CH687004A5 - Membrane reactor for the conversion of houses on gaseous precursors. - Google Patents
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Description
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CH 687 004 A5 CH 687 004 A5
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Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen von im wesentlichen gasförmigen Ausgangsstoffen in mindestens ein im wesentlichen dampfförmiges Produkt, ein Verfahren zum Erzeugen von Methanol aus Synthesegas sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. The present invention relates to a process for converting essentially gaseous starting materials into at least one substantially vaporous product, a process for producing methanol from synthesis gas and a device for carrying out the process.
Ursprünglich geht beispielsweise die technische Methanolsynthese als typische Reaktion von gasförmigen Edukten von einem aus Erdgas oder Naphta durch Dampfreformierung gewonnenen Synthesegas aus mit den Hauptkomponenten CO und H2. Dieser Synthese liegt folgendes Gleichgewicht zugrunde: Originally, for example, technical methanol synthesis started as a typical reaction of gaseous starting materials from a synthesis gas obtained from natural gas or naphtha by steam reforming with the main components CO and H2. This synthesis is based on the following balance:
CO + 2HZ - CH3OH. CO + 2HZ - CH3OH.
Bei dem sog. Niederdruckverfahren wird diese klassische Synthese in einem Druckreaktor über einem hochaktiven Cu/Zn Katalysator bei Temperaturen zwischen 230-280°C und Drücken von ca. 50-100 bar technisch durchgeführt. Bei den angegebenen Reaktionsbedingungen liegt für z.B. 260°C und 50 bar die theoretisch maximale Konversion, d.h. der Umsatz bezogen auf den Kohlenstoffeinsatz bei 45%. Durch Anheben des Synthesedruckes auf z.B. 100 bar kann der Umsatz auf 65% erhöht werden. Druckerhöhung ist aber mit Mehrkosten für die Gaskompression und die Auslegung der unter Druck stehenden Anlageteile verbunden und wird in der Praxis deshalb nicht bevorzugt. In the so-called low-pressure process, this classic synthesis is carried out technically in a pressure reactor over a highly active Cu / Zn catalyst at temperatures between 230-280 ° C and pressures of approx. 50-100 bar. Under the specified reaction conditions, e.g. 260 ° C and 50 bar the theoretical maximum conversion, i.e. sales based on carbon usage at 45%. By raising the synthesis pressure to e.g. 100 bar sales can be increased to 65%. However, increasing the pressure is associated with additional costs for gas compression and the design of the pressurized system parts and is therefore not preferred in practice.
Um die Einsatzstoffe gut auszunutzen, wird statt dessen eine mehrfache Rezirkulierung des nicht umgesetzten Synthesegases praktiziert. Das angereicherte Gas aus dem Reaktor wird auf ca. 30°C abgekühlt, und Methanol kondensiert aus dem nicht umgesetzten Synthesegas aus. Die nicht umgesetzten Reaktanden werden rekomprimiert, wiederum aufgeheizt und für die weitere Umsetzung in den Reaktor zurückgeführt. In der Praxis wird unter Zu-rückführung von dem nicht umgesetzten Synthesegas mit einem Kreisgasverhältnis von 5 und einer Rezirkulationsrate von üblicherweise 4-6 die gesamte Konversion auf ungefähr 88% gesteigert. In diesem Zusammenhang sei verwiesen auf E. Supp, Chem.Technol. 3 (1973) Nr. 7, S. 430-435. In order to make good use of the feedstocks, multiple recirculation of the unreacted synthesis gas is practiced instead. The enriched gas from the reactor is cooled to about 30 ° C, and methanol condenses from the unreacted synthesis gas. The unreacted reactants are recompressed, heated again and returned to the reactor for further reaction. In practice, the total conversion is increased to approximately 88% by recycling the unreacted synthesis gas with a circulating gas ratio of 5 and a recirculation rate of usually 4-6. In this context, reference is made to E. Supp, Chem.Technol. 3 (1973) No. 7, pp. 430-435.
Mehr und mehr aber gewinnt die Methanolsynthese aus Kohlendioxyd und Wasserstoff an Bedeutung. Dieser Synthese liegt fügendes Gleichgewicht zugrunde: However, methanol synthesis from carbon dioxide and hydrogen is becoming increasingly important. This synthesis is based on equilibrium:
C02 + 3H2~ CH3OH + H20 C02 + 3H2 ~ CH3OH + H20
Diese Reaktion zeigt, dass neben Methanol zusätzlich auch Wasser anfällt. Im Vergleich zu der Methanolsynthese aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff, ist die Konversion aus CO2 und H2 wesentlich niedriger. Für 250°C und 50 bar z.B. beträgt die theoretisch maximale Konversion ca. 16%. Dies bedeutet, dass nach einem Durchgang durch den Reaktor im besten Fall 16% des Gasgemisches (1 Teil CO2 und 3 Teile H2) umgesetzt werden. Um eine optimale Gasausnutzung zu gewährleisten, ist auch hier mehrfache Rezirkulierung notwendig, wobei jetzt Methanol und Wasser aus dem Reichgas entfernt werden müssen. This reaction shows that water is also produced in addition to methanol. Compared to methanol synthesis from carbon monoxide and hydrogen, the conversion from CO2 and H2 is much lower. For 250 ° C and 50 bar e.g. the theoretical maximum conversion is approximately 16%. This means that after one pass through the reactor, at best 16% of the gas mixture (1 part CO2 and 3 parts H2) are converted. To ensure optimal gas utilization, multiple recirculation is also necessary here, with methanol and water now having to be removed from the rich gas.
