CS264304B2 - A method for producing dimethyl ether, optionally together with methanol - Google Patents
A method for producing dimethyl ether, optionally together with methanol Download PDFInfo
- Publication number
- CS264304B2 CS264304B2 CS813339A CS333981A CS264304B2 CS 264304 B2 CS264304 B2 CS 264304B2 CS 813339 A CS813339 A CS 813339A CS 333981 A CS333981 A CS 333981A CS 264304 B2 CS264304 B2 CS 264304B2
- Authority
- CS
- Czechoslovakia
- Prior art keywords
- catalyst
- synthesis gas
- synthesis
- gas
- dimethyl ether
- Prior art date
Links
Landscapes
- Catalysts (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Způsob výroby dimethyletheru, popřípadě spolu s methanolem, konverzí syntézního plynu, při kterém se syntézní plyn s molárním poměrem Hj/CO v rozmezí od 0,5 do 3,0 uvádí, popřípadě v přítomnosti vody, při teplotě 232 až 399 °C do styku s katalyzátorem obsahujícím společně vysrážené Cr, Cu a Zn složky a kyselou dehydratační složku zvolenou ze souboru zahrnujícího gamma-aluminu, silika-aluminu, krystalický zeolit typu ZSM-5 s vysokým obsahem oxidu křemičitého, fosfát, oxid titaničitý v kombinaci s oxidem křemičitým, vzácnou zeminu a jíl, ve kterém je atomární poměr Cr/(Cu+Zn) 0,1 až 1,0 a obsah kyselé dehydratační složky 5 až 95 % hmotnostních, načež se katalyzátor regeneruje uváděním do styku s plynem obsahujícím kyslík při teplotě 38 až 538 °C.A process for the preparation of dimethyl ether, optionally together with methanol, by conversion of a synthesis gas in which the synthesis gas with an Hj / CO molar ratio in the range of 0.5 to 3.0 is brought into contact, optionally in the presence of water, at 232 to 399 ° C. with a catalyst comprising co-precipitated Cr, Cu and Zn components and an acidic dehydrating component selected from the group consisting of gamma-alumina, silica-alumina, crystalline zeolite ZSM-5 with high silica content, phosphate, titanium dioxide in combination with silica, rare soil and clay in which the Cr / (Cu + Zn) atomic ratio is 0.1 to 1.0 and the acid dehydration content is 5 to 95% by weight, whereupon the catalyst is regenerated by contacting the oxygen-containing gas at a temperature of 38 to 538 ° C.
Description
Vynález se týká způsobu konverze syntézního plynu na dimethylether.The invention relates to a method for converting synthesis gas into dimethyl ether.
Pro konverzi uhlí na kapalná paliva přes syntézní plyn jsou v současné době k dispozici dva hlavní postupy a to dobře známý a publikovaný Fischer-Tropschův (F-T) postup a později vyvinutý methanol-benzinový postup, jako je například postup popsaný v patentu OSA č. 3 928 483 Při Fischer-Tropschově postupu vzniká široký rozsah produktů až C5Q zahrnující plyny, kapalné uhlovodíky, látky obsahující kyslík a vodu.Two main processes are currently available for converting coal to liquid fuels via synthesis gas, the well-known and published Fischer-Tropsch (FT) process and the more recently developed methanol-gasoline process, such as that described in OSA Patent No. 3,928,483. The Fischer-Tropsch process produces a wide range of products up to C5Q , including gases, liquid hydrocarbons, oxygenates and water.
Pro oba postupy je společný převažující vliv investičních nákladů při výrobě syntézního plynu, tj. směsi vodíku a oxidu uhelnatého. Náklady se mění podle druhu zplyňovače a na volbu zplyňovače mají vliv vlastnosti uhlí a enthalpie produktu. V nedávném přehledu technologie zplyňováni byly nalezeny některé vysoce účinné zplyňovače, které používají při zplyňování malých množství páry a kyslíku, a proto nutně vyrábějí syntézní plyn s paněrně nízkým poměrem vodíku k oxidu uhelnatému. Nejnovější pokročilé zplyňovače pracuji tak, že se produkt získává za poměrně nízké teploty, při nízkém poměru páry k uhlíku, čímž se dosahuje vysoké tepelné účinnosti. Syntézní plyn vyrobený za těchto podmínek může mít molární poměr vodíku k oxidu uhelnatému rovný jedné a obvykleji u nejúčinnějších zplyňovačů je tento poměr nižší než 1, v rozmezí od asi 0,4 do asi 0,7. Syntézního plynu s tak nízkým molárním poměrem Hj/CO nelze přímo používat při současných běžných F-T postupech nebo při syntéze methanolu. Oba tyto postupy vyžadují poměr H2/CO rovný 2 nebo vyšší. Jakákoliv vnější konverze syntézního plynu s nízkým molárním poměrem H2/CO na vodní plyn, za účelem zvýšení molárního poměru H2/CO z hodnoty menší než 1 na 2 nebo více by však v podstatě eliminovala všechny výhody spočívající v účinnosti konverze uhlí na syntézní plyn dosažené za použití nejpokročilejších vysoce účinných zplyňovačů. 'Common to both processes is the overwhelming influence of the investment costs in producing synthesis gas, i.e. a mixture of hydrogen and carbon monoxide. The costs vary with the type of gasifier and the choice of gasifier is influenced by the properties of the coal and the enthalpy of the product. A recent review of gasification technology found some highly efficient gasifiers which use small amounts of steam and oxygen in the gasification and therefore necessarily produce synthesis gas with a very low hydrogen to carbon monoxide ratio. The most recent advanced gasifiers operate in such a way that the product is obtained at relatively low temperatures, at a low steam to carbon ratio, thereby achieving high thermal efficiency. Synthesis gas produced under these conditions may have a molar ratio of hydrogen to carbon monoxide equal to one and more usually in the most efficient gasifiers this ratio is less than 1, in the range of about 0.4 to about 0.7. Syngas with such a low H2/CO molar ratio cannot be directly used in current conventional FT processes or in methanol synthesis. Both of these processes require an H2 /CO ratio of 2 or higher. However, any external conversion of the low H2 /CO molar ratio syngas to water gas, in order to increase the H2 /CO molar ratio from less than 1 to 2 or higher, would essentially eliminate any coal-to-syngas conversion efficiency advantages achieved using the most advanced high-efficiency gasifiers. '
Hlavní výhodou výroby dimethyletheru (DME) přímo ze syntézního plynu je, že tuto sloučeninu lze jednoduše převádět na uhlovodíky s rozmezím teploty varu benzinu za použití krystalických zeolitů, které mají index sterické zábrany (C-index, constraint index) 1 až 12, viz například patent USA č. 3 928 483. Při tomto postupu se vytvořený methanol dehydratuje a etherový produkt se podrobuje konverzi na krystalickém zeolitu typu ZSM-5.The main advantage of producing dimethyl ether (DME) directly from synthesis gas is that this compound can be easily converted to hydrocarbons with a gasoline boiling range using crystalline zeolites that have a steric hindrance index (C-index, constraint index) of 1 to 12, see for example U.S. Patent No. 3,928,483. In this process, the methanol formed is dehydrated and the ether product is converted on a crystalline zeolite of the ZSM-5 type.
Jedním problémem, se kterým se střetává syntéza methanolu ze syntézního plynu je, že se dosahuje poměrně nízké rovnovážné konverze (účinnosti na uhlík). Aby se dosáhlo uspokojivých výtěžků je při běžné syntéze methanolu nutno recyklovat velká množství nezreagovaného vodíku a oxidu uhelnatého. Tento faktor podstatně ovlivňuje ekonomickou atraktivnost této metody, poněvadž při nutnosti recyklovat velká množství látek je nutno podstatně zvětšit velikost zařízení, čímž stoupají investiční náklady.One problem encountered in the synthesis of methanol from synthesis gas is that it achieves a relatively low equilibrium conversion (efficiency on carbon). In order to achieve satisfactory yields, large amounts of unreacted hydrogen and carbon monoxide must be recycled in conventional methanol synthesis. This factor significantly affects the economic attractiveness of this method, since the need to recycle large amounts of substances requires a significant increase in the size of the plant, which increases investment costs.
V důsledku toho byla hledána zlepšení, kterými by se při konverzi syntézního plynu zvýšila produktivita methanolu vztažená na jeden průchod reakční zónou. Jedním z přístupů bylo odstranit chemickou rovnováhu tím, že by methanol dále reagoval na nerovnovážný konečný produkt. Mezi reakcemi odstraňujícími reakční rovnováhu byla navržena dehydratace intermediárního methanolového produktu na dimethylether.Consequently, improvements were sought to increase the methanol productivity per pass through the reaction zone in the conversion of syngas. One approach was to remove the chemical equilibrium by further reacting the methanol to a non-equilibrium final product. Among the reactions that removed the reaction equilibrium was the dehydration of the intermediate methanol product to dimethyl ether.
Tak například patent USA č. 3 894 102 popisuje dvoustupňový způsob konverze syntézního plynu na benzin, při kterém se v prvním stupni syntézní plyn uvádí do styku se směsným, katalyzátorem obsahujícím složku katalyzující syntézu methanolu a kyselou dehydratační složku za vzniku produktu obsahujícího dimethylether a pak se ve druhém stupni tento intermediární produkt obsahující dimethylether uvádí do styku s katalyzátorem typu ZSM-5 za vzniku aromatických uhlovodíků. V prvním stupni se může použit jakéhokoliv katalyzátoru pro syntézu methanolu, i když přednostně se používá směsi oxidů o složení Zn/Cu/Cr/kovy vzácných zemin, ve které je obsah jednotlivých složek uváděný v hmotnostních dílech kovu 50 až 70 dílů mědi, 50 až 25 dílů zinku, 5 až 15 dílů chrómu a 5 až 15 dílů kovů vzácných zemin. Poměr Cr/(Cu+Zn) v těchto směsích leží v rozmezí od 0,07 do 0,3.For example, U.S. Patent No. 3,894,102 describes a two-stage process for converting synthesis gas to gasoline, in which, in the first stage, the synthesis gas is contacted with a mixed catalyst comprising a methanol synthesis catalyst component and an acidic dehydration component to form a dimethyl ether-containing product, and then, in the second stage, this dimethyl ether-containing intermediate product is contacted with a ZSM-5 catalyst to form aromatic hydrocarbons. Any catalyst for methanol synthesis can be used in the first stage, although a mixture of oxides of the composition Zn/Cu/Cr/rare earth metals is preferably used, in which the content of the individual components, expressed in parts by weight of metal, is 50 to 70 parts copper, 50 to 25 parts zinc, 5 to 15 parts chromium and 5 to 15 parts rare earth metals. The Cr/(Cu+Zn) ratio in these mixtures is in the range of 0.07 to 0.3.
Syntézní plyn používaný při postupu podle patentu USA č. 3 894 102 měl relativně vysoký molární poměr H2/CO. Další důležité zlepšení, kterého lze dosáhnout v souvislosti s reakcí na dimethylether, kterážto reakce odstraňuje rovnováhu při konverzi syntézního plynu na methanol v přítomnosti katalyzátorů pro syntézu methanolu, je uvedeno v patentu USA č. 4 011 275. Při postupu podle tohoto patentu se používá na konverzi syntézního plynu s molárním poměrem H2/CO 0,8 až 1,7, přičemž tento plyn se vede přes dvousložkový katalyzátor pro syntézu dimethyletheru. Konverze syntézního plynu při této syntéze dimethyletheru a methanolu je vyšší než konverze v případě syntézy samotného methanolu, ale nejen to, maximálních rovnovážných konverzí v případě syntézy dimethyletheru a methanolu se dosáhne při molárním poměru HO/CO v syntézním plynu 1 na rozdíl od hodnoty 2, která je optimální pro syntézu samotného methanolu. Obrázky 6 a 8 posledně uvedeného patentu dále ukazují, že přidání vody k násadě syntéznízo plynu dále posunuje hodnotu poměru H2/CO, požadovanou pro maximální rovnovážnou konverzi, směrem k násadám chudším na vodík. Přidávání oxidu uhličitého k násadě nemělo žádný zřejmý účinek na syntézu dimethyletheru a methanolu. Zvýšení konverze dosažené za použití násad chudých na vodík v případě současně uváděné vody bylo připisováno vnitřní reakci na vodní plyn mezi přidanou vodu a přebytkem oxidu uhelnatého. Touto reakcí vzniká přídavný vodík, který lze převést do organického produktu. Uvádí se, že jako katalyzátory pro syntézu methanolu jsou při tomto postupu vhodné všechny běžné katalyzátory.The synthesis gas used in the process of U.S. Patent No. 3,894,102 had a relatively high molar ratio of H 2 /CO. Another important improvement that can be achieved in connection with the reaction to dimethyl ether, which reaction removes the equilibrium in the conversion of synthesis gas to methanol in the presence of catalysts for the synthesis of methanol, is disclosed in U.S. Patent No. 4,011,275. In the process of this patent, a synthesis gas with a molar ratio of H 2 /CO of 0.8 to 1.7 is used for the conversion, which gas is passed over a two-component catalyst for the synthesis of dimethyl ether. The conversion of the synthesis gas in this synthesis of dimethyl ether and methanol is higher than that in the case of the synthesis of methanol alone, but not only that, the maximum equilibrium conversions in the case of the synthesis of dimethyl ether and methanol are achieved at a molar ratio of H 2 /CO in the synthesis gas of 1, in contrast to the value of 2, which is optimal for the synthesis of methanol alone. Figures 6 and 8 of the latter patent further show that the addition of water to the synthesis gas feed further shifts the H2 /CO ratio required for maximum equilibrium conversion towards feeds leaner in hydrogen. The addition of carbon dioxide to the feed had no apparent effect on the synthesis of dimethyl ether and methanol. The increase in conversion achieved using hydrogen-lean feeds in the case of simultaneously introduced water was attributed to an internal reaction to water gas between the added water and the excess carbon monoxide. This reaction produces additional hydrogen which can be converted to an organic product. It is stated that all conventional catalysts are suitable as catalysts for the synthesis of methanol in this process.
Patent USA č. 4 098 809 uvádí, že dimethylether lze vyrábět z násadové směsi chudé na vodík, která obsahuje oxid uhelnatý, oxid uhličitý a vodík tak, že se uvedená směs uvádí za podmínek konverze do styku s katalyzátorem pro syntézu methanolu o složení Cu/Zn/Cr a aluminu s tou podmínkou, že obsah oxidu uhličitého v nasazovaném plynu je poměrně nízký vzhledem k obsahu oxidu uhelnatého. V patentu se uvádí, že přítomnost vody v reagujícím plynu je nežádoucí, poněvadž inhibuje dehydrataci methanolu a tím omezuje stupeň konverze na dimethylether dosažený při jednom průchodu reakční zónou. Nicméně se konstatuje, že přidávání vodní páry je užitečné, když je oxid uhelnatý v podstatném přebytku vzhledem k vodíku. Vhodnými katalytickými složkami pro syntézu methanolu jsou při tomto postupu katalyzátory na bázi mědi, zinku a chrómu. V příkladech bylo použito katalytické složky pro syntézu methanolu o složeni Cu/Zn/Cr v atomárním poměru 82/16/4. Poměr Cr/(Cu+Zn) v tomto katalyzátoru byl 0,04. V patentu nejsou zveřejněny žádné způsoby přípravy katalyzátoru.U.S. Patent No. 4,098,809 discloses that dimethyl ether can be produced from a hydrogen-poor feed mixture containing carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen by contacting the mixture under conversion conditions with a Cu/Zn/Cr/alumina methanol synthesis catalyst, provided that the carbon dioxide content of the feed gas is relatively low relative to the carbon monoxide content. The patent discloses that the presence of water in the reacting gas is undesirable because it inhibits the dehydration of methanol and thereby limits the degree of conversion to dimethyl ether achieved in a single pass through the reaction zone. However, it is noted that the addition of steam is useful when the carbon monoxide is in substantial excess relative to hydrogen. Suitable catalytic components for methanol synthesis in this process are copper, zinc and chromium catalysts. In the examples, a catalytic component for methanol synthesis with a composition of Cu/Zn/Cr in an atomic ratio of 82/16/4 was used. The Cr/(Cu+Zn) ratio in this catalyst was 0.04. The patent does not disclose any methods for preparing the catalyst.
Patent USA č. 4 096 163 navrhuje konvertovat syntézni plyn na uhlovodíkové produkty na katalyzátoru obsahujícím složku pro syntézu methanolu a zeolitickou složku typu ZSM-5.U.S. Patent No. 4,096,163 proposes converting synthesis gas to hydrocarbon products over a catalyst comprising a methanol synthesis component and a ZSM-5 type zeolite component.
Není zde uvedeno, že by byl některý katalyzátor pro syntézu methanolu obzvláště preferován.There is no indication that any catalyst for methanol synthesis is particularly preferred.
Kromě toho Sherwin a Blum oznámili ve zprávě Interim Report za květen 1978 ve stati pod titulem Liquid Phase Methanol připravené pro výzkumný ústav elektrické energie Electric power Research Institute v Palo Alto v Kalifornii pokus vyrobit dimethylether přidáním gama-aluminy a molekulového síta 13X do suspenzního reakčního systému obsahujícího obchodně dostupný katalyzátor pro syntézu methanolu. Při teplotě 230 až 300 °C, absolutním tlaku 3,5 až 6,9 MPa, prostorové hodinové rychlosti plynu 2 015 až 6 915 h 1 byly pozorovány jen stopy dimethyletheru. Katalyzátor obsahující mě3, zinek a chrom v atomovém poměru Cu/Zn/Cr 6/3/1 impregnovaný na silika-alumině Davidson 980 poskytnul pouze stopová množství dimethyletheru při teplotě 230 °C absolutním tlaku 6,9 MPa a prostorové hodinové rychlosti plynu 2 000 h-1 při použití násady obsahující 50 % vodíku, 25 % oxidu uhelnatého, 10 % oxidu uhličitého a 15 i methanu.In addition, Sherwin and Blum reported in the May 1978 Interim Report, "Liquid Phase Methanol," prepared for the Electric Power Research Institute, Palo Alto, California, an attempt to produce dimethyl ether by adding gamma-alumina and 13X molecular sieves to a slurry reaction system containing a commercially available methanol synthesis catalyst. At temperatures of 230 to 300°C, absolute pressures of 3.5 to 6.9 MPa, and gas hourly space velocities of 2,015 to 6,915 h -1, only traces of dimethyl ether were observed. A catalyst containing copper, zinc and chromium in the atomic ratio Cu/Zn/Cr 6/3/1 impregnated on Davidson 980 silica-alumina provided only trace amounts of dimethyl ether at a temperature of 230 °C, an absolute pressure of 6.9 MPa and a gas hourly space velocity of 2,000 h -1 when using a feed containing 50% hydrogen, 25% carbon monoxide, 10% carbon dioxide and 15% methane.
