DE102014118966A1 - Plant, process and catalyst for the production of dimethyl ether - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage und das zugehörige Verfahren zur Herstellung von Dimethylether, mit einem Reaktor (30) zur Umsetzung eines Methanol enthaltenden Eduktgemisches zu einem Dimethylether und Wasser enthaltenden Produktgemisch an einem Katalysator bei Reaktionsbedingungen, mit wenigstens einer Regelungs- und/oder Steuereinheit (50) zur Regelung von Druck und/oder Temperatur innerhalb des Reaktors (30). Die wenigstens eine Regelungs- und/oder Steuereinheit (50) ist derart ausgestaltet, dass der Druck in dem Reaktor (30) niedriger ist als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei den Reaktionsbedingungen.The present invention relates to a plant and the associated process for the preparation of dimethyl ether, comprising a reactor (30) for reacting a methanol-containing starting material mixture to a dimethyl ether and water-containing product mixture over a catalyst under reaction conditions, with at least one control and / or control unit ( 50) for controlling pressure and / or temperature within the reactor (30). The at least one control and / or control unit (50) is designed such that the pressure in the reactor (30) is lower than the saturation partial vapor pressure of water under the reaction conditions.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Dimethylether, mit einem Reaktor zur Umsetzung eines Methanol enthaltenden Eduktgemisches zu einem Dimethylether und Wasser enthaltenden Produktgemisch an einem Katalysator bei Reaktionsbedingungen, mit wenigstens einer Regelungs- und/oder Steuerungseinheit zur Regelung von Druck und/oder Temperatur innerhalb des Reaktors. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie einen Katalysator zur Herstellung von Dimethylether.The present invention relates to a plant for the preparation of dimethyl ether, comprising a reactor for reacting a methanol-containing Eduktgemisches to a dimethyl ether and water-containing product mixture of a catalyst at reaction conditions, with at least one control and / or control unit for controlling pressure and / or temperature within the reactor. Furthermore, the invention relates to a method and a catalyst for the preparation of dimethyl ether.
Dimethylether (C2H6O, DME) ist ein Ether mit zwei Methylgruppen. Hochreiner Dimethylether findet Anwendung als Treibgas, da dieser im Gegensatz zu FCKW-Kohlenwasserstoffen die Ozonschicht nicht angreift. Aufgrund einer Cetanzahl von 55 bis 60 lässt sich Dimethylether auch in Dieselmotoren als Ersatz für konventionellen Kraftstoff verwenden. Dies ist deshalb von besonderem Interesse, weil Dimethylether aus Biomasse hergestellt werden kann.Dimethyl ether (C 2 H 6 O, DME) is an ether with two methyl groups. High-purity dimethyl ether is used as a propellant because, in contrast to CFC hydrocarbons, it does not attack the ozone layer. Due to a cetane number of 55 to 60, dimethyl ether can also be used in diesel engines as a replacement for conventional fuel. This is of particular interest because dimethyl ether can be made from biomass.
Die industrielle Herstellung von Dimethylether erfolgt durch säurekatalysierte Kondensation von Methanol unter Abspaltung von Wasser: The industrial production of dimethyl ether is carried out by acid-catalyzed condensation of methanol with elimination of water:
Bei diesem Verfahren wird üblicherweise Methanoldampf über einen mit Dehydratisierungskatalysator gefüllten Reaktor geleitet. Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind u. a. in
Die Kondensationsreaktion von Methanol zu Dimethylether ist eine exotherme Reaktion. Um eine ausreichende Umsetzung des Methanols zu Dimethylether zu erreichen und gleichzeitig zu hohe, die Anlage belastende und den Katalysator schädigende Temperaturen zu vermeiden, liegen typische Reaktionstemperaturen zwischen 250 bis 450 °C.The condensation reaction of methanol to dimethyl ether is an exothermic reaction. In order to achieve a sufficient conversion of the methanol to dimethyl ether and at the same time to avoid too high, the plant polluting and damaging the catalyst temperatures are typical reaction temperatures between 250 to 450 ° C.