Sowohl für die erstgenannte klassische als auch für die zweitgenannte alternative Methanolsynthese können nur wesentliche Ersparnisse bei den Investitionskosten sowie an Energie und bei den Rohstoffen erreicht werden, wenn die Umsetzung pro Durchgang so verbessert wird, dass eine Rückführung des nicht umgesetzten Synthesegases vermieden werden kann. Dieser Sachverhalt gilt generell für alle Reaktionen, wo gasförmige Edukte in dampfförmige Produkte umgesetzt werden, wie dies spezifisch bei der Methanolsynthese der Fall ist. For both the first-mentioned classic and the second-mentioned alternative methanol synthesis, only significant savings in investment costs, energy and raw materials can be achieved if the implementation per run is improved so that recycling of the unreacted synthesis gas can be avoided. This applies in general to all reactions where gaseous starting materials are converted into vaporous products, as is specifically the case with methanol synthesis.
In diesem Zusammenhang schlagen K. R. Westerterp, M. Kuczynski, T. N. Bodewes und M. S. A. Vrijland in einem Artikel «Neue Konvertersysteme für die Methanol-Synthese», Chem.-Ing.-Tech. 61 (1989) Nr. 3, auf den S. 193-199, vor, die während der Synthese anfallenden Produkte kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch abzutrennen. Prinzipiell ist ja bekannt, dass der Umsatz pro Durchgang bei unverändertem Druck und Temperatur gesteigert werden kann, wenn man in der Lage ist, während der Synthese die Produkte gleichzeitig und kontinuierlich abzutrennen. Zu diesem Zwecke wird ein Reaktorkonzept vorgeschlagen, wobei die in situ Abtrennung von Methanol (aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff) mittels Adsorption zugrunde liegt, nämlich der Gas/Feststoff/Feststoff-Rieselreaktor, wobei hierzu im Reaktor ein herunterrieselndes Feststoffadsorbens eingesetzt wird. Dadurch werden Umsätze von bis zu 100% auf an sich einfache Art und Weise erreicht, und die Notwendigkeit der Rezirkulation entfällt. Allerdings ist dieses vorgeschlagene Verfahren verfahrenstechnisch sehr aufwendig. In this context, K.R. Westerterp, M. Kuczynski, T.N. Bodewes and M.S.A. Vrijland suggest in an article «New converter systems for methanol synthesis», Chem.-Ing.-Tech. 61 (1989) No. 3, pp. 193-199, before continuously separating the products obtained during the synthesis from the reaction mixture. In principle, it is known that the turnover per run can be increased at unchanged pressure and temperature if one is able to separate the products simultaneously and continuously during the synthesis. For this purpose, a reactor concept is proposed, the in situ separation of methanol (from carbon monoxide and hydrogen) by means of adsorption, namely the gas / solid / solid trickle reactor, using a trickling down solid adsorbent in the reactor. As a result, sales of up to 100% are achieved in a simple manner and the need for recirculation is eliminated. However, this proposed method is very complex in terms of process technology.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren generell für Reaktionen von gasförmigen Edukten zur Bildung von dampfförmigen Produkten und im speziellen für die Methanolsynthese vorzuschlagen, wobei während der Reaktion bzw. der Synthese durch gleichzeitiges Abtrennen eines oder mehrerer der Produkte der Umsatz bzw. die Konversion gesteigert werden kann. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens nach dem Wortlaut von Anspruch 1 gelöst. The object of the present invention is therefore to propose a method generally for reactions of gaseous starting materials for the formation of vaporous products and in particular for methanol synthesis, the conversion or, during the reaction or the synthesis, simultaneous removal of one or more of the products, the conversion or the conversion can be increased. According to the invention, this object is achieved by means of a method according to the wording of claim 1.
Generell wird ein Verfahren zum Umsetzen von im wesentlichen gasförmigen Ausgangsstoffen vorgeschlagen, welche Ausgangsstoffe in mindestens ein im wesentlichen dampfförmiges Produkt umgesetzt werden, wobei für die Erhöhung der Reaktionsausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Produkt(e) dadurch verschoben wird, dass dem Reaktionsgemisch mindestens ein Produkt mittels Membranpermeation entzogen wird. In general, a process for converting essentially gaseous starting materials is proposed, which starting materials are converted into at least one essentially vaporous product, the reaction equilibrium being shifted towards product (s) in order to increase the reaction yield by using at least one product in the reaction mixture Membrane permeation is withdrawn.
