Massendurchflussregler treiben chemische Synthese von Kohlendioxid zu Kohlenwasserstoff-Brennstoffen voran

Globale Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels haben zu einer raschen Entwicklung von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) geführt. Unter diesen bietet die chemische Synthese von Kohlendioxid zu wertvollen Kraftstoffen und Chemikalien einen der vielversprechendsten Wege, um Netto-Null-Emissionen zu erreichen und gleichzeitig eine zirkuläre Kohlenstoffwirtschaft aufzubauen.

Die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenwasserstoffe trägt nicht nur zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen bei, sondern schafft auch die Möglichkeit, fossile Brennstoffe durch synthetische, erneuerbare Alternativen zu ersetzen. Allerdings ist die chemische CO₂-Synthese ein äußerst anspruchsvoller Prozess, der eine präzise Durchflussregelung, Hochdruckbetrieb und strenge Sicherheitsstandards erfordert.

Die SLA5800 Serie der thermische Massendurchflussregler (MFC) von Brooks Instrument hat sich als eine der entscheidenden Technologien etabliert. Diese Serie stellt Forschern, Ingenieuren und Anlagenbetreibern die notwendigen Werkzeuge zur Verfügung, um die CO₂-Konversion vom Labormaßstab bis zur industriellen Produktion voranzutreiben

Warum die Kohlendioxidsynthese ein wachsendes Feld ist

CO₂ ist das am häufigsten vorkommende anthropogene Treibhausgas, dessen atmosphärische Konzentrationen inzwischen 420 ppm überschreiten. Um seine Auswirkungen zu mindern, investieren viele Regierungen und Industrien im Rahmen ihrer Dekarbonisierungsstrategien in die Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU).

Einer der spannendsten Bereiche der CCU (Carbon Capture and Utilization) ist die chemische Umwandlung von CO₂ in Kraftstoffe und Chemikalien. Dieser Ansatz entfernt nicht nur CO₂ aus der Atmosphäre, sondern bietet auch eine nachhaltige Quelle für Kohlenwasserstoffe, wodurch die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen verringert wird.

Gängige CO₂-Konversionspfade:

Es gibt verschiedene bekannte Methoden der chemischen Synthese von CO und CO₂ zu nützlichen Kohlenwasserstoffen:

In den letzten Jahren hat sich die Forschung und Entwicklung katalytischer Reaktionen zur Synthese von Kraftstoffen und Alkoholen aus CO₂ zu einem aktiven Bereich der öffentlich-privat-akademischen Zusammenarbeit entwickelt. Dies wird durch Investitionen und Fördergelder von Regierungen sowie aus dem Privat- und Unternehmenssektor unterstützt.

Die Herausforderungen der chemischen CO₂-Synthese unter Hochdruck

Trotz ihres Potenzials ist die chemische CO₂-Synthese eines der technisch anspruchsvollsten Felder im Chemieingenieurwesen. Die Gründe dafür liegen sowohl in den physikalischen Eigenschaften von CO₂ als auch in den betrieblichen Anforderungen der Syntheseprozesse.

1. CO₂ ist ein stabiles Molekül mit geringer Reaktivität::

CO₂ ist ein hochstabiles Molekül mit einer Doppelbindungsenergie von ca. 750 kJ/mol. Das macht die Aktivierung sehr schwierig und erfordert:

• Hohe Temperaturen (200°C-500°C)
• Hohe Drücke (10-300 bar oder 1500-4500 psi)
• Katalysatoren mit sorgfältig konstruierten aktiven Zentren
• Präzise Reaktanten-Stöchiometrie und Durchflussraten

Selbst kleine Abweichungen im CO₂:H₂-Verhältnis oder in der Durchflussstabilität können die folgenden Punkte drastisch verändern:

• Katalysatorleistung
• Reaktionsselektivität
• Produktausbeute und -qualität

Werden Hochdruckgase als Ausgangsmaterial zur Erzeugung entzündlicher Kohlenwasserstoffe verwendet, kann die Umgebung als „explosionsgefährdeter Bereich“ eingestuft werden. Geräte, die in solchen gefährlichen Bereichen zum Einsatz kommen, müssen entsprechende Zertifizierungen oder eine Hochdruckgas-Zertifizierung besitzen.

Die Zertifizierung für explosionsgefährdete Bereiche gilt für Geräte, in denen brennbare Gase, Dämpfe, Flüssigkeiten oder Stäube vorhanden sein können. In diesen Umgebungen erhöhen Zündquellen das Risiko von Explosion und Brand. Geräte mit dieser Zertifizierung werden nach strengen Normen entwickelt und gefertigt. Ihre Sicherheit für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen wird von einer oder mehreren externen Zulassungsstellen überprüft. Die Zertifizierung für explosionsgefährdete Bereiche erfolgt gemäß den Standards der International Electrotechnical Commission (IEC), einer internationalen Norm, von Underwriters Laboratories (UL) oder anderen nationalen Aufsichtsbehörden.