Patent USA č. 4 177 167 uvádí, že katalyzátory pro syntézu dimethyletheru, které byly stabilizovány sloučeninami křemíku, mají vyšší aktivitu a delší provozní životnost než nestabilizované katalyzátory. Katalyzátory se skládají ze směsí oxidů nebo solí chrómu, lanthanu, manganu, mědi, zinku a kombinací těch oxidů nebo solí s hliníkem. Pro udržení aktivity stabilizovaného katalyzátoru je potřebný atomový obsah hliníku v rozmezí od 10 do 70 %. Katalyzátor se může připravit jakýmkoliv běžným postupem. V patentu je jako příklad uvedeno společné srážení Cu/Zn/Cr složek. Není uváděno, že by složení katalyzátoru (kromě obsahu hliníku mělo nějaký zvláštní účinek. Poměr Cr/(Cu+Zn) v katalyzátorech uvedených formou příkladu leží přibližně v rozmezí od 0,2 do 0,6. V patentu se rovněž uvádí, že vhodný molární poměr H^/CO v nasazovaném plynu je v rozmezí od asi 0,3 do asi 10. Syntézní plyn používaný v příkladech měl molární poměr H2/CO 3.U.S. Patent No. 4,177,167 discloses that catalysts for the synthesis of dimethyl ether which have been stabilized with silicon compounds have higher activity and longer service life than unstabilized catalysts. The catalysts consist of mixtures of oxides or salts of chromium, lanthanum, manganese, copper, zinc, and combinations of those oxides or salts with aluminum. To maintain the activity of the stabilized catalyst, an atomic aluminum content in the range of 10 to 70% is required. The catalyst can be prepared by any conventional process. The patent exemplifies the coprecipitation of Cu/Zn/Cr components. The composition of the catalyst (other than the aluminum content) is not stated to have any particular effect. The Cr/(Cu+Zn) ratio in the catalysts given by way of example is in the range of approximately 0.2 to 0.6. The patent also states that a suitable molar ratio of H2/CO in the feed gas is in the range of about 0.3 to about 10. The synthesis gas used in the examples had a molar ratio of H2 /CO3.
Proveditelnost přímé syntézy dimethyletheru byla původně demonstrována za použití fyzikální směsi Cu/Zn/Cr obsahující promotor na bázi kovů vzácných zemin a gamma-aluminu,The feasibility of direct synthesis of dimethyl ether was initially demonstrated using a physical mixture of Cu/Zn/Cr containing a rare earth metal-based promoter and gamma-alumina,
Syntézní plyn s molárním poměrem H-/CO = 4 byl uváděn do styku s katalyzátorem při 315 °C, z -1 absolutním tlaku 5 MPa, prostorové hodinové rychlosti plynu 1 440 h . Bylo dosaženo konverze 31,5 % (86 % rovnovážné konverze). Produkt obsahoval 22,4 % dimethyletheru, 0,93 % methanolu, 29,0 % oxidu uhličitého, 2,0 % vody, 3,2 % lehkých uhlovodíků a zbytek činil vodík a oxid uhelnatý. Shora uvedený katalyzátor byl rovněž zkoušen při molárním poměru H2/CO = 1, teplotě 315 °C, absolutním tlaku 10,3 MPa a prostorové hodinové rychlosti plynu 4 400 h-1. Konverze klesla z 60 % (75 % rovnovážné konverze) během 30 dnů na 40 %, což ukazuje, že katalyzátor rychle stárl. Pokus o reaktivaci vodíkem při 315 až 4Ů0 °C nebyl úspěšný.Synthesis gas with a molar ratio of H-/CO = 4 was contacted with the catalyst at 315 °C, an absolute pressure of 5 MPa, and a space hourly gas velocity of 1,440 h -1 . A conversion of 31.5% (86% equilibrium conversion) was achieved. The product contained 22.4% dimethyl ether, 0.93% methanol, 29.0% carbon dioxide, 2.0% water, 3.2% light hydrocarbons, and the remainder was hydrogen and carbon monoxide. The above catalyst was also tested at a molar ratio of H 2 /CO = 1, a temperature of 315 °C, an absolute pressure of 10.3 MPa, and a space hourly gas velocity of 4,400 h -1 . The conversion dropped from 60% (75% equilibrium conversion) to 40% within 30 days, indicating that the catalyst was aging rapidly. An attempt at reactivation with hydrogen at 315 to 40 °C was not successful.
Stárnutí katalyzátoru je významným problémem při známých postupech syntézy dimethyletheru, poněvadž stárnutí ostře omezuje obchodní atraktivitu jinak vysoce cenných postupů.Catalyst aging is a significant problem in known dimethyl ether synthesis processes, as aging severely limits the commercial attractiveness of otherwise highly valuable processes.
Záměrem vynálezu bylo najít spolehlivý a obchodně atraktivní postup regenerace katalyzátorů, které zaznamenaly stárnutí tím, že byly deaktivovány použitím při syntéze dimethyletheru. Konečným cíleln bylo zvýšit ekonomickou atraktivnost celého postupu syntézy.The aim of the invention was to find a reliable and commercially attractive process for regenerating catalysts that have aged by being deactivated by use in the synthesis of dimethyl ether. The ultimate goal was to increase the economic attractiveness of the entire synthesis process.
Vynález je založen na objevu, že stárnutí katalyzátoru lze snížit na nejnižší míru použitím určitého Zn/Cu/Cr katalyzátoru jako složky katalyzátoru pro syntézu dimethyletheru, která katalyzuje syntézu methanolu, a že lze aktivitu katalyzátoru udržet na vysoké úrovni postačující pro zajištování téměř rovnovážné konverze nasazovaného syntézního plynu tím, že se regenerace provádí speciální oxidační technologií.The invention is based on the discovery that catalyst aging can be minimized by using a certain Zn/Cu/Cr catalyst as a component of a dimethyl ether synthesis catalyst that catalyzes methanol synthesis, and that the catalyst activity can be maintained at a high level sufficient to ensure near-equilibrium conversion of the feed synthesis gas by performing regeneration by a special oxidation technology.
Ačkoliv použití takových katalyzátorů při syntéze dimethyletheru již bylo známé, vztah mezi složením katalyzátoru, zejména jeho obsahem ohromu a stárnutím katalyzátoru nebyl dříve zjevně oceněn.Although the use of such catalysts in the synthesis of dimethyl ether was already known, the relationship between the composition of the catalyst, in particular its sulfur content, and the aging of the catalyst had not previously been clearly appreciated.
Předmětem vynálezu je způsob výroby dimethyletheru, popřípadě spolu s methanolem, konverzi syntézního plynu, který se vyznačuje tím, že se syntézní plyn s molárním poměrem H2/CO v rozmezí od 0,5 do 3,0 uvádí, popřípadě v přítomnosti vody, při teplotě 232 až 399 °C do styku s katalyzátorem obsahujícím společně vysrážené Cr, Cu a Zn složky a kyselou dehydratační složku zvolenou ze souboru zahrnujícího gamma-aluminu, silika-aluminu, krystalický zeolit typu ZSM-5 s vysokým obsahem oxidu křemičitého, fosfát, oxid titaničitý v kombinaci s oxidem křemičitým, vzácnou zeminu a jíl, ve kterém je atomární poměr Cr/(Cu+Zn) 0,1 až 1,0 a obsah kyselé dehydratační složky 5 až 95 % hmotnostních, načež se katalyzátor regeneruje uváděním do styku s plynem obsahujícím kyslík při teplotě 38 až 538 °C.The subject of the invention is a method for producing dimethyl ether, optionally together with methanol, by converting synthesis gas, which is characterized in that synthesis gas with a molar ratio of H 2 /CO in the range from 0.5 to 3.0 is brought, optionally in the presence of water, at a temperature of 232 to 399 °C into contact with a catalyst containing co-precipitated Cr, Cu and Zn components and an acidic dehydration component selected from the group comprising gamma-alumina, silica-alumina, crystalline zeolite of the ZSM-5 type with a high silica content, phosphate, titanium dioxide in combination with silica, rare earth and clay, in which the atomic ratio Cr/(Cu+Zn) is 0.1 to 1.0 and the content of the acidic dehydration component is 5 to 95% by weight, after which the catalyst is regenerated by bringing into contact with a gas containing oxygen at a temperature of 38 to 538 °C.
Při konverzi syntézního plynu podle vynálezu se používá kovových slože'k katalyzátoru pro syntézu methanolu v kombinaci s kyselou dehydratační složkou. Katalyzátory používané při způsobu podle vynálezu se připravují zejména technologií společného srážení (koprecipitace) hydrogenačních složek bud samotných nebo smíšených s dehydratační složkou, přičemž atomární poměr Cu, Zn a Cr kolísá v poměrně úzkých mezích uvedených shora. Společně srážených složek Cu, Zn a Cr se používá v takových relativních množstvích, že poměr Cr/(Cu+Zn) je s výhodou 0,25 až 0,75. Obzvláště přednostní je poměr 0,5. Poměr Cu/Zn je přednostně 0,5 až 3,0.In the synthesis gas conversion according to the invention, metal components of the catalyst for methanol synthesis are used in combination with an acidic dehydration component. The catalysts used in the process according to the invention are prepared in particular by the technology of co-precipitation of the hydrogenation components either alone or mixed with the dehydration component, the atomic ratio of Cu, Zn and Cr varying within the relatively narrow limits specified above. The co-precipitated components Cu, Zn and Cr are used in such relative amounts that the ratio Cr/(Cu+Zn) is preferably 0.25 to 0.75. The ratio 0.5 is particularly preferred. The ratio Cu/Zn is preferably 0.5 to 3.0.
Z kyselých dehydratačních složek uvedených shora se dává přednost zejména gamma-alumině, které se s výhodou používá v množství odpovídajícím asi 50 % hmotnostním katalyzátoru.Of the acidic dehydration components mentioned above, gamma-alumina is particularly preferred, which is preferably used in an amount corresponding to about 50% by weight of the catalyst.
Způsob syntézy dimethyletheru podle vynálezu má obzvláštní význam, poněvadž molární poměr H2/CO při něm může být nižší než 1 nebo vyšší než 1. Molární poměr H2/CO tedy může být v rozmezí od 0,5 do 3,0, přednostně od 0,5 do 2. Obzvláštní přednost se však dává použití syntézního plynu s molárním poměrem rovným 1 nebo nižším, poněvadž plyn s takovým poměrem se hospodárněji vyrábí v moderních zplyňovačích s vysokou účinností, jak je to uvedeno shora. Použití takového zdroje syntézního plynu může mít za následek 30 až 40% snížení provozních nákladů. Zjistilo se, že za použití syntézního plynu s molárním poměrem I^/CO pod 1, například v rozmezí 0,4 až 0,7, lze nedostatek vodíku napravit nebo kompenzovat vstřikováním vodní páry do katalyzátoru a to odděleně nebo ve směsi s nasazovaným syntézním plynem s nízkým poměrem H^/CO. Přidaná pára podléhá na konkrétně použitém katalyzátoru reakci na vodní plyn a tím se účinně zvýši poměr H2/CO v plynu obsaženém v reakční zóně obsahující katalyzátor. Tímto způsobem je možné se vyhnout nutnosti provádět vnější konverzi syntézního plynu na vodní plyn za účelem zvýšeni molárního poměru H2/CO v používaném syntézním plynu. Tento postup dále přispívá k celkovému ekonomickému zlepšení postupu.The process for the synthesis of dimethyl ether according to the invention is of particular interest because the molar ratio H2 /CO can be lower than 1 or higher than 1. The molar ratio H2 /CO can therefore be in the range from 0.5 to 3.0, preferably from 0.5 to 2. However, it is particularly preferred to use a synthesis gas with a molar ratio of 1 or lower, since gas with such a ratio is produced more economically in modern gasifiers with high efficiency, as mentioned above. The use of such a synthesis gas source can result in a 30 to 40% reduction in operating costs. It has been found that when using a synthesis gas with a molar ratio H2/CO below 1, for example in the range from 0.4 to 0.7, the hydrogen deficiency can be corrected or compensated for by injecting water vapor into the catalyst, either separately or in a mixture with the low H2/CO ratio feed synthesis gas. The added steam reacts with the specific catalyst used to form water gas, thereby effectively increasing the H2 /CO ratio in the gas contained in the reaction zone containing the catalyst. In this way, it is possible to avoid the need to perform an external conversion of the synthesis gas to water gas in order to increase the molar ratio of H2 /CO in the synthesis gas used. This process further contributes to the overall economic improvement of the process.
Výzkumy provedené při vývoji způsobu konverze syntézního plynu na dimethylether a další studie na tyto výzkumy navazující ukázaly, že katalyzátory s určitým složením skládající se ze společně vysrážených oxidů mědi, zinku a ohromu smíšených s vhodnou kyselou matrici, jako je gamma-alumina, poskytují vysokou katalytickou aktivitu a reaktivitu při provádění syntézy dimethyletheru. Ještě důležitější však bylo zjištění, že katalyzátory o tomto složení lze periodicky oxidačně regenerovat, aby se udržela jejich vysoká katalytická aktivita. U katalyzátorů určitého složení, používaných podle vynálezu, lze tedy udržet vysokou a ustálehou aktivitu po dlouhou dobu provozu tím, že se provede určitá oxidační regenerace a předběžné zpracování s relativně krátkou dobou trváni. Tak například se může katalyzátor v reakční zóně syntézního plynu regenerovat přímo v této reakční zóně nebo se může vést oddělenou zónou pro regeneraci katalyzátoru a pak se může vracet do reakční zóny s regenerovanou aktivitou a selektivitou. Regenerace katalyzátoru se proto může provádět kontinuálně, polokontinuálně nebo přerušovaně, například periodicky v závislosti na tom, zda se používá pevného lože nebo pohyblivého katalytického systému.Research conducted in the development of a process for converting synthesis gas to dimethyl ether and further studies following on from this research have shown that catalysts of a certain composition consisting of coprecipitated oxides of copper, zinc and iron mixed with a suitable acidic matrix such as gamma-alumina provide high catalytic activity and reactivity in carrying out the synthesis of dimethyl ether. More importantly, however, it has been found that catalysts of this composition can be periodically oxidatively regenerated to maintain their high catalytic activity. Thus, the catalysts of the composition used in accordance with the invention can be maintained at high and constant activity over a long period of operation by carrying out a certain oxidative regeneration and pretreatment of relatively short duration. For example, the catalyst in the synthesis gas reaction zone can be regenerated directly in this reaction zone or can be passed through a separate catalyst regeneration zone and then returned to the reaction zone with regenerated activity and selectivity. Catalyst regeneration can therefore be carried out continuously, semi-continuously or intermittently, for example periodically, depending on whether a fixed bed or a moving catalyst system is used.
Nyní se zjistilo, že se například společně sražené Cr, Cu, Zn složky katalyzátoru smíšené s gamma-aluminou mohou udržet ve vysokém stavu aktivity pro dosažení v podstatě termodynamických výtěžků dimethyletheru periodickou regenerací katalyzátoru plynem obsahujícím kyslík, ve kterém je parciální tlak kyslíku stejný jako ve vzduchu nebo nižší při poměrně krátké době styku nebo tak dlouho, dokud nedojde k proniknutí uváděného plynu bohatého na kyslík systémem. Není k dispozici žádný důkaz, že tento postup byl dříve prováděn.It has now been found that, for example, the co-precipitated Cr, Cu, Zn components of the catalyst mixed with gamma-alumina can be maintained in a high state of activity to achieve substantially thermodynamic yields of dimethyl ether by periodically regenerating the catalyst with an oxygen-containing gas in which the partial pressure of oxygen is the same as in air or lower for a relatively short contact time or until the said oxygen-rich gas has penetrated the system. There is no evidence that this procedure has been previously carried out.
Za použití společně sráženého katalyzátoru popsaného shora se zjistilo, že katalyzátor lze úspěšně regenerovat při teplotě 38 až 538 °C, přičemž přednostně se používá teplot pod 538 °C. Po oxidaci nebo regeneraci katalyzátoru je důležité či spíše rozhodující, vyhnout se styku čerstvě oxidovaného katalyzátoru s redukčním plynem o vysoké teplotě.Using the coprecipitated catalyst described above, it has been found that the catalyst can be successfully regenerated at temperatures of 38 to 538°C, with temperatures below 538°C being preferred. After oxidation or regeneration of the catalyst, it is important, or rather crucial, to avoid contact of the freshly oxidized catalyst with a high temperature reducing gas.
Tj. je třeba se vyhnout redukci čerstvě regenerovaného katalyzátoru vodíkem, směsí vodíku a oxidu uhelnatého nebo jiným redukčním plynem, zejména když je teplota styku rovná 260 °C » nebo vyšší. Přednostně se proto postupuje tak, že se katalyzátor regenerovaný kyslíkem uvádí do styku s redukčním plynem nebo zředěným redukčním plynem zpočátku při teplotě 177 °C až asi 232 °C a pak se zvýší teplota a/nebo změní složení uváděného syntézního plynu, aby se dosáhlo téměř termodynamických výtěžků dimethyletheru.That is, the reduction of the freshly regenerated catalyst with hydrogen, a mixture of hydrogen and carbon monoxide, or another reducing gas, should be avoided, especially when the contact temperature is 260°C or higher. It is therefore preferable to contact the oxygen-regenerated catalyst with the reducing gas or dilute reducing gas initially at a temperature of 177°C to about 232°C and then increase the temperature and/or change the composition of the synthesis gas used to achieve near thermodynamic yields of dimethyl ether.