Dabei wird vorgeschlagen, dass der Entzug des mindestens einen Produktes mittels sog. Dampfper-meation erfolgt. It is proposed that the at least one product be withdrawn by means of so-called steam permeation.
Im weiteren wird ein Verfahren zum Erzeugen von Methanol aus Synthesegas vorgeschlagen, wobei erneut zur Erhöhung der Ausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Methanol dadurch verschoben wird, dass dem Reaktionsgemisch Methanol und/oder ggf. ein weiteres bei der Reaktion Furthermore, a method for producing methanol from synthesis gas is proposed, the reaction equilibrium being shifted again towards methanol in order to increase the yield by adding methanol and / or possibly another during the reaction to the reaction mixture
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anfallendes Produkt mittels Membranpermeation entzogen wird. resulting product is removed by membrane permeation.
Als Membrane werden dünne Schichten bezeichnet, die zwar sehr unterschiedliche Strukturen besitzen können, aber alle die gemeinsame Eigenschaft haben, dem Durchtritt verschiedener Stoffe unterschiedlichen Widerstand entgegenzusetzen. Es ist bekannt, mit Membranen einzelne Komponenten von fluiden Gemischen zu trennen. Hierzu sei verwiesen auf den Artikel von Y. Cen, K. Meckl und R. N. Lichtenthaler mit dem Titel «Nichtporöse Membranen und ihre Anwendungen», Chem.-Ing.-Tech. 65 (1993) Nr. 8, auf den S. 901-913. Membranes are thin layers that can have very different structures, but all have the same property of opposing different resistance to the passage of different substances. It is known to separate individual components from fluid mixtures using membranes. In this regard, reference is made to the article by Y. Cen, K. Meckl and R. N. Lichtenthaler with the title “Nonporous Membranes and Their Applications”, Chem.-Ing.-Tech. 65 (1993) No. 8, pp. 901-913.
Die Stofftrennung mittels beispielsweise nicht-porösen Membranen beruht auf den Unterschieden in der Löslichkeit und der Diffusionsgeschwindigkeit von verschiedenen Mischungskomponenten im Membranmaterial. Dabei erfolgt der Stofftransport im wesentlichen in drei aufeinanderfolgenden Schritten: The separation of substances by means of, for example, non-porous membranes is based on the differences in the solubility and the rate of diffusion of different mixture components in the membrane material. The mass transfer takes place in three successive steps:
1. Sorption der Komponenten aus der Feedmi-schung bzw. aus der Reaktionsmischung, 1. sorption of the components from the feed mixture or from the reaction mixture,
2. Diffusion der adsorbierenden Komponenten durch die selektive Membran, und 2. Diffusion of the adsorbent components through the selective membrane, and
3. Desorption der Komponenten in die Permeat-phase. 3. Desorption of the components in the permeate phase.
Es ist bekannt, dass Dämpfe in geeigneten Polymermembranen eine erheblich höhere Permeabilität besitzen als Gase. Das wesentliche dabei ist, dass das aufzubereitende bzw. zu klassierende Gemisch neben den eigentlichen Gasen auch solche Komponenten enthält, die bei Standardbedingungen (1 bar und 0°C) kondensierbar sind. Die Triebkraft für den Stofftransport durch eine sog. nicht poröse Membran ist durch den Unterschied des chemischen Potentials der permeierenden Komponenten zwischen Feed- und Permeatseite gegeben. Bei der Dampf-permeation wird dieser Unterschied dadurch erzeugt, dass die Partialdrücke der einzelnen Komponenten feedseitig viel höher sind als permeatseitig. Aufgrund der oben angeführten Beobachtungen wird vorgeschlagen, dass bei der Synthese von Methanol gemäss der nachfolgenden Reaktionsgleichung: It is known that vapors in suitable polymer membranes have a significantly higher permeability than gases. The essential thing is that the mixture to be prepared or classified contains not only the actual gases but also components that can be condensed under standard conditions (1 bar and 0 ° C). The driving force for mass transport through a so-called non-porous membrane is given by the difference in the chemical potential of the permeating components between the feed and permeate side. With steam permeation, this difference is generated by the fact that the partial pressures of the individual components are much higher on the feed side than on the permeate side. Based on the above observations, it is suggested that in the synthesis of methanol according to the following reaction equation:
XCO2 + (1-X) CO+ (2+X) H2^ CH3OH + XH2O (1), XCO2 + (1-X) CO + (2 + X) H2 ^ CH3OH + XH2O (1),
wobei X einen Wert zwischen 0 bis 1 betragen kann, das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Methanol verschoben wird unter Verwendung der oben beschriebenen Membranpermeation. where X can be a value between 0 to 1, the reaction equilibrium is shifted towards methanol using the membrane permeation described above.
