Publisher's Synopsis
Integrierte bzw. multifunktionale Reaktivprozesse, bei denen mindestens zwei physikalisch-chemische Funktionalitaten auf synergetische Art und Weise in einer einzigen Prozesseinheit vereinigt werden, konnen zweifelsohne ein Gegenstuck zu den in der Regel mehrstufigen, grosstechnischen Verfahren darstellen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein multifunktionales adsorptives Reaktorkonzept, bei dem eine chemische Reaktion von einer Adsorptivtrennung eines Reaktionsproduktes uberlagert wird, am Beispiel der okonomisch und okologisch interessanten, gleichgewichtslimitierten Claus-Reaktion untersucht. Erwartungsgemass sollte der erzielbare Verstarkungseffekt der Gleichgewichtsverschiebung und die hierdurch resultierende Umsatzsteigerung durch die simultane H_2O-Entfernung wesentlich grosser sein als durch die simultane S_n-Entfernung. Die immer restriktiver werdenden Umweltauflagen auf EU-Ebene hinsichtlich der SO_2-Emission steigern die Motivation, moglicherweise effizientere Prozessvarianten zu entwickeln. Demzufolge stellt die vorliegende Arbeit eine Fallstudie zur Bewertung eines adsorptiven Reaktorkonzeptes fur eine industriell interessante und umweltrelevante Testreaktion dar. Nach vorhergehendem Screening und anschliessendem Festlegen eines Zeolithen als adaquates und selektives Adsorptionsmittel fur das Produkt H_2O wurden die Adsorptionseigenschaften im Bereich der Reaktionstemperatur mit Hilfe zweier unabhangiger Messmethoden eingehend untersucht. Die Reaktionskinetik der Claus-Reaktion wurde in Form einer Globalkinetik in einem gradientenfreien Differentialkreislaufreaktor ermittelt. Als Katalysator wurde dabei ein kommerzieller gamma -Al_2O_3-Katalysator eingesetzt. Auf der Basis der so ermittelten Kinetiken von Adsorption und Reaktion konnte anhand von Simulationsstudien gezeigt werden, dass die erwartete Umsatzsteigerung sowohl fur den isothermen als auch fur den adiabaten Betriebsfall prinzipiell moglich sein sollte. Zur Validierung der theoretisch vorhergesagten Umsatzsteigerung wurden experimentelle Untersuchungen in einer eigens fur dieses Reaktionssystem konzipierten Technikumsanlage durchgefuhrt. Ein Vergleich der H_2S-Umsatzkurven fur den konventionellen sowie fur den adsorptiven Fall lasst den Schluss zu, dass die simultane H_2O-Adsorption am Zeolithen augenscheinlich zu einer Umsatzsteigerung fuhrt. Die durchgefuhrten Experimente gestatten sehr interessante Einblicke in den Mechanismus der nicht-stationar betriebenen Claus-Reaktion. Entgegen anfanglichen Uberlegungen wurde ein unterschiedliches Sorptionsverhalten der beiden Edukte gegenuber dem Katalysator identifiziert, welches zum Auftreten eines Eduktschlupfes fuhrt. Dies hat mitunter zur Folge, dass der erreichbare H_2S-Umsatz vom SO_2-Beladungszustand des Katalysators abhangt. Mit Hilfe dieser orientierenden Versuche werden erste Ansatze zur Diskriminierung der komplexen und sich gegenseitig stark beeinflussenden Effekte von Eduktadsorption, Reaktion und Produktadsorption gegeben. Zusatzlich werden die Modelle hinsichtlich der identifizierten Reaktions- und Adsorptionskanale modifiziert und kritisch bewertet.