Zur Katalyse der Kondensationsreaktion wird ein Katalysator mit ausreichender Acidität für die Katalysereaktion verwendet. Geeignete Katalysatoren sind Zeolithe und γ-Aluminiumoxid (γ-Al2O3).To catalyze the condensation reaction, a catalyst having sufficient acidity for the catalytic reaction is used. Suitable catalysts are zeolites and γ-alumina (γ-Al 2 O 3 ).
Zeolithe sind kristalline Alumosilikate, die in zahlreichen Modifikationen in der Natur vorkommen, aber auch synthetisch hergestellt werden. Die allgemeine Zusammensetzung der Zeolithe ist: Mn+ x/n[(AlO2)– x(SiO2)y]∙zH2O, wobei M ein Kation eines Alkali- oder Erdalkalimetalls ist.Zeolites are crystalline aluminosilicates that are found in many modifications in nature, but also produced synthetically. The general composition of the zeolites is: M n + x / n [(AlO 2) - x (SiO 2) y] ∙ zH 2 O, where M is a cation of an alkali or alkaline earth metal.
γ-Aluminiumoxid (γ-Al2O3) ist ein Oxid, welches durch vorsichtiges Erhitzen von γ-Al(OH)3 (Hydrargillit) oder γ-AlO(OH) (Böhmit) auf über 400 °C hergestellt werden kann. Die Struktur von γ-Al2O3 besteht aus einer von den O2– Ionen ausgebildeten kubisch dichtesten Packung, in welcher die Al3+ Ionen statistisch auf die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken verteilt sind. Das entspricht einer Art defekten Spinell-Struktur. γ-Alumina (γ-Al 2 O 3 ) is an oxide which can be prepared by careful heating of γ-Al (OH) 3 (hydrargillite) or γ-AlO (OH) (boehmite) to over 400 ° C. The structure of γ-Al 2 O 3 consists of a cubic closest packing formed by the O 2 ions in which the Al 3+ ions are statistically distributed over the octahedral and tetrahedral voids. This corresponds to a kind of defective spinel structure.
Die
Aus der
Aus der
Die Problematik der für die Herstellung von Dimethylether geeigneten Acidität des verwendeten Katalysators unter Ausnutzung der Desaktivierung der aktiven Zentren durch Wasser wird in der
Für den Einsatz von allen beschriebenen Katalysatorsystemen in Verfahren und Anlagen zur Herstellung von Dimethylether ist die erreichbare Standzeit von entscheidender Bedeutung. Je früher es zu einer Desaktivierung der katalytisch aktiven Zentren kommt, umso häufiger muss der Katalysator gewechselt oder regeneriert werden, was zu unerwünschten Ausfallzeiten in der Produktion führt. In der Industrie werden aber typischerweise Standzeiten von mindestens einem Jahr, bevorzugt 2–4 Jahre, besser >4 Jahre erwartet. For the use of all described catalyst systems in processes and plants for the production of dimethyl ether the achievable service life is of crucial importance. The sooner deactivation of the catalytically active centers occurs, the more frequently the catalyst has to be changed or regenerated, which leads to undesirable downtimes in the production. In the industry but typically lives of at least one year, preferably 2-4 years, better> 4 years are expected.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Standzeit eines für die Herstellung von Dimethylether verwendeten Katalysators verbessert werden kann. Gegenstand der Erfindung ist zudem auch ein Katalysator, der eine verbesserte Standzeit bei der Herstellung von Dimethylether zeigt. It is therefore an object of the present invention to provide a system and a method with which the service life of a catalyst used for the preparation of dimethyl ether can be improved. The invention also provides a catalyst which exhibits an improved service life in the production of dimethyl ether.