Recherche über Einsatzmöglichkeiten von hochmolekularem Fischer-Tropsch-Wachs inklusive labortechnischer Charakterisierung

Abstract

In einem Slurry Bubble Column Reaktor (SBCR) können mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) Kohlenwasserstoffe synthetisch hergestellt werden. Die Produkte der FTS finden Anwendung als Kraftstoff und als Grundstoff in der chemischen Industrie. Das ver-wendete Synthesegas wurde vom kommerziell betriebenen Combined Heat and Power (CHP) Biomassevergaserkraftwerk Güssing bereitgestellt. Bei der FTS entstehen hauptsächlich Wachs-, Mitteldestillat-, Naptha- und Wasserfraktionen. Zu Beginn der Arbeit wurde durch eine Literaturrecherche erhoben, welche chemischen und physikalischen Eigenschaften für technische Wachsapplikationen notwendig sind. Danach wurden labortechnische Untersuchungen mit den Wachsproben durchgeführt. Bei drei verschiedenen Messreihen am SBCR wurde jeweils ein anderer vorindustrieller co-baltbasierter Katalysator eingesetzt. Die Versuche der Messreihen wurden mit konstantem und schwankendem Feedstrom durchgeführt. Die untersuchten Wachsproben wurden bei sechs verschiedenen Prozessbedingungen hergestellt. Auswirkungen auf Wachseigenschaften unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Co-Katalysatoren wurden geprüft. Mit der Suche nach möglichen Anwendungen von FT-Wachsen wurden relevante Eigenschaften von Wachse erhoben. Diese ausgewählten Eigenschaften wurden bei den FT-Wachsen untersucht. Speziell wurde die Dichte, die Viskosität, die Nadeleindringtiefe, die Säurezahl, der Aschegehalt, das Schmelz- und das Erstarrungsverhalten der Proben be-stimmt und mit kommerziell erhältlichen Wachsproben verglichen. Einige mögliche Anwendungsgebiete werden für die getesteten Wachsproben in Aussicht gestellt. Diese erfüllen die Qualitäten von einzelnen Produkten in der Kerzenherstellung und in der Kautschukverarbeitung. Ideen für neue Einsatzmöglichkeiten der FT-Wachse gibt es. Ihre Realisierung setzt zusätzliche Untersuchungen voraus. Es gibt noch offene Fragen in Hinblick auf Lagerung und Transport der untersuchten FT-Wachse. Aus den Untersuchungen dieser Arbeit geht hervor, dass die Dichte, der Aschegehalt und die Säurezahl bei allen sechs Proben jeweils sehr ähnlich sind und somit nicht von der Wahl des Katalysators oder von einem schwankenden bzw. konstanten Feedstrom abhängen. Die Versuche zeigen auch, dass das Viskositäts-, das Schmelz- und das Erstarrungsverhalten von der Wahl des Katalysators abhängen. Durch Veränderung der Kopftemperatur bei der Va-kuumdestillation wurden merkliche Änderungen der Nadeleindringtiefe, der Viskosität und des Flammpunkts bei den Wachsproben festgestellt. Im Vergleich zu handelsüblichen FT-Wachsen, besitzen die untersuchten Wachse sehr ähnliche Werte mit Ausnahme der Nadel-eindringtiefe und des Schmelzverhaltens.

In a Slurry Bubble Column Reactor (SBCR) hydrocarbons can be produced by Fischer-Tropsch-Synthesis (FTS). The products generated through FTS are used as fuel and as feed material by the chemical industry. The lab scale SBCR runs on syngas from a nearby Combined Heat and Power biomass plant in Güssing, which is powered by wood chips. The FTS generates fractions of wax, water, naphtha, and diesel. At the beginning of this manuscript, a literature search was carried out to ascertain which chemical and physical properties are necessary for technical wax applications. There after, laboratory tests were performed with the FT-wax samples In each of three different series of measurements at the SBCR, a different pre-industrial co-balt-based catalysts was used. The experiments of the series of measurements were carried out with constant and switching feed-rates. The investigated wax samples were produced under six different process conditions. Effects on wax properties under different operating conditions and co-catalysts were examined. Based on the current knowledge, possible applications for the waxes have been identified, which include candle production and rubber processing. To broaden the usage of these waxes further investigations are necessary, especially as some waxes require further optimization for the respective application. These investigations demonstrate that density, ash content and acid number were similar between the six different waxes. Thus, these parameters are not affected by the choice of catalysts or variation of feed rate. The experiments demonstrate, however, that viscosity, congealing and melting behavior do depend on the choice of the catalyst. Significant property changes are observed on viscosity, flash point and needle penetration depth by shifting the head temperature at the vacuum distillation. In comparison available FT-waxes, the waxes studied have very similar values, with the exception of the needle pene-tration depths and the melting behavior.