Synthesegaschemie

Die Synthesegaschemie umfasst die chemischen Reaktionen, mit denen aus Synthesegas verschiedene chemische Produkte hergestellt werden. Die Bezeichnung Synthesegas bezeichnet im wörtlichen Sinne ein Gasgemisch, mit dem chemische Synthesen möglich sind. Im Allgemeinen bezeichnet Synthesegas ein Gasgemisch, das aus den Hauptkomponenten Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) besteht. Zudem kann Synthesegas weitere Komponenten enthalten. Auch das Gasgemisch zur großtechnischen Herstellung von Ammoniak (NH₃) wird als Synthesegas bezeichnet. Es besteht aus Stickstoff (N₂) und Wasserstoff (H₂).

Die Zusammensetzung des Synthesegases ist abhängig vom Herstellverfahren und von den eingesetzten Rohstoffen. Kohlenstoffreiche Rohstoffe wie Steinkohle liefern ein Synthesegas mit einem hohen Anteil an Kohlenmonoxid (CO). Wasserstoffreiche Rohstoffe wie Erdgas liefern ein Synthesegas mit einem hohen Anteil an Wasserstoff (H₂).

Anpassung des Wasserstoffanteils im Synthesegas

Durch nachgeschaltete Verfahrensschritte kann der Wasserstoffanteil im Synthesegas erhöht werden. Bei der Konvertierung von Kohlenstoffmonoxid wird CO katalytisch mit Wasserdampf umgesetzt. Die Konvertierung von CO ist auch als CO-Shift bekannt. In Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen stellt sich das sogenannte Wassergasgleichgewicht ein.

CO + H₂O A CO₂ +H₂ (ΔH_R= -42 kJ/mol)

Die Reaktion ist schwach exotherm. Das bei der Reaktion gebildete Kohlenstoffdioxid (CO₂) kann aus dem Synthesegas entfernt werde, so dass insgesamt ein Synthesegas mit höherem H₂-Anteil entsteht.

Bedeutung der Synthesegaschemie

Synthesegas kann zu einer Vielzahl an Grundchemikalien und Energieträgern umgesetzt werden. Die Rohstoffbasis für die Herstellung von Synthesegas ist flexibel. Es sind sowohl verschiedene fossile Rohstoffquellen als auch regenerative Rohstoffquellen zugänglich. Wichtige fossile Rohstoffquellen sind Kohle, Erdgas und erdölbasierte Rohstoffe. Regenerative Verfahren zur Herstellung von Synthesegas sind die Vergasung von Biomasse und die Reformierung von Biogas.

Wichtige Verfahren der Synthesegaschemie

Methanolsynthese: Methanol (CH₃OH) ist eines der wichtigsten chemischen Zwischenprodukte. Für die Methanolsynthese wird ein wasserstoffreiches Synthesegas verwendet. Das Eingangsgas enthält neben CO und H₂ größere Mengen an CO₂. Die Methanolsynthese wird heterogen-katalysiert an Kupferkatalysatoren durchgeführt. Die wichtigsten Folgeprodukte des Methanols sind Formaldehyd, Essigsäure, Dimethylether (DME), Methyl-tert-buthylether (MTBE) und Methylamin

Fischer–Tropsch–Synthese: Die Fischer-Tropsch-Synthese ist eine Aufbaureaktion von Synthesegas zu Kohlenwasserstoffen. Die Reaktion wird heterogen-katalysiert an Cobaltkatalysatoren oder Eisenkatalysatoren durchgeführt. Die entstehenden Produkte sind Benzin, Diesel, Olefine, Paraffine und Alkohole. Die Fischer-Tropsch-Synthese wurde in den 1920er Jahren am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr entwickelt.

Ammoniaksynthese: Ammoniak wird aus einem Synthesegas hergestellt, das aus H₂ und N₂ im Verhältnis 3 zu 1 besteht. Das Synthesegas wird hauptsächlich durch Dampfreformierung von Erdgas hergestellt. Durch die Konvertierung von Kohlenstoffmonoxid (CO-Shift) wird CO mit Wasserdampf zu zusätzlichem Wasserstoff umgewandelt. Das Nebenprodukt Kohlenstoffdioxid (CO₂) wird aus dem Gasgemisch abgetrennt. Das entstandene Synthesegas besteht aus Wasserstoff (H₂), Stickstoff (N₂) und geringen Mengen anderer Komponenten. Die zuvor zugesetzte Luftmenge wird so bemessen, dass sich das richtige Verhältnis von H₂ zu N₂ einstellt. Als Katalysator wird Eisen in Form von Magnetit (Fe₂O₃) verwendet, das Spuren von weiteren Komponenten zur Stabilisierung des Katalysators enthält.

Synthesegas wird ebenfalls in der Hydroformylierung und in der Synthesegasfermentation eingesetzt.

Englische Übersetzung(en):

syngas chemistry