Syngas

Synthesegase sind alle wasserstoffhaltigen Gasgemische, die in einer Synthesereaktion zum Einsatz kommen sollen.

Herstellung

Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen, flüssigen und gasförmigen Edukten (Ausgangsstoffen) erfolgen.

Synthesegas aus festen Edukten

Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem die Kohlevergasung zu nennen. Kohle wird hierbei in einer Mischung aus partieller (teilweiser) Oxidation und Vergasung mit Wasserdampf zu einem Gemisch aus CO und Wasserstoff umgesetzt. Durch das Boudouard-Gleichgewicht steht CO noch mit C und CO₂ im Gleichgewicht:

$\mathrm{C + 0{,}5\,O_2 \rightarrow CO}$ : ΔH = -110,5 kJ/mol

$\mathrm{C + H_2O \rightarrow CO + H_2}$ : ΔH = +131,3 kJ/mol

$\mathrm{C + CO_2 \;\overrightarrow{\leftarrow}\; 2\,CO}$ : ΔH = +172,4 kJ/mol

Weiterhin muss die Wassergas-Shift-Reaktion berücksichtigt werden:

$\mathrm{CO + H_2O \;\overrightarrow{\leftarrow}\; CO_2 + H_2}$ : ΔH = -41,2 kJ/mol

Die Umsetzung mit Sauerstoff liefert dabei durch die exotherme Reaktion die notwendige Energie zur Erzielung der hohen Reaktionstemperatur für die endotherme Vergasungsreaktion von Kohle mit Wasserdampf.

Durch geschickte Wahl der Einsatzstoffe kann die Zusammensetzung des Synthesegases gesteuert werden (je nach gewünschtem Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgehalt).

Da in Kohle neben Kohlenstoff noch weitere Elemente enthalten sind (Schwefel, Stickstoff, Vanadium,...), muss das erhaltene Synthesegas nach dem Reaktor noch aufwändig gereinigt und aufbereitet werden. Hierbei müssen vor allem Wasser, CO₂, Ruß und H₂S entfernt werden.

Neben Kohle ist prinzipiell auch der Einsatz anderer Feststoffe wie z.B. Biomasse (Holz, Stroh) denkbar, jedoch ist hierbei auch eine Vorbehandlung der Einsatzstoffe und eine Nachbehandlung bzw. Reinigung des Synthesegases notwendig.

Synthesegas aus flüssigen Edukten

Als flüssige Edukte für Synthesegas können unterschiedliche Rohöldestillate eingesetzt werden, sowohl leichtsiedende als auch hochsiedende Fraktionen. Leichtsiedende Destillate können nach Entschwefelung durch Umsetzung mit Wasserdampf nach dem Dampfreformierung-Verfahren umgesetzt werden. Das Steam-Reforming-Verfahren ist eine endotherme Reaktion, welche an einem heterogenen Katalysator durchgeführt wird (Reaktion am Beispiel Pentan):

$\mathrm{C_5H_{12} + 5\ H_2O \rightarrow 5\ CO + 11\ H_2}$ : ΔH = +802,9 kJ/mol

Beim Einsatz von hochsiedenden Ölfraktionen (flashed visbroken residue, siehe Cracken) wird die partielle Oxidation durchgeführt, welche ohne Katalysator auskommt (Reaktion am Beispiel Pentan):

$\mathrm{C_5H_{12} + 5/2\ O_2 \rightarrow 5\ CO + 6\ H_2}$ : ΔH = -406,3 kJ/mol

Synthesegas aus gasförmigen Edukten

Das wichtigste gasförmige Edukt zur Synthesegaserzeugung ist Erdgas. Das Erdgas wird hierbei mit Wasserdampf nach dem Dampfreformierungs-Verfahren umgesetzt:

$\mathrm{CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3\ H_2}$ : ΔH = + 206,2 kJ/mol

Erdgas liefert im Vergleich mit den anderen Edukten den höchsten Anteil an Wasserstoff im Verhältnis zu Kohlenmonoxid.

Neben dem Steam-Reforming-Verfahren kann man Erdgas auch durch partielle Oxidation zu Synthesegas umsetzen:

$\mathrm{CH_4 + 0{,}5\ O_2 \rightarrow CO + 2\ H_2}$ : ΔH = -35,7 kJ/mol

Synthesegas für die Ammoniak-Synthese stellt man auch durch partielle Oxidation her, wobei hier Luft anstelle von reinem Sauerstoff verwendet wird. Das anfallende Kohlenmonoxid wird in einer zweiten Reaktionsstufe mit Wasserdampf zu CO₂ und weiterem Wasserstoff konvertiert (umgesetzt):

$\mathrm{CH_4 + 0{,}5\ O_2 (+ 2\ N_2) \rightarrow CO + 2\ H_2 (+ 2\ N_2)}$

$\mathrm{CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2 }$

Summe: $\mathrm{CH_4 + 0{,}5\ O_2 (+ 2\ N_2) + H_2O \rightarrow CO_2 + 3\ H_2 (+ 2\ N_2)}$

Nach Abtrennung von CO₂ wird dann eine Mischung aus N₂ und H₂ erhalten, welche anschließend noch auf das gewünschte N₂/H₂-Molverhältnis eingestellt werden muss.

Synthesegasreinigung

An alle genannten Herstellungsverfahren schließen sich nach dem Reaktor mehr oder weniger aufwändige und komplexe Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren an. Im wesentlichen sind dies:

• Rußabtrennung
• Wasserentfernung und Trocknung
• Abtrennung von Schwefelverbindungen
• Einstellung des gewünschten CO : H₂ Verhältnisses
• CO₂-Abtrennung

Verwendung

Am häufigsten finden Synthesegase Verwendungen:

1. in der Methanolsynthese
   • $\mathrm{CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH}$
2. in der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren
   • $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}$
3. in der Oxosynthese
   • $\mathrm{R-CH=CH_2 + CO + H_2 \rightarrow R-CH_2CH_2CH=O}$
4. in der Fischer-Tropsch-Synthese
   • $\mathrm{nCO + (2n+1)H_2 \rightarrow C_nH_{2n+2} + nH_2O}$