Kraftstoffaufbereitung

Zur Reformierung von flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen sind bei den am IEK-14 eingesetzten Verfahren technische Katalysatoren erforderlich. Katalysatoren weisen im Allgemeinen eine hohe Empfindlichkeit gegen Flüssigkeitstropfen und gegen unterschiedliche Spurenelemente (z.B.: Schwefel) auf. Wird ein Katalysator mit Flüssigkeit benetzt und anschließend durch eine Oxidationsreaktion schnell aufgeheizt, kann es lokal zur schlagartigen Verdampfung der in Poren eingeschlossenen Flüssigkeitsmengen kommen. Durch die entstehenden Druckstöße kann die Porenstruktur und somit der gesamte Katalysator zerstört werden. Daraus lassen sich zwei Forschungsthemen ableiten, die Entschwefelung von schwefelhaltigen Kraftstoffen und die homogene Gemischbildung.

Entschwefelung

Am IEK-14 wird seit 2005 an der Entschwefelung von flüssigen Kraftstoffen gearbeitet. Der Fokus liegt dabei auf der Entschwefelung von Kerosin und Heizöl EL mit maximalen Gehalten an schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffen von 3000 ppm und 2000 ppm. Nach einer theoretischen Analyse und Auswahl der Verfahren, die für die dezentrale Entschwefelung in Brennstoffzellensystemen grundsätzlich geeignet sind, wurden die einzelnen Verfahren zunächst im Labormaßstab untersucht. Mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse haben sich zwei Verfahrenswege als besonders erfolgreich herausgestellt: die hydrierende Entschwefelung mit einer Vorsättigung mit Wasserstoff in der flüssigen Phase und ein mehrstufiges Verfahren bestehend aus Pervaporation - spezielle Verfahrensmodifikation einer Gastrennmembran - und Adsorption. Die hydrierende Entschwefelung mit vorgesättigtem Wasserstoff in der flüssigen Phase ist der einzige Prozess, der kurzfristig das Potential zur technischen Umsetzung hat. Mittel- bis langfristig können aber auch Kombinationen aus Membranen und Adsorbentien eine wichtige Rolle bei der Entschwefelung spielen. Hierzu ist aber weiterer Forschungsbedarf nötig.

Die obige Abbildung zeigt in einer Schemaskizze, wie die einzelnen Moleküle mit Wasserstoff reagieren. Ein Wasserstoffmolekül reagiert mit dem Schwefelatom im Thiophenring zu Schwefelwasserstoff, ein zweites Wasserstoffmolekül sättigt die vormaligen Bindungen des Schwefels mit den beiden Kohlenstoffatomen im Thiophenring ab. In der Graphik ist dies für 2,5,7-trimethyl-Benzothiophen und für ein einfaches Thiophen dargestellt. Auf der Produktseite entstehen Butadien und ein mehrfach alkyliertes Benzolmolekül. Die chemischen Reaktionsgleichungen hierzu lauten:

C₄H₄S + 2 H₂ -> C₄H₆ + H₂S

C₁₁H₁₂S + 2 H₂ -> C₁₁H₁₄ + H₂S

Diese Reaktionen laufen in der Gasphase oder in der Flüssigkeit mit vorgesättigtem Wasserstoff ab. In der Flüssigphase werden Absolutdrücke von 40 – 75 bar und Temperaturen von 330 – 390 °C benötigt. Für die Entschwefelung von in Europa handelsüblichem Kerosin mit ca. 550 ppmw S werden Wasserstoffpartialdrücke von 25,5 bar benötigt.

Spraybildung und Kraftstoffverdampfung

Die Zerstäubung von Fluiden wird in technischen Anwendungen durch eine Vielzahl unter­schiedlicher Einspritzsysteme realisiert. Diese unterscheiden sich nicht nur in Art und Bau­weise der Düsen, sondern auch in den zugrunde liegenden Zerstäubungsmechanismen. Für technisch relevante Einspritzdüsen lassen sich drei Hauptzerfallsmechanismen identifizieren: der Zerfall im Strahl, in der Lamellenströmung und der Tropfenzerfall im Gasstrom.

Eine alleinige Charakterisierung von Einspritzsystemen anhand dieser zugrunde liegenden Zerstäubungsmechanismen ist jedoch unzureichend. Für die technische Praxis sind ebenso der Düsentyp sowie die spezifische Bauform der Zerstäuber entscheidend. Technische Zerstäubungsdüsen lassen sich in vier Grundtypen aufteilen:

• Einstoffdüsen zerstäuben das Fluid mit Hilfe der über den Druck in das Fluid ein­gebrachten Energie. Sie sind verhältnismäßig preiswert und können als strahlbildende oder lamellenbildende Düsen ausgelegt werden. Auf dem turbulenten Stahlzerfall basierende Einstoffdüsen werden als Turbulenzdüsen bezeichnet.
• Zweistoffdüsen zerstäuben das Fluid in einem zweiten gasförmigen Medium. Die Energie zur Zerstäubung wird in der Regel über die Gasströmung zugeführt. Wird Luft als Zerstäubungsgas eingesetzt, wird von pneumatischen Düsen gesprochen.
• Mechanische Zerstäuber sind Einstoffdüsen, in denen ein auf einer Oberfläche der Düse gebildeter dünner Fluidfilm zerstäubt wird. Die dazu benötigte Energie wird über eine Rotations- oder Vibrationsbewegung zur Verfügung gestellt.
• Zu den Sonderzerstäubern gehören unter anderem Pralldüsen und elektrostatische Zerstäubungssysteme.
• CFD-Simulationen sind ein wichtiges Werkzeug zur Düsen- und Systemauslegung. Die Modellierung erlaubt die Untersuchung von komplexen Geometrien und die Berücksichtigung verschiedener Stoffeigenschaften. Die untere Abbildung zeigt das Strömungsprofil und die Tropfenbahnen der Kraftstoffeinspritzung in unmittelbarer Düsennähe. Der Sprühkegel hat einen ausreichenden Abstand zu dem in dieser Abbildung nur im Strömungsprofil erkennbaren Dampfleitblech. Im weiteren Verlauf liegt der Sprühkegel genau in den Flanken der sich ausdehnenden rotierenden „Dampflanze“. Somit strömen die Tropfen mitten im überhitzten Dampf, so dass eine effektive Verdampfung gewährleistet ist.