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Fischer-Tropsch-Synthese

Stöchiometrie

Reaktionsgleichungen

Die Hauptreaktion der Fischer-Tropsch-Synthese besteht in der Bildung aliphatischer Kohlenwasserstoff-Ketten:

n CO + 2 n H 2 ( - C H 2 - ) n + n H 2 O
Δ R H 0 ( 250 º C ) = - 158,5 kJ/mol

Die Methylengruppe (-CH2-) bezeichnet ein Kettenglied eines Kohlenwasserstoffmoleküls.

Je nach Katalysator (inbesondere an Eisenkatalysatoren) und Reaktionsbedingungen kann das gebildete Wasser mit noch nicht umgesetztem CO reagieren (Konvertierung):

H 2 O + CO C O 2 + H 2
Δ R H 0 ( 250 º C ) = - 39,5 kJ/mol

Bei vollständiger Wasserkonvertierung erhält man:

2 n CO + 2 n H 2 ( - C H 2 - ) n + n H 2 O
Δ R H 0 ( 250 º C ) = - 189,5 kJ/mol

Nach diesen Reaktionsgleichungen sollte das verwendete Synthesegas deshalb entsprechend zusammengestzt sein, also mit einem H2/CO Verhältnis zwischen ca. 0,5 und 2. Solche Gasgemische lassen sich technisch aus Kohle bzw. Erdgas erzeugen.

Begleitreaktionen der FTS sind die Methanisierung (Erdgashauptbestandteil) und die CO-Disproportionierung nach Boudouard-Reaktion:

CO + 3 H 2 C H 4 + H 2 O
Δ R H 0 ( 250 º C ) = - 213 kJ/mol
2 CO C + C O 2
Δ R H 0 ( 250 º C ) = - 175,6 kJ/mol

Die Methanbildung ist als Grenzfall der Fischer-Tropsch-Synthese anzusehen (kein Kettenwachstum) und wie die Bildung von Kohlenstoff, welcher sich auf dem Katalysator abscheiden kann, unerwünscht. Durch Abstimmung von Reaktionsbedingungen und Katalysator kann das Ausmaß dieser Reaktionen minimiert werden.

Reaktionswärme

Die Fischer-Tropsch-Synthese ist stark exotherm (siehe Reaktionsgleichungen). Die freigesetzte Reaktionswärme beträgt ca. 25 % der Verbrennungswärme des eingesetzten Synthesegases. Für die Reaktionsführung der Synthese im technischen Maßstab ist deshalb die Abfuhr der Reaktionswärme von hoher Bedeutung, um

  • eine irreversible Schädigung des Katalysators zu verhindern,
  • eine gleichbleibende Produktselektivität zu gewährleisten
  • und ein mögliches „Durchgehen“ der Reaktion zu vermeiden.
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