Auslegung und Versuchskonzept eines Slurry-Reaktors für die Fischer-Tropsch-Synthese

Abstract

Ein Ziel dieser Arbeit ist die Auslegung eines 450 ml Slurry-Reaktors für die Fischer-Tropsch- Synthese. Die space velocity und die Produktströme wurden anhand des Synthesegasvolumenstroms berechnet. Damit konnte ein maximaler Volumenstrom für die mass flow controller festgelegt werden. Ein weiteres Teilziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines Sicherheitskonzepts für einen sicheren Umgang und Betrieb der Anlage. Dafür wurden die Gefahrenbereiche der Versuchsapparatur analysiert und Sicherheitsmaßnahmen für eine Gefahrenminimierung erstellt. Außerdem soll in dieser Arbeit eine Versuchsplanung und eine Auswertung eines theoretischen Versuchs beschrieben werden. Die Berechnung erfolgte anhand einer abgeschätzten Selektivität für einen Co-Katalysator mit einer Kettenwachstumswahrscheinlichkeit α = 0,9, einer CO-Conversion von 0,5, einem Synthesegasvolumenstrom von 60 Nl/h, einem H2:CO-Verhältnis von 2:1, einer Katalysatormasse von 20 g und Betriebsbedingungen von 20 bar und 220 °C. Die space velocity und andere wichtige Parameter der Fischer-Tropsch-Synthese wurden anhand von Versuchen aus der Literatur mit ähnlichen Versuchsaufbauten analysiert.Anhand der space velocity und der Produktströme bei der Fischer-Tropsch-Synthese ergab sich für den maximalen Volumenstrom des H2- und CO-MFCs ein Wert von je 100 Nl/h. Die Gefahren des Reaktors ergeben sich vor allem durch den hohen Druck (bis 180 bar) bzw. einem Austritt von brennbaren (H2 und Kohlenwasserstoffe) und giftigen (CO2 und CO) Gasen. Deswegen muss nach jedem Umbau der Anlage eine Dichtheitsprüfung mit Stickstoff durchgeführt werden. Um die Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre im Abzug zu verhindern, wurde eine Fackel für die Ableitung vorgesehen. Während des Betriebs des Reaktors ist außerdem ein Gaswarngerät einzusetzen. Die Berechnung der Produktströme ergab für den gasförmigen Volumenstrom (CO, H2, CH4, C2H6) 28.889 Nml/h und für den kondensierten flüssigen Volumenstrom im Abscheider (H2O, C3H8 – C10H22) 13,1 ml/h. Bei den Betriebsbedingungen nicht-verdampfte Kohlenwasserstoffe (C10+) verbleiben im Reaktor mit einem Volumenstrom von 2,8 ml/h.

One major goal of this work is the design calculation of a 450 ml slurry reactor for experiments analyzing the Fischer-Tropsch synthesis. The space velocity and the product flows were calculated based on the synthesis gas volume flow. Consequently, the mass flow controllers for H2 and CO were calibrated based on the determined maximum flow rates. Another sub- objective of this work is the preparation of a safety concept for safe handling and operation of the experimental facility. For this purpose, the hazardous areas of the experimental apparatus were analyzed and safety measures for hazard minimization were established. Furthermore, an experimental set-up and an evaluation of a theoretical experiment shall be described in this thesis. The expected product flow rates were calculated using an estimated selectivity for a cobalt-catalyst with a chain growth probability α = 0,9, a CO conversion of 0,5, a syngas volume flow of 60 Nl/h, a H2:CO ratio of 2:1, a catalyst mass of 20 g, and operating conditions of 20 bar and 220 °C. The space velocity and other important parameters of the Fischer-Tropsch synthesis were analyzed using experiments from literature with similar experimental setups.Based on the space velocity and product flows in Fischer-Tropsch synthesis, the maximum volumetric flow rate of the H2 and CO MFCs was found to be 100 Nl/h each. The potential safety risks of the reactor are mainly due to the high pressure (up to 180 bar) and an escape of flammable (H2 and hydrocarbons) and toxic (CO2 and CO) gases. For this reason, a leakage test with nitrogen must be carried out after each modification of the system. To prevent the formation of an explosive atmosphere in the fume hood, a flare has been provided for discharge. A gas warning device must also be used during operation of the reactor. The calculation of the product flows resulted in 28.889 Nml/h for the gaseous volume flow (CO, H2, CH4, C2H6) and 13,1 ml/h for the condensed liquid volume flow in the separator (H2O, C3H8 - C10H22). At the operating conditions non-evaporated hydrocarbons (C10+) remain in the reactor with a volume flow of 2,8 ml/h.