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist ein Reaktor zur Umsetzung eines Methanol enthaltenden Eduktgemisches zu einem Dimethylether und Wasser enthaltenden Produktgemisch vorgesehen. Das Eduktgemisch besteht wenigstens teilweise aus Methanol, bevorzugt aus Methanol mit dem Reinheitsgrad A, besonders bevorzugt Reinheitsgrad AA. Die Umsetzung erfolgt bei Reaktionsbedingungen an einem Katalysator, der vorzugsweise in fester Form vorliegt. Weiterhin ist in der erfindungsgemäßen Anlage wenigstens eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit zur Regelung von Druck und/oder Temperatur innerhalb des Reaktors vorgesehen, wobei die wenigstens eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit derart ausgestaltet ist, dass der Druck in dem Reaktor niedriger ist als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei diesen Reaktionsbedingungen. This object is achieved with a system having the features of
Indem der herrschende Druck im Reaktor niedriger ist als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei diesen Reaktionsbedingungen wird eine Auskondensation von Wasser zuverlässig vermieden. Bevorzugt ist dabei der Druck 10 % geringer, besonders bevorzugt 20 % geringer als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei den herrschenden Reaktionsbedingungen. Durch die Vermeidung der Kondensation von Wasser an dem Katalysator kann gemäß der der Erfindung zugrunde liegenden Idee die Standzeit des Katalysators verlängert werden kann, da offensichtlich flüssiges Wasser die aktiven Zentren des Katalysators schädigt. By the prevailing pressure in the reactor is lower than the saturation partial vapor pressure of water under these reaction conditions, a condensation of water is reliably avoided. The pressure is preferably 10% lower, more preferably 20% lower than the saturation partial vapor pressure of water under the prevailing reaction conditions. By avoiding the condensation of water on the catalyst, according to the idea underlying the invention, the service life of the catalyst can be prolonged, since obviously liquid water damages the active centers of the catalyst.
Der Sättigungsdampfdruck eines Stoffes im Sinne der Erfindung entspricht demjenigen Druck, bei dem der flüssige bzw. feste und gasförmige Aggregatzustand des Stoffes im Gleichgewicht vorliegen. Es findet also weder eine Verdampfung, eine Sublimation oder eine Kondensation statt. Dieser Sättigungsdampfdruck ist sowohl von der Temperatur als auch von der Zusammensetzung des betrachteten Stoffes abhängig. Der Sättigungsdampfdruck einer Reinsubstanz bei gegebener Temperatur T kann aus der Clapeyronischen Gleichung hergeleitet werden: The saturation vapor pressure of a substance according to the invention corresponds to the pressure at which the liquid or solid and gaseous state of matter of the substance are in equilibrium. So there is no evaporation, sublimation or condensation. This saturation vapor pressure is dependent both on the temperature and on the composition of the substance under consideration. The saturation vapor pressure of a pure substance at a given temperature T can be deduced from the Clapeyron equation:
Handelt es sich dabei um ein Gemisch unterschiedlicher Substanzen ist weiterhin entscheidend, welche Anteile die Einzelsubstanzen am Stoffgemisch aufweisen. Im Hinblick auf gasförmige Gemische werden diese Anteile auch über den Partialdampfdruck der entsprechenden Einzelsubstanzen ausgedrückt. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, spricht die Erfindung vom Sättigungspartialdampfdruck, was den Einfluss der entsprechenden Anteile (Partialdrücke) der einzelnen Reinsubstanzen im Gemisch verdeutlicht.If it is a matter of a mixture of different substances, it is still decisive which proportions the individual substances have on the substance mixture. With regard to gaseous mixtures, these proportions are also expressed by the partial vapor pressure of the corresponding individual substances. To account for this fact, the invention speaks of the saturation partial vapor pressure, which illustrates the influence of the corresponding proportions (partial pressures) of the individual pure substances in the mixture.