Regenerace katalyzátoru se může provádět periodicky nebo kontinuálně v závislosti na tom, zda se používá pevného nebo pohyblivého lože katalyzátoru. Kromě toho konverze syntézního plynu s nízkým poměrem H2/CO na dimethylether se může provádět za postupně zmírňujících se podmínek konverze, mírnějších než jsou podmínky rovnovážné, přičemž v tomto případě se může katalyzátor udržovat v provozu delší dobu než je třeba provádět oxidační regeneraci. Při oxidační regeneraci katalyzátoru je třeba se vyhnout příliš vysokým teplotám, vzniklým v důsledku exothermie. S takovými teplotami by částice katalyzátoru, které se oxidačně regenerují neměly přijít do styku. S výhodou lze používat časté regenerace katalyzátoru používané například v reakčních -systémech se střídavě pracujícími reaktory, kdy se regenerace může provádět po týdnu nebo dokonce denně nebo regenerace se střední frekvencí. Každodenní regenerace katalyzátorové hmoty je žádoucí tehdy, když se má syntézní plyn konvertovat na dimethylether v podstatě při dosažení rovnovážných výtěžků. Teplota regenerace by měla být přednostně udržována pod asi 538 °C, aby se dosáhlo optimální katalytické účinnosti.Catalyst regeneration can be carried out periodically or continuously depending on whether a fixed or moving bed of catalyst is used. In addition, the conversion of synthesis gas with a low H2 /CO ratio to dimethyl ether can be carried out under gradually milder conversion conditions, milder than the equilibrium conditions, in which case the catalyst can be kept in operation for a longer time than the oxidative regeneration is required. In the oxidative regeneration of the catalyst, excessively high temperatures resulting from exothermic reactions should be avoided. The catalyst particles being oxidatively regenerated should not come into contact with such temperatures. It is advantageous to use frequent catalyst regeneration, such as used in reaction systems with alternating reactors, where regeneration can be carried out after a week or even daily, or regeneration with a medium frequency. Daily regeneration of the catalyst mass is desirable when the synthesis gas is to be converted to dimethyl ether at substantially equilibrium yields. The regeneration temperature should preferably be maintained below about 538°C to achieve optimal catalytic efficiency.
Vynález je podrobněji popsán a ilustrován dále za použití obrázků.The invention is described in more detail and illustrated below using the figures.
Obrázky 1 až 4 ilustrují různé aspekty společného dávkování vody a syntézního plynu na katalyzátor.Figures 1 to 4 illustrate various aspects of the co-dosing of water and synthesis gas onto the catalyst.
Obrázek 5 znázorňuje blokový diagram konverze syntézního plynu na kapalná paliva.Figure 5 shows a block diagram of the conversion of synthesis gas to liquid fuels.
Obrázek 6 ilustruje vliv složeni katalyzátoru na jeho stárnutí.Figure 6 illustrates the effect of catalyst composition on its aging.
Obrázek 7 ilustruje vliv přípravy katalyzátoru na jeho vlastnosti za provozu.Figure 7 illustrates the effect of catalyst preparation on its in-service properties.
Obrázek 8 a 9 ilustruji jednotlivé aspekty regenerace katalyzátoru.Figures 8 and 9 illustrate individual aspects of catalyst regeneration.
Obrázek 10 až 14 ilustrují jednotlivé aspekty přípravy katalyzátoru a vlivu složení katalyzátoru na jeho vlastnosti za provozu.Figures 10 to 14 illustrate individual aspects of catalyst preparation and the influence of catalyst composition on its properties during operation.
Jak již bylo uvedeno syntéza dimethyletheru vykazuje rozhodující výhody ve srovnání s Fischer-Tropschovým postupem nebo syntézou methanolu, poněvadž při ní lze zužitkovat syntézní plyn s poměrně nízkým poměrem H2/CO. V důsledku toho lze provádět tuto syntézu s výhodou v kombinaci s nějakým vysoce účinným postupem zplyňování, při kterém vzniká syntézní plyn s poměrně nízkým molárním poměrem H2/CO (nižším než 1). Nedostatek vodíku se přitom kompenzuje vstřikováním či přidáváním potřebného množství vodní páry spolu se syntéznim plynem s nízkým molárním poměrem H2/CO. Přitom se využívá schopnosti katalyzátoru katalyzovat konverzi syntézního plynu ve vodní plyn.As already mentioned, the synthesis of dimethyl ether has decisive advantages compared to the Fischer-Tropsch process or methanol synthesis, since it can utilize synthesis gas with a relatively low H 2 /CO ratio. As a result, this synthesis can be carried out advantageously in combination with a highly efficient gasification process, which produces synthesis gas with a relatively low H 2 /CO molar ratio (less than 1). The lack of hydrogen is compensated by injecting or adding the necessary amount of water vapor together with the synthesis gas with a low H 2 /CO molar ratio. In this case, the ability of the catalyst to catalyze the conversion of synthesis gas into water gas is used.
Na obr. 1 je znázorněna závislost konverze syntézního plynu (H^+CO) v i molárních (osa y) na množství přidané vody v molech na 100 molů syntézního plynu. Graf ilustruje jeden účinek přidání vodní páry. Molární poměr H^/CO byl 0,67, teplota 316 °C a tlak 5, 7,5 aFig. 1 shows the dependence of the synthesis gas conversion (H^+CO) in i molar (y axis) on the amount of water added in moles per 100 moles of synthesis gas. The graph illustrates one effect of adding water vapor. The molar ratio H^/CO was 0.67, the temperature 316 °C and the pressure 5, 7.5 and
MPa. Jak je zřejmé z obr. 1, prochází konverze maximem, které se posunuje k vyššímu relativnímu množství nadávkované páry se stoupajícím tlakem. Je proto zřejmé, že maximální konverze jsou poněkud nižší, než jsou konverze dosažené za srovnatelných celkových tlaků při molárním poměru H2/CO rovném 1.MPa. As is evident from Fig. 1, the conversion passes through a maximum that shifts to a higher relative amount of steam fed with increasing pressure. It is therefore evident that the maximum conversions are somewhat lower than those achieved at comparable total pressures at a molar ratio of H 2 /CO equal to 1.
Přímé syntézy dimethyletheru ze syntézního plynu lze se značnou výhodou použít při mnoha různých kombinovaných postupech. Hospodárná tvorba dimethyletheru ze syntézního plynu s nízkým molárním poměrem H2/CO získaného z účinného zdroje nebo vyrobeného zplyňováním uhlí in šitu je obzvláště vhodná při konkurenčních způsobech výroby specifických chemikálií a/nebo uhlovodíků se značně se lišícím složením.Direct synthesis of dimethyl ether from synthesis gas can be used with considerable advantage in many different combined processes. The economical formation of dimethyl ether from synthesis gas with a low molar ratio of H 2 /CO obtained from an efficient source or produced by in situ coal gasification is particularly suitable for competitive processes for the production of specific chemicals and/or hydrocarbons with widely varying compositions.
Tak například společné dávkování vody se syntéznim plynem s nízkým poměrem H2/CO má podstatný vliv na zvýšení využitelnosti syntézního plynu prostřednictvím konverze přebytečného oxidu uhelnatého na vodní plyn za vzniku přídavného vodíku. Přídavný ale stejně důležitý účinek současně nadávkované vody spočívá ve zvýšení poměru H2/CO v regenerovaném proudu, odcházejícím z konverze syntézního plynu, na hodnotu alespoň 1. Tento účinek spočívající ve zvýšení molárního poměru H2/CO v regenerovaném odcházejícím proudu je ilustrován na obr. 2, který představuje grafické znázornění závislosti molárního poměru H2/CO v plynu odcházejícím z katalytické zóny pro konverzi syntézního plynu na molárním množství vody (páry) uvedené na katalyzátor na 100 molů syntézního plynu. Počáteční poměr H2/CO byl 0,67, teplota 316 °C a tlak 5, 7,5 a 10 MPa.For example, the co-dosing of water with a synthesis gas with a low H2 /CO ratio has a significant effect on increasing the utilization of the synthesis gas by converting excess carbon monoxide to water gas to produce additional hydrogen. An additional but equally important effect of the co-dosing of water is to increase the H2 /CO ratio in the regenerated stream leaving the synthesis gas conversion to a value of at least 1. This effect of increasing the molar ratio of H2 /CO in the regenerated outgoing stream is illustrated in Fig. 2, which is a graphical representation of the dependence of the molar ratio of H2 /CO in the gas leaving the catalytic zone for the conversion of synthesis gas on the molar amount of water (steam) supplied to the catalyst per 100 moles of synthesis gas. The initial H2 /CO ratio was 0.67, the temperature was 316 °C and the pressure was 5, 7.5 and 10 MPa.
Při syntéze podle vynálezu vyrobený dimethyletherový produkt se může zušlechtit reakcí s vhodným alkoholem, například terč.butanolem nebo rozvětveným olefinem, například 2-methylpropenem na jiné ethery, například methyl-terc.butylether. Přitom se používá kyselého katalyzátoru. Jako kyselého katalyzátoru se může použít kyseliny sírové nebo jiné anorganické kyseliny, popřípadě za spolupoužití nosiče. Alternativně se jako kyselého katalyzátoru může použít kyselé ionexové pryskyřice nebo kyseliny fosforečné na nosiči. Teplota reakce může ležet od 50 do 300 °C, přičemž zvlášt výhodné teplotní rozmezí je 60 až 150 °C. Vhodný tlak při této reakci je 0,3 až 5 MPa.In the synthesis according to the invention, the dimethyl ether product produced can be refined by reaction with a suitable alcohol, for example tert-butanol or a branched olefin, for example 2-methylpropene, to other ethers, for example methyl tert-butyl ether. An acidic catalyst is used in this case. Sulfuric acid or other inorganic acids can be used as the acidic catalyst, optionally with the use of a carrier. Alternatively, acidic ion exchange resins or phosphoric acid on a carrier can be used as the acidic catalyst. The reaction temperature can be from 50 to 300 °C, with a particularly preferred temperature range being 60 to 150 °C. A suitable pressure for this reaction is 0.3 to 5 MPa.
Podle dalšího způsobu se může syntézní plyn původně vyrobený zplyňováním převést na produkt bohatý na dimethylether v reakčním systému se suspenzí katalyzátoru. V takovém systému jsou kovové a kyselé složky katalyzátoru obklopeny vhodnou vysoce vroucí kapalnou fází tím, že -jsou v ní suspendovány. Jako kapalné fáze lze použít například minerálního oleje, olejovitého produktu z Fischer-Ropschovy syntézy, jako části dekantovaného olejovitého produktu a základní suroviny pro mazací oleje. Pevných katalytických složek lze použít ve formě kombinovaných částic nebo ve formě separátních částic obsahujících kovové a kyselé složky. Reakce v kapalné fázi se obvykle provádí při teplotě od asi 260 do asi 343 °C za tlaku od asi 6,8 do 13,6 MPa.According to another method, the synthesis gas originally produced by gasification can be converted to a dimethyl ether-rich product in a catalyst slurry reaction system. In such a system, the metal and acid components of the catalyst are surrounded by a suitable high-boiling liquid phase by being suspended therein. For example, mineral oil, an oily product from the Fischer-Ropsch synthesis, a portion of a decanted oily product, and a base stock for lubricating oils can be used as liquid phases. The solid catalyst components can be used in the form of combined particles or in the form of separate particles containing the metal and acid components. The liquid phase reaction is typically carried out at a temperature of from about 260 to about 343 °C at a pressure of from about 6.8 to 13.6 MPa.
Při dalším procesxi se může vyrobený dimethyletherový produkt převádět na methanol reakcí s vodou v přítomnosti kyselého katalyzátoru. Katalyzátorem může být oxid fosforečný na křemelině, silika-alumině, redukovaném oxidu wolframu nebo na kyselém krystalickém zeolitu. Teplota bývá obvykle od asi 204 do asi 371 °C a tlak od 1,0 do 10,0 MPa.In a further process, the dimethyl ether product produced can be converted to methanol by reaction with water in the presence of an acidic catalyst. The catalyst can be phosphorus pentoxide on diatomaceous earth, silica-alumina, reduced tungsten oxide or acidic crystalline zeolite. The temperature is typically from about 204 to about 371°C and the pressure is from 1.0 to 10.0 MPa.
Alternativně se může nechat vyrobený dimethyletherový produkt reagovat s kyslíkem v přítomnosti měděného katalyzátoru za vzniku formaIdehydu. Při této reakci může být teplota od asi 600 do asi 720 °C a tlak 0,1 do 0,5 MPa. Místo měděného katalyzátoru se může použít oxidu wolframu v kombinaci s kyselinou fosforečnou rozdělenou v nosiči, jako je alumina, silika-alumina nebo křemelina nebo stříbra samotného nebo promotovaného malým množstvím mědi a stříbra. Za použití stříbrného katalyzátoru bývá teplota obvykle v rozmezí od 600 do 800 °C a tlak od 0,3 do 0,8 MPa. Dále lze použit též katalytické směsi obsahující železo promotované molybdenem (například o hmotnostním složení 18 % Fe2°3 + 82 % Moop při teplotě 350 až 400 °C.Alternatively, the dimethyl ether product produced can be reacted with oxygen in the presence of a copper catalyst to form formaldehyde. The temperature for this reaction can be from about 600 to about 720°C and the pressure from 0.1 to 0.5 MPa. Instead of the copper catalyst, tungsten oxide can be used in combination with phosphoric acid distributed on a carrier such as alumina, silica-alumina or diatomaceous earth, or silver alone or promoted with small amounts of copper and silver. When using a silver catalyst, the temperature is usually in the range of from 600 to 800°C and the pressure from 0.3 to 0.8 MPa. Furthermore, catalytic mixtures containing iron promoted by molybdenum (for example, with a mass composition of 18% Fe 2 °3 + 82 % Moop at a temperature of 350 to 400°C) can also be used.
Kapalná paliva lze připravit z olefinického intermediárního produktu konverze dimethyletheru tak, že se tento proud vede do konverzní reakce pro výrobu kapalných paliv. Přitom se dimethyletherový produkt převádí při teplotě 343 až 427 °C, přednostně při teplotě alespoň 371 °C na olefinický intermediární produkt tím, že se uvádí do styku s krystalickým zeolitem z třídy reprezentované krystalickým zeolitem HZSM-5 . Vzniklé olefiny mohou mít rozvětvený nebo přímý řetězec v závislosti na použitých podmínkách a aktivitě katalyzátoru a účelně mají teplotu varu v rozmezí teploty varu benzinu. Alternativně lze provozní podmínky a katalyzátor volit tak, že se z vzniklých olefinů vyrobí benzin bohatý na aromáty. Olefinický meziprodukt lze dále zušlechtit na palivo pro trysková letadla kombinovaným postupem oligomerizace nebo olefinace a hydrogenace. Oligomerace intermediárního olefinického produktu se může provádět při teplotě od 175 do asi 250 °C, s výhodou při teplotě 200 až 220 °C, za tlaku 1,0 až 10 MPa. Když se provádí oligomerace olefinů na palivo pro trysková letadla, je účelné do reakční zóny uvádět též vodu a udržovat v katalyzátoru asi 15 až 18 % oxidu fosforečného. Jako kyselého nosiče pro katalyzátor se může použít křemeliny.Liquid fuels can be prepared from the olefinic intermediate product of the dimethyl ether conversion by passing this stream to a conversion reaction for the production of liquid fuels. In this case, the dimethyl ether product is converted at a temperature of 343 to 427 °C, preferably at a temperature of at least 371 °C, to an olefinic intermediate product by contacting it with a crystalline zeolite of the class represented by the crystalline zeolite HZSM-5. The olefins formed may be branched or straight chain depending on the conditions used and the activity of the catalyst and conveniently have a boiling point in the range of the boiling point of gasoline. Alternatively, the operating conditions and catalyst can be selected such that the resulting olefins produce a gasoline rich in aromatics. The olefinic intermediate can be further upgraded to jet fuel by a combined oligomerization or olefination and hydrogenation process. The oligomerization of the intermediate olefin product can be carried out at a temperature of from 175 to about 250°C, preferably at a temperature of 200 to 220°C, under a pressure of 1.0 to 10 MPa. When oligomerizing olefins for jet fuel, it is convenient to also introduce water into the reaction zone and maintain about 15 to 18% phosphorus pentoxide in the catalyst. Diatomaceous earth can be used as an acidic support for the catalyst.
Syntéza olefinů z dimethyletherového produktu je intermediární stupeň prováděný v kombinaci se stupni, které vedou k výrobě chemických složek, rozvětvených olefinů, aromátů a látek s rozmezím teploty varu odpovídajícím benzinu v závislosti na reakčních podmínkách o použitém katalyzátoru. Na reakci s methanolem na vysokooktanové ethery lze též kromě olefinů vyrobených z dimethyletheru použít olefinických směsí z jakéhokoliv jiného zdroje.The synthesis of olefins from the dimethyl ether product is an intermediate step carried out in combination with steps leading to the production of chemical components, branched olefins, aromatics and substances with a boiling range corresponding to gasoline depending on the reaction conditions and the catalyst used. In addition to olefins produced from dimethyl ether, olefin mixtures from any other source can also be used for the reaction with methanol to produce high-octane ethers.
Podle ještě další alternativy se může od dimethyletherového produktu oddělit nezreagovaný syntézní plyn. Tento nezreagovaný syntézní plyn, který má normálně poměr I^/CO alespoň 1, obsahuje značné množství oxidu uhličitého. Syntézního plynu o takovém složení lze s výhodou použít při Fischer-Tropschově konverzi syntézního plynu za použití železa nebo kobaltu nebo ruthenia jako kovové složky Fischer-Tropschova katalyzátoru. Nezreagovaný syntézní plyn ze syntézy dimethyletheru lze tedy podrobit konverzi Fischer-Tropschovým postupem popřípadě v přítomnosti kovové složky katalyzující konverzí na vodní plyn.According to yet another alternative, unreacted synthesis gas can be separated from the dimethyl ether product. This unreacted synthesis gas, which normally has an I/CO ratio of at least 1, contains a significant amount of carbon dioxide. Synthesis gas of such composition can be advantageously used in the Fischer-Tropsch conversion of synthesis gas using iron or cobalt or ruthenium as the metal component of the Fischer-Tropsch catalyst. The unreacted synthesis gas from the dimethyl ether synthesis can therefore be subjected to the Fischer-Tropsch conversion process, optionally in the presence of a metal component catalyzing the conversion to water gas.
