Synthese von karbidabgeleiteten Kohlenstoffmaterialien im Wirbelschichtreaktor

Synthesis of carbide-derived carbons within a fluidized bed reactor

  • Karbidabgeleitete Kohlenstoffe werden durch die selektive Extraktion des Nichtkohlenstoffanteils aus einem Karbidmaterial mittels Halogenierung bei erhöhter Reaktionstemperatur synthetisiert. Die dadurch erhaltenen mikro-/mesoporösen Kohlenstoffe zeichnen sich durch sehr enge Porengrößenverteilungen, sowie hohe spezifische Oberflächen aus. Aufgrund dieser Eigenschaften stellen sie interessante und vielversprechende Materialien für unterschiedliche Anwendungsgebiete der Katalyse, der Trenntechnik, der Gasspeicherung und der Elektrochemie dar. Für einen optimierten Einsatz der Materialien ist die Homogenität derselben bezüglich ihrer Morphologie- und Textureigenschaften unbedingt notwendig. BeKarbidabgeleitete Kohlenstoffe werden durch die selektive Extraktion des Nichtkohlenstoffanteils aus einem Karbidmaterial mittels Halogenierung bei erhöhter Reaktionstemperatur synthetisiert. Die dadurch erhaltenen mikro-/mesoporösen Kohlenstoffe zeichnen sich durch sehr enge Porengrößenverteilungen, sowie hohe spezifische Oberflächen aus. Aufgrund dieser Eigenschaften stellen sie interessante und vielversprechende Materialien für unterschiedliche Anwendungsgebiete der Katalyse, der Trenntechnik, der Gasspeicherung und der Elektrochemie dar. Für einen optimierten Einsatz der Materialien ist die Homogenität derselben bezüglich ihrer Morphologie- und Textureigenschaften unbedingt notwendig. Bei der Herstellung zeigen hierbei Wirbelschichtsysteme im Vergleich zum herkömmlich zum Einsatz kommenden Reaktionssystem, dem horizontalen Strömungsrohrreaktor, Vorteile. Daher basiert die Motivation für die vorliegende Forschungsarbeit auf Untersuchungen zur Auslegung eines Hochtemperaturchlorierungsprozesses zur Herstellung nanoporöser Kohlenstoffmaterialien in einem Wirbelschichtreaktor. Die Reaktion erfolgt unter Atmosphärendruck, sowie bei einer Reaktionstemperatur von 1273 K unter Verwendung von Helium als Trägergas. Zum Einen werden fluiddynamische Untersuchungen durchgeführt, um ein für den Prozess geeignetes Partikelsystem zu identifizieren. Weiterhin dienen kinetische Betrachtungen der Reaktion im Strömungsrohrreaktor dazu, das Verständnis zur Reaktionskinetik zu erweitern und zu erfassen, um eine exakte Auslegung des Wirbelschichtprozesses zu realisieren. Um die bestehende Produktionskapazität der Synthese karbidabgeleiteter Kohlenstoffmaterialien, sowie die Homogenität der Produkte, im Vergleich zum konventionellen Strömungsrohrreaktor, zu erhöhen, wird ein Wirbelschichtreaktor konzipiert, konstruiert, charakterisiert und in Betrieb genommen. Bei der Reaktorcharakterisierung der Wirbelschicht ist eine Expansion der isothermen Reaktionszone mit zunehmender Gasanströmgeschwindigkeit zu beobachten. Weiterhin zeigt der Betrieb des Reaktors als Wirbelschicht bezüglich der Temperaturhomogenität entscheidende Vorteile im Hinblick auf die erhaltene Produktqualität. Im Zuge von Fluidisierungsuntersuchungen bei Raumtemperatur in einer Referenzwirbelschicht zeigen Pulverfraktionen der Geldart-Zuordnung B eine gute Fluidisierbarkeit. Druckverlustsmessungen im Reaktorsystem bei erhöhten Temperaturen zeigen eine verstärkte Agglomerationsneigung der Partikelfraktionen mit Sauterdurchmessern kleiner 140 μm. Folglich können Partikel mit Sauterdurchmessern größer 140 μm als geeignet für die Umsetzung in der Wirbelschicht bei erhöhten Temperaturen identifiziert werden. Unter Berücksichtigung von Druckverlustsmessungen können weiterhin grundlegende Parameter für den Wirbelschichtbetrieb bei erhöhten Reaktionstemperaturen abgeleitet werden. Reaktionskinetische Untersuchungen zeigen einen degressiven Verlauf des Umsatzes mit der Reaktionszeit, der auf Basis des Asche-Kern-Models für ideale Kugelgeometrien in Näherung beschrieben werden kann. Experimente kurzer Reaktionszeit und somit ohne Porendiffusionslimitierung erlauben die Ableitung für die Beschreibung kinetischer Parameter, welche für die Reaktion notwendig sind. Unter Anpassung vollständiger Umsatz-Zeit-Verläufe werden die effektiven Diffusionskoeffizienten erhalten. Von den in der Wirbelschicht durchgeführten Reaktionen werden annähernd identische Umsatz-Zeit-Verläufe wie im Strömungsrohrreaktor erhalten. Hierbei muss jedoch herausgestellt werden, dass im Wirbelschichtsystem die zehnfache Produktmasse in der gleichen Reaktionszeit synthetisiert werden kann. Weiterhin stellt sich der Produktaustrag aus dem Wirbelschichtreaktor als einfach heraus, weswegen eine semikontinuierliche Betriebsweise im „repetative Batch“-Modus realisierbar ist. Zusammenfassend kann angemerkt werden, dass die Überführung der Herstellung von karbidabgeleiteten Kohlenstoffen vom gängigen Reaktorkonzept Strömungsrohrreaktor auf ein neuartiges Reaktorkonzept, den Wirbelschichtreaktor, erfolgreich gewesen ist. Die Synthese in der Wirbelschicht bietet hierbei viele bedeutende Vorteile, wie eine Erhöhung der Homogenität der Materialien und der Produktionskapazität. Dies ist besonders im Hinblick auf eine industrielle Etablierung des Prozesses von großer Relevanz.show moreshow less