Im speziellen wird ein Verfahren zum Erzeugen von Methanol aus Kohlendioxyd und Wasserstoff gemäss der nachfolgenden Reaktionsgleichung vorgeschlagen: In particular, a method for producing methanol from carbon dioxide and hydrogen according to the following reaction equation is proposed:
CO2 + 3H2- CH3OH + H2O (2), CO2 + 3H2- CH3OH + H2O (2),
wobei für die Erhöhung der Produktausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Methanol verschoben wird, indem dem Reaktionsgemisch Methanol und/oder Wasser mittels Membranpermeation entzogen wird. the reaction equilibrium being shifted towards methanol in order to increase the product yield, by withdrawing methanol and / or water from the reaction mixture by means of membrane permeation.
Aufgrund der höheren Permeabilität von Dämpfen durch geeignete Polymermembrane wird erfin-dungsgemäss vorgeschlagen, dass als Membran für das Entziehen von Methanol und/oder ggf. Wasser eine Polymermembran verwendet wird, welche, wie oben erwähnt, eine höhere Permeabilität für Dämpfe aufweist als für Gase. Somit werden während der Durchführung der Reaktion kontinuierlich Methanol und/oder ggf. Wasser abgetrennt, wodurch, wie erfindungsgemäss gefordert, der Umsatz bei unverändertem Druck und Temperatur wesentlich gesteigert werden kann. Due to the higher permeability of vapors through suitable polymer membranes, it is proposed according to the invention that a polymer membrane is used as the membrane for the removal of methanol and / or water, which, as mentioned above, has a higher permeability for vapors than for gases. Thus, while the reaction is being carried out, methanol and / or, if appropriate, water are continuously separated off, as a result of which, as required according to the invention, the conversion can be increased significantly at unchanged pressure and temperature.
Bevorzugt wird vorgeschlagen, eine Membran aus einem perfluorierten lonomeren wie beispielsweise eine perfluorierte Kationenaustauschermembran zu verwenden. Derartige Fluorpolymere mit Sulfonsäure und/oder Carboxylgruppen werden normalerweise als ionomere Membrane in der Chlor-Alkali-Elektrolyse verwendet. Verwiesen sei in diesem Zusammenhang auch auf einen Artikel von R. S. Yeo mit dem Titel «Applications of Perfluoro-sulfonated Polymer Membranes in Fuel Cells, Electrolyzers, and Load Leveling Devices» in «Perfluorinated lonomer Membranes», Edit. A. Eisenberg, H. L. Yeager, ACS Symposium, Ser. 180, Washington D. C. (1982). It is preferably proposed to use a membrane made of a perfluorinated ionomer, such as a perfluorinated cation exchange membrane. Such fluoropolymers with sulfonic acid and / or carboxyl groups are normally used as ionomeric membranes in chlor-alkali electrolysis. In this context, reference is also made to an article by R. S. Yeo entitled “Applications of Perfluorosulfonated Polymer Membranes in Fuel Cells, Electrolyzers, and Load Leveling Devices” in “Perfluorinated lonomer Membranes”, Edit. A. Eisenberg, H.L. Yeager, ACS Symposium, Ser. 180, Washington DC (1982).
Erfindungsgemäss hat es sich nun gezeigt, dass speziell bei der Verwendung von perfluorierten lonomeren, wie beispielsweise einer perfluorierten Polysulfonsäure-Membran, eine selektive Abtrennung von Methanol und ggf. Wasser aus dem Reaktionsgemisch erzielt werden kann. Dabei hängen sowohl die chemische und physikalische Stabilität wie auch die Permeationseigenschaften vom Typ des sog. Gegenions ab. Erfindungsgemäss wird entsprechend vorgeschlagen, die perfluorierte Poly-sulfonsäure-Membran mittels Lithiumionen zu versetzen, beispielsweise indem eine Lithiumchlorid-Lösung über die Membran vor der Durchführung der Synthese geleitet wird. According to the invention, it has now been shown that, especially when using perfluorinated ionomers, such as, for example, a perfluorinated polysulfonic acid membrane, a selective separation of methanol and possibly water from the reaction mixture can be achieved. The chemical and physical stability as well as the permeation properties depend on the type of counter ion. According to the invention, it is correspondingly proposed to add lithium ions to the perfluorinated polysulfonic acid membrane, for example by passing a lithium chloride solution over the membrane before carrying out the synthesis.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene perfluorierte Polysulfonsäure-Membran in Lithiumform weist einerseits hervorragende Chemikalienbeständigkeit auf und andererseits auch gute Temperaturbeständigkeit bis zu ca. 250°C. Entsprechend ist es also möglich, die Reaktion bei Temperaturen bis zu ca. 220°C durchzuführen, wobei die bei Methanolsynthesen üblichen Katalysatoren wie Kupfer, Zink, Chrom und/oder Aluminium, bzw. Gemische davon, bzw. wenigstens teilweise Oxydgemische davon, verwendet werden können. The perfluorinated polysulfonic acid membrane in lithium form proposed according to the invention has excellent chemical resistance on the one hand and good temperature resistance up to approximately 250 ° C. on the other hand. Accordingly, it is possible to carry out the reaction at temperatures up to about 220 ° C., using the catalysts customary in methanol syntheses, such as copper, zinc, chromium and / or aluminum, or mixtures thereof, or at least partially oxide mixtures thereof can.