V každém ze shora uvedených postupů se může nezreagovaný syntézní plyn recyklovat do konverze dimethyletheru, poté co byl popřípadě oddělen oxid uhličitý a k recyklovanému plynu byla přidána voda. Všechen nezreagovaný plyn obsahující oxid uhličitý se na druhé straně může vést do Fischer-Tropschovy konverze syntézního plynu, přičemž se popřípadě k násadě přidává voda. Touto reakci se získává široké spektrum produktů.In each of the above processes, the unreacted synthesis gas can be recycled to the dimethyl ether conversion, after optionally separating the carbon dioxide and adding water to the recycled gas. Any unreacted gas containing carbon dioxide can, on the other hand, be fed to the Fischer-Tropsch synthesis gas conversion, with optionally adding water to the feed. This reaction yields a wide range of products.
Na obr. 5 je znázorněno blokové schéma jednotky pro ZušlechEování syntézního plynu zpracováním podle vynálezu a dalším zpracováním. Syntézní plyn s nízkým molárním poměrem Hj/CO, tj. s poměrem H2/CO 1 nebo nižším, se uvádí do postupu potrubím 2^ aby se v zóně i převedl na dimethylether. Do zóny £ se odděleně uvádí potrubím J5 voda nebo se voda vede potrubím ji, mísí se se syntézním plynem v potrubí 2, než se uvádí do zóny jí pro syntézu dimethyletheru.Fig. 5 shows a block diagram of a unit for upgrading synthesis gas by treatment according to the invention and further treatment. Synthesis gas with a low molar ratio of Hj/CO, i.e. with a ratio of H2 /CO of 1 or less, is introduced into the process through line 2^ to be converted into dimethyl ether in zone i. Water is introduced separately into zone £ through line J5 or water is introduced through line j1, mixed with synthesis gas in line 2 before being introduced into zone j1 for the synthesis of dimethyl ether.
V zóně £ jsou podmínky teploty, tlaku a prostorové rychlosti zvoleny tak, aby vznikal produkt bohatý na dimethylether, ale obsahující určité množství methanolu. Zóna _4 rovněž obsahuje separační zařízení, kterým se nezreagovaný syntézní plyn a oxid uhličitý oddělí od produktu bohatého na dimethylether. Nezreagovaný syntézní plyn a oxid uhličitý se získávají v potrubí 10 a vedou k dalšímu zpracování. Produkt bohatý na dimethylether obsahující methanol a oxid uhličitý se odvádí potrubím 12. Potrubím 12 se produkt bohatý na dimethylether vede do zóny 14, kde se ether konvertuje na olefiny s rozmezím teploty varu odpovídajícím benzinu a/nebo aromáty stykem s krystalickým zeolitickým katalyzátorem reprezentovaným katalyzátorem ZSM-5. Rovněž methanol obsažený v získaném dimethyletherovém produktu se při styku se zeolitickým katalyzátorem převede na látky s rozmezím teploty varu odpovídajícím benzinu. Předpokládá se, že v zóně 14 dochází k oleflnaci, polymerací a aromatizaci za provozních podmínek, které jsou v každém konkrétním případě selektivní s ohledem na účel použitého katalyzátoru. Zeolitické katalytické složce lze dodat určitou hydrogenační aktivitu přídavkem jednoho nebo více prvků ze skupiny zahrnující kobalt, železo, platinu, palladium, ruthenium, rhodium, osmium, měd, zinek, mangan a molybden. Jako produkt této operace se v potrubí 16 získává olefinický a/nebo aromatický produkt s rozmezím teploty varu benzinu.In zone £, the temperature, pressure and space velocity conditions are selected to produce a product rich in dimethyl ether but containing some methanol. Zone _4 also contains a separation device by which unreacted synthesis gas and carbon dioxide are separated from the dimethyl ether-rich product. The unreacted synthesis gas and carbon dioxide are recovered in line 10 and are fed to further processing. The dimethyl ether-rich product containing methanol and carbon dioxide is discharged through line 12. Through line 12, the dimethyl ether-rich product is fed to zone 14 where the ether is converted to olefins with a boiling range corresponding to gasoline and/or aromatics by contact with a crystalline zeolite catalyst represented by the ZSM-5 catalyst. Also, the methanol contained in the obtained dimethyl ether product is converted to substances with a boiling range corresponding to gasoline upon contact with the zeolite catalyst. It is believed that olefination, polymerization and aromatization occur in zone 14 under operating conditions that are in each case selective with respect to the purpose of the catalyst used. The zeolitic catalyst component can be given some hydrogenation activity by adding one or more elements from the group consisting of cobalt, iron, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, osmium, copper, zinc, manganese and molybdenum. As a product of this operation, an olefinic and/or aromatic product with a gasoline boiling range is obtained in line 16.
Syntézní plyn se zvýšeným molárním poměrem H2/CO obsahující oxid uhličitý získaný v zóně £ a odvedený potrubím 10 se odvádí do zóny 18 obsahující Fischer-Tropschův katalyzátor.Synthesis gas with an increased molar ratio of H 2 /CO containing carbon dioxide obtained in zone £ and discharged through line 10 is discharged to zone 18 containing the Fischer-Tropsch catalyst.
V této zóně se obohacený syntézní plyn podrobuje popřípadě v přítomnosti přidané vody konverziIn this zone, the enriched synthesis gas is converted, optionally in the presence of added water.
Fischer-Tropschova typu. V zóně 18 probíhají reakce Fischer-Tropschovy syntézy katalyzované železem, kobaltem a rutheniem, jako katalyzátory, i když lze se střídavým úspěchem použít; jiných složek jako osmia a rhodia. Fischer-Tropschova kovová složka může být smíšena se zeolitem nebo s kyselým nosičem modifikovaným tak, aby se aktivita jednotlivých složek nastavila na požadované rozmezí. Fischer-Tropschova složka může být rovněž ve směsi s krystalickým zeolitem reprezentovaným krystalickým zeolitem ZSM-5, aby se provedla konverze syntézního plynu na složky, které mají rozmezí teploty varu benzínu. Katalyzátor použitý v zóně 18 může být ve fluidním loži, nebo v pevném loži nebo může být suspendován v reakčním systému v kapalné fázi. Tímto způsobem se může syntézní plyn konvertovat na Fischer-Tropschově katalyzátoru, jako železe modifikovaném draslíkem, na směs až uhlíkatých složek obsahující alkoholy, kyslikaté látky a uhlovodíky. Fischer-Tropschova syntéza se normálně provádí při teplotěFischer-Tropsch type. In zone 18, Fischer-Tropsch synthesis reactions catalyzed by iron, cobalt and ruthenium, as catalysts, although other components such as osmium and rhodium can be used with varying success. The Fischer-Tropsch metal component may be mixed with a zeolite or with an acidic carrier modified to adjust the activity of the individual components to the desired range. The Fischer-Tropsch component may also be in admixture with a crystalline zeolite represented by crystalline zeolite ZSM-5 to effect the conversion of the synthesis gas to components having the boiling range of gasoline. The catalyst used in zone 18 may be in a fluidized bed or in a fixed bed or may be suspended in a liquid phase reaction system. In this manner, the synthesis gas may be converted over a Fischer-Tropsch catalyst, such as potassium-modified iron, to a mixture of up to carbonaceous components containing alcohols, oxygenates and hydrocarbons. Fischer-Tropsch synthesis is normally carried out at a temperature
149 až 427 °C a za tlaku 0,35 až 13,6 MPa. Produkty Fischer-Tropschovy syntézy se normálně dělí na a nízkovroucí složky, látku o rozmezí teploty varu benzinu a výše vroucí dekantační olej. Kyslikaté látky se získávají ve vodné fázi a pak se konvertují pomocí zeolitů ZSM-5 na uhlovodíky.149 to 427 °C and at a pressure of 0.35 to 13.6 MPa. The products of Fischer-Tropsch synthesis are normally separated into a low-boiling component, a gasoline-boiling range product, and a higher-boiling decanter oil. The oxygenates are recovered in the aqueous phase and then converted to hydrocarbons using ZSM-5 zeolites.
ZušlechEování produktu Fischer-Tropschovy syntézy se může provádět mnoha různými způsoby popsanými v nedávných publikacích. Obzvlášt vhodné je zpracování Fischer-Tropschova produktu na produkt LPG (směs propanu a butanu), benzin a palivo pro dieselový motory.Upgrading of the Fischer-Tropsch synthesis product can be carried out in a number of different ways, as described in recent publications. Particularly suitable is the processing of the Fischer-Tropsch product into LPG (a mixture of propane and butane), gasoline and diesel fuel.
ZušlechEování nezreagovaného syntézního plynu získaného z dimethyletheru se může provádět například technikou popsanou v patentech USA č. 4 086 262, 4 157 338 a 4 159 995 a/nebo se celý produkt z Fischer-Tropschovy syntézy může zpracovávat technikou popsanou v patentech USA č. 4 041 094, 4 046 830 a 4 046 831. Alternativně se může produkt Fischer-Tropschovy syntézy rozdělit tak, že se látka s teplotou varu benzinu a niževroucí látka zpracovává technikou podle patentů USA č. 4 041 095, 4 095 505, 4 049 741 a 4 052 477. Látka s teplotou varu vyšší než má benzin, označovaná jako dekantační olej, se může zpracovávat technikou popsanou v US patentech č. 4 044 064, 4 046 829, 4 053 532, 4 059 648 a 4 071 574.Upgrading of unreacted synthesis gas obtained from dimethyl ether can be carried out, for example, by the technique described in U.S. Patents Nos. 4,086,262, 4,157,338 and 4,159,995 and/or the entire Fischer-Tropsch synthesis product can be processed by the technique described in U.S. Patents Nos. 4,041,094, 4,046,830 and 4,046,831. Alternatively, the Fischer-Tropsch synthesis product can be separated so that the gasoline boiling point and the lower boiling point are processed by the technique of U.S. Patents Nos. 4,041,095, 4,095,505, 4,049,741 and 4,052,477. The higher boiling point than gasoline, referred to as decant oil, can be processed by the technique described in U.S. Patents Nos. 4,041,095, 4,095,505, 4,049,741 and 4,052,477. 044,064, 4,046,829, 4,053,532, 4,059,648 and 4,071,574.
Při zpracování znázorněném na obr. 5 se v souladu se specifickým provedením postupu syntézní plyn obsahující oxid uhličitý zpracovává na Fischer-Tropschově katalyzátoru v zóně Π3 na produkt obsahující alkoholy, kyslíkaté sloučeniny a uhlovodíky. Produkt se v zóně 18 rozděluje na uhlovodíky, které se vedou potrubím 20 do zóny 22 . V zóně 22 se uhlovodíky uvádějí do styku s jedním nebo více loží katalyzátoru obsahujícími krystalický zeolit typu ZSM-5, který má otvory pórů alespoň 0,5 nm, poměr oxidu křemičitého a hlinitého vyšší než 12 a index zábrany v rozmezí od 1 do 12. Při tomto katalytickém postupu se teplotní a tlakové podmínky volí tak, aby se dosáhlo zušlechtění nasazovaných uhlovodíků na produkt LPG, poměrně vysokooktanový benzin a/nebo palivo pro dieselový nebo tryskové motory s požadovanou teplotou tuhnutí a teplotou tečení. Provozní podmínky se mohou ve značném rozsahu měnit v závislosti na konkrétně zpracovávané uhlovodíkové frakci a na požadavcích na jednu nebo více frakcí LPG, benzinu s vysokým oktanovým číslem nebo paliva pro dieselový nebo tryskové motory.In the process illustrated in FIG. 5, in accordance with a specific embodiment of the process, a synthesis gas containing carbon dioxide is processed over a Fischer-Tropsch catalyst in zone Π3 to a product containing alcohols, oxygenates and hydrocarbons. The product is separated into hydrocarbons in zone 18 which are passed through line 20 to zone 22. In zone 22, the hydrocarbons are contacted with one or more catalyst beds containing crystalline zeolite of the ZSM-5 type having pore openings of at least 0.5 nm, a silica to alumina ratio of greater than 12 and a barrier index in the range of 1 to 12. In this catalytic process, the temperature and pressure conditions are selected to achieve the upgrading of the hydrocarbons fed to a product of LPG, a relatively high octane gasoline and/or a diesel or jet fuel with the desired pour point and pour point. Operating conditions can vary considerably depending on the specific hydrocarbon fraction being processed and the requirements for one or more fractions of LPG, high octane gasoline, or diesel or jet fuel.
Dále popsané zkoušky byly prováděny v mikroreaktoru s takovými složkami systému, které umožnily rychlou přípravu katalyzátoru a jeho předběžné zpracování, snadné přizpůsobení reakčních podmínek, nasazovaných plynných směsí a regeneračních podmínek bez narušení katalyzátoru. Reaktor je 400 mm dlouhý vyrobený z trubky z nerezové oceli 304 o vnějším průměru 9,525 mm. Podle celé délky katalytického lože uspořádaného v trubce je umístěna prstencovitá termojímka o vnějším průměru 3,175 mm vyrobená z nerezové oceli 304. V trubce je umístěno lože katalyzátoru o objemu 3 ml (délka 90 mm), které je umístěno uprostřed 300 mm vertikální trubkové pece. Lože katalyzátoru je drženo na místě skleněnou vatou vycor, přičemž prázdná místa reaktoru podpírající lože jsou vyplněna Rashigovými kroužky z pyrexové trubičky. Teplota se udržuje proporcionálním regulačním zařízením s termočlánkem umístěným ve stěně pece v blízkosti reaktoru. Během použití se spolu misí vodík a oxid uhelnatý, směs se komprimuje a vede přes kolonky s aktivním uhlím (tato operace je nutná pro odstranění stop karbonylu železa přítomného v bombě s oxidem uhelnatým. Konstantní průtok plynu se udržuje tepelným regulačním zařízením pro regulaci hmotnostního množství plynu a tlak v reaktoru se udržuje regulátorem protitlaku umístěným ve směru toku za reaktorem a promývačkami s kapalinou.The tests described below were performed in a microreactor with system components that allowed rapid catalyst preparation and pretreatment, easy adjustment of reaction conditions, feed gas mixtures, and regeneration conditions without disrupting the catalyst. The reactor is 400 mm long and made of 304 stainless steel tube with an outer diameter of 9.525 mm. An annular thermowell with an outer diameter of 3.175 mm made of 304 stainless steel is located along the entire length of the catalytic bed arranged in the tube. The tube contains a 3 ml catalyst bed (length 90 mm) which is placed in the middle of a 300 mm vertical tube furnace. The catalyst bed is held in place with vycor glass wool, while the voids in the reactor supporting the bed are filled with Pyrex tube Rashig rings. The temperature is maintained by a proportional control device with a thermocouple located in the furnace wall near the reactor. During use, hydrogen and carbon monoxide are mixed together, the mixture is compressed and passed through activated carbon columns (this operation is necessary to remove traces of iron carbonyl present in the carbon monoxide bomb). A constant gas flow is maintained by a thermal control device for controlling the mass flow of gas, and the pressure in the reactor is maintained by a backpressure regulator located downstream of the reactor and by liquid scrubbers.
I, Příprava katalyzátoru a jeho předběžné zpracováníI, Catalyst preparation and pretreatment
Katalyzátory 1 až VI se připraví společným srážením požadovaných kovů z horkých vodných roztoků (85 až 90 °C) dusičnanů pomalým přidáváním horkého vodného roztoku uhličitanu sodného (>100% přebytek uhličitanu).Catalysts 1 to VI are prepared by co-precipitating the desired metals from hot aqueous solutions (85 to 90°C) of nitrates by slow addition of hot aqueous sodium carbonate solution (>100% excess carbonate).
Sraženina se přefiltruje a promyje, až vymizí uhličitan v promývacích louzích. Promytá sraženina se vysuší ve vakuové sušárně (70 °C) a kalcinuje na vzduchu po dobu alespoň 6 hodin. Kapková analýza kalcinovaných prášků na med, zinek, chrom a sodík ukazuje, že kovy jsou ve výsledném materiálu přítomné ve stejném poměru, jako v původních roztocích dusičnanů a že sodík je v podstatě odstraněn. Podrobnosti vztahující se k těmto přípravám jsou uvedeny v dále uvedené tabulce 1.The precipitate is filtered and washed until the carbonate in the washings disappears. The washed precipitate is dried in a vacuum oven (70 °C) and calcined in air for at least 6 hours. Droplet analysis of the calcined powders for copper, zinc, chromium and sodium shows that the metals are present in the resulting material in the same proportions as in the original nitrate solutions and that sodium is essentially removed. Details relating to these preparations are given in Table 1 below.
Kalcinové prášky (až 180 λ^πι) se pak fyzikálně smísí se stejnými hmotnostními podíly práškové gamma-aluminy, jako kyselou dehydratační složkou (gamma-alumina byla před tím kalcinována při 538 °C po dobu alespoň 6 hodin) a směs byla strojně peletizována a rozdrcena na velikost 600 až 2 000 pim.The calcined powders (up to 180 μm) were then physically mixed with equal parts by weight of powdered gamma-alumina as the acidic dehydrating component (the gamma-alumina was previously calcined at 538 °C for at least 6 hours) and the mixture was mechanically pelletized and crushed to a size of 600 to 2,000 μm.
Každý z výsledných katalyzátorů se pak předem zpracovává v reaktoru při 204 °C redukčním proudem (0,1 MPa, hodinová prostorová rychlost plynu 1 500 h ^), ve kterém se parciální tlak vodíku pomalu zvyšuje zvyšováním obsahu vodíku z 0 na 2 % obj. a pak až na 8,5 % obj. Předem zpracovaný katalyzátor se pak ochladí na teplotu pod 49 °C v proudu inertního plynu, násada se přepne na syntézní plyn, přičemž dále se udržuje tlak, prostorová rychlost a teplota podle potřeby.Each of the resulting catalysts is then pretreated in a reactor at 204 °C with a reducing stream (0.1 MPa, hourly gas space velocity 1,500 h^), in which the hydrogen partial pressure is slowly increased by increasing the hydrogen content from 0 to 2 vol. % and then up to 8.5 vol. %. The pretreated catalyst is then cooled to a temperature below 49 °C in an inert gas stream, the feed is switched to synthesis gas, while the pressure, space velocity and temperature are maintained as required.