  • Carbide-derived carbons are synthesized by a selective extraction of the non-carbon content out of a carbide material via a halogenation reaction at elevated reaction temperatures . The so produced micro-/mesoporous carbons are characterized by very narrow pore size distributions and high specific surface areas. Because of these attributes they represent promising materials for different applications in catalysis, separation technology, gas storage and electrochemistry. To achieve an optimized material for the application, the homogeneity of the carbons with respect to morphology and texture is absolutely necessary. Hereby, fluidized bed reaction systems show advantages in comparison to the Carbide-derived carbons are synthesized by a selective extraction of the non-carbon content out of a carbide material via a halogenation reaction at elevated reaction temperatures . The so produced micro-/mesoporous carbons are characterized by very narrow pore size distributions and high specific surface areas. Because of these attributes they represent promising materials for different applications in catalysis, separation technology, gas storage and electrochemistry. To achieve an optimized material for the application, the homogeneity of the carbons with respect to morphology and texture is absolutely necessary. Hereby, fluidized bed reaction systems show advantages in comparison to the conventionally used reaction system, the horizontal tubular reactor. Consequently, the motivation of this thesis is based on investigations for the design of a high temperature chlorination process for the production of nanoporous carbon materials applying a fluidized bed reactor. The reaction takes place with helium as carrier gas at atmospheric pressure and a reaction temperature of 1273 K. Fluiddynamical investigations are carried out to identify a suitable particle system for the process. Moreover, kinetic investigations using a tubular reactor are conducted to gain reaction kinetics in detail which is also necessary to realize an exact layout of the fluidized bed process and the reactor itself. To enhance the production capacity of the synthesis of carbide-derived carbons and the homogeneity of the products in comparison to the conventionally used tubular reactor, a fluidized bed reactor is designed, constructed, characterized and put into operation. Reactor characterization of the fluidized bed reveals an expansion of the isothermal reaction zone with increasing gas velocity. Furthermore, the operation of the reactor as fluidized bed shows significant advantages with respect to the gained product quality because of the temperature homogeneity within the reactor. The powder fractions which belong to the classification B concerning Geldart show good fluidizability in the course of fluidization experiments at room temperature within a reference fluidized bed setup. Pressure loss measurements within the reactor system at elevated temperatures reveal an increased tendency towards agglomeration for particle fractions with Sauter diameters smaller than 140 µm. Thus, particles with Sauter diameters bigger than 140 µm are suitable for the conversion within the fluidized bed reactor at elevated temperatures. Furthermore, allowing for pressure loss measurements essential parameters for the fluidized bed operation at elevated reaction temperatures can be derived. Investigations to the reaction kinetics show a degressive course of the degree of conversion with increasing reaction time. In a first approximation, this can be described by the ash-core model for ideal spherical geometries. Experiments at short reaction times and thus without pore diffusion limitation allow the derivation of kinetic parameters, which are necessary for the description of the reaction. The effective diffusion coefficients can be determined by alignment of complete conversion-time plots. The reactions carried out within the fluidized bed show nearly identical conversion-time curves compared to the tubular reactor. But it has to be pointed out that the tenfold product mass was synthesized within the fluidized bed reactor system applying the same reaction time. Additionally, the product discharge turns out to be easier using the fluidized bed reactor. This enables a semicontinuous operation in the repetitive batch mode. To sum it up, the transfer of the production of carbide-derived carbons from the conventionally used reactor system to the novel reactor concept, the fluidized bed reactor, was carried out successfully. The synthesis within the fluidized bed reactor offers many significant advantages like the enhancement of the materials´ homogeneity and of the production capacity. This is of great relevance, especially with respect to the industrial establishment of the process.show moreshow less

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Metadaten
Author:Friedrich Glenk
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-36634
Advisor:Bastian J. M. Etzold
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/11/14
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2012/03/12
Release Date:2012/11/14
Tag:Karbidabgeleiteter Kohlenstoff
Carbide-derived carbon; Fluidized bed reactor
SWD-Keyword:Kohlenstoff; Wirbelschichtreaktor
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

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