Synthesegas

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Als Synthesegas bezeichnet man im weitesten Sinne ein Gasgemisch, das zu einer Synthese eingesetzt wird, so z. B. auch das Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff für die Ammoniaksynthese. Im engeren Sinn versteht man unter Synthesegas industriell hergestellte Gasgemische, die hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff neben wechselnden Mengen weiterer Gase enthalten. Je nach Herstellungsverfahren oder Verwendungszweck sind auch einige andere Begriffe für Synthesegas in Gebrauch: Wird Synthesegas aus Wasser gewonnen, so wird es Wassergas genannt, bei Methan als Quelle Spaltgas. Methanol-Synthesegas ist Synthesegas für die Methanolherstellung, Oxogas für die Hydroformylierung (oder Oxosynthese).

Herstellung[Bearbeiten]

Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen (s-solid), flüssigen (l-liquid) und gasförmigen (g-gaseous) Edukten (Ausgangsstoffen) erfolgen.

Synthesegas aus festen Edukten[Bearbeiten]

Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem die Kohlevergasung zu nennen. Kohle – C(s) wird hierbei in einer Mischung aus partieller (teilweiser/unvollständiger) Oxidation mit Luft- oder reinem Sauerstoff – O2(g) und Vergasung mit Wasserdampf – H2O(g) zu einem Gemisch aus Kohlenmonoxid – CO(g) und Wasserstoff – H2(g) umgesetzt. Durch das Boudouard-Gleichgewicht steht CO(g) noch mit C(s) und Kohlendioxid – CO2(g) im Gleichgewicht:

\begin{alignat}{2} 
\mathrm{2 \; C + O_2} & \longrightarrow \mathrm{2 \; CO}, &\quad& \mathrm{\Delta}H = -221 \; \mathrm{kJ/mol}\\
\mathrm{C + H_2O} & \longrightarrow \mathrm{CO + H_2} , && \mathrm{\Delta}H = +131{,}3 \; \mathrm{kJ/mol}\\
\mathrm{C + CO_2} & \rightleftharpoons \mathrm{2 \; CO} , && \mathrm{\Delta}H = +172{,}4 \; \mathrm{kJ/mol}
\end{alignat}

Weiterhin muss das Wassergas-Gleichgewicht berücksichtigt werden:

\mathrm{CO + H_2O \rightleftharpoons  CO_2 + H_2 }, \quad \mathrm{\Delta}H = -41{,}2 \; \mathrm{kJ/mol}

Die Umsetzung mit Sauerstoff liefert dabei durch die exotherme Reaktion die notwendige Energie zur Erzielung der hohen Reaktionstemperatur für die endotherme Vergasungsreaktion von Kohle mit Wasserdampf.

Durch geschickte Wahl der Einsatzstoffe kann die Zusammensetzung des Synthesegases gesteuert werden (je nach gewünschtem Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgehalt).

Da in Kohle neben Kohlenstoff noch weitere Elemente enthalten sind (Schwefel, Stickstoff, Vanadium,…), muss das erhaltene Synthesegas nach dem Reaktor noch aufwendig gereinigt und aufbereitet werden. Hierbei müssen vor allem Wasser, CO2, Ruß und H2S entfernt werden.

Neben Kohle ist prinzipiell auch der Einsatz anderer Feststoffe wie z. B. Biomasse (Holz, Stroh) denkbar, jedoch ist hierbei auch eine Vorbehandlung der Einsatzstoffe und eine Nachbehandlung bzw. Reinigung des Synthesegases notwendig.

Synthesegas aus flüssigen Edukten[Bearbeiten]

Als flüssige Edukte für Synthesegas können unterschiedliche Rohöldestillate eingesetzt werden, sowohl leichtsiedende als auch hochsiedende Fraktionen. Leicht siedende Destillate können nach Entfernung von Schwefel durch Umsetzung mit Wasserdampf nach dem Dampfreformierung-Verfahren umgesetzt werden. Das Steam-Reforming-Verfahren ist eine endotherme Reaktion, welche an einem heterogenen Katalysator durchgeführt wird (Reaktion am Beispiel Pentan):

\mathrm{C_5H_{12} + 5 \; H_2O \longrightarrow 5 \; CO + 11 \; H_2 },  \quad \mathrm{\Delta}H = +802{,}9 \; \mathrm{kJ/mol}