Další katalyzátor (katalyzátor VXI) se připraví takto: část. uhličitanem předsrážené složky pro konverzi na methanol použité u katalyzátoru pro příklad II se kalcinuje při 260 °C. Část vzniklého prášku se smísí se stejným hmotnostním množstvím gamma-aluminy, směs se peletizuje a rozdrtí a použije se frakce o rozměrech 600 až 2 000 jim, která má sypnou hmotnost 1,05 g/ml. Získaný katalyzátor má poměr Cr/(Cu+Zn) 0,5.Another catalyst (catalyst VXI) is prepared as follows: a portion of the carbonate-precipitated methanol conversion component used in the catalyst of Example II is calcined at 260°C. A portion of the resulting powder is mixed with an equal weight of gamma-alumina, the mixture is pelletized and ground, and the 600-2000 µm fraction is used, which has a bulk density of 1.05 g/ml. The catalyst obtained has a Cr/(Cu+Zn) ratio of 0.5.
ml vzorek katalyzátoru VII se uloží do trubkového reaktoru a shora uvedeným způsobem předběžně zpracuje a použije při konverzi syntézního plynu.A ml sample of catalyst VII is placed in a tubular reactor and pretreated in the above-mentioned manner and used in the synthesis gas conversion.
Dále uvedeným způsobem se rovněž vyrobí další katalyzátor (katalyzátor VIII). Rozpuštěním dusičnanu mědi, zinku a chrómu v množstvích uvedených v tabulce 1 pro katalyzátor VI ve 170 ml vody se připraví roztok. K roztoku se pomalu přidává roztok 41,5 ml hydroxidu amonného (29 %) do pH 7,5. Přitom vzniklá sraženina se třikrát promyje 1 až 1,5 1 vody, vysuší ve vakuové sušárně (140 °C) a kalcinuje při 357 °C. Část výsledného prášku se spojí se stejným hmotnostním množstvím gamma-aluminy, směs se peletizuje a rozdrtí a použije se frakce o velikosti částic 600 až 2 000 pm. Výsledný katalyzátor pro výrobu dimethyletheru se principiálně liší od katalyzátoru VI v tom, že kovy v katalytické složce pro přípravu methanolu byly sráženy amoniakem místo uhličitanem.Another catalyst (catalyst VIII) is also prepared in the following manner. A solution is prepared by dissolving copper, zinc and chromium nitrate in the amounts given in Table 1 for catalyst VI in 170 ml of water. A solution of 41.5 ml of ammonium hydroxide (29%) is slowly added to the solution to pH 7.5. The resulting precipitate is washed three times with 1 to 1.5 l of water, dried in a vacuum oven (140 °C) and calcined at 357 °C. A portion of the resulting powder is combined with an equal weight of gamma-alumina, the mixture is pelletized and ground, and a fraction with a particle size of 600 to 2,000 pm is used. The resulting catalyst for the production of dimethyl ether differs fundamentally from catalyst VI in that the metals in the catalytic component for the preparation of methanol were precipitated with ammonia instead of carbonate.
Tabulka 1Table 1
Kovové složky katalyzátoru pro syntézu dimethyletheruMetal components of the catalyst for the synthesis of dimethyl ether
hmotnostním množství kalcinované gamma-aluminy x Analýza výsledné směsi obsahující kovy ukazuje, že její obsah lanthanu je 3 % molární vztaženo na katalytické složky pro výrobu methanoluby mass of calcined gamma-alumina x Analysis of the resulting metal-containing mixture shows that its lanthanum content is 3% molar based on the catalytic components for methanol production
Jak je zřejmé z tabulky 1, složení katalyzátorů je různé. To umožňuje provádět srovnání vlivu obsahu chrómu při podobných poměrech Cu/Zn a vlivu různého poměru Cu/Zn při podobné koncentraci chrómu.As can be seen from Table 1, the catalyst compositions are different. This allows a comparison of the effect of chromium content at similar Cu/Zn ratios and the effect of different Cu/Zn ratios at similar chromium concentrations.
II,Vlastnosti katalyzátoru při stárnutíII, Catalyst aging properties
Vlastnosti každého katalyzátoru při stárnutí lze kvantitativně vyjádřit směrnicí funkce ln(-ln(l - Q)) a doby provozu ve dnech, kde Q je poměr pozorované celkové konverze syntézního plynu ke konverzi předpověděné pro termodynamickou rovnováhu. Zápornou hodnotou této směrnice je rychlost rozkladu pro exponenciální vyjádření deaktivace. K tomuto výsledku se dojde, když se výraz pro rychlost rozkladu (1)The aging properties of each catalyst can be quantitatively expressed by the slope of the function ln(-ln(l - Q)) and the operating time in days, where Q is the ratio of the observed total synthesis gas conversion to the conversion predicted for thermodynamic equilibrium. The negative value of this slope is the decay rate for the exponential expression of deactivation. This result is obtained when the expression for the decay rate (1)
K = KQ . e~bt (1) kdeK = K Q . e~ bt (1) where
K představuje empiricky zjištěnou reakční rychlost,K represents the empirically determined reaction rate,
KQ je hodnota této veličiny pro čerstvý katalyzátor, b je parametr rozkladu a t je doba zařazení do provozu, dosadí do empirického modelu reaktoru (2) ln(l - X/Xeq) = - K/GHSV (2) kdeK Q is the value of this quantity for a fresh catalyst, b is the decomposition parameter and t is the commissioning time, substitute into the empirical reactor model (2) ln(l - X/X eq ) = - K/GHSV (2) where
X je pozorovaná celková molární konverze H2 + CO,X is the observed total molar conversion of H 2 + CO,
X je rovnovážná hodnota X a eq J X is the equilibrium value of X and eq J
GHSV znamená hodinovou prostorovou rychlost plynu při reakci.GHSV stands for gas hourly space velocity during reaction.
Dosazením výrazu z rovnice (1) za K v rovnici (2) a linearizací rovnice se dospěje k rovnici (3) ln(- ln(l “ Χ/Χθ^)) = ΙηίΚθ/GHSV) - bt (3)By substituting the expression from equation (1) for K in equation (2) and linearizing the equation, we arrive at equation (3) ln(- ln(l “ Χ/Χθ^)) = ΙηίΚθ/GHSV) - bt (3)
V tabulce 2 jsou uvedeny podrobnosti vztahující se k experimentálním podmínkám za použití šesti katalyzátorů popsaných v tabulce 1, spolu s hodnotami konstant rozkladu b získarTable 2 gives details relating to the experimental conditions using the six catalysts described in Table 1, together with the values of the decomposition constants b obtained.
iand
Z uvedených zkoušek je zřejmé, že výkonnost katalyzátoru je nejlepší při složení daném poměrem Cr/Cu+Zn od asi 0,1 do asi 1,0, přičemž přednostní poměr Cr/(Cu+Zn) je asi 0,5.From the above tests it is evident that the catalyst performance is best at a composition given by a Cr/Cu+Zn ratio of from about 0.1 to about 1.0, with a preferred Cr/(Cu+Zn) ratio of about 0.5.
Odchylky od tohoto chování se vyskytují v případě nízkého poměru Cu/Zn (0,5 a u obchodně dostupného katalyzátoru pro konverzi na methanol připraveného jiným způsobem než společným srážením. Ze studia dat vztahujících se ke stárnutí katalyzátorů obsahujících 25, 50 a 83 % Al2°3 rovněž vyplývá, že nejlepší chováni při stárnutí vykazuje katalyzátor s 50 í aluminy. V případě katalyzátoru obsahujícího velké množství chrómu je velký rozdíl v aktivitě katalyzátoru získaného srážením jednak amoniakem a jednak uhličitanem. Katalyzátor připravený srážením amoniakem (viz dále a obr. 7) vykazuje nižší aktivitu a dosáhne se s ním tedy nižší konverze. Z toho důvodu bylo pro přípravu katalyzátoru nadále používáno srážení uhličitanem.Deviations from this behavior occur in the case of a low Cu/Zn ratio (0.5) and in a commercially available catalyst for methanol conversion prepared by a method other than co-precipitation. A study of the aging data of catalysts containing 25, 50 and 83% Al 2 °3 also shows that the best aging behavior is shown by the catalyst with 50% alumina. In the case of a catalyst containing a large amount of chromium, there is a large difference in the activity of the catalyst obtained by precipitation with both ammonia and carbonate. The catalyst prepared by precipitation with ammonia (see below and Fig. 7) shows a lower activity and therefore a lower conversion is achieved. For this reason, carbonate precipitation was continued to be used for the preparation of the catalyst.
III. Regenerace katalyzátoruIII. Catalyst regeneration
Již v časných stadiích vývoje vynálezu bylo zjištěno, že při teplotě nad asi 288 °C je stárnutí katalyzátoru pro syntézu dimethyletheru způsobeno hlavně stárnutím katalytických složek pro syntézu methanolu. Podrobný mechanismus stárnutí katalyzátorů pro syntézu methanolu není znám, ale předpokládá se, že stárnutí má tyto příčiny:It was found early in the development of the invention that at temperatures above about 288°C, the aging of the dimethyl ether synthesis catalyst is mainly due to the aging of the methanol synthesis catalyst components. The detailed aging mechanism of methanol synthesis catalysts is not known, but it is believed that the aging has the following causes:
1) ukládání koksu,1) coke storage,
2) změny katalytické fáze a2) catalytic phase changes and
3) změny v oxidačním stavu.3) changes in oxidation state.
Čtvrtou možností je silná konkurenční sorpce oxidu uhelnatého, zejména v tom případě, že se používá násady chudé na vodík.A fourth possibility is strong competitive sorption of carbon monoxide, especially when hydrogen-poor feedstocks are used.
Při některých průkopnických studiích katalyzátorů pro syntézu dimethyletheru na bázi mědi byla učiněna tato pozorování: 1) vyčerpaný katalyzátor, který 20 dnů stárnul, a který ztratil 30 % své aktivity obsahoval podle analýzy 1,3 % koksu (0,001 % násady), 2) kalcinace tohoto katalyzátoru na vzduchu při 538 °C po dobu 16 hodin vedla k další deaktivaci, 3) vzorky vyčerpaného katalyzátoru nevykazovaly žádnou kapacitu chemisorpce oxidu uhelnatého, 4) zpracování vyčerpaného katalyzátoru, který prodělal stárnutí vodíkem nevedlo k obnovení jeho aktivity. Stav, v jakém složky aktivního katalyzátoru existují, není znám, ale existují důkazy, že když se měd redukuje na kovový stav, není již katalyzátor aktivní, stejně tak jako není aktivní katalyzátor, který byl podroben příliš ostrému oxidačnímu zpracování. Rovněž byl vysloven názor, že aktivní je takový katalyzátor, který obsahuje měd v jednomocném valenčním stavu Cu1 (viz například Journal of Catalysis 56, 407 až 429 (1979), kde se jako aktivní složka katalyzátorů pro nízkotlakou syntézu methanolu na bázi kombinací Cu/ZnO, Cu/ZnO/Al2O2 a Cu/ZnO/Cr2Oj uvádí roztok Cu1 oxidu zinečnatém). Rovněž je známa kvantitativní absorbce oxidu uhelnatého v roztocích sloučenin, jednomocné mědi,· viz F. A. Cotton a G. Wilkinson v Advanced Inorganic Chemistry, druhé vydání, Interscience Publ., Londýn, 1968, str. 898.In some pioneering studies of copper-based catalysts for the synthesis of dimethyl ether, the following observations were made: 1) a spent catalyst that had been aged for 20 days and had lost 30% of its activity was analyzed to contain 1.3% coke (0.001% of the feed), 2) calcination of this catalyst in air at 538°C for 16 hours resulted in further deactivation, 3) samples of the spent catalyst showed no capacity for chemisorption of carbon monoxide, 4) treatment of the spent catalyst that had undergone aging with hydrogen did not restore its activity. The state in which the active catalyst components exist is not known, but there is evidence that when the copper is reduced to the metallic state, the catalyst is no longer active, just as a catalyst that has been subjected to too harsh an oxidation treatment is not active. It has also been suggested that a catalyst containing copper in the monovalent valence state Cu 1 is active (see, for example, Journal of Catalysis 56, 407-429 (1979), where a solution of Cu 1 zinc oxide is reported as the active component of catalysts for low-pressure methanol synthesis based on combinations of Cu/ZnO, Cu/ZnO/Al 2 O 2 and Cu/ZnO/Cr 2 O 2 ). The quantitative absorption of carbon monoxide in solutions of compounds of monovalent copper is also known, see FA Cotton and G. Wilkinson in Advanced Inorganic Chemistry, second edition, Interscience Publ., London, 1968, p. 898.
Lze tedy mít za to, že ztráta kapacity katalyzátoru chemisorbovat oxid uhelnatý může být vysvětlena redukci jednomocné mědi.It can therefore be assumed that the loss of the catalyst's capacity to chemisorb carbon monoxide can be explained by the reduction of monovalent copper.
V úsilí udržet aktivitu katalyzátorů pro syntézu dimethyletheru, používaných pod-ΐθ vynálezu, po delší dobu provozu byly provedeny tyto zkoušky.In an effort to maintain the activity of the catalysts for the synthesis of dimethyl ether, used in accordance with the invention, over a longer period of operation, the following tests were performed.
Byly provedeny pokusy oxidovat katalyzátor Cr/Cu/Zn gamma-Al2O3 tak, že se k přívodu reaktoru připojila nádoba obsahující čistý nebo zředěný kyslík v inertním plynu (heliu),Attempts were made to oxidize the Cr/Cu/Zn gamma-Al 2 O 3 catalyst by connecting a vessel containing pure or diluted oxygen in an inert gas (helium) to the reactor inlet,
Pak byl do nádoby přiváděn inertní plyn, který se difúzí mísil s obsahem nádoby a který unášel plyn z nádoby k vyčerpanému katalyzátoru. Po oxidačním zpracování byla nádoba a reaktor obsahující katalyzátor přivedena pomocí helia na reakční tlak a teplotu. Přívod pro uváděný proud byl pak přepnut na syntézní plyn. Difúzní míšení v nádobě ve směru proti proudu od reaktoru mělo za následek postupný posun ve složení k převážně syntéznímu plynu souběžně s reakcí s nastavenou teplotou. V tomto systému byla měněna frekvence, trvání, parciální tlak a množství kyslíku použitého na regeneraci. Na základě těchto oxidačních studií se došlo k určitému regeneračnímu postupu, kterým lze reaktivovat a v podstatě stabilizovat katalyzátory pro syntézu dimethyletheru podle vynálezu.An inert gas was then introduced into the vessel, which mixed with the contents of the vessel by diffusion and carried the gas from the vessel to the spent catalyst. After the oxidation treatment, the vessel and the reactor containing the catalyst were brought to the reaction pressure and temperature using helium. The feed for the feed stream was then switched to synthesis gas. Diffusion mixing in the vessel upstream of the reactor resulted in a gradual shift in composition to predominantly synthesis gas in parallel with the reaction at a set temperature. In this system, the frequency, duration, partial pressure and amount of oxygen used for regeneration were varied. Based on these oxidation studies, a regeneration procedure was developed that can reactivate and substantially stabilize the catalysts for the synthesis of dimethyl ether according to the invention.
Počáteční studie byly prováděny za použití katalyzátoru Cu:Zn:Cr 1:1:1 + 50 % gamma-aluminy, který byl ponechán stárnout 105 dnů, až do doby, kdy poskytoval 20% konverzi (katalyzátor z příkladu II).Initial studies were conducted using a 1:1:1 Cu:Zn:Cr + 50% gamma-alumina catalyst which was aged for 105 days until it provided 20% conversion (catalyst from Example II).
Byl určen minimální účinný parciální tlak kyslíku pro zpracování za podmínek panujících v reaktoru (10 MPa, hodinová prostorová rychlost plynu 4 000 h za použití pulsu 100 1/1 katalyzátoru. Bylo provedeno zpracování při čtyřech parciálních tlacích kyslíku (0,01,The minimum effective oxygen partial pressure for processing under reactor conditions (10 MPa, hourly gas space velocity 4,000 h using a 100 1/1 catalyst pulse) was determined. Processing was performed at four oxygen partial pressures (0.01,
0,1, 0,4 a 0,2 MPa) při vysokém celkovém tlaku (10 MPa) a teplotě v rozmezí od 307 do 338 °C. Dosažené výsledky jsou souhrnně uvedeny v prvních čtyřech příkladech dále uvedené tabulky 3.0.1, 0.4 and 0.2 MPa) at high total pressure (10 MPa) and temperature ranging from 307 to 338 °C. The results achieved are summarized in the first four examples of Table 3 below.
Po regeneraci se počáteční konverze zvýšila až na 140 %. Regenerované katalyzátory však postupně stárly, přičemž dosažené konverze klesly postupně během asi 10 dnů na úroveň před regenerací. Je proto zřejmé, že při vysokém tlaku a objemu pulsu 100 1 plynu/1 katalyzátoru je přednostbi parciální tlak kyslíku vyšší než 0,01 MPa, s výhodou 0,1 až 0,4 MPa nebo vyšší.After regeneration, the initial conversion increased to 140%. However, the regenerated catalysts gradually aged, with the conversions achieved gradually decreasing to the level before regeneration within about 10 days. It is therefore clear that at high pressure and a pulse volume of 100 l gas/l catalyst, the oxygen partial pressure is preferably higher than 0.01 MPa, preferably 0.1 to 0.4 MPa or higher.