Die Erfindungsidee soll beispielsweise anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt: The idea of the invention will be explained in more detail, for example, with the aid of the attached figures. It shows:
Fig. 1 anhand einer Prinzipskizze einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäss beanspruchten Membranreaktors für die Durchführung der Methanolsynthese; 1 is a schematic diagram of a possible structure of a membrane reactor claimed according to the invention for carrying out the methanol synthesis;
Fig. 2 ein Membranmodul, wie es in einer labor-mässigen Versuchsanordnung verwendet wurde, um das erfindungsgemässe Verfahren durchzuführen bzw. zu überprüfen, und 2 shows a membrane module, as was used in a laboratory test arrangement, in order to carry out or check the method according to the invention, and
Fig. 3 ein Beispiel für das Auslegen eines technischen bzw. industriellen Reaktors für die Herstellung von Methanol gemäss dem Erfindungsprinzip. Fig. 3 shows an example of the design of a technical or industrial reactor for the production of methanol according to the principle of the invention.
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In Fig. 1 ist schematisch das Prinzip eines erfin-dungsgemässen Membranreaktors dargestellt, geeignet für die Durchführung der Methanolsynthese. Dabei umfasst der Reaktor eine semi-permeable Membran 1, welche an ihrer äusseren Oberfläche mit Katalysatorpartikeln beschichtet bzw. umgeben ist. Bei der semi-permeablen Membran handelt es sich um eine sog. nicht poröse Membran, wobei sich als Membranmaterial perfluorierte Polysulfon-säure in Lithiumform als bevorzugtes Material erwiesen hat. Wie bereits oben erwähnt, weisen perfluorierte Ionomere eine hohe Selektivität für den Transport von Wasser auf. Perfluorierte Polysulfon-säure ist im Markt erhältlich beispielsweise unter dem Markennamen «NAFION» und wird hergestellt von der Firma Du Pont. Wie ebenfalls oben erwähnt, hängen die Permeationseigenschaften derartiger perfluorierter Ionomere vom Typ des Gegenions ab. Zu diesem Zweck wurde die erfindungsgemäss verwendete perfluorierte Polysulfonsäure-Membran vor der Durchführung der Methanolsynthesereaktion mit Lithiumchlorid-Lösung behandelt, wodurch das Gegenion durch Lithium-Ionen gebildet wird. Als Katalysatoren eignen sich sämtliche, üblicherweise bei der Methanolsynthese verwendeten Katalysatoren, wie Kupfer, Zink, Chrom, Aluminium, Mischungen davon oder wenigstens teilweise Oxyde dieser Metalle. 1 schematically shows the principle of a membrane reactor according to the invention, suitable for carrying out the methanol synthesis. The reactor comprises a semi-permeable membrane 1 which is coated or surrounded on its outer surface with catalyst particles. The semi-permeable membrane is a so-called non-porous membrane, and perfluorinated polysulfonic acid in lithium form has proven to be the preferred material as the membrane material. As already mentioned above, perfluorinated ionomers have a high selectivity for the transport of water. Perfluorinated polysulfonic acid is available on the market, for example under the “NAFION” brand name, and is manufactured by the Du Pont company. As also mentioned above, the permeation properties of such perfluorinated ionomers depend on the type of counterion. For this purpose, the perfluorinated polysulfonic acid membrane used according to the invention was treated with lithium chloride solution before carrying out the methanol synthesis reaction, as a result of which the counterion is formed by lithium ions. Suitable catalysts are all catalysts usually used in methanol synthesis, such as copper, zinc, chromium, aluminum, mixtures thereof or at least partially oxides of these metals.