Beim Einsatz von hochsiedenden Ölfraktionen (flashed visbroken residue, siehe Cracken) wird die partielle Oxidation durchgeführt, welche ohne Katalysator auskommt (Reaktion am Beispiel Pentan):

\mathrm{2 \; C_5H_{12} + 5 \; O_2 \longrightarrow 10 \; CO + 12 \; H_2 }, \quad \mathrm{\Delta}H = -406{,}3 \; \mathrm{kJ/mol}

Synthesegas aus gasförmigen Edukten[Bearbeiten]

Das wichtigste gasförmige Edukt zur Synthesegaserzeugung ist Erdgas. Das Erdgas wird hierbei mit Wasserdampf nach dem Dampfreformierungs-Verfahren umgesetzt:

\mathrm{CH_4 + H_2O \longrightarrow CO + 3 \; H_2 } , \quad \mathrm{\Delta}H = +206{,}2 \; \mathrm{kJ/mol}

Erdgas liefert im Vergleich mit den anderen Edukten den höchsten Anteil an Wasserstoff im Verhältnis zu Kohlenmonoxid. Neben dem Steam-Reforming-Verfahren kann man Erdgas auch durch partielle Oxidation zu Synthesegas umsetzen:

\mathrm{2 \; CH_4 + O_2 \longrightarrow 2 \; CO + 4 \; H_2} , \quad \mathrm{\Delta}H = -35{,}7 \; \mathrm{kJ/mol}

Synthesegas für die Ammoniak-Synthese stellt man auch durch partielle Oxidation her, wobei hier Luft anstelle von reinem Sauerstoff verwendet wird. Das anfallende Kohlenmonoxid wird in einer zweiten Reaktionsstufe mit Wasserdampf zu CO2 und weiterem Wasserstoff konvertiert (umgesetzt):

\begin{align}
\mathrm{2 \; CH_4 + O_2 \; (+ \; 4 \; N_2)} & \longrightarrow \mathrm{2 \; CO + 4 \; H_2 \; (+ \; 4 \; N_2)}\\
\mathrm{CO + H_2O} & \longrightarrow \mathrm{CO_2 + H_2}\\
\hline
\mathrm{2 \; CH_4 + O_2 \; (+ \; 4 \; N_2) + 2 \; H_2O} & \longrightarrow \mathrm{2 \; CO_2 + 6 \; H_2 \; (+ \; 4 \; N_2)}
\end{align}

Nach Abtrennung von CO2 wird dann eine Mischung aus N2 und H2 erhalten, welche anschließend noch auf das gewünschte N2/H2-Molverhältnis eingestellt werden muss.

Synthesegasreinigung[Bearbeiten]

An alle genannten Herstellungsverfahren schließen sich nach dem Reaktor mehr oder weniger aufwändige und komplexe Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren an. Im Wesentlichen sind dies:

  • Rußabtrennung
  • Wasserentfernung und Trocknung
  • Abtrennung von Schwefelverbindungen
  • Einstellung des gewünschten CO : H2-Verhältnisses
  • CO2-Abtrennung.

Verwendung[Bearbeiten]

Produkte der Synthesegaschemie

Am häufigsten werden Synthesegase verwendet:

  1. in der Methanolsynthese
    • \mathrm{CO + 2 \ H_2 \longrightarrow CH_3OH}
  2. in der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren
    • \mathrm{N_2 + 3 \ H_2 \longrightarrow 2 \ NH_3}
  3. in der Oxosynthese
    • \mathrm{R{-}CH{=}CH_2 + CO + H_2 \longrightarrow R{-}CH_2CH_2CH{=}O}
  4. in der Fischer-Tropsch-Synthese
    • n \; \mathrm{CO} + (2n+1) \; \mathrm{H}_2 \longrightarrow \mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2} + n \; \mathrm{H}_2\mathrm{O}

Neben diesen chemisch-technischen Anwendungsbereichen kann Synthesegas auch über eine Fermentation biotechnologisch genutzt werden. Produkte dieser Option können bsp. Alkohole wie Ethanol, Butanol und 1,2-Propandiol, Aceton sowie organische Säuren sein.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Klaus Weissermel, Hans-Jürgen Arpe: Industrielle Organische Chemie. 6. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-5273-1540-6, S. 15–30.
  •  Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto, Dietmar Werner: Industrial Inorganic Chemistry. 2. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2000, ISBN 978-3-527-29849-5, S. 32–38.
  • Dingler Online: Dellwik-Fleischer's Wassergasverfahren und seine Anwendungen. (1899)