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Verfahren zur Oxydation von Methan
Die Gewinnung des Formaldehyds erfolgt heute noch fast ausschliesslich durch Oxydation von Methanol, das selbst durch eine teure Drucksynthese hergestellt wird. Es sind ausserordentliche Anstrengungen gemacht worden, diesen wichtigen Aldehyd durch andere Herstellungverfahren zu möglichst niedrigen Preisen auf den Markt zu bringen. Lediglich ein Prozess, der sich der partiellen Oxydation des Methans zu. Formaldehyd bedient, ist in verschiedenen Variationen nahezu zur technischen Reife entwickelt worden. Zu diesem Zweck wurde auch bereits vorgeschlagen, Formaldehyd aus Methan in einem Wirbelbett von CuO herzustellen. Die Wirtschaftlichkeit dieser bekannten Verfahren ist jedoch bis heute noch nicht voll gegeben.
Durch das nachstehend beschriebene erfindungsgemässe neue Verfahren ist ein Weg gefunden worden, Formaldehyd durch partielle Oxydation von Methan wirtschaftlich zu gewinnen.
Durch reaktionskinetische Untersuchungen wurde festgestellt, dass der Zerfall des Formaldehyds bei der partiellen Oxydation des Methans hinauf bis zu hohen Formaldehyd-Konzentrationen nach einer Reaktion 2. Ordnung verläuft.
Dies besagt, dass der prozentuale Zerfall des Formaldehyds eine Funktion seiner Konzentration im Reaktionsgasgemisch und der Temperatur ist. Um den Zerfall möglichst niedrig zu halten, müsste daher mit grosser Verdünnung des Reaktionsgasgemisches durch Inertgase gearbeitet werden. Eine solche Verfahrensweise ist mit wirtschaftlichen Nachteilen verbunden.
Es wurde nun gefunden, dass man diese Nachteile vermeiden kann, indem man die Verdünnung durch Anwendung eines Wirbelbettes im Reaktionsraum und in der sich daran anschliessenden Kühlzone umgeht. Erfindungsgemäss wird im Reaktionsraum durch Aufwirbelung eines geeigneten Katalysators der Umsatz von Methan zu
Formaldehyd wesentlich erhöht, so dass auch bei kleiner Verweilzeit im Reaktionsraum bereits wirtschaftliche Umsätze erhalten werden. Da- durch ist es möglich, trotz hoher Formaldehyd-
Konzentrationen im Reaktionsgasgemisch infolge der kurzen Verweilzeit im Reaktionsraum den
Zerfall klein zu halten. Durch Anwendung des Wirbelbettes im Reaktionsraum wird es ausserdem möglich, den durch den exothermen Prozess bedingten örtlich schädlichen Temperaturanstieg abzufangen und somit eine gewünschte Reaktionstemperatur über den gesamten Reaktionsraum konstant zu halten.
Ausserdem ist es erfindungsgemäss weiter möglich, die Reaktionstemperatur zusätzlich noch indirekt entweder durch Zufuhr oder Abführung von Wärme zu steuern.
Die aus dem Reaktionsbett austretenden Formaldehydmolekeln, die sich noch in aktiviertem Zustand befinden, werden auf kürzestem Wege durch das sich unmittelbar über der Reaktionszone befindende 2. Wirbelbett abgeschreckt und damit stabilisiert. Als Wirbelgut für die Abschreckzone wählt man zweckmässig einen Stoff mit guten Wärmeübertragungseigenschaften, welcher die aufgenommene Wärme an innerhalb oder ausserhalb der Abschreckzone vorgesehene Wärmeaustauscher abgibt. Unmittelbar hinter der Reaktionszone erzielt man auf diesem Wege Gasabgangstemperaturen unter 100 C. Der grosse Vorteil dieses Verfahrens gegenüber einer Abschreckung durch Eindüsen von Wasser, Dampf oder Gas liegt neben der wesentlich intensiveren Abschreckung in der Vermeidung einer Verdünnung der anfallenden wässerigen Formaldehydlösung bzw. des Abgangsgasgemisches begründet.
Die Aufarbeitungskosten nach dem erfindunggemässen Verfahren sind dementsprechend wesentlich niedriger.
Mit dem vorliegenden Verfahren ist es einerseits möglich mit wirtschaftlichen Umsätzen im Kreislauf Formaldehyd ohne Zerfall herzustellen.
Anderseits kann man bei einmaligem Durchgang durch den Reaktor hohe Umsätze von Methan zu
Formaldehyd unter Inkaufnahme eines ent- sprechenden Zerfalls erzielen, was an folgenden
Beispielen erläutert wird.
Beispiel 1 : Durch einen Versuchsreaktor wurde ein Methan-Luftgemisch im Verhältnis
1 : 5 mit einem Zusatz von 0, 1% NO, auf das
Reaktionsgasgemisch bezogen, bei einer Tem- peratur von 470 C geleitet. Als Wirbelgut diente im Reaktionsraum Bimsstein und in der Ab- schreckzone Siliziumkarbid. Die Ausbeute be-
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trug 86 g Formaldehyd/Nm3 Methan bei einmaligem Durchgang durch den Reaktor. Dies entspricht einem Umsatz von 6, 41% Methan zu Formaldehyd. Das Restgas enthielt keine Zerfallprodukte.
Beispiel 2 : Bei derselben Versuchsanordnung und der gleichen Gaszusammensetzung wie in Beispiel 1 wurde bei Verzicht auf das Wirbelbett in der Abschreckzone wiederum ein Umsatz von 6, 41% Methan erzielt. Die Ausbeute an Formaldehyd betrug jetzt jedoch nur 58 g Form- aIdehyd/Nm Methan. Der Rest bestand aus Zerfallprodukten des Formaldehyds.
Beispiel 3 : Bei derselben Versuchsanordnung und der gleichen Gaszusammensetzung wie in Beispiel 1 wurde bei höherer Verweilzeit eine Ausbeute von 354 g Formaldehyd/Nm3 Methan bei einmaligem Durchgang durch den Versuchsreaktor erhalten. Dies entspricht einem Umsatz
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suchsanordnung wie in Beispiel 1 bis 3 wurde mit noch höherer Verweilzeit gearbeitet, um eine möglichst hohe Ausbeute ohne Rücksichtnahme auf Methanverluste durch Zerfall von Formaldehyd zu erzielen. Bei einmaligem Durchgang durch den Versuchsreaktor wurden als Spitzenausbeute 547 g Formaldehyd/Nm3 Methan gewonnen. Dieses entspricht einem Umsatz von Methan zu Formaldehyd von 41%. Das eingesetzte Methan war bis auf wenige Prozente verbraucht.