Pak byl zvýšen celkový objem kyslíku uváděný do styku s katalyzátorem během regenerace - to ukazují poslední tři příklady v tabulce 3. Při těchto regeneracích byl parciální tlak kyslíku udržován na asi 0,1 MPa, ale byla zvýšena teplota oxidačního zpracování. Jak je zřejmé z tabulky 3, aktivita katalyzátoru poklesla, čehož jsou důkazem změny v konverzi po zpracování katalyzátoru kyslíkem. Tak například po 108,8 dnech provozu byl katalyzátor regenerován kyslíkem a jeho aktivita byla regenerována na úroveň konverze 47,6 %. Pak aktivita klesla na úroveň konverze 37,4 a po 114,0 dnech operace byla aktivita regenerována oxidací na úroveň konverze 47,1 %. Po zpracování velkými objemy kyslíku, jak je to popsáno v posledních třech příkladech, byla aktivita katalyzátoru regenerována na úroveň konverze 55,8,The total volume of oxygen brought into contact with the catalyst during regeneration was then increased, as shown in the last three examples in Table 3. In these regenerations, the partial pressure of oxygen was maintained at about 0.1 MPa, but the temperature of the oxidation treatment was increased. As is evident from Table 3, the activity of the catalyst decreased, as evidenced by the changes in conversion after the catalyst was treated with oxygen. For example, after 108.8 days of operation, the catalyst was regenerated with oxygen and its activity was regenerated to a conversion level of 47.6%. Then the activity decreased to a conversion level of 37.4 and after 114.0 days of operation, the activity was regenerated by oxidation to a conversion level of 47.1%. After treatment with large volumes of oxygen, as described in the last three examples, the catalyst activity was regenerated to a conversion level of 55.8,
56,6 a 44,8 %.56.6 and 44.8%.
Tabulka 3Table 3
Látková bilance před zpracováním katalyzátoru kyslíkem a 16 hodin po němMass balance before and 16 hours after treatment of the catalyst with oxygen
Objem kyslíkuOxygen volume
Tabulka 3 pokračováníTable 3 continued
Hmotnostní hodinová prosto*Hourly rate of weight*
Druhá studie regenerace byla provedena pro katalyzátor s poměrem kovů Cu:Zn:Cr 1:1:1, obsahujícím navíc 25 % aluminy. Katalyzátor byl ponechán za provozu stárnout až na úroveň konverze 29 %. Během 11 cyklů oxidačních pulsů (0,1 MPa 0^ při 10 MPa a objemu 100 1/1 katalyzátoru každý pátý den) byla aktivita udržena na úrovni konverze nad 45 %. Mezi 95.a 101. dnem a 104, a 108 dnem se podařilo každodenním oxidačním zpracováním udržet minimální střední konverzi na 44 % (+ 2,6 %), Mezi 101 a 104 dnem byl objem oxidačního pulsu snížen na 25 1/1 katalyzátoru. Během této třídenní periody klesla konverze z 42 na 36 %, což jasně ukazuje, že je výhodnější zpracování kyslíkem za ostřejších podmínek (100 1/1 katalyzátoru při 0,1 MPa O2).The second regeneration study was performed for a catalyst with a metal ratio of Cu:Zn:Cr 1:1:1, containing an additional 25% alumina. The catalyst was allowed to age in service to a conversion level of 29%. During 11 oxidation pulse cycles (0.1 MPa 0^ at 10 MPa and a volume of 100 l/l of catalyst every fifth day), the activity was maintained at a conversion level above 45%. Between days 95 and 101 and days 104 and 108, daily oxidation treatment was able to maintain a minimum mean conversion of 44% (+ 2.6%). Between days 101 and 104, the volume of the oxidation pulse was reduced to 25 l/l of catalyst. During this three-day period, the conversion dropped from 42 to 36%, clearly indicating that oxygen treatment under harsher conditions (100 l/l catalyst at 0.1 MPa O 2 ) is more advantageous.
Po 68 dnech pokusu se po oxidačním pulsu provedlo zpracování vodíkem za účelem aktivace nebo předběžného zpracování čerstvého katalyzátoru. Data konverze po tomto zpracování ukázala, že regenerační účinek byl malý, pokud byl vůbec nějaký. Použité zpracování vodíkem zřejmě postačovalo k deaktivaci těch míst, která byla oxidačním stupněm regenerována.After 68 days of operation, a hydrogen treatment was performed after the oxidation pulse to activate or pretreat the fresh catalyst. Conversion data after this treatment showed that there was little, if any, regeneration effect. The hydrogen treatment used was apparently sufficient to deactivate those sites that had been regenerated by the oxidation step.
Během posledních dvou cyklů (107, a 108xden) bylo oxidační zpracování prováděno při celkovém tlaku 0,1 MPa čistým kyslíkem místo při 10 MPa 1% kyslíkem. Nebyly zjištěny žádné větší rozdíly v aktivitě regenerovaného katalyzátoru. Pokud byl počáteční parciální tlak kyslíku v pulsu udržován na asi 0,1 MPa, ukázalo se, že je možné udržovat pomocí inertních plynů jakýkoliv praktický celkový tlak (0,1 až 10 MPa).During the last two cycles (107 and 108xden) the oxidation treatment was carried out at a total pressure of 0.1 MPa with pure oxygen instead of at 10 MPa with 1% oxygen. No major differences in the activity of the regenerated catalyst were found. If the initial partial pressure of oxygen in the pulse was maintained at about 0.1 MPa, it was shown that any practical total pressure (0.1 to 10 MPa) could be maintained with inert gases.
Při třetí studii byl čerstvý katalyzátor (Cu:Zn:Cr = 1:1:1 + 50 % aluminy) podroben nejprve třídenním a denním regeneračním cyklům (0,1 MPa O2, 10 MPa celkový tlak, objemIn the third study, a fresh catalyst (Cu:Zn:Cr = 1:1:1 + 50% alumina) was first subjected to three-day and daily regeneration cycles (0.1 MPa O2 , 10 MPa total pressure, volume
100 1 0^/100 1 katalyzátoru, teplota 293 až 343 °C, hodinová prostorová rychlost kyslíku až 600 h ) při reakčních podmínkách zahrnujících vysokou prostorovou rychlost (hodinová prostorová rychlost plynu 4 000 h , teplota 316 °C, 10 MPa, H2/CO - 1). Pak byl po periodě bez regenerace aplikován denní regenerační režim, při reakčních podmínkách zahrnujících nízkou prostorovou rychlost (hodinová prostorová rychlost plynu 2 000 h~'Í, teplota 316 °C, celkový tlak 10 MPa, poměr H2/CO 1). Období každodenních regenerací bylo dlouhé (24 cyklů) a provádělo se za podmínek: celkový tlak 0,1 MPa, tlak O2 0,1 MPa, objem 100 1 O2/l katalyzátoru, teplota 293 až 343 °C, hodinová prostorová rychlost kyslíku 70 až 600 h \ To ukazuje, že každodenními regeneracemi lze udržet stabilní provoz při v podstatě rovnovážné konverzi. Výsledky této zkoušky jsou znázorněny na obr. 8.100 l 0^/100 l catalyst, temperature 293 to 343 °C, hourly oxygen space velocity up to 600 h ) under reaction conditions involving high space velocity (hourly gas space velocity 4,000 h , temperature 316 °C, 10 MPa, H 2 /CO - 1). Then, after a period without regeneration, a daily regeneration regime was applied, under reaction conditions involving low space velocity (hourly gas space velocity 2,000 h ~' Í , temperature 316 °C, total pressure 10 MPa, H 2 /CO 1 ratio). The period of daily regenerations was long (24 cycles) and was carried out under the conditions: total pressure 0.1 MPa, O2 pressure 0.1 MPa, catalyst volume 100 l O2 /l, temperature 293 to 343 °C, oxygen hourly space velocity 70 to 600 h\ This shows that stable operation at essentially equilibrium conversion can be maintained by daily regenerations. The results of this test are shown in Fig. 8.
Při další zkoušce byl katalyzátor VII udržován v provozu 50 dnů s periodickými oxidačními regeneracemi. Nominální reakční podmínky byly: tlak 10 MPa, teplota 316 °C molární poměrIn another test, catalyst VII was kept in operation for 50 days with periodic oxidation regenerations. The nominal reaction conditions were: pressure 10 MPa, temperature 316 °C, molar ratio
H„/CO v syntézním plynu 1:1 a hodinová prostorová rychlost plynu 4 300 h prvních 28 dnů, — 1 — 1H„/CO in synthesis gas 1:1 and hourly gas space velocity 4,300 h for the first 28 days, — 1 — 1
000 h 29.den a 2 000 h od 30 do 49,5 dne provozu. Periodická oxidační regenerace tohoto katalyzátoru byla prováděna těmito dvěma postupy:000 h on the 29th day and 2,000 h from 30 to 49.5 days of operation. Periodic oxidation regeneration of this catalyst was carried out by the following two procedures:
A. Po dobu prvních 28 dní provozu byla oxidační regenerace prováděna podle tohoto předpisu:A. For the first 28 days of operation, oxidation regeneration was carried out according to this regulation:
1. Reaktor se propláchne heliem za tlaku 10 MPa.1. The reactor is purged with helium at a pressure of 10 MPa.
2. Eluuje se za tlaku 10 MPa 1% směsí kyslíku, v heliu umístěnou v zásobníku, při objemu2. Elute at a pressure of 10 MPa with a 1% mixture of oxygen in helium placed in a reservoir, at a volume of
1 na litr katalyzátoru (tj. 100 1 O, za standardního tlaku na litr katalyzátoru), hodinovou -1 prostorovou rychlostí plynu 7 000 h (teplota katalyzátoru byla udržována mezi 271 a asi 316 °C během tohoto stupně).1 per liter of catalyst (i.e. 100 1 O, at standard pressure per liter of catalyst), an hourly gas space velocity of 7,000 h (the catalyst temperature was maintained between 271 and about 316 °C during this stage).
3. Propláchne se heliem za tlaku 10 MPa.3. Flushed with helium at a pressure of 10 MPa.
4. Do reaktoru se přivádí syntézní plyn, aby se znovu zahájila reakce při 316 °C a 10 MPa, přičemž se postupuje tak, že se 100% syntézní plyn uvádí do reaktoru přes tlumicí zásvbník s heliem, rychlost přivádění proudu je 100 1/1 katalyzátoru při hodinové prostorové rychlosti plynu 4 306 h \4. Synthesis gas is fed into the reactor to restart the reaction at 316°C and 10 MPa, proceeding by feeding 100% synthesis gas into the reactor via a helium buffer, the feed rate being 100 1/1 catalyst at a gas hourly space velocity of 4,306 h\
B. Oxidační, regenerace po 28 dnech byla prováděna podle tohoto předpisu.B. Oxidative, regeneration after 28 days was carried out according to this regulation.
1. V reaktoru se uvolní tlak na tlak atmosférický a reaktor se propláchne heliem.1. The reactor is depressurized to atmospheric pressure and purged with helium.
2. Eluuje se pulsem 100% kyslíku ze zásobníku, přičemž objem pulsu je 100 litrů/litr katalyzátoru (tj. 100 1 kyslíku za standardního tlaku na litr katalyzátoru), tlak 0,1 MPa je nastaven heliem, prostorová hodinová rychlost plynu je 600 h a teplota 260 až 316 °C.2. Elute with a pulse of 100% oxygen from the reservoir, with a pulse volume of 100 liters/liter of catalyst (i.e. 100 liters of oxygen at standard pressure per liter of catalyst), a pressure of 0.1 MPa is set with helium, a gas hourly space velocity of 600 h and a temperature of 260 to 316 °C.
3. Systém se propláchne heliem a tlak v systému se heliem upraví na 146 MPa.3. The system is flushed with helium and the pressure in the system is adjusted to 146 MPa with helium.
4. Do reaktoru se znovu začne zavádět 100% syntézní plyn, tak jako ve stupni 4 režimu popsaného předpisem A a pak se hodinová prostorová rychlost plynu nastaví na požadovanou hodnotu 2 000 (nebo 3 000) h \4. The reactor is again fed with 100% synthesis gas, as in stage 4 of the regime described in regulation A, and then the hourly gas space velocity is set to the desired value of 2,000 (or 3,000) h \
Zjistilo se, že zatímco třídenní cykly nebyly účinné pro udržení stálého provozu při hodinové prostorové rychlosti plynu 4 000 h x, za použití každodenních regeneračních cyklů o nízké ostrosti se po dobu 1 týdne udržel stabilní provoz s 56 % konverzí (70 % rovnovážné hodnoty). Statistická korelace těchto dat ukázala, že se jednalo v podstatě o aktivitu v “ustáleném stavu“.It was found that while three-day cycles were not effective in maintaining steady-state operation at an hourly gas space velocity of 4,000 h x , using daily low-sharpness regeneration cycles, stable operation was maintained for 1 week with 56% conversion (70% of the equilibrium value). Statistical correlation of these data indicated that this was essentially a “steady-state” activity.
Při nižší rychlosti dávkování (prostorová hodinová rychlost plynu 2 000 docházelo bez regenerace ke stárnutí. Každodenní regenerace však umožnila udržet v podstatě rovnovážnou konverzi (79 % proti 80 %) po dobu 20 dnů provozu (24 cyklů). Na konci každého cyklu byla provedena látková bilance. Stárnutí nebylo statisticky významné.At a lower dosing rate (gas space hourly velocity of 2,000), aging occurred without regeneration. However, daily regeneration allowed maintaining essentially equilibrium conversion (79% versus 80%) for 20 days of operation (24 cycles). A mass balance was performed at the end of each cycle. Aging was not statistically significant.
Hlavním závěrem této studie katalyzátoru je, že hodnoty nad 50 % hodnoty rovnovážné konverze a hodnoty v podstatě až do úrovně konverze 80 % lze udržet při stabilním chování katalyzátoru syntézy, dimethyletheru v tom případě, že se provádí periodická nebo relativně kontinuální regenerace katalyzátoru za nízkých podmínek ostrosti.The main conclusion of this catalyst study is that values above 50% of the equilibrium conversion value and values substantially up to the 80% conversion level can be maintained with stable behavior of the dimethyl ether synthesis catalyst if periodic or relatively continuous catalyst regeneration is performed under low severity conditions.
Při poslední zkoušce byl katalyzátor VIII (srážený amoniakem) udržován v provozu po dobu několika dnů za těchto nominálních podmínek: tlak 10 MPa, teplota 316 °C, molární poměr H2/CO v uváděném syntézním plynu 1:1 a prostorová hodinová rychlost plynné fáze 4 000 h Aktivita katalyzátoru VIII ve srovnání s aktivitou katalyzátoru VI je znázorněna na obr. 7.In the last test, catalyst VIII (precipitated with ammonia) was kept in operation for several days under the following nominal conditions: pressure 10 MPa, temperature 316 °C, molar ratio H2/CO in the reported synthesis gas 1:1 and hourly space velocity of the gas phase 4,000 h. The activity of catalyst VIII compared to the activity of catalyst VI is shown in Fig. 7.
IV, Vliv přípravy katalyzátoru na regeneraciIV, Effect of catalyst preparation on regeneration
Aby se dále zjistilo, do jaké míry má přítomnost chrómu v katalytické složce pro syntézu methanolu katalyzátoru pro syntézu dimethyletheru rozhodující význam a aby se zjistil vliv technologie společného srážení, byla studována odezva různých katalytických systémů na oxidační regeneraci za mírných podmínek. Podrobnosti vztahující se ke složení zkoumaných katalyzátorů jsou uvedeny v tabulce 4. Katalyzátory pro syntézu dimethyletheru byly získány peletizací fyzikálních směsí stejných hmotnostních dílů gamma-aluminy a složky pro syntézu methanolu. Katalyzátory IX a X byly připraveny společným srážením směsi Cu/Zn/Cr a Cu/Zn/Al přebytkem roztoku uhličitanu sodného (Na2CO^) do konečného pH 9. Kovy byly na srážení použity ve formě roztoku dusičnanů. Kalcinace po srážení byla prováděna při 260 °C. Katalyzátor XI byl připraven uhličitanovým společným srážením binární směsí Cu/Zn a kalcinací při 343 °C. Katalyzátor XII byl připraven uhličitanovým společným srážením binární směsi Cu/Zn, kalcinací při 343 °C a míšením ve vodné suspenzi s A12O3 za vysokých střižných sil v mixéru Wang postupem uvedeným v US patentu č. 3 790 505. Katalyzátor XIII byl připraven uhličitanovým srážením binárních systémů Cu/Cr a Zn/Cr a následujícím.smísením prášků vzniklých z těchto sraženin kalcinací při 260 °C. Další podrobnosti při přípravě těchto katalyzátorů byly stejné jako při shora uvedených přípravách. Tak například byly všechny katalyzátory aktivovány zředěným vodíkem při nízké teplotě tak, aby se zabránilo nežádoucí exotermii.In order to further determine the extent to which the presence of chromium in the catalytic component for methanol synthesis of the catalyst for dimethyl ether synthesis is of decisive importance and to determine the influence of the co-precipitation technology, the response of different catalytic systems to oxidative regeneration under mild conditions was studied. Details related to the composition of the investigated catalysts are given in Table 4. The catalysts for dimethyl ether synthesis were obtained by pelletizing physical mixtures of equal parts by weight of gamma-alumina and the component for methanol synthesis. Catalysts IX and X were prepared by co-precipitation of Cu/Zn/Cr and Cu/Zn/Al mixtures with an excess of sodium carbonate (Na2CO^) solution to a final pH of 9. The metals were used for precipitation in the form of nitrate solutions. Calcination after precipitation was carried out at 260 °C. Catalyst XI was prepared by carbonate co-precipitation with a binary mixture of Cu/Zn and calcination at 343 °C. Catalyst XII was prepared by carbonate co-precipitation of a binary Cu/Zn mixture, calcination at 343°C, and mixing in aqueous suspension with Al 2 O 3 under high shear in a Wang mixer according to the procedure described in U.S. Patent No. 3,790,505. Catalyst XIII was prepared by carbonate precipitation of binary Cu/Cr and Zn/Cr systems, and subsequent mixing of the powders formed from these precipitates by calcination at 260°C. Other details of the preparation of these catalysts were the same as in the preparations described above. For example, all catalysts were activated with dilute hydrogen at low temperature to avoid undesirable exotherms.
Konverze syntézního plynu na těchto katalyzátorech byla sledována za použití zařízení popsaného shora (316 °C, 10 MPa, H2/CO = 1 a prostorová hodinová rychlost plynu 4 000 h-1 s výjimkou katalyzátoru IX, kde byla použita do 28,dne prostorová hodinová rychlost plynu 4 000 h 1 a pak 2 000 h %. Periodická oxidační regenerace byla prováděna postupem B popsaným shora s tím rozdílem, že teplota byla 288 až 343 °C.Synthesis gas conversion on these catalysts was monitored using the apparatus described above (316 °C, 10 MPa, H 2 /CO = 1 and a gas space hourly velocity of 4,000 h -1 ) with the exception of catalyst IX, where a gas space hourly velocity of 4,000 h -1 was used up to day 28 and then 2,000 h %. Periodic oxidation regeneration was carried out by procedure B described above with the difference that the temperature was 288 to 343 °C.
