Hydroprocessing von synthetischen Wachsen zur Schmiermittelproduktion
Creators: name: Neuner, Philipp
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Hydroprocessing
Circular Economy
Plastik
Fischer-Tropsch

description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Produktion von synthethischen Schmierstoffen aus verschiedenen Wachsen. Wachse können generell als n-Paraffinhaltige Stoffgemische mit erhöhten Siedepunkten bezeichnet werden. Um diese Wachse in Schmierstoffe umzuwandeln, dürfen die Siedepunkte nur wenig abgesenkt werden, wie dies beispielsweise beim Cracking der Fall wäre. Dadurch würden lediglich flüssige Kraftstoffe, aber keine Öle entstehen. Um letztere zu produzieren, muss die Molekülstruktur weitestgehend intakt bleiben. Hier bietet sich der Prozess der Isomerisierung an, dadurch wird der Schmelzpunkt des Moleküls herabgesetzt, der Siedepunkt allerdings nur geringfügig variiert. Da sämtliche Prozesse unter Wasserstoffatmosphäre stattfinden, wird hier vom sogenannten Hydroprocessing gesprochen. Als Ausgangsstoffe wurden zwei unterschiedliche Wachse gewählt. Bei dem ersten Wachs handelt es sich um aufgereinigtes Fischer-Tropsch Wachs. Das wurde gewählt, um die Grundlagen des Prozesses zu studieren, ohne Gefahr zu laufen die eingesetzten Platinkatalysatoren (SAPO-11, MFI-90) dauerhaft zu schädigen. Im Rahmen dieser Versuche konnten diverse Zusammenhänge zwischen eingestellten Prozessparametern und resultierenden Öleigenschaften wie Viskosiät, Cloudpoint oder Viskositätsinex hergestellt werden. Insbesondere konnte hier der Zusammenhang zwischen Schmiermitteleigenschaften und der stofflichen Zusammensetzung der korrespondierenden Benzinphase herausgearbeitet werden. Diese Erkenntnisse können zukünftige Forschung unterstützen, indem sie analytische Hürden, insbesondere im Schwersiederbereich, herabsetzen. Bei dem zweiten verwendeten Wachs handelt es sich um die Kondensatphase aus einem Kunststoffpyrolyseprozess. Dieses wurde vom Institut für Technische Chemie (ITC) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zu verfügung gestellt. Beim ursprünglichen Einsatzstoff handelte es sich um Agrar- bzw. Silagefolienabfall. Die resultierende Wachsphase zeichnet sich durch ihre auffälige braune Farbe und unangenehmen Geruch aus, ersteres deutet hier bereits auf einen hohen Anteil ungesättigter Verbindungen hin. Desweiteren finden sich Heteroatomverunreinigungen wie bspw. Schwefel aus dem Abfall auch im Pyrolysewachs wieder. Dies erforderte eine Vorbehandlung mittels Hydrierung, welche bei den Fischer-Tropsch Wachsen nicht notwendig war. In diesem Teil der Arbeit wurde besonders Wert auf die Zusammensetzung der Naphtha- bzw. Benzinphase gelegt. Anders als bei Fischer-Tropsch oder ähnlichen Prozessen, ist das Ziel der Kunststoffpyrolyse ein vollständiges Recycling des Einsatzstoffes zu erreichen. Der Kohlenstoffkreislauf soll hier geschlossen werden. Demnach können die produzierten Leichtsieder nicht thermisch verwertet werden, sondern müssen Folgeprozessen zugeführt werden. Die offensichtliche Wahl ist hier ein Einsatz als Erdölnaphthaersatz in Steam Crackern. Hierfür sind bestimmte Stoffgruppen wünschenswerter, als andere. Dementsprechend wurde in dieser Arbeit auch der Frage nachgegeangen, ob die Naphthaphasen nach dem Hydroprocessing für Einsätze im Steam Cracker geeignet sind. Die Frage nach Einsatzmöglichekeiten für Gas- und Mitteldestillatphase wurde ebenfalls kurz betrachtet. Zur Durchführung der oben genannten Experimente war es notwendig, einen geigneten Reaktor zu planen, auszulegen und zu konstruieren. Hierfür wurde ein Festbettreaktor mit fixierter Katalysatorschüttung gewählt. Sowohl flüssiges Wachs, als auch Wasserstoff werden von oben im Downstream zugeführt. Demnach handelt es sich um einen Dreiphasen-Festbettreaktor, welcher Mitte des Jahres 2019 fertiggestellt werden konnte. Als Auslageparameter wurde hier ein Maximaldruck von 180~bar und 450~°C angesetzt. Die mögliche Fördermenge an Flüssigphase liegt im Bereich zwischen 0,01-5,00~ml/min. Die produzierte Flüssigkeit konnte in darauffolgenden Abscheidebehälter als Kondensat abgezogen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in drei Abschnitte unterteilt. Der erste Teil behandelt die Versuche, welche mit den Fischer-Tropsch Wachsen durchgeführt wurden. Die hier gewonnenen Erkentnisse wurden auf Teil 2, die Versuche mit Kunststoffpyrolysewachsen, angewandt. Die Arbeit wird abgeschlossen durch eine wirtschaftliche Abschätzung, welche der Frage nachgeht, ob ein Recyclingprozess von Abfallplastik hin zu Schmiermitteln und flüssigen Energieträgern auch ökonomisch sinnvoll wäre. Als Vergleich wurden hier gängige Marktpreise von Kraftstoffen und Schmiermitteln angesetzt, Ziel war es, Konkurrenzfähigkeit auf dem Weltmarkt herzustellen und nicht abhängig von Subventionen oder Recyclingquote zu sein.