Unter der Annahme, dass das Volumen des gasförmigen Stoffes wesentlich größer als das des flüssigen Stoffes ist, kann in guter Näherung die Volumenänderung beim Verdampfen durch das Volumen des Gases ersetzt werden. Für ein ideales Gas lässt sich weiterhin das Volumen nach der allgemeinen Gasgleichung berechnen. Unter Berücksichtigung dieser beiden Nährungen erhält man die sogenannte Clausius-Clapeyronische Gleichung: Assuming that the volume of the gaseous substance is substantially greater than that of the liquid substance, the volume change on evaporation can be replaced to a good approximation by the volume of the gas. For an ideal gas, the volume can still be calculated according to the general gas equation. Taking into account these two formulations, one obtains the so-called Clausius-Clapeyron equation:
Nimmt man weiterhin an, dass die Verdampfungsenthalpie ΔHv nicht von der Temperatur abhängt, so kann die Clausius-Clapeyronische Gleichung integriert werden: wobei p' der Dampfdruck des Reinstoffs bei der Temperatur T' ist. Wird nun der Dampfdruck p' durch den Partialdruck der entsprechenden Substanz eines Gemisches ersetzt, so erlaubt die obige Gleichung eine Ermittlung des Sättigungspartialdampfdruckes des entsprechenden Stoffes bei gegebener Zusammensetzung und Temperatur.Assuming further that the enthalpy of vaporization ΔH v does not depend on the temperature, the Clausius-Clapeyron equation can be integrated: where p 'is the vapor pressure of the pure substance at the temperature T'. If now the vapor pressure p 'is replaced by the partial pressure of the corresponding substance of a mixture, the above equation allows a determination of the saturation partial vapor pressure of the corresponding substance at a given composition and temperature.
Dementsprechend können die einzustellenden Reaktionsbedingungen, nämlich Temperatur, Druck und Zusammensetzung in erster Näherung durch die Formel III auch für nicht-ideale (real vorkommende) Systeme berechnet oder abgeschätzt werden.Accordingly, the reaction conditions to be set, namely temperature, pressure and composition can be calculated or estimated in a first approximation by the formula III also for non-ideal (actually occurring) systems.
Aufgrund des wechselseitigen Einflusses der einzelnen Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur und Zusammensetzung) ist es erfindungsgemäß möglich, einen Teil der Reaktionsbedingungen vorzugeben und die übrigen Reaktionsbedingungen zu regeln, so dass bei vorgegebener Temperatur der Druck in dem Reaktor niedriger ist als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei den Reaktionsbedingungen. Es kann also ein geeigneter Druck gesteuert und die Temperatur im Reaktor geregelt werden. Genauso kann die Temperatur gesteuert und der Druck im Reaktor derart geregelt werden, dass der Druck in dem Reaktor niedriger ist als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei den Reaktionsbedingungen. Eine Regelung des Druckes ist dynamischer und daher die bevorzugte Ausführungsvariante.Due to the mutual influence of the individual reaction conditions (pressure, temperature and composition), it is possible according to the invention to specify part of the reaction conditions and to regulate the other reaction conditions, so that at a given temperature, the pressure in the reactor is lower than the saturation partial vapor pressure of water in the reaction conditions. So it can be controlled a suitable pressure and the temperature can be controlled in the reactor. Likewise, the temperature can be controlled and the pressure in the reactor controlled such that the pressure in the reactor is lower than the saturation partial vapor pressure of water at the reaction conditions. A regulation of the pressure is more dynamic and therefore the preferred embodiment.
Aufgrund der beschriebenen Kopplung der einzelnen Reaktionsbedingungen, wobei die im Reaktor herrschende Zusammensetzung im Wesentlichen von Druck und Temperatur bestimmt wird, ist die erfindungsgemäße Regelungseinheit zur Regelung von Druck und/oder Temperatur innerhalb des Reaktors ausgestaltet. Because of the described coupling of the individual reaction conditions, wherein the composition prevailing in the reactor is essentially determined by pressure and temperature, the control unit according to the invention is designed to regulate pressure and / or temperature within the reactor.
