Gewinnung und Hydrierung von Fischer-Tropsch Wachsen

Abstract

Über den Prozess der Fischer-Tropsch-Synthese wurde bisher viel Forschung in Richtung Gewinnung von Treibstoffen, wie etwa Biodiesel oder Kerosin betrieben. Ferner lässt sich auch ein weiterer Stoff, der bisher als Zwischenprodukt behandelt wurde, gewinnen - Wachs. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der Gewinnung und in der Aufreinigung (Hydrierung) von Fischer-Tropsch-Wachsen als Basisstoff für die chemische Industrie. Wachse gelten als vielseitiger Einsatzstoff. Neben Anwendungen in der Kunststoff-, Kerzen- , Klebstoffoder Kautschukindustrie werden Wachse auch in der Pharmazie, Kosmetik oder auch in der Lebensmittelindustrie verwendet. Paraffinwachse werden traditionell aus Erdöl gewonnen. Eine Alternative dazu sind Fischer-Tropsch-Wachse. Diese können mit einem Synthesegas aus biogenen Quellen gewonnen werden. Daher handelt es sich um BIO-Wachse. Neben der Gewinnung aus biogenen und damit CO2-neutralen Quellen haben FT-Wachse eine Vielzahl an weiteren Vorteilen, wie beispielsweise die nahezu vollständige Abwesenheit von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen. Um Wachse in der Pharmazie, Kosmetik und der Lebensmittelindustrie verwenden zu dürfen, müssen gewisse Kriterien erfüllt werden. Diese sind für die Verwendung in der Pharmazie in Europa im Europäischen Arzneibuch und für die Verwendung für Lebensmittel und Arzneimittel in den USA in der Food and Drug Administration festgehalten. Am Forschungsstandort Güssing wurde Rohwachs in einer Laboranlage mittels der Fischer- Tropsch-Synthese gewonnen. Das dafür verwendete Synthesegas wurde vom Biomassekraftwerk Güssing durch Biomassevergasung bereitgestellt. Durch eine thermische Trennung wurde aus dem Rohwachs ein mittelschmelzendes und ein hochschmelzendes Wachs gewonnen. Diese galt es nun in Kooperation mit der Firma „Hansen & Rosenthal Chem- Pharm GmbH“ (kurz „H & R“) in einer Technikumsanlage am Standort Salzbergen (D) aufzureinigen. Dazu wurde das Verfahren der Hydrierung verwendet. Die Erfüllung von entsprechenden Industriestandards wurde angestrebt. Das mittelschmelzende Wachs wurde nach der Hydrierung auf die Erfüllung des Europäischen Arzneibuches bezüglich „Hartparaffin“ getestet. Im Zuge einer Parametervariation wurden hierfür möglichst ökonomische Hydrierbedingungen gefunden, bei denen die Arzneibuchkriterien immer noch erfüllt werden konnten. Das hochschmelzende Wachs wurde nach der Hydrierung auf die Erfüllung der FDA bezüglich „synthetic paraffin“ getestet. Hierzu wurden über eine Parametervariation möglichst gute Bedingungen gefunden, um das Wachs bestmöglich aufzureinigen. Dafür waren höhere Temperaturen notwendig, bei denen allerdings Crack-Reaktionen festgestellt wurden. In einem weiteren Projektschritt wurde die Fischer-Tropsch-Anlage im Labormaßstab in Güssing optimiert. Die Anlage wurde einerseits im Hinblick auf eine Vergaserunabhängigkeit auf Flaschengas umgestellt und andererseits mit einer Tailgasrückführung ausgestattet. Dies ist zum einen ein wichtiger Modifikationsschritt in Richtung Industrieanlage und hat zum anderen den Vorteil der besseren CO-Konversion.

Much research has been done on the process of Fischer-Tropsch synthesis production of fuels, such as biodiesel or kerosene. Furthermore, there are substances that have so far been treated as intermediate products, the waxes. This work focuses on the extraction and purification (hydrogenation) of Fischer-Tropsch waxes as raw materials for the chemical industry. Waxes are considered as multifunctional raw materials. Besides their application in the plastic, natural rubber-, candles-, or adhesives industries, waxes are also used in the pharmacy and food industry, as well as in cosmetics. Paraffin-waxes are traditionally extracted from petroleum. The Fischer-Tropsch waxes provide an alternative. They can be obtained with a synthesis gas from biogenic sources. Therefore, they are organic waxes. In addition to extraction from biogenic and therefore CO2 neutral sources, FT waxes have many benefits, such as the absence of polycyclic aromatic hydrocarbons. To use waxes in the pharmacy, cosmetics and the food industry certain criteria must be fulfilled. These criteria are detained in the European Pharmacopoeia or the Food and Drug Administration. At the research center in Güssing, the waxes were manufactured in a laboratory facility over the Fischer-Tropsch synthesis. The used synthesis gas was provided by the biomass power plant Güssing and resulted from the “Dual-Fluidized-Bed-Process” (DFB-Process). After thermal separation, two wax cuts were won. The wax cuts were purified in cooperation with the company “Hansen & Rosenthal ChemPharm GmbH” (short “H& R”) in a pilot plant at Salzbergen (Germany). For this purpose, the method of hydrogenation was used. One of the purified wax cuts was tested concerning the European Pharmacopoeia and the other was tested to meet the FDA requirements. In a further project step, the laboratory Fischer-Tropsch plant in Güssing was optimized. On the one hand the plant was remodelled to bottled gas and on the other hand equipped with a tailgasrecycling-system. The tailgasrecycling-system was built in to achieve a higher CO conversion. This is an important modification step towards an industrial plant. Moreover, it enables an economic utilisation of the CO.