Bei der Durchführung der Reaktion wird der Reaktor mit Synthesegas 5 beschickt, wobei es sich dabei um Kohlendioxyd und Wasserstoffgas handelt. Nahe der Oberfläche der semi-permeablen Membran 1, d.h. im Bereich der Katalysatorpartikel 3, erfolgt die Reaktion zu Methanol und Wasser, wobei diese an sich kondensierbaren Produkte gemäss den dargestellten Pfeilen 7 bevorzugt durch die Membran 1 permeieren, um auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Membran beispielsweise mittels eines Gasstromes oder mittels Vakuum in Pfeilrichtung 9 abgeführt zu werden. Durch das kontinuierliche Abziehen von Methanol und/oder Wasser durch die Membran wird selbstverständlich das Gleichgewicht der Reaktion produkteseits verschoben, wodurch der Umsatz der Reaktionsgleichung CO2 + 3H2= CH3OH + H2O wesentlich gesteigert werden kann. When carrying out the reaction, the reactor is charged with synthesis gas 5, which is carbon dioxide and hydrogen gas. Near the surface of the semi-permeable membrane 1, i.e. in the region of the catalyst particles 3, the reaction to methanol and water takes place, these condensable products according to the arrows 7 preferably permeating through the membrane 1 in order to be discharged on the opposite surface of the membrane, for example by means of a gas stream or by means of a vacuum in the direction of the arrow 9 to become. The continuous withdrawal of methanol and / or water through the membrane naturally shifts the equilibrium of the reaction on the product side, as a result of which the conversion of the reaction equation CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O can be increased significantly.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wurde erhärtet, dass mittels des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens der Umsatz bei der Methanolsynthese durch die Verwendung einer semi-permeablen Membran deutlich gesteigert werden kann. Der Aufbau des im Ausführungsbeispiel verwendeten Membranmoduls ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Dabei umfasst das verwendete Modul 11 eine äussere Hülle 13, sowie eine innere schlauchförmige Membran 15, geliefert von der Firma Perma Pure Products Inc. in Thom's River, N. J. 08754, USA, mit einem Einlassende 17 und einem Auslass 19. Wiederum wird eine perfluorierte Polysulfonsäure-Membran verwendet, wobei die Membranfläche 0,0122 m2 betrug mit einer Membrandicke von 3,15 10~6 m. Das innere Schlauchvolumen betrug 6,6 10-6 m3. Bei der äusseren Hülle 13 handelt es sich um einen Stahlrohrmantel. Die Membran trennt das Schlauchvolumen vom Mantelvolumen, sodass unabhängig voneinander Gasart (Medium), Druck, Flussgeschwindigkeit und Flussrichtung in beiden Teilen des Reaktormoduls 11 eingestellt werden können. On the basis of an exemplary embodiment, it was confirmed that the conversion proposed for the synthesis of methanol can be increased significantly by using a semi-permeable membrane by means of the method proposed according to the invention. The structure of the membrane module used in the exemplary embodiment is shown schematically in FIG. 2. The module 11 used here comprises an outer shell 13 and an inner tubular membrane 15, supplied by Perma Pure Products Inc. in Thom's River, NJ 08754, USA, with an inlet end 17 and an outlet 19. Again, a perfluorinated polysulfonic acid -Membrane used, the membrane area was 0.0122 m2 with a membrane thickness of 3.15 10 ~ 6 m. The inner hose volume was 6.6 10-6 m3. The outer shell 13 is a tubular steel jacket. The membrane separates the tube volume from the jacket volume, so that gas type (medium), pressure, flow velocity and flow direction can be set independently of one another in both parts of the reactor module 11.
Die äussere Stahlrohrmantelhülle 13 umfasst ihrerseits einen Einlass 20, sowie einen Auslass 21. The outer tubular steel casing 13 in turn comprises an inlet 20 and an outlet 21.
Vor der Durchführung der Methanolreaktion wurde mit Hilfe einer Schlauchpumpe parallel je 750 ml einer etwa 50°C warmen 1 N-Lithiumchlorid-Lösung innerhalb von 90 min durch das Reaktormembranmodul 11 geleitet. D.h. die Lithiumchlorid-Lösung wurde sowohl innerhalb der schlauchförmigen Membran 15 als auch durch die Mantelhülle geleitet. Danach wurde mit 1 Liter destilliertem Wasser gespült und anschliessend mit Druckluft getrocknet. Before the methanol reaction was carried out, 750 ml of a 1 N lithium chloride solution at about 50 ° C. were passed in parallel through the reactor membrane module 11 with the aid of a peristaltic pump. I.e. the lithium chloride solution was passed both within the tubular membrane 15 and through the jacket. It was then rinsed with 1 liter of distilled water and then dried with compressed air.
In das Schlauchvolumen wurden 7,0 g Katalysator (mit einer Komgrösse von 500-1000 jim) gefüllt und die Enden jeweils mit Glaswolle locker verschlossen. Der eingegebene Katalysator war auf Kupfer-, Zink- bzw. Aluminiumbasis aufgebaut. Der Katalysator wurde gemäss den von den Katalysatorlieferanten vorgeschlagenen üblichen Verfahren in die aktive Form umgesetzt. 7.0 g of catalyst (with a grain size of 500-1000 μm) were filled into the tube volume and the ends were each loosely closed with glass wool. The catalyst entered was based on copper, zinc or aluminum. The catalyst was converted to the active form according to the usual procedures suggested by the catalyst suppliers.
