Synthesegas

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Synthesegase sind alle wasserstoffhaltigen Gasgemische, die in einer Synthesereaktion eingesetzt werden können. Je nach Herkunft und Anwendung sind auch einige andere Begriffe für Synthesegas in Gebrauch: Wird Synthesegas aus Wasser gewonnen, so wird es Wassergas genannt, bei Methan als Quelle Spaltgas. Methanol-Synthesegas ist Synthesegas für die Methanolherstellung, Oxogas für die Hydroformylierung (oder Oxosynthese).

Herstellung

Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen (s-solid), flüssigen (l-liquid) und gasförmigen (g-gaseous) Edukten (Ausgangsstoffen) erfolgen.

Synthesegas aus festen Edukten

Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem die Kohlevergasung zu nennen. Kohle - C(s) wird hierbei in einer Mischung aus partieller (teilweiser/unvollständiger) Oxidation mit Luft- oder reinem Sauerstoff - O₂(g) und Vergasung mit Wasserdampf - H₂O(g) zu einem Gemisch aus Kohlenmonoxid - CO(g) und Wasserstoff - H₂(g) umgesetzt. Durch das Boudouard-Gleichgewicht steht CO(g) noch mit C(s) und Kohlendioxid - CO₂(g) im Gleichgewicht:

$ \mathrm {2\ C+O_{2}\longrightarrow 2\ CO,\ \ \ \ \ \ \ \Delta H=-110,5kJ/mol} $

$ \mathrm {C+H_{2}O\longrightarrow CO+H_{2},\ \ \ \Delta H=+131,3kJ/mol} $

$ \mathrm {C+CO_{2}\rightleftharpoons 2\ CO,\ \ \ \ \ \ \ \ \ \Delta H=+172,4kJ/mol} $

Weiterhin muss die Wassergas-Shift-Reaktion berücksichtigt werden:

$ \mathrm {CO+H_{2}O\rightleftharpoons CO_{2}+H_{2},\ \ \ \Delta H=-41,2kJ/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 aufwendig 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. Leicht siedende Destillate können nach Entfernung von Schwefel 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_{5}H_{12}+5\ H_{2}O\longrightarrow 5\ CO+11\ H_{2},\ \Delta H=+802,9kJ/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 {2C_{5}H_{12}+5\ O_{2}\longrightarrow 10\ CO+12\ H_{2},\ \Delta H=-406,3kJ/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_{2}O\longrightarrow CO+3\ H_{2},\ \Delta H=+206,2kJ/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 {2\ CH_{4}+O_{2}\longrightarrow 2\ CO+4\ H_{2},\ \Delta H=-35,7kJ/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 {2\ CH_{4}+O_{2}\ (+4\ N_{2})\longrightarrow 2\ CO+4\ H_{2}\ (+4\ N_{2})} $

$ \mathrm {\ CO+\ H_{2}O\longrightarrow \ CO_{2}+\ H_{2}} $

$ \mathrm {2\ CH_{4}+O_{2}\ (+4\ N_{2})+2\ H_{2}O\longrightarrow 2\ CO_{2}+6\ H_{2}\ (+4\ 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 werden Synthesegase verwendet:

1. in der Methanolsynthese
   • $ \mathrm {CO+2\ H_{2}\longrightarrow CH_{3}OH} $
2. in der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren
   • $ \mathrm {N_{2}+3\ H_{2}\longrightarrow 2\ NH_{3}} $
3. in der Oxosynthese
   • $ \mathrm {R{-}CH{=}CH_{2}+CO+H_{2}\longrightarrow R{-}CH_{2}CH_{2}CH{=}O} $
4. in der Fischer-Tropsch-Synthese
   • $ \mathrm {n\ CO+(2n+1)\ H_{2}\longrightarrow C_{n}H_{2n+2}+n\ H_{2}O} $

Neben diesen chemisch-technischen Anwendungsbereichen kann Synthesegas auch über eine Fermentation biotechnologisch genutzt werden. Produkte dieser Option können bsp. Alkohole wie Ethanol, Butanol und 1,2-Propandiol, Aceton sowie organische Säuren sein.

Literatur

Hans-Jürgen Arpe: Industrielle Organische Chemie. 6. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-5273-1540-6, S. 15-30.