1. Master thesis
Sustainable Synthesis of Poly(Oxymethylene) Dimethyl
Ethers (OME) based on CO2 and H2
Presented by Gabriel Yarce
Abstract
The transport sector needs a vast CO2-neutral supply to contribute to worldwide CO2
mitigation targets. As part of the Power to Liquids (PtL) concept, CO2-neutral methanol
(MeOH) can be achieved as long-term renewable energy storage. Poly(oxymethylene)
dimethyl ethers (OME) are attractive oxygenated fuel additives for diesel engines that reduce
soot formation during combustion and are synthetized completely from MeOH. The OME
state-of-art regarding synthesis routes, reaction conditions and catalyst system was
investigated and documented within this work. The OME aqueous synthetic route from
formaldehyde (FA) and MeOH was chosen to perform a thermodynamic analysis and
modelling in MatLab® of the complex reacting system in which Poly(oxymethylene) Glycols
(MGn) and Poly(oxymethylene) Hemiformals (HFn) in addition to OME and Trioxane are
formed. The chemical equilibrium of OME formation is experimented in a stirred batch
reactor at 80°C using AmberlystTM
36 and DOWEXTM
50WX2 as catalysts. The modelling
and experiments are successfully validated using experimental results from the TU-
Kaiserslautern and Institute for technology Karlsruhe as reference.
Kurzzusammenfassung
Der Verkehrssektor, als ein Emittent von Treibhausgasen, muss zum Erreichen von
Klimaschutzzielen eine weitreichende CO2-neutrale Mobilität gewährleisten. Im Rahmen des
Power to Liquids (PtL) Konzeptes, CO2-neutral Methanol (MeOH) zu erzeugen, kann dieser
als langfristiger erneuerbarer Energiespeicher synthetisiert werden. Poly (Oxymethylen)
Dimethylether (OME) sind attraktiv mit Sauerstoff angereicherte Kraftstoffadditive für
Dieselmotoren, die Rußbildung bei der Verbrennung reduzieren und vollständig aus MeOH
synthetisiert werden können. Der Stand der Technik im Hinblick der Synthesewege,
Reaktionsbedingungen und Katalysatorsysteme zur Erzeugung von OMEs wurde im Laufe
dieser Arbeit untersucht und dokumentiert. Dabei wurde der wässrige Syntheseweg aus
Formaldehyd (FA) und MeOH ausgewählt in dem Poly (oxymethylen) glykolen (MGn) und
Poly (oxymethylen) Hemiformale (HFn) zu OME und Trioxan reagieren. Ferner wurde zum
Verständnis des komplexen Reaktionssystems eine thermodynamische Analyse und
Modellierung in MatLab® erstellt. Das chemische Gleichgewicht der OME-Synthese wird in
einem gerührten Batch-Reaktor bei 80°C mit AmberlystTM
36 und DOWEXTM
50WX2 als
Katalysatoren experimentell untersucht. Die durchgeführte Modellierung, sowie
Experimente werden mit experimentellen Ergebnissen der TU-Kaiserslautern und des
Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) verglichen. Diese zeigen eine gute Übereinstimmung
der Ergebnisse.