Für die Durchführung der Methanolsynthese im Membranreaktor 11 wurde mit Hilfe von Massen-durchflussreglern bei einem Druck von 4,3 bar im Mantel- und Schlauchvolumen ein Spülgasfluss von 200 ml/min (100 Vol% Argon) und ein Synthese-gasfluss von 64 ml/min (76,2 Vol% Wasserstoff, 23,8 Vol% Kohlendioxyd) eingestellt. Das Spülgas und das Synthesegas wurden in entgegengesetzter Richtung geführt (Gegenstromprinzip). Mit anderen Worten wurde das Synthesegas bei Pfeil 17 in das Innere der schlauchförmigen Membran 15 geführt und bei Pfeil 19 ausgegeben. Demgegenüber wurde der Spülgasfluss von Argon bei Pfeil 20 in die Mantelhülle eingegeben und bei Pfeil 21 abgeführt. Die Trockenschranktemperatur betrug während der Durchführung der Methanolsynthese 200°C. Die Methanolausbeute wurde integral durch Auskondensieren der Gase in zwei hintereinander geschalteten, mit Wasser gefüllten Waschflaschen ermittelt. Der Methanolgehalt wurde quantitativ gaschromato-grafisch bestimmt. Die auf das Kohlendioxydange-bot bezogene Methanolausbeute betrug 3,6%. To carry out the methanol synthesis in the membrane reactor 11, a flushing gas flow of 200 ml / min (100% by volume argon) and a synthesis gas flow of 64 ml / were carried out with the aid of mass flow controllers at a pressure of 4.3 bar in the jacket and hose volume. min (76.2 vol% hydrogen, 23.8 vol% carbon dioxide). The purge gas and the synthesis gas were conducted in the opposite direction (countercurrent principle). In other words, the synthesis gas was fed into the interior of the tubular membrane 15 at arrow 17 and discharged at arrow 19. In contrast, the purge gas flow of argon was entered into the jacket at arrow 20 and discharged at arrow 21. The drying cabinet temperature was 200 ° C. while the methanol synthesis was being carried out. The methanol yield was determined integrally by condensing the gases in two successive wash bottles filled with water. The methanol content was determined quantitatively by gas chromatography. The methanol yield based on the carbon dioxide supply was 3.6%.
Vergleichsweise dazu wurde ein analoger Rohrreaktor ohne Membran verwendet, wobei die Durchführung der Reaktion wie im oben angeführten Ausführungsbeispiel erfolgte. Bei gleicher Katalysatorbelastung betrug die auf das Kohlendioxyd angebotene bezogene Methanolausbeute nur 2,5%. Mit anderen Worten kann durch die Verwendung der schlauchförmigen Membran bzw. mittels der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Prozessführung eine Ausbeutesteigerung im dargestellten Laborversuch von ca. 50% erzielt werden. Selbstverständlich handelt es sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Laborversuch, um die Wirksamkeit des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens zu überprüfen und zu erhärten. Für den technischen bzw. industriellen Masstab sind selbstverständlich andere Reaktorauslegungen zu verwenden, wobei an sich Methanolsynthesereaktoren industriell bestens bekannt sind. Es ist schliesslich eine Frage der Optimierung, wie der Reaktor aus5 In comparison, an analog tubular reactor without a membrane was used, the reaction being carried out as in the exemplary embodiment mentioned above. With the same catalyst load, the methanol yield based on the carbon dioxide offered was only 2.5%. In other words, by using the tubular membrane or by means of the process control proposed according to the invention, an increase in yield in the laboratory test shown can be achieved by approximately 50%. Of course, the exemplary embodiment shown is a laboratory test to check and confirm the effectiveness of the method proposed according to the invention. Other reactor designs are of course to be used for the technical or industrial scale, with methanol synthesis reactors per se being well known industrially. After all, it is a question of optimization how the reactor looks5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
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60 60
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4 4th
7 7
CH 687 004 A5 CH 687 004 A5
8 8th
zulegen ist, wobei sowohl Faktoren wie Prozessbedingungen (Druck, Temperatur), verwendeter Katalysator, verwendetes Membranmaterial, Membrandicke wie auch Anlagegrösse, etc. zu berücksichtigen sind. must be taken into account, taking into account factors such as process conditions (pressure, temperature), catalyst used, membrane material used, membrane thickness as well as system size, etc.
In Fig. 3 ist anhand eines Beispieles schematisch eine mögliche Auslegung eines industriellen Metha-nolsynthese-Reaktors dargestellt, in welchem, wie erfindungsgemäss vorgeschlagen, für das Abtrennen von Methanol und/oder Wasser aus dem Reaktionsgemisch das Anordnen einer Membran vorgesehen ist. 3 schematically shows an example of a possible design of an industrial methanol synthesis reactor in which, as proposed according to the invention, a membrane is provided for separating methanol and / or water from the reaction mixture.
Ausgehend von einem typischen Reaktor in einer 1000 t/Tag Methanol-Anlage (wie beschrieben in: «Neue Konvertersysteme für die Methanol-Synthese»; K. R. Westerterp, M. Kuczynski, T. N. Bode-wes und M. S. A. Vrijland; Chem.-Ing.-Tech. 61 (1989) Nr. 3, S. 193-199) sind 4000 Rohre, je mit ca. 20 kg Katalysator 3 gefüllt. Ein derartiges Rohr 4 ist in Fig. 3 dargestellt. Jedes Rohr 4 ist 10 m lang und besitzt einen Durchmesser von 0.05 m. In so einer Anlage wird eine Raumzeitausbeute (RZA) von Methanol von ca. 0,5 mol/stunde*kg Kat. eingestellt. Starting from a typical reactor in a 1000 t / day methanol plant (as described in: "New converter systems for methanol synthesis"; KR Westerterp, M. Kuczynski, TN Bode-wes and MSA Vrijland; Chem.-Ing.- Tech. 61 (1989) No. 3, pp. 193-199) are 4000 tubes, each filled with approx. 20 kg of catalyst 3. Such a tube 4 is shown in Fig. 3. Each tube 4 is 10 m long and has a diameter of 0.05 m. In such a system, a space-time yield (RZA) of methanol of approx. 0.5 mol / hour * kg cat. Is set.