Bevorzugte Katalysatoren für die erfindungsgemäße Anlage enthalten γ-Aluminiumoxid, da dieses gute Umsätze und Selektivitäten hinsichtlich des Zielproduktes Dimethylether zeigt. Der schädigende Einfluss von flüssigem Wasser auf einen γ-Aluminiumoxid enthaltenden Katalysator äußert sich darin, dass es zu einer Umwandlung von katalytisch aktiven γ-Aluminiumoxid zu katalytisch inaktiven Böhmit (AlO(OH)) kommt. Die erfindungsgemäße Anlage kann diese strukturelle Umwandlung verhindern oder zumindest verzögern.Preferred catalysts for the system according to the invention contain γ-aluminum oxide, since this shows good conversions and selectivities with respect to the target product dimethyl ether. The damaging effect of liquid water on a γ-alumina-containing catalyst manifests itself in the fact that there is a conversion of catalytically active γ-alumina to catalytically inactive boehmite (AlO (OH)). The system according to the invention can prevent or at least delay this structural transformation.
Es hat sich weiterhin als günstig herausgestellt, wenn der Reaktor als Festbettreaktor ausgestaltet ist. So kann ein gleichmäßiges Durchströmen des Katalysators sichergestellt werden.It has also proven to be favorable when the reactor is designed as a fixed bed reactor. Thus, a uniform flow through the catalyst can be ensured.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Anlage einen Reaktor mit mindestens einer Katalysatorschüttung auf. The plant according to the invention preferably has a reactor with at least one catalyst bed.
In einer alternativen technischen Ausgestaltung ist der Reaktor als Hordenreaktor mit wenigstens zwei Horden mit je separatem Ein- und Auslass ausgestaltet. Die unterschiedlichen Horden erlauben eine schrittweise Umsetzung des Eduktgemisches zu dem Produktgemisch und erlauben eine hohe Konversion von Methanol bei geringer Bildung von Nebenprodukten um absolut gesehen hohe Ausbeuten an Dimethylether zu erreichen.. (Höhere Reaktionstemperaturen führen zwar zu einer schnelleren Umsetzung, gleichzeitig sinkt aber der erreichbare Umsatz aufgrund der beschriebenen Limitierung, da die Reaktion exotherm ist. Zudem bilden sich bei höheren Temperaturen mehr Nebenprodukte wie Methan oder Kohlenoxide, so dass sich ein optimales Temperaturfenster für höchste DME-Ausbeuten ergibt.)In an alternative embodiment, the reactor is designed as a tray reactor with at least two trays, each with a separate inlet and outlet. The different hordes allow a stepwise reaction of the reactant mixture to the product mixture and allow a high conversion of methanol with low formation of by-products to achieve in absolute terms high yields of dimethyl ether .. (Higher reaction temperatures lead to a faster implementation, but at the same time decreases the achievable Turnover due to the limitation described as the reaction is exothermic and more by-products form at higher temperatures, such as methane or carbon oxides, resulting in an optimal temperature window for highest DME yields.)
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn am jeweiligen Auslass des Reaktors oder bei einer Ausgestaltung als Hordenreaktor am Auslass jeder Horde eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit angeordnet ist, so dass der Druck in dem Reaktor an der entsprechenden Horde niedriger ist als der Sättigungspartialdampfdruck des Wassers bei den Reaktionsbedingungen an der entsprechenden Horde. Dies verhindert ein lokales Auskondensieren von Wasser und damit eine lokale Schädigung des Katalysators.It is particularly preferred if at the respective outlet of the reactor or in a design as a tray reactor at the outlet of each tray a control and / or control unit is arranged so that the pressure in the reactor at the corresponding Horde is lower than the saturation partial vapor pressure of the water at the reaction conditions at the corresponding horde. This prevents local condensation of water and thus local damage to the catalyst.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Katalysator zur Herstellung von Dimethylether aus einem Methanol enthaltendem Eduktgemisch gemäß Anspruch 5. Der erfindungsgemäße Katalysator enthält wenigstens 90 Gew.-% γ-Aluminiumoxid und zwischen 0,1 und 10, bevorzugt 0,2 und 5 Gew.-% Kohlenstoff.The invention further relates to a catalyst for the preparation of dimethyl ether from a methanol-containing educt mixture according to claim 5. The catalyst according to the invention contains at least 90% by weight of γ-aluminum oxide and between 0.1 and 10, preferably 0.2 and 5% by weight. Carbon.
