Gas-to-Liquids

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Gas-to–Liquids ist die Bezeichnung für die Umwandlung von Erdgas in flüssige Kohlenwasserstoffe. In mehreren Prozessschritten entstehen dabei GtL-Öl und Kraftstoffe, die sich durch eine hohe Reinheit von den aus Erdöl gewonnenen Substanzen unterscheiden. GtL-Treibstoffe verbrennen sauberer, sind biologisch abbaubar und entlasten die Umwelt. Die auf diese Weise erzeugten Schmiermittel sind hautfreundlich und geruchsarm. Diese Vorteile rechtfertigen das aufwendige Herstellungsverfahren.

Verschiedene Gas-to–Liquids-Verfahren verfügbar

Im GtL-Verfahren wird aus dem gereinigten Erdgas zunächst ein Synthesegas gewonnen, das zu langkettigen Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet wird. Diese bilden die Grundlage für die Herstellung von Öl und Kraftstoffen.

Erdgasaufbereitung

Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan und enthält eine Reihe von gasförmigen Verunreinigungen. (Wasserdampf, einfach aufgebaute Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Edelgase). Vor der Weiterverarbeitung müssen diese Stoffe entfernt werden. Wasser und Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Butan oder Propan werden dem Erdgas in Trocknungsverfahren entzogen. Dabei kommen in den meisten Fällen Absorptionsmethoden zum Einsatz, bei denen eine hygroskopische Flüssigkeit im Gegenstrom durch das Erdgas rieselt und das Wasser zusammen mit den anderen Stoffen bindet. Der Grad der Trocknung wird mit dem Taupunkt beschrieben. Das ist die Temperatur, bei der Anteile des Gasgemisches gerade anfangen zu kondensieren. Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff lassen sich durch eine Gaswäsche an spezielle Lösungsmittel binden. Beim Anfall größerer Schwefelwasserstoffmengen wir als Nebenprodukt Schwefel erzeugt.

Die niedrigen Siedetemperaturen von Stickstoff und Edelgasen lassen die Trennung bei tiefen Temperaturen zu. Stickstoff wird erst bei einer Temperatur von -196 °C flüssig, Edelgase haben ähnlich niedrige Siedepunkte. Methan verflüssigt sich schon bei -162 °C. Kühlt man das Gasgemisch auf eine Temperatur zwischen -196 °C und -212°C ab, ist das Methan zum größten Teil flüssig. Die Gase entweichen aus dieser Flüssigkeit.

Synthesegasgewinnung

Synthesegas ist eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Beide Bestandteile sind sehr reaktionsfreudig und lassen sich mit geeigneten Methoden zu neuen chemischen Verbindungen zusammenfügen. Die Erzeugung dieser Verbindungen und ihre Weiterverarbeitung sind der eigentliche Inhalt der Gas-to–Liquids-Prozesse. Bevor diese Prozesse in Angriff genommen werden können, müssen die relativ stabilen Methanmoleküle aufgespalten werden. Synthesegas aus Methan wird deshalb auch als Spaltgas bezeichnet. Für die Aufspaltung kommen mehrere Möglichkeiten infrage.

Bei der Dampfreformierung zersetzt sich das Methan durch Zufuhr von heißem Wasserdampf bei Temperaturen von über 900 °C. Der Prozess läuft unter der Anwesenheit eines Katalysators ab.

Eine weitere Methode ist die partielle Oxidation. Die Zufuhr von reinem Sauerstoff bewirkt bei Temperaturen von über 1200 °C die teilweise Verbrennung des Kohlenstoffs im Methan zu Kohlenmonoxid. Übrig bleibt der Wasserstoff. Hochreines Synthesegas lässt sich in einem Plasmakonverter herstellen. Darin wird das Methan bei hohen Temperaturen zu Kohlenstoff und Wasserstoff zersetzt. Anschließend wird der Kohlenstoff mit Kohlendioxid oder Wasserdampf in Kohlenmonoxid umgewandelt.

Gas-to–Liquids: Umwandlung von Synthesegas in Flüssigkeiten

Methanolsynthese

Unter Verwendung von Kupfer-Zinkoxid-Aluminiumoxid-Verbindungen als Katalysator entsteht aus dem Synthesegas Methanol. Dieser Stoff lässt sich zu Otto- oder Diesel-Kraftstoff weiterverarbeiten. In Anlehnung an den Begriff Gas-to–Liquids ist die Herstellung von Benzin unter der Bezeichnung Syngas to Fuel bekannt.