Für eine technische Realisierung wird folgendes vorgeschlagen: In einem Rohr 4, gefüllt mit Katalysator 3 kann die Methanol-Ausbeute pro Durchgang ausgehend von z.B. CO2 und H2 bei 30 bar und 220°C erfindungsgemäss gesteigert werden, wenn in diesem Rohr perfluorierte Kationenaustausch-membrane 1 eingebaut sind. Hierbei wird die kontinuierliche Produktabtrennung 9 mittels Vakuum auf der Permeatseite aufrechterhalten. The following is proposed for a technical implementation: in a tube 4 filled with catalyst 3, the methanol yield per pass can be started from e.g. CO2 and H2 at 30 bar and 220 ° C. can be increased according to the invention if perfluorinated cation exchange membranes 1 are installed in this tube. Here, the continuous product separation 9 is maintained by means of vacuum on the permeate side.
Bei der Membran kann es sich um Hohlfasern (z.B. je 10 m lang, Durchmesser 120 um und Dicke 10 [im) handeln, die der Druckdifferenz (Synthesedruck minus Vakuumdruck) standhalten. Ebenfalls denkbar wären aber auch andere Konstruktionen, bei denen die Membran in Form von dünnen Folien (Schichten) oder Schläuchen vorliegt. In diesen Fällen könnte hierbei ein Stützkörper den Differenzdruck aufnehmen. The membrane can be hollow fibers (e.g. 10 m long, 120 µm in diameter and 10 µm in thickness) that withstand the pressure difference (synthesis pressure minus vacuum pressure). However, other constructions in which the membrane is in the form of thin foils (layers) or tubes would also be conceivable. In these cases, a support body could take up the differential pressure.
Zur Abtrennung der obgenannten RZA wird eine Gesamt-Membranfläche von etwa 0,3 m2 pro Rohr benötigt. Dies bedeutet ca. 80 Hohlfasern der oben erwähnten Grösse pro Rohr 4, in Pfeilrichtung 6 wird das Restgas abgeführt. A total membrane area of around 0.3 m2 per pipe is required to separate the above-mentioned RZA. This means about 80 hollow fibers of the size mentioned above per tube 4, the residual gas is removed in the direction of arrow 6.
Selbstverständlich handelt es sich bei dem in Fig. 3 dargestellten Reaktorrohr 4 nur um ein mögliches Beispiel, das in x-beliebiger Art und Weise abgeändert, modifiziert und ergänzt werden kann. Fig. 3 dient einzig dazu zu zeigen, dass sich der in den Fig. 1 und 2 schematisch bzw. im Labormassstab dargestellte Reaktortyp auf den industriellen Massstab transformieren lässt. Of course, the reactor tube 4 shown in FIG. 3 is only one possible example, which can be modified, modified and supplemented in any desired manner. 3 only serves to show that the reactor type shown schematically or on a laboratory scale in FIGS. 1 and 2 can be transformed to the industrial scale.
Grundsätzlich ist auch zu ergänzen, dass die Erfindung anhand der Methanolsynthese beispielsweise erläutert werden soll, jedoch grundsätzlich auf sämtliche chemischen Umsetzungen anwendbar ist, bei welchen aus gasförmigen Edukten zumindest teilweise dampfförmige Produkte hergestellt werden. In principle, it should also be added that the invention is to be explained, for example, on the basis of methanol synthesis, but is in principle applicable to all chemical reactions in which gaseous starting materials are at least partially used to produce vaporous products.
Erfindungswesentlich ist, dass bei der Umsetzung von gasförmigen Edukten in mindestens ein dampfförmiges Produkt, das (die) erhaltene(n) Produkt(e) mittels einer semipermeablen Membran vom Reaktionsgemisch abgeführt wird (werden), um so das Gleichgewicht in Richtung Produkte zu verlagern und um so eine Erhöhung des Umsatzes zu erzielen. It is essential to the invention that when gaseous starting materials are converted into at least one vaporous product, the product (s) obtained are / are removed from the reaction mixture by means of a semipermeable membrane, so as to shift the equilibrium towards products and so as to increase sales.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NV | New agent |
Representative=s name: MARCO ZARDI |
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PUE | Assignment |
Owner name: PAUL SCHERRER INSTITUT TRANSFER- METHANOL CASALE S |
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PL | Patent ceased |