Es wurde festgestellt, dass sich die Standzeit des verwendeten Katalysators durch den erfindungsgemäßen Anteil an Kohlenstoff erheblich verbessert. Insbesondere wird eine Umwandlung des aktiven γ-Aluminiumoxids zu inaktiven Böhmit (AlO(OH)) verhindert oder zumindest verlangsamt. Bevorzugt stabilisiert ein Kohlenstoffanteil zwischen 0,1 und 10, bevorzugt 0,2 und 5 Gew.-% das aktive γ-Aluminiumoxid und verlangsamt bzw. verhindert sogar eine Umwandlung zu dem inaktiven Böhmit.It has been found that the service life of the catalyst used is significantly improved by the proportion of carbon according to the invention. In particular, a conversion of the active γ-aluminum oxide to inactive boehmite (AlO (OH)) is prevented or at least slowed down. Preferably, a carbon content between 0.1 and 10, preferably 0.2 and 5 wt .-% stabilizes the active γ-alumina and slows or even prevents a conversion to the inactive boehmite.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Katalysators wird dieser vor seiner Verwendung bei der Herstellung von Dimethylether wenigstens 24 Stunden, bevorzugt wenigstens 48 Stunden und besonders bevorzugt wenigstens 100 Stunden auf eine Temperatur zwischen 120 und 300 °C, bevorzugt einer Temperatur oberhalb von 180 °C und unter Ausschluss von kondensierendem Wasser erhitzt. Dies führt ebenso zu einer Verfestigung des Anteils an γ-Aluminiumoxid, wodurch die Standzeit des Katalysators erheblich verlängert wird. In a preferred embodiment of the catalyst according to the invention before use in the production of dimethyl ether for at least 24 hours, preferably at least 48 hours and more preferably at least 100 hours to a temperature between 120 and 300 ° C, preferably a temperature above 180 ° C and heated with the exclusion of condensing water. This also leads to a solidification of the proportion of γ-alumina, whereby the service life of the catalyst is considerably extended.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Dimethylether mit den Merkmalen des Anspruchs 7.The invention further relates to a process for the preparation of dimethyl ether having the features of claim 7.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Methanol enthaltendes Eduktgemisch in einem Reaktor an einem Katalysator bei Reaktionsbedingungen zu einem Dimethylether und Wasser enthaltenden Produktgemisch umgesetzt, wobei Druck und/oder Temperatur in dem Reaktor derart geregelt und/oder gesteuert werden, dass der Druck niedriger ist, als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei den Reaktionsbedingungen. In the process of the invention, a methanol-containing reactant mixture is reacted in a reactor on a catalyst under reaction conditions to a dimethyl ether and water-containing product mixture, wherein pressure and / or temperature in the reactor are controlled and / or controlled so that the pressure is lower than that Saturation partial vapor pressure of water under the reaction conditions.
Dadurch wird eine Kondensation des Wassers in dem Reaktor verhindert. Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen Teil der Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur und Zusammensetzung) im Reaktor vorzugeben (zu steuern) und die übrigen Reaktionsbedingungen derart anzupassen (zu regeln), sodass der Druck niedriger ist als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei den Reaktionsbedingungen.This prevents condensation of the water in the reactor. Also in the process of the invention, it is possible to prescribe (control) part of the reaction conditions (pressure, temperature and composition) in the reactor and to adjust the other reaction conditions so that the pressure is lower than the saturation partial vapor pressure of water in the reaction conditions.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum An- oder Abfahren einer Anlage zur Herstellung von Dimethylether mit den Merkmalen des Anspruchs 8.The invention further relates to a method for starting or stopping a plant for the production of dimethyl ether with the features of claim 8.
Üblicherweise werden Anlagen zur Herstellung von Dimethylether angefahren, indem ein Medium mit Reaktionstemperatur durch die Anlage geführt wird. Günstig ist hier aufgrund der niedrigen Bereitstellungskosten die Verwendung von Wasserdampf. Gleiches gilt auch für das Abkühlen.Usually plants for the production of dimethyl ether are started by a medium with reaction temperature is passed through the plant. Favorable here is the use of water vapor due to the low deployment costs. The same applies to cooling.