Eine Hochdruckgas-Zertifizierung kann für Geräte erforderlich sein, die Hochdruckgase liefern oder verwenden. Durch eine solche Zertifizierung wird bestätigt, dass das Gerät die richtige Konstruktion und Sicherheitsmerkmale aufweist. Dies gewährleistet einen sicheren Umgang mit Hochdruckgasen sowie die Sicherheit von Personal und Ausrüstung. Diese Zertifizierungen für explosionsgefährdete Bereiche und Hochdruckanwendungen sind äußerst wichtig für die Sicherheit und den Schutz der Ausrüstung. Bei Arbeiten in gefährlichen oder potenziell gefährlichen Umgebungen oder mit Hochdruckgassystemen tragen die entsprechenden Zertifizierungen dazu bei, Unfälle und Katastrophen zu verhindern.

3. Die Notwendigkeit eines stabilen, wiederholbaren Gasflusses:

Eine erfolgreiche chemische Synthese erfordert konsistente, reproduzierbare Betriebsbedingungen. Ingenieure benötigen daher Durchflussregelgeräte, die Folgendes bieten:

• Hohe Genauigkeit über den gesamten erforderlichen Durchflussbereich
• Stabilen Durchfluss unter variierenden Eingangs- und Ausgangsdrücken
• Langzeitstabilität, um stunden- oder tagelangen Dauerbetrieb zu unterstützen
• Geringe Drift, um die Skalierung vom Labor über die Pilotanlage bis zur Produktion zu ermöglichen

Jede Instabilität im Durchfluss kann Folgen haben:

In der chemischen Syntheseforschung ist bekannt, dass eine stabile Zufuhr von Rohmaterialien unerlässlich ist für die experimentelle Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit, Reaktionsoptimierung, das Scale-up und die industrielle Produktion, die Sicherheit sowie die Einhaltung regulatorischer Anforderungen.

Wie die SLA5800 Massendurchflussregler von Brooks Instrument diese Herausforderungen lösen

Die Brooks Instrument SLA5800 Massendurchflussregler (MFCs) sind speziell für die Unterstützung von Hochdruck- und Hochpräzisions-Chemieprozessen konzipiert, einschließlich fortschrittlicher CO₂-Syntheseanwendungen.

Unübertroffene Druckbeständigkeit

• Standard-Druckfestigkeit: 1500 psi
• Maximale Druckfestigkeit: 4500 psi
• Differenzdruckfähigkeit:

Dies ermöglicht einen sicheren und stabilen Betrieb über den gesamten Bereich typischer CO₂-Syntheseprozesse – vom Labormaßstab für Katalysatorscreening bis hin zu industriellen Pilotanlagen.

Breiter Durchflussbereich für vielseitige Anwendungen

• Durchflussbereich: 3 sccm bis 2500 slpm: Dies ermöglicht eine präzise Steuerung von Labortests mit geringem Durchfluss bis hin zu industriellen Reaktoren mit hohem Durchfluss.

Hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit

• Hervorragende Mess- und Regelgenauigkeit des Durchflusses.
• Hohe Wiederholbarkeit für reproduzierbare Experimente und Prozesskonsistenz.
• Überragende Langzeitstabilität des Sensors mit geringer Drift – entscheidend für kontinuierliche Syntheseläufe.

Zertifizierte Sicherheit und Konformität

• Umfassende Zertifizierung für explosionsgefährdete Bereiche: IECEx, ATEX, UL.
• Hochdruckgas-Zertifizierung: PED, KHK.
• Verifizierte Sicherheit für den Einsatz in Umgebungen mit brennbaren Gasen und Hochdrucksystemen.

Warum präzise Durchflussregelung für den Erfolg der CO₂-Synthese unerlässlich ist

Da sich die CO₂-Konversionstechnologien von der Forschung hin zur Kommerzialisierung bewegen, benötigen Ingenieure Durchflussregelungslösungen, die Folgendes bieten:

• Sicherheit unter gefährlichen Bedingungen und bei Hochdruck
• Präzision, um eine optimale Reaktionsleistung zu ermöglichen
• Zuverlässigkeit, um die Skalierung und den kontinuierlichen Betrieb zu unterstützen

Flow Scheme

Die Brooks Instrument SLA5800 Serie bietet genau das – überragende Leistung sowie eine Reihe von Durchfluss- und Druckfähigkeiten, die sich für. Anwendungen von relativ großen Hochdruck-CO₂-Synthese-Pilotanlagen bis hin zur Entwicklung und Evaluierung von Katalysatoren im kleinen Maßstab eignen.