Ein bahnbrechender Reaktor, der von Ingenieuren der University of Michigan entwickelt wurde, kann Erdgas effizient in Propylen umwandeln, was möglicherweise zu erheblichen Kosteneinsparungen bei der Produktion wichtiger Industrie- und Verbraucherprodukte führt. Ingenieure der University of Michigan haben einen neuen chemischen Reaktor entwickelt, der die Herstellungskosten in einer Post-Öl-Wirtschaft um Millionen von Dollar senken könnte, indem er Erdgas zur Herstellung eines wichtigen Bestandteils in Kunststoffen, Klebstoffen, Teppichfasern, Haushaltsreinigern und anderen Produkten nutzt.

Der Reaktor produziert Propylen, eine wichtige Chemikalie, die auch zur Herstellung einer Reihe von Stoffen verwendet wirdZu den Industriechemikalien gehört Nitrilkautschuk, der in Automobilschläuchen und -dichtungen verwendet wird, sowie der Rohstoff für blaue Schutzhandschuhe. Der Großteil des heute verwendeten Propylens stammt aus Raffinerien, die Propylen als Nebenprodukt bei der Raffinierung von Rohöl zu Benzin sammeln.

Da Öl und Benzin nach und nach durch Erdgas, Solar- und Windenergie ersetzt werden, könnte die Produktion von Propylen und anderen aus Erdöl gewonnenen Produkten ohne neue Produktionsmethoden unter die aktuelle Nachfrage fallen.

Herausforderungen bei der Herstellung von Propylen

Aus Schiefer gewonnenes Erdgas hat das Potenzial, aus Rohöl gewonnenes Propylen zu ersetzen. Erdgas ist reich an Propan, das Propylen sehr ähnlich ist und ein vielversprechendes Vorläufermaterial darstellt. Die derzeitigen Methoden zur Herstellung von Propylen aus Erdgas sind jedoch immer noch zu ineffizient, um die Lücke zwischen Angebot und Nachfrage zu schließen.

Das innerste Rohr des Reaktors trennt das Propan in Wasserstoff und Propylen und lässt den Wasserstoff in die äußerste Hülle des Reaktors entweichen. Wasserstoff kann verbrennen und die Reaktion weiter vorantreiben. Quelle: James Wortman, Linic Laboratory, University of Michigan.

„Es ist sehr schwierig, Propan wirtschaftlich in Propylen umzuwandeln“, sagte Martin Lewis Pell, Professor für Chemieingenieurwesen undsagte Suljo Linic, korrespondierender Autor der in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie. „Die Reaktion muss erhitzt werden, um sie voranzutreiben, und Standardmethoden erfordern sehr hohe Temperaturen, um ausreichend Propylen zu produzieren. Was man bei diesen Temperaturen erhält, ist nicht nur Propylen, sondern auch feste Kohlenstoffablagerungen und andere unerwünschte Produkte, die den Katalysator beschädigen. Um den Reaktor zu regenerieren, müssen wir die festen Kohlenstoffablagerungen häufig abbrennen, was den Prozess ineffizient macht.“

Revolutionäres Reaktordesign

Das neue Reaktorsystem der Forscher stellt effizient Propylen aus Schiefergas her, indem es Propan in Propylen und Wasserstoff trennt. Es bietet auch einen Auslass für Wasserstoff und verändert das Gleichgewicht zwischen Propan- und Reaktionsproduktkonzentrationen, um mehr Propylen herzustellen. Nach der Trennung kann der Wasserstoff auch sicher vom Propan abgebrannt werden, sodass sich der Reaktor ausreichend aufheizen kann, um die Reaktion zu beschleunigen, ohne dass unerwünschte Verbindungen entstehen.

Rawan Almallahi, promovierter Chemieingenieur und Erstautor der Studie, bereitet den Reaktor für Leistungstests im Ofen vor. Suljo Linic, Martin-Lewis-Pell-Professor am Fachbereich Chemieingenieurwesen und korrespondierender Autor der Studie, unterstützte Almarashi. Quelle: Sandra Swisher, Fakultät für Chemieingenieurwesen, University of Michigan.

Diese Trennung wird durch die ineinander geschachtelten Hohlfasermembranrohre des Reaktors erreicht. Das innerste Membranrohr besteht aus Material, das Propan in Propylen und Wasserstoff trennt. Obwohl der Membranschlauch den größten Teil des Propylens in der innersten Schicht zurückhält, kann Wasserstoff durch die Poren in der Membranschicht des Materials zur äußeren Schicht entweichen. In dieser Kammer kann Wasserstoff durch Einmischen präziser Sauerstoffmengen kontrolliert verbrannt werden.

Da Wasserstoff im Reaktor verbrannt werden kann und bei höheren Propandrücken betrieben werden kann, können Anlagen mit dieser Technologie Propylen aus Erdgas herstellen, ohne dass zusätzliche Heizgeräte installiert werden müssen. Forscher schätzen, dass eine Anlage, die 500.000 Tonnen Propylen pro Jahr produziert, im Vergleich zu anderen Methoden zur Nutzung von Schiefergas bis zu 23,5 Millionen US-Dollar einsparen könnte. Diese Einsparungen kommen zu den Betriebskosteneinsparungen durch die Verbrennung des bei der Reaktion erzeugten Wasserstoffs anstelle anderer Brennstoffe hinzu.

Zusammengestellt von: ScitechDaily