschiedenen Gasreaktanten. Eine zweite Flüssigkeitsleitung wurde entwickelt, um das exotherme FTS mit Wasser unter Druck zu kühlen. Diese Leitung umfasst eine Hochdruckpumpe, einen Heizer und ein Thermoelement zur Regelung der Wassertemperatur, einen Wärmetauscher, der einen Wasserkühlkreislauf ermöglicht, Druckmessfühler und ein motorisiertes Nadelventil zur Regelung des Wasserdrucks.
Die geringe Kompressibilität von flüssigem Wasser machte erste Versuche zur Druckkontrolle unmöglich. Zur Überwindung dieses Problems musste ein teilweise mit Luft gefüllter Behälter hinzugefügt werden, um die mit den Temperaturschwankungen verbundenen sehr großen Druckschwankungen abzufedern. Die letzte Strategie bestand darin, den Drucksollwert des Kühlwassers auf einen Druck einzustellen, der mindestens 20 bar über dem Wasserdampfdruck bei der FTS-Temperatur liegt. Unter diesen Bedingungen ist der Kühlstrom sehr stabil.
Zusätzliche Änderungen waren auch in der Steuerungssoftware erforderlich, um neue Regelkreise für den Kühlstrom (Temperatur und Druck) und die Überwachung der Hochdruckpumpe einzubeziehen.
The microchannel block was fitted with CFD-designed headers assuring homogeneous gas velocity at the entry of all microchannels and graphite gaskets guaranteeing excellent sealing (<L0.01). A double housing ensures strength to the compression and deformation of the graphite gaskets and includes heating cartridges for the reduction pretreatment (Figure 2). A tee junction at each gas inlet and outlet allows thermocouples to be arranged in contact with each block face. In combination with thermocouples on the upper and lower surfaces of the block, this enables complete monitoring of the microchannel unit through-out the data logging facility of the control software.
Es wurden mehrere Reaktionen mit Mikrokanalblöcken mit unterschiedlicher Katalysatorbeladung durchgeführt. Das System erwies sich als äußerst stabil. Die Standardtests wurden über mehrere Wochen durchgeführt, wobei Änderungen bei Durchfluss, Druck und Temperatur berücksichtigt wurden. Abbildung 3 zeigt den CO-Umsatz und die Methanselektivität unter verschiedenen Bedingungen in einem typischen Versuch.
Referenzen
- L. C. Almeida, F. J. Ehcave, O. Sanz, M. A. Centeno, G. Arzamendi, L. M. Gandia, E. F. Sousa-
Aguiar, J. A. Odeiozola, M. Montes, , "Fischer- Tropsch Synthesis in Microchannels", Chemical
Engineering Journal 167 (2011) 536-544.
