Projektierungskurs
2015

Zeolithe werden u. a als Ionenaustauscher, als Adsorptionsmittel (z. B. in Waschmitteln) und als Katalysatoren eingesetzt. Zeolithe sind Alumosilikate die sich hinsichtlich des Silizium zu Aluminiumverhältnisses und der Struktur unterscheiden. In der industriellen Praxis gibt es deshalb eine Vielzahl von Zeolithen. Sie können bezüglich ihrer Anwendung maßgeschneidert hergestellt werden. Für die Anwendung als Katalysatoren sind die Struktur und die sauren Zentren der Zeolithe entscheidend für deren katalytische Wirkung. In die Zeolithe eingebrachte Metalle und seltene Erden erhöhen die katalytische Wirkung. Großtechnisch werden Zeolithe als Katalysatoren beim katalytischen Cracken von Kohlenwasserstoffen (FCC - Fluid Catalytic Cracking) in der petrochemischen Industrie eingesetzt.

Im Rahmen des Projektierungskurses soll eine Anlage zur Herstellung eines Zeoliths vom Typ ZSM5 und des daraus geformten Katalysators konzipiert und ausgelegt werden. Hierbei sollen Katalysatoren für die Anwendung in Festbetten und in Wirbelschichten hergestellt werden. Für die Herstellung des Zeoliths soll eine Rezeptur aus der Datenbank "International Zeolite Association" (http://iza-online.org) ausgewählt werden. Ausgehend von Aluminiumsulfat als Aluminiumquelle und Kieselsäure als Siliziumquelle mit Tetrapropylammoniumbromid (TPA) als strukturbildendes Templat soll in einer Kristallisation der Zeolith vom Typ ZSM5 synthetisiert werden. Hierzu müssen die Edukte zunächst gemischt werden. Bei diesem Vorgang und in der Kristallisation kommt es zu einer starken Veränderung der Viskosität des Reaktionsgemisches. Dieser Tatsache ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Nach der Kristallisation wird der Rohzeolith von der Mutterlauge getrennt, getrocknet und die kohlenstoffhaltigen Spezies thermisch entfernt. In einem folgenden Prozessschritt wird der Rohzeolith durch Ionenaustausch in die reaktive Form des Zeolithen überführt. Für die Anwendung als industrieller Katalysator wird der Zeolith anschließend mit Hilfe von Bindemitteln in die für die Applikation erforderliche Form gebracht. Die mit dem Bindemittel eingebrachten Kohlenwasserstoffe werden in einer thermischen Behandlung aus den Katalysatorpartikeln entfernt. Ziel ist es den Katalysator im Festbett und in der Wirbelschicht einzusetzen. Für beide Anwendungen sollen Wege aufgezeigt werden, wie der Zeolith in die entsprechenden Katalysatorformen überführt werden kann.

Die Mutterlauge ist entsprechend den rechtlichen Vorschriften aufzubereiten. Das bei der Kristallisation in nicht unerheblichen Mengen anfallende Natriumsulfat soll so aufbereitet werden, dass es wiederverwendet werden kann. Verwendungswege für Natriumsulfat sollen aufgezeigt werden. Das bei der thermischen Behandlung anfallende Abgas ist entsprechend den rechtlichen Vorgaben zu reinigen.

Bei der Herstellung des Zeoliths als auch bei der Formgebung des Katalysators ist eine kritische Bewertung der Konti- versus der Batch-Fahrweise durchzuführen. Alternative Herstellungsrouten für den Zeolithkatalysator sind zu evaluieren und deren Wirtschaftlichkeit ist zu prüfen. Die Energieversorgung der Anlage ist sicherzustellen.

Dem Wasser- als auch dem Kohlenstoffdioxid-Foot-Print der Gesamtanlage ist eine besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Beide Kennzahlen sollen minimiert werden.

Für die Gesamtanlage und für alternative Herstellungsrouten sind Verfahrenskonzepte zu entwickeln, Apparate auszulegen und die Herstellungskosten zu ermitteln und gegenüberzustellen. Die Betrachtung ist für eine Kapazität von 1.000 t/a Zeolith bei 8000 Betriebsstunden/a durchzuführen.