Experimentelle Untersuchung der katalytischen Partialoxidation von Modellkraftstoffen unter definierten Randbedingungen

Abstract

Mit Rhodium beschichtete Katalysatoren ermöglichen durch katalytische Partialoxidation (CPOX) die Darstellung großer Mengen Wasserstoff aus höheren Kohlenwasserstoffen wie Benzin oder Diesel innerhalb weniger Millisekunden Kontaktzeit. Die Reaktionsenthalpie erzeugt Temperaturen von bis zu 1300 °C und erlaubt den autothermen Betrieb von kompakten CPOX Reaktoren in Fahrzeugen, die einen neuen Weg zur Versorgung von APUs (auxiliary power unit) mit Wasserstoff bzw. Synthesegas aus bereits bestehenden Versorgungsnetzen aufzeigen. Zur Evaluierung von Modellen und der Aufklärung wichtiger Einzelprozesse der Reaktion wurde eine Versuchsanlage entwickelt, an der die katalytische Partialoxidation von Modellkraftstoffen unter definierten Randbedingungen erforscht werden kann. Dabei realisiert die Verwendung kombinierter Messverfahren (Prozess‐Infrarot‐Spektrometerie, Sektorfeld‐Massenspektrometerie, paramagnetische Sauerstoffdetektion) die zeitaufgelöste Untersuchung der Reaktionsprodukte mit geschlossenen Bilanzen bei allen technisch relevanten Betriebspunkten. Eine detaillierte Analyse der Kohlenwasserstoffe erfolgt mit Hilfe eines Gaschromatographen. Beispielhaft werden Selektivität und Umsatz für die CPOX von i‐Oktan im stationären wie instationären Betrieb diskutiert.

Influence of gas-phase reactions on catalytic reforming of isooctane

“…The product stream is analyzed by FT-IR, MS, GC/MS, and paramagnetic oxygen detection. Further details are given in recent publications [10,11].…”

“…Thermocouples are placed at the reactor inlet (z = 0 m) and centre zone (z = 0.125 m) inside the tube. The position of the centered thermocouple corresponds to the location of the catalyst exit in standard CPOX experiments [10] and equates to the highest expected temperature in the tube downstream the catalyst. The experimental setup allows welldefined mixing of liquid fuels with boiling points up to 553 K with the gaseous components; up to eight additional chemical species can be added to the inlet flow.…”

“…This composition is fed to the reactor tube under isothermal conditions and gas-phase products have been quantified for C/O = 1.0, 1.3, and 1.6. The product stream is analyzed by FT-IR, MS, GC/MS, and paramagnetic oxygen detection [10,11].…”

“…After steady state of C/O = 1.6 is reached, a burn-off is conducted (973 K, 15 K/min, 20 min, 1 SLPM Air) for full removal of carbon deposits in the quartz reactor. This procedure is repeated for temperatures from 973 to 1173 K. A constant dilution of 3.2 SLPM nitrogen is used in all experiments, corresponding to the nitrogen feed of the referenced CPOX experiment [10].…”

“…Numerically predicted [8] and experimentally determined [9] axial species profiles implicate complete fuel conversion within the first millimeters of the catalyst channel for lean conditions (C/O < 1.0) with H 2 , CO, H 2 O, and CO 2 being the only products. However, at C/O > 1.0, an increasing amount of by-products such as methane, olefins, and aromatics are detected [10,11], the latter ones indicating thermal decomposition (pyrolysis) of the fuel in the gasphase [3]. A recent study on CPOX of isooctane revealed the on-set of homogeneous conversion at a point in the reactor, at which oxygen is almost totally consumed and coke is accumulated on the catalyst [12].…”