Chování základního systému Cu/Zn/Cr při regeneraci je ilustrováno na obr. 10. Tak jako data na obr. 8, i tato data ukazují, že oxidační regenerací katalyzátoru IX lze regenerovat jeho aktivitu. Konstantní konverze lze dosáhnout při dostatečně častých periodických regeneracích.The behavior of the basic Cu/Zn/Cr system during regeneration is illustrated in Fig. 10. Like the data in Fig. 8, these data also show that the activity of catalyst IX can be regenerated by oxidative regeneration. Constant conversion can be achieved with sufficiently frequent periodic regenerations.
Vliv současného srážení modifikačních kovů (Cr a Al) zřejmý z obr. 10 a 11 lze porovnat se situací, kdy byl modifikátor nepřítomen (obr. 12). Počáteční aktivita katalyzátorů (vyjádřená konverzí) je úplně podobná. Když však nebyly modifikátory přítomny dokonce ani první regenerace katalyzátoru XI nepřinesla žádný užitek. Je tedy zřejmé, že složky na bázi Cu/Zn je nutno stabilizovat strukturními promotory.The effect of simultaneous precipitation of modifying metals (Cr and Al) evident from Fig. 10 and 11 can be compared with the situation when the modifier was absent (Fig. 12). The initial activity of the catalysts (expressed in conversion) is quite similar. However, when the modifiers were not present, even the first regeneration of catalyst XI did not bring any benefit. It is therefore clear that the Cu/Zn-based components must be stabilized by structural promoters.
Tabulka4Table4
Složky katalyzátoru pro syntézu dimethyletheru, jejichž úkolem je syntetizovat methanolComponents of the catalyst for the synthesis of dimethyl ether, whose task is to synthesize methanol
Kata- Složení složky pro syntézu methanolu a její příprava lyzátorCatalyst Composition of the component for methanol synthesis and its preparation
IX Cu/Zn/Cr = 1/1/1, srážení uhličitanemIX Cu/Zn/Cr = 1/1/1, carbonate precipitation
X Cu/Zn/Al = 1/1/1, srážení uhličitanemX Cu/Zn/Al = 1/1/1, carbonate precipitation
XI Cu/Zn = 1/1, srážení uhličitanemXI Cu/Zn = 1/1, carbonate precipitation
XII Cu/Zn/Al - 1/1/1,5 Cu/Zn srážení uhličitanem,XII Cu/Zn/Al - 1/1/1.5 Cu/Zn carbonate precipitation,
A12O3 přerušen míšením za vysokých střižných silA1 2 O 3 interrupted by high shear mixing
XIII Cu/Cr + Zn/Cr = 1/0,5 + 1/0,5XIII Cu/Cr + Zn/Cr = 1/0.5 + 1/0.5
Poznámka základní případ chromový stabilizátor4 nahrazen hliníkovým hliníkový i chromový stabilizátor vypuštěn míšení s aluminou prováděno za podmínek vysokých střižných sil vliv separátního společného srážení aktivních kovů s chromémNote: base case: chromium stabilizer 4 replaced by aluminum; aluminum and chromium stabilizer omitted; mixing with alumina performed under high shear conditions; influence of separate co-precipitation of active metals with chromium
Zavedení modifikačního hliníku fyzikálním míšením je ilustrováno na obr. 13. Aktivita a stárnutí katalyzátoru (katalyzátor XII) byly blízké vlastnostem nemodifikovaného katalyzátoru XI (obr. 12). Katalyzátor, který podlehl stárnutí nemohl být regenerován. Je zřejmé, že modifikátor musí být společně vysrážen s aktivními kovy.The introduction of the modifying aluminum by physical mixing is illustrated in Fig. 13. The activity and aging of the catalyst (catalyst XII) were close to those of the unmodified catalyst XI (Fig. 12). The catalyst that succumbed to aging could not be regenerated. It is clear that the modifier must have been co-precipitated with the active metals.
Případ, při kterém se polovina modifikačního chrómu společně vysráží s mědí a druhá polovina se zinkem, načež se výsledné kalcinované prášky spojí s dehydratační složkou za vzniku katalyzátoru pro tvorbu dimethyletheru (katalyzátor XIII) podporuje tento závěr.The case where half of the modifying chromium is co-precipitated with copper and the other half with zinc, after which the resulting calcined powders are combined with a dehydrating component to form a catalyst for dimethyl ether formation (catalyst XIII) supports this conclusion.
I když byl tento katalyzátor méně aktivní, byl regenerovatelný, jak je ilustrováno na obr. 14. Značně snížená aktivita této kombinace je v souladu s hypotézou, že aktivní místa pro syntézu methanolu tvoří pevný roztok mědi ve fázi oxidu zinečnatého.Although this catalyst was less active, it was regenerable, as illustrated in Fig. 14 . The significantly reduced activity of this combination is consistent with the hypothesis that the active sites for methanol synthesis form a solid solution of copper in the zinc oxide phase.
Společně srážené katalyzátory pro syntézu dimethyletheru na bázi Cu/Zn/Al mají zpočátku vyšší aktivitu pro regeneraci než podobné katalyzátory s chromém (srovnej obr. 11 a obr. 10). Po 40 dnech provozu a 4 oxidačních zpracováních však již katalyzátory modifikované hliníkem nejsou regenerovatelné.The coprecipitated Cu/Zn/Al catalysts for dimethyl ether synthesis initially have a higher activity for regeneration than similar chromium catalysts (compare Fig. 11 and Fig. 10). However, after 40 days of operation and 4 oxidation treatments, the aluminum-modified catalysts are no longer regenerable.
Společně srážené katalyzátory pro syntézu dimethyletheru na bázi Cu/Zn/Cr podle vynálezu vykazují pozoruhodnou stálost vůči regeneraci. Ustálená vysoká konverze byla pozorována při hodinové prostorové rychlosti plynu 2 000 h 1 po dobu 80 dnů a 45 cyklů. I při hodinové prostorové rychlosti plynu 4 000 h 1 byl katalyzátor oxidačně regenerovatelný po 125 dnech a 5 cyklech.The coprecipitated Cu/Zn/Cr catalysts for the synthesis of dimethyl ether according to the invention exhibit remarkable stability to regeneration. A steady high conversion was observed at a gas hourly space velocity of 2000 h -1 for 80 days and 45 cycles. Even at a gas hourly space velocity of 4000 h -1, the catalyst was oxidatively regenerable after 125 days and 5 cycles.
Obr. 9 ilustruje data získaná za účelem vyhodnocení rozmezí ostrosti podmínek (teploty) při oxidační regeneraci. Konverze byla prováděna při teplotě 316 °C, tlaku 10 MPa a hodinové prostorové rychlosti plynu 4 000 h 1 za použití syntézního plynu o molárním poměru H^/CO = = 1 a katalyzátoru na bázi Cu/Zn/Cr = 1:1:1. Bylo použito těchto regeneračních podmínek:Fig. 9 illustrates the data obtained to evaluate the range of severity of the conditions (temperature) during oxidative regeneration. The conversion was carried out at a temperature of 316 °C, a pressure of 10 MPa and an hourly gas space velocity of 4,000 h 1 using a synthesis gas with a molar ratio of H^/CO = = 1 and a catalyst based on Cu/Zn/Cr = 1:1:1. The following regeneration conditions were used:
Pokus Teplota f°c] Tlak (MPa] O2 molárníJExperiment Temperature (°C) Pressure (MPa) O 2 molarJ
x katalyzátor stárnul 104 dnů až do poklesu konverze pod 20 % xx v pokusech a až e (122 dnů) hodinová prostorová rychlost plynu 4 300 h xxx následováno zpracováním vodíkem při 204 °C.x catalyst aged 104 days until conversion dropped below 20% xx in runs a to e (122 days) gas hourly space velocity 4,300 h xxx followed by hydrogen treatment at 204 °C.
Jak je zřejmé teplota regenerační reakce kolísala od 293 do 510 °C. Regenerace při teplotě nad 510 °C měla za následek pravděpodobně nevratně sníženou aktivitu katalyzátoru.As can be seen, the regeneration reaction temperature varied from 293 to 510 °C. Regeneration at temperatures above 510 °C resulted in a likely irreversibly reduced catalyst activity.
V. Vliv současného dávkování vody společně se syntézním plynem chudým na vodík.V. Effect of simultaneous dosing of water together with hydrogen-poor synthesis gas.
Syntézního plynu chudého na vodík (molární poměr H?/CO< 1), který se získává v současných a někdy přednostních ekonomičtějších zplyňovačích, lze se značnou výhodou používat při selektivní konverzi na dimethylether za použití vhodných syntézních katalyzátorů. Při takovém provozu se může uvádět voda současně se syntézním plynem s nízkým poměrem H2/CO do styku se zvoleným katalyzátorem pro syntézu dimethyletheru. Na katalyzátoru se v důsledku aktivity jeho složek pro katalýzu konverze syntézního plynu na vodní plyn konvertuje voda se stejným množstvím oxidu uhelnatého na vodík plus oxid uhličitý. Jak je to ilustrováno provozem za rovnovážných podmínek na obr. 1 a 2, může se tímto způsobem zlepšit využití syntézního plynu a/nebo zlepšit molární poměr H2/CO plynu odcházejícího ze stupně syntézy dimethyletheru.Synthesis gas poor in hydrogen (molar ratio H 2 /CO < 1), which is obtained in current and sometimes preferred more economical gasifiers, can be used with considerable advantage in the selective conversion to dimethyl ether using suitable synthesis catalysts. In such an operation, water can be brought into contact with the selected dimethyl ether synthesis catalyst simultaneously with the synthesis gas with a low H 2 /CO ratio. On the catalyst, due to the activity of its components for catalyzing the conversion of synthesis gas to water gas, water with the same amount of carbon monoxide is converted to hydrogen plus carbon dioxide. As illustrated by the operation under equilibrium conditions in Figs. 1 and 2, the utilization of the synthesis gas and/or the molar ratio of H 2 /CO of the gas leaving the dimethyl ether synthesis stage can be improved in this way.
Plyn se zlepšeným poměrem H2/CO získaný ze syntézního stupně dimethyletheru v důsledku současně nadávkované vody, nutně obsahuje jiné plyny, hlavně oxid uhličitý. S ohledem na značné narušení rovnováhy konverzní reakce vedoucí k dimethyletheru oxidem uhličitým, jako ředidlem, nemusí být recyklování tohoto plynu obsahující oxid uhličitý do syntézního stupně pro výrobu dimethyletheru, doprovázené nutným čištěním recyklovaného plynu, nejlepším způsobem využití.The gas with an improved H2 /CO ratio obtained from the dimethyl ether synthesis stage due to the simultaneous addition of water necessarily contains other gases, mainly carbon dioxide. In view of the significant imbalance of the conversion reaction leading to dimethyl ether by carbon dioxide as a diluent, recycling this gas containing carbon dioxide to the dimethyl ether synthesis stage, accompanied by the necessary purification of the recycled gas, may not be the best way of utilization.
Regenerovaný nezreagovaný proud syntézního plynu obsahující syntézní plyn s příslušně zlepšeným poměrem H2/CO se může alternativně vnést do konverzních systémů, ve kterých není konverze omezena rovnovážným stavem (jako je tomu v případě syntézy dimethyletheru) a které mohou (možná s nižší selektivitou) zužitkovat nezreagovaný proud syntézního plynu. Vedlejším reakčním systémem, který se obzvláště hodí pro konverzi tohoto syntézního plynu obsahujícího oxid uhličitý, je Fischer-Tropschova konverzní jednotka používající syntézního katalyzátoru na bázi železa, kobaltu nebo ruthenia. Takový vedlejší katalytický syntézní systém umožňuje optimální využití syntézního plynu regenerovaného ze syntézy dimethyletheru s minimálním nebo žádným meziodstraňováním oxidu uhličitého. Takový systém je ilustrován na obr. 5.The regenerated unreacted synthesis gas stream containing synthesis gas with a correspondingly improved H2 /CO ratio can alternatively be introduced into conversion systems in which the conversion is not limited by an equilibrium state (as is the case in dimethyl ether synthesis) and which can (perhaps with lower selectivity) utilize the unreacted synthesis gas stream. A secondary reaction system that is particularly suitable for the conversion of this synthesis gas containing carbon dioxide is a Fischer-Tropsch conversion unit using an iron, cobalt or ruthenium-based synthesis catalyst. Such a secondary catalytic synthesis system allows for optimal utilization of the synthesis gas recovered from dimethyl ether synthesis with minimal or no intermediate removal of carbon dioxide. Such a system is illustrated in Fig. 5.
Proud syntézního plynu se zlepšeným poměrem H2/CO odváděný z jednotky pro syntézu dimethyletheru se obzvlášt hodí pro další zpracování Fischer-Tropschovým postupem za použiti katalyzátoru na bázi železa. V publikaci uveřejněné v Industrial and Engineering Chemistry - Process Research and Development, 15 (4) 1976 je uvedeno, že je užitečné zvýšit jak poměr H2/CO (H2/CO <6), tak koncentraci oxidu uhličitého na vstupní do Fischer/Tropschova reaktoru. Snížením poměru (Ρ^/Ρ^ )3, tj. zvýšením poměru H2/CO se snižuje tvorba uhlíku. Se zvyšováním Pqq se rovněž snižuje selektivita konverze na uhlovodíky ve směru k methanu. Zařazení tohotoThe synthesis gas stream with an improved H2 /CO ratio from the dimethyl ether synthesis unit is particularly suitable for further processing by the Fischer-Tropsch process using an iron-based catalyst. A publication published in Industrial and Engineering Chemistry - Process Research and Development, 15 (4) 1976 states that it is useful to increase both the H2 /CO ratio ( H2 /CO <6) and the carbon dioxide concentration at the inlet to the Fischer-Tropsch reactor. By reducing the ratio (Ρ^/Ρ^ ) 3 , i.e. by increasing the H2 /CO ratio, carbon formation is reduced. As Pqq increases, the selectivity of the conversion to hydrocarbons towards methane also decreases. The inclusion of this
Fischer-Tropschova stupně, jako druhého stupně za stupeň syntézy dimethyletheru, ve kterém se v důsledku současně nadávkované vody zvýší poměr H2/CO a obsah C02 v plynu regenerovaném v prvním stupni, přináší tedy užitek.The Fischer-Tropsch stage, as a second stage after the dimethyl ether synthesis stage, in which the H 2 /CO ratio and the C0 2 content in the gas regenerated in the first stage are increased due to the simultaneously fed water, is therefore beneficial.
Poměr H2/CO v syntézním plynu regenerovaném nebo vypouštěném z jednotky pro výrobu dimethyletheru jako nezreagovaný syntézní plyn nemusí být v případě, že se pracuje bez společně uváděné vody, dostatečně vysoký, aby bylo možno tento syntézní plyn zpracovat ve vedlejší jednotce. Zušlechtění syntézního plynu se může provést v oddělené reakční jednotce pro konverzi syntézního plynu na vodní plyn, ale ekonomičtěji se provádí tím, že se voda společně dávkuje se syntézním plynem chudým na vodík do jednotky pro syntézu dimethyletheru. Vedlejší systém zahrnující Fischer-Tropschovu syntézní jednotku pracující s katalyzátory na bázi železa, kobaltu nebo ruthenia, obvykle vyžadují syntézní plyn s molárním poměrem Hj/CO rovným 1 nebo vyšším, jaký se získává jako proud odcházející ze syntézního stupně pro výrobu dimethyletheru. Množství vody, které se má uvádět do syntézy dimethyletheru spolu se syntézním plynem získaným ve zplyňovacím stupni, je diktováno vlastní syntézní reakcí vedoucí k dimethyl etheru, jak je popsáno dále. Množství vody společně dávkované se syntézním plynem by rovněž mělo být omezeno horní hranicí.The H2 /CO ratio in the synthesis gas recovered or discharged from the dimethyl ether unit as unreacted synthesis gas may not be high enough to allow the synthesis gas to be processed in a secondary unit when operating without co-fed water. Synthesis gas upgrading can be carried out in a separate reaction unit to convert the synthesis gas to water gas, but is more economically accomplished by co-feeding water with the hydrogen-poor synthesis gas to the dimethyl ether unit. Secondary systems including a Fischer-Tropsch synthesis unit operating with iron, cobalt or ruthenium catalysts typically require synthesis gas with a molar ratio of H2/CO of 1 or higher, which is obtained as the effluent from the dimethyl ether synthesis stage. The amount of water to be fed into the dimethyl ether synthesis together with the synthesis gas obtained in the gasification step is dictated by the actual synthesis reaction leading to dimethyl ether, as described below. The amount of water fed together with the synthesis gas should also be limited by an upper limit.
V případě násady tvořené syntézním plynem s molárním poměrem (r) H2/CO nižším než 1, může být voda dávkována do reaktoru pro syntézu dimethyletheru v množství daném vztahem (4)In the case of a feed consisting of synthesis gas with a molar ratio (r) H 2 /CO lower than 1, water can be dosed into the dimethyl ether synthesis reactor in the amount given by equation (4)
XX1 ‘4>XX 1 ' 4 >
kdewhere
S představuje molární poměr H2O/CO a r' představuje stechiometrický parametr, který má libovolnou hodnotu omezenou vztahem r 4r”^lS represents the molar ratio of H 2 O/CO and r' represents a stoichiometric parameter that has an arbitrary value limited by the relation r 4r”^l
Molární poměr H2/CO v plynu vypouštěném z reaktoru se bude zvyšovat se zvyšováním hodnoty S.The molar ratio of H2 /CO in the gas discharged from the reactor will increase with increasing S value.