Fischer-Tropsch-Verfahren

Das von den Chemikern Franz Fischer und Hans Tropsch in den 1920er Jahren entwickelte GtL-Verfahren beruht auf der Wirkung von Katalysatoren, die während der chemischen Reaktion mit den Stoffen Zwischenverbindungen eingehend und anschließend wieder freigesetzt werden. Dadurch laufen Reaktionen ab, die sonst nicht oder nur sehr langsam stattfinden würden. Als Katalysatoren fungieren zum Beispiel Eisen, Nickel oder Kobalt. Während der chemischen Reaktion liegen die Temperaturen in einem Bereich von 160 °C bis 300 °C, die Drücke erreichen Werte von bis zu 25 bar. Von der Art Katalysators und den Reaktionsbedingungen hängt die Zusammensetzung des produzierten Flüssigkeitsgemisches ab.

Im Ergebnis entsteht ein breites Spektrum von Kohlenwasserstoffen. Ziel ist vor allem die Herstellung von synthetischen Motorenölen, Schmiermitteln und Kraftstoffen. Darüber hinaus lassen sich auch langkettige wachsartige Stoffe erzeugen. Als Nebenprodukte entstehen häufig Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoffatomen im Molekül, wie Alkohole und Aceton, die in der chemischen Industrie als Lösungsmittel oder Grundstoffe verwendet werden. Für die Weiterverarbeitung und die Nutzung der einzelnen Komponenten, müssen die Bestandteile des Flüssigkeitsgemisches voneinander getrennt werden.

Verarbeitung des Kohlenwasserstoffgemischs

Langkettige, wachsartige Kohlenwasserstoffe werden durch ein Verfahren, das als Cracken bezeichnet wird, in kleinere Moleküle umgewandelt. Die Aufspaltung erfolgt durch Wärmezufuhr oder mit Hilfe von Katalysatoren. Die fraktionierte Destillation nutzt die unterschiedlichen Siedepunkte der Komponenten des Kohlenwasserstoffgemisches zur Trennung aus. Dieser Prozess läuft in hohen Kolonnen ab. Am unteren Ende, dem Sumpf, wird ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Am oberen Ende, dem Kopf, wird ein Teil des Dampfes kondensiert und in die Kolonne zurückgeführt. Während der Dampf in der Kolonne aufsteigt, kommt er mit dem herabrieselnden Kondensat in Kontakt.

Der Dampf nimmt immer mehr leichter siedende Stoffe auf. Das Kondensat reichert sich mit den schwerer siedenden Bestandteilen an. Werden die Kolonnen in verschiedenen Höhen angezapft, lassen sich gezielt einzelne Komponenten (Fraktionen), wie zum Beispiel GtL-Öl oder Kraftstoffe, entnehmen.

Vorteile der Produkte aus Gas-to–Liquids

Die Produkte, die durch die Gas-to–Liquids-Prozesse gewonnen werden, enthalten im Unterschied zu Erzeugnissen aus Erdöl keine aromatischen Kohlenwasserstoffe und kaum Schwefel- oder Stickstoffverbindungen. Die meisten aromatischen Kohlenwasserstoffe sind giftig, verdunsten leicht und treiben den Dampfdruck und den Flammpunkt von Kraftstoffen in die Höhe. Schwefel- und Stickstoffverbindungen führen schnell zu Korrosionserscheinungen.

Die hohe Reinheit der GtL-Produkte ist schon am klaren, hellen Erscheinungsbild und am kaum wahrnehmbaren Geruch erkennbar.

Kraftstoffe verbrennen mit einem höheren Wirkungsgrad und setzen praktisch keine Rußpartikel, Schwefeloxide und Stickoxide frei. Dadurch verringern sich die lokalen Emissionen und die Umweltbelastung. Schmierstoffe aus der Gas-to–Liquids-Produktion zeichnen sich zudem durch eine gute Hautfreundlichkeit aus. Das erweist sich besonders bei der Verwendung von Kühlschmierstoffen, mit denen Mitarbeiter bei der Metallbearbeitung laufend in Berührung kommen, als vorteilhaft.