Mezní hodnoty pro S lze vyjádřit za podmínek ideálního chování takto:The limiting values for S can be expressed under conditions of ideal behavior as follows:
1) Horní hodnota poměru S, S</l je dána faktem, že v případě S = 1 by došlo k úplné konverzi oxidu uhelnatého vodou na vodík a oxid uhličitý, takže by nezůstal žádný oxid uhelnatý k dispozici pro následující syntézu etheru.1) The upper value of the ratio S, S</l is given by the fact that in the case of S = 1, carbon monoxide would be completely converted by water into hydrogen and carbon dioxide, so that no carbon monoxide would remain available for the subsequent synthesis of ether.
2) Stechiometrický parametr syntézního plynu r' má velkou důležitost. Stechiometrie reakce na dimethylether předpokládá molární poměr H2/CO v násadě r' = 1,0. Když je molární poměr H2/CO v násadě r menší než 1, poskytla by voda současně nadávkovaná v molárním množství o - * - 1 - r b 1 + r' 2 efektivní poměr H2/CO rovný 1, kdyby se všechna současně nadávkovaná voda úplně konvertovala s dostupným oxidem uhlelnatým na vodík a oxid uhličitý.2) The stoichiometric parameter of the synthesis gas r' is of great importance. The stoichiometry of the reaction to dimethyl ether assumes a molar ratio of H 2 /CO in the feed r' = 1.0. When the molar ratio of H 2 /CO in the feed r is less than 1, water fed simultaneously in a molar amount of o - * - 1 - r b 1 + r' 2 would provide an effective ratio of H 2 /CO equal to 1 if all the water fed simultaneously were completely converted with the available carbon monoxide to hydrogen and carbon dioxide.
3) Požadavek na spodní hranici hodnoty r' r'(r je vyjádřením požadavku, že čitatel levé strany vztahu (4) r~- r musí být kladný.3) The requirement for a lower bound on the value of r' r'(r is an expression of the requirement that the numerator of the left-hand side of relation (4) r~- r must be positive.
+ r'+ r'
Omezení a diskuze uvedená shora je samozřejmě idealizovaná. Skutečné hodnoty závisí na složitém rovnovážném a dynamickém chování v reaktoru, přičemž shora uvedené úvahy jsou komplikovány obchvatem katalyzátoru a míšením za reaktorem. Pro určité specifické uspořádání reaktoru a určité parametry syntézy je možno extenzivní proměnné, jako je konverze syntézního plynu nebo poměr H2/CO na výstupu z reaktoru korelovat s parametrem charakterizujícím uvádění vody do reaktoru (S). Pomocí těchto korelací se může určit požadovaná hodnota parametru S ležící v rozmezí daném vztahem 4.The limitations and discussion above are of course idealized. The actual values depend on the complex equilibrium and dynamic behavior in the reactor, and the above considerations are complicated by catalyst bypass and mixing downstream of the reactor. For a specific reactor configuration and synthesis parameters, extensive variables such as the synthesis gas conversion or the H2 /CO ratio at the reactor outlet can be correlated with the water feed parameter (S). Using these correlations, a desired value for S can be determined within the range given by equation 4.
Taková korelace je ilustrována následující sérií zkoušek.Such a correlation is illustrated by the following series of tests.
Byly připraveny dva další katalyzátory XIV a XV ve dvou částech. Nejprve byla připravena složka katalyzátoru syntetizující methanol společným srážením tří kovových složek z míchaného vodného roztoku dusičnanů těchto kovů přídavkem přebytku horkého (85 až 90 °C) roztoku uhličitanu sodného. Výsledná sraženina byla promyta, vysušena a kalcinována při asi 269 °C.Two additional catalysts XIV and XV were prepared in two parts. First, the methanol synthesizing catalyst component was prepared by co-precipitating the three metal components from a stirred aqueous solution of the nitrates of these metals by adding an excess of hot (85-90°C) sodium carbonate solution. The resulting precipitate was washed, dried, and calcined at about 269°C.
Tyto složky pro syntézu methanolu pak byly rozemlety na prášky a každá z nich byla smíšena se stejným hmotnostním množství práškovité gamma-aluminy.These methanol synthesis components were then ground into powders and each was mixed with an equal weight of powdered gamma-alumina.
Katalyzátor XIV obsahoval složku pro syntézu methanolu vyrobenou ze stejných množství mědi, zinku a chrómu. Katalyzátor XV obsahoval složku pro syntézu methanolu připravenou ze stejných množství mědi, zinku a hliníku.Catalyst XIV contained a methanol synthesis component made from equal amounts of copper, zinc and chromium. Catalyst XV contained a methanol synthesis component made from equal amounts of copper, zinc and aluminium.
Oba katalyzátory byly nejprve aktivovány při 0,1 MPa a 204 °C uvedením do styku s plynným proudem skládajícím se z vodíku a inertního plynu, ve kterém byl obsah vodíku pomalu zvyšován na 2 % obj. a pak na 8,5 % obj. Poté katalyzátory dlouhodobě pracovaly za provozních podmínek syntézy s periodickou oxidační regenerací. Oxidační regenerace byly prováděny tak, že byl reaktor propláchnut inertním nosným plynem a pak byl přes katalyzátor za atmosferického tlaku veden puls kyslíku o objemu 100 1 (standardní tlak) na litr katalyzátoru. Teplota při tomto zpracování byla 288 až 343 °C a pracovalo se při dostatečně nízké prostorové rychlosti, aby nedošlo k tepelnému poškození katalyzátoru. Po kyslíkovém pulsu byl reaktor proplachován opět inertním plynem, který byl postupně nahrazován syntézním plynem za současného náběhu na reakční podmínky.Both catalysts were first activated at 0.1 MPa and 204 °C by contacting them with a gas stream consisting of hydrogen and an inert gas, in which the hydrogen content was slowly increased to 2% vol. and then to 8.5% vol. The catalysts were then operated for a long time under synthesis operating conditions with periodic oxidative regeneration. The oxidative regenerations were carried out by flushing the reactor with an inert carrier gas and then passing a pulse of oxygen at a volume of 100 l (standard pressure) per liter of catalyst through the catalyst at atmospheric pressure. The temperature during this treatment was 288 to 343 °C and the space velocity was sufficiently low to avoid thermal damage to the catalyst. After the oxygen pulse, the reactor was flushed again with an inert gas, which was gradually replaced by synthesis gas while simultaneously ramping up to reaction conditions.
Katalyzátor XIV pracoval s denními regeneracemi za následujících nominálních podmínek:Catalyst XIV operated with daily regenerations under the following nominal conditions:
316 °C, 5 až 5,4 MPa, hodinová prostorová rychlost plynu (vztažená na syntézní plyn) 1 000 h 1, molární poměr ří2/CO 2:3, různé množství uváděné vody. Jak je ukázáno na obr. 3, množství společně uváděné vody se měnilo v průběhu provádění pokusu. Na obr, 4 jsou výsledky tohoto pokusu korelovány s množstvím vody společně uváděným se syntézním plynem, vztaženým na jednotkové množství nasazovaného oxidu uhelnatého (S). Na korelaci bylo použito dvou proměnných a to jednak molárního poměru H2/CO na výstupu z reaktoru (obr. 4A) a jednak celkové konverze syntézního plynu, tj. zreagovaného H2+CO (obr. 4B). Naměřené hodnoty jsou porovnány s hodnotami předvídanými pro konverze za podmínek termodynamické rovnováhy za příslušných podmínek dávkování. Výsledky jako jsou ty, které jsou uvedeny na obr. 4, se mohou získat pro každý konkrétní systém syntézy dimethyletheru.316 °C, 5 to 5.4 MPa, hourly gas space velocity (relative to synthesis gas) 1,000 h 1 , molar ratio H 2 /CO 2:3, various amounts of water introduced. As shown in Fig. 3, the amount of water introduced together changed during the experiment. In Fig. 4, the results of this experiment are correlated with the amount of water introduced together with synthesis gas, relative to the unit amount of carbon monoxide (S) introduced. Two variables were used for the correlation, namely the molar ratio H 2 /CO at the reactor outlet (Fig. 4A) and the total conversion of synthesis gas, i.e. reacted H 2 +CO (Fig. 4B). The measured values are compared with the values predicted for conversions under thermodynamic equilibrium conditions under the respective dosing conditions. Results such as those shown in Fig. 4 can be obtained for any particular dimethyl ether synthesis system.
Katalyzátor XV byl dlouhodobě uváděn do styku při 316 °C se syntézním plynem o molárním poměru H2/CO 2:3 při úrovni dávkování vody společně se syntézním plynem 0,25 mol HjO na 1 mol CO za tlaku 5,4 MPa a při periodické oxidační regeneraci katalyzátoru. Chování katalyzátoru 18 hodin po regeneraci a po 30 dnech kontaktu je popsáno v tabulce 5. Molární poměr H^/CO v plynu opouštějícím reaktor 0,85 ukazuje, že se plyn obohatil vodíkem. Porovnáni pozorovaného poměru H2/CO v plynu opouštějícím reaktor a konverze v tomto pokuse za použití katalyzátoru XV ukazuje odchylku od rovnováhy, která se podobá odchylce zjiStěné korelací výsledků v případě katalyzátoru XIV.Catalyst XV was contacted for a long time at 316 °C with synthesis gas with a molar ratio of H 2 /CO 2:3 at a water dosing level together with synthesis gas of 0.25 mol HjO per 1 mol CO at a pressure of 5.4 MPa and with periodic oxidative regeneration of the catalyst. The behavior of the catalyst 18 hours after regeneration and after 30 days of contact is described in Table 5. The molar ratio of H^/CO in the gas leaving the reactor of 0.85 shows that the gas has been enriched with hydrogen. A comparison of the observed ratio of H 2 /CO in the gas leaving the reactor and the conversion in this experiment using catalyst XV shows a deviation from equilibrium that is similar to that found by correlation of the results in the case of catalyst XIV.
Tabulka 5Table 5
Produkty syntézy dimethyletheru 18 hodin po regeneraci za použití katalyzátoru XVDimethyl ether synthesis products 18 hours after regeneration using catalyst XV
Násada:Handle:
Molární poměr H2/CO 0,67Molar ratio H 2 /CO 0.67
Molární poměr H2O/CO 0,25Molar ratio H 2 O/CO 0.25
Reakční podmínky:Reaction conditions:
Doba provozu |dnyl 30,0Operating time |days 30.0
Teplota v reaktoru °C I 316Reactor temperature °C I 316
Tlak v reaktoru (MPaj 5,4Reactor pressure (MPaj 5.4
Hodinová prostorová rychlost plynu fh 1 200Hourly gas space velocity fh 1,200
Hodinová hmotnostní, prostorová rychlost Γ h 0,9 8Hourly mass, space velocity Γ h 0.9 8
Hmotnostně-objemová prostorová rychlost Ikg.l \h ^7 0,95Mass-volume space velocity Ikg.l \h ^7 0.95
Složení produktu z reaktoru hmot.Product composition from the reactor mass.
H2 H 2
CO dimethylether ch3oh ch2 ch2+ CO dimethyl ether ch 3 oh ch 2 ch 2+
Celková konverzeTotal conversion
Selektivita: D/(D+M) l%J Výtěžek vztažený fkg.l'1.h-11 Selectivity: D/(D+M) l%J Yield related to fkg.l' 1 .h -11
1,91.9
31.3 45,531.3 45.5
0,560.56
19.3 1,3 0,10 0,0419.3 1.3 0.10 0.04
58.358.3
0,195 na prostor a čas0.195 on space and time
Při posledním pokusu se pracovalo ve trubkovém reaktoru Fischer-Tropschovým postupem za použití katalyzátoru, který se skládal ze ztlačených práškovitých produktů Fe3O4 a gamma-aluminy ve hmotnostním poměru 1:10. Pracovalo se za těchto reakčních podmínek: molární poměr H2/CO v násadě 1:1, tlak (H2+CO) = 2,7 MPa, hmotnostní hodinová prostorová rychlost (vztažená na H2+CO a kov) 10,3 h_1, teplota 320 °C. Bylo dosaženo těchto výsledků: konverze H2+ CO = 89 %, složení uhlovodíkových produktů: methan 21 %, C2 až C4 uhlovodíky 37 % a C5+ uhlovodíky 42 %. Podobné výsledky by bylo možno očekávat, kdyby násada do reaktoru obsahovala syntézní plyn s molárním poměrem H2/CO = 1 a oxid uhličitý jako ředidlo, za předpokladu,žé by se parciální tlak (H2+CO) udržoval na podobné úrovni 2,7 MPa.In the last experiment, the Fischer-Tropsch process was used in a tubular reactor using a catalyst consisting of compressed powdered products of Fe 3 O 4 and gamma-alumina in a weight ratio of 1:10. The reaction conditions were as follows: molar ratio of H 2 /CO in the batch 1:1, pressure (H 2 +CO) = 2.7 MPa, mass hourly space velocity (relative to H 2 +CO and metal) 10.3 h _1 , temperature 320 °C. The following results were achieved: conversion of H 2 + CO = 89%, composition of hydrocarbon products: methane 21%, C 2 to C 4 hydrocarbons 37% and C 5+ hydrocarbons 42%. Similar results could be expected if the reactor feed contained synthesis gas with a molar ratio of H 2 /CO = 1 and carbon dioxide as a diluent, provided that the partial pressure (H 2 +CO) was maintained at a similar level of 2.7 MPa.
Regenerovaný nezreagovaný syntézní plyn opouštějící reakční systém pro výrobu dimethyletheru, pracující s katalyzátorem XIV popsaným shora, se může upravit tak, aby jeho molární poměr H2/CO byl rovný 1 nebo vyšší tím,že se do reaktoru pro výrobu dimethyletheru současně zavádí příslušné množství vody. Z grafu na obr. 4A lze odečíst, že množství vody uváděné na katalyzátor, které by mělo za následek, že se získá regenerovaný plyn o molárním poměru f^/CO rovném 1 by odpovídalo molárnímu poměru H^O/CO 0,31. V konkrétním případě dvoustupňového provozu podle tohoto vynálezu ilustrovaného na obr. 5 by katalyzátor XIV pracoval shora uvedeným způsobem za použiti vody v násadě v množství I^O/CO 0,31. Tím by se získal dimethyletherový produkt při asi 47 % konverzi syntézního plynu a regenerovaný proud syntézního plynu by měl molární poměr H^/CO asi 1, což je poměr vhodný pro násady použitelné při Fischer-Tropschově postupu.The regenerated unreacted synthesis gas leaving the dimethyl ether production reaction system operating with the catalyst XIV described above can be adjusted to have a H2 /CO molar ratio of 1 or higher by simultaneously introducing an appropriate amount of water into the dimethyl ether production reactor. It can be seen from the graph in Fig. 4A that the amount of water introduced onto the catalyst that would result in a regenerated gas having a H2/CO molar ratio of 1 would correspond to a H2O/CO molar ratio of 0.31. In the specific case of the two-stage operation according to the present invention illustrated in Fig. 5, the catalyst XIV would operate in the above manner using a feed water ratio of 0.31. This would yield a dimethyl ether product at about 47% synthesis gas conversion and the regenerated synthesis gas stream would have a molar ratio of H2/CO of about 1, which is a ratio suitable for feeds useful in the Fischer-Tropsch process.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS813339A CS264304B2 (en) | 1981-05-06 | 1981-05-06 | A method for producing dimethyl ether, optionally together with methanol |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS813339A CS264304B2 (en) | 1981-05-06 | 1981-05-06 | A method for producing dimethyl ether, optionally together with methanol |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CS333981A2 CS333981A2 (en) | 1988-08-16 |
| CS264304B2 true CS264304B2 (en) | 1989-07-12 |
Family
ID=5373146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CS813339A CS264304B2 (en) | 1981-05-06 | 1981-05-06 | A method for producing dimethyl ether, optionally together with methanol |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CS (1) | CS264304B2 (en) |
-
1981
- 1981-05-06 CS CS813339A patent/CS264304B2/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CS333981A2 (en) | 1988-08-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0020140B1 (en) | Conversion of synthesis gas to hydrocarbon mixtures utilizing dual reactors | |
| EP0020141B1 (en) | Conversion of synthesis gas to hydrocarbon mixtures utilizing dual reactors | |
| Inui | Highly effective conversion of carbon dioxide to valuable compounds on composite catalysts | |
| Dagle et al. | Syngas conversion to gasoline-range hydrocarbons over Pd/ZnO/Al2O3 and ZSM-5 composite catalyst system | |
| US4806699A (en) | Process for the production of aromatic hydrocarbons incorporating by-product utilization | |
| CA1196617A (en) | Catalyst composition, method for its production and its use in the production of hydrocarbons from synthesis gas | |
| US4423265A (en) | Process for snygas conversions to liquid hydrocarbon products | |
| EP2850045B1 (en) | Process for the preparation of methanol and methanol-derived products from carbon oxides | |
| US11660587B2 (en) | Catalysts and process for liquid hydrocarbon fuel production | |
| RU2562459C2 (en) | Method of producing light olefins from synthesis gas | |
| US4471145A (en) | Process for syngas conversions to liquid hydrocarbon products utilizing zeolite Beta | |
| AU2003295625B2 (en) | Process for the preparation of linear alpha-olefins from synthesis gas over a cobalt catalyst | |
| CS234042B2 (en) | Catalytic system for use during synthetic gas conversion into ether product | |
| WO2023039426A1 (en) | Production of liquefied petroleum gas (lpg) hydrocarbons from carbon dioxide-containing feeds | |
| JPH0581635B2 (en) | ||
| US20150065338A1 (en) | Novel catalysts and process for liquid hydrocarbon fuel production | |
| CN102516004A (en) | Method for preparing low-carbon olefin by taking biomass synthetic gas as raw material with dimethyl ether two-step method | |
| CA1175032A (en) | Catalyst and method for synthesis of dimethyl ether | |
| GB2097382A (en) | Conversion of syngas into dimethyl ether | |
| US6730708B2 (en) | Fischer-Tropsch processes and catalysts using aluminum borate supports | |
| KR102500247B1 (en) | Conversion of Oxygenates to Hydrocarbons by Variable Catalyst Compositions | |
| NZ202146A (en) | Production of oxygenated hydrocarbons from synthesis gas | |
| CA1254585A (en) | Conversion of syngas to dimethyl ether | |
| JPH0234931B2 (en) | ||
| Bäurle et al. | Conversion of syngas to aromatic hydrocarbons on cobalt-manganese-zeolite catalysts |