Erfindungsgemäß wird Wasserdampf zum Aufheizen oder Abkühlen bei einem Druck und einer Temperatur durch den Reaktor mit Katalysator geführt, wobei der Druck und/oder die Temperatur in dem Reaktor derart geregelt und/oder gesteuert wird, dass der Druck niedriger ist als der Sättigungspartialdampfdruck von Wasser bei diesem Druck und dieser Temperatur. So wird eine Schädigung des Katalysators zuverlässig vermieden.According to the invention, water vapor is passed through a reactor and catalyst for heating or cooling at a pressure and a temperature, the pressure and / or temperature in the reactor being controlled and / or controlled such that the pressure is lower than the saturation partial vapor pressure of water this pressure and temperature. This reliably prevents damage to the catalyst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat sich als günstig herausgestellt, dass die Temperatur im Reaktor zwischen 180 und 320 °C, bevorzugt 220 bis 280 ° C liegt. In diesem Bereich werden hohe Umsatzraten erzielt, ohne dass lokal Temperaturen erreicht werden, die zu einer vermehrten Bildung von Nebenprodukten wie Methan oder Kohlenoxiden oder sogar zu einer Schädigung des Katalysators führen könnten.In the method according to the invention has been found to be favorable that the temperature in the reactor between 180 and 320 ° C, preferably 220 to 280 ° C. In this area, high conversion rates are achieved without locally reaching temperatures that could lead to increased formation of by-products such as methane or carbon oxides or even damage to the catalyst.
Bevorzugt liegt der Druck im Reaktor zwischen 5 und 35 bar, besonders bevorzugt zwischen 10 und 20 bar. The pressure in the reactor is preferably between 5 and 35 bar, more preferably between 10 and 20 bar.
Um die Kondensation von Wasser auf dem Katalysator erfindungsgemäß zu verhindern, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung der Druck am Austritt oder die Temperatur am Eintritt geregelt, so dass sich eine Kombination ergibt, die in jeder Zone des Reaktors ein Auskondensieren zu verhindern. Die Temperatur selbst steigt dann im Reaktor oder in der jeweiligen Horde gemäß der adiabaten Temperaturerhöhung und dem pro Reaktor oder pro Horde erreichten Umsatz an. Gleichzeitig steigt durch den Umsatz auch der Wasserpartialdruck beim Durchgang durch den Reaktor an. Die Eintrittstemperatur wird dabei so niedrig gewählt, dass der Katalysator noch eine ausreichende Aktivität zur Umsetzung des Methanols da ist, aber gleichzeitig eine hohe Selektivität zur Bildung von DME und eine niedrige Selektivität zur Bildung von unerwünschten Nebenprodukten wie Methan oder Kohlenoxiden unterdrückt wird und eben beim vorgegebenen Druck der Sättigungspartialdruck von Wasser in keinem Fall überschritten wird. In order to prevent the condensation of water on the catalyst according to the invention, in a preferred embodiment the pressure at the outlet or the temperature at the inlet is regulated so that a combination results which prevents condensation in each zone of the reactor. The temperature itself then increases in the reactor or in the respective horde in accordance with the adiabatic temperature increase and the conversion achieved per reactor or per horde. At the same time, the turnover also increases the water partial pressure during passage through the reactor. The inlet temperature is chosen so low that the catalyst is still there sufficient activity for the implementation of the methanol, but at the same time a high selectivity for the formation of DME and low selectivity for the formation of undesirable by-products such as methane or carbon oxides is suppressed and just the given Pressure of the saturation partial pressure of water is never exceeded.
Es ist günstig, das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Katalysator durchzuführen, der wenigstens 90 Gew.-% an γ-Aluminiumoxid enthält, da bei diesem Katalysator durch Auskondensation von Wasser eine besonders starke Desaktivierung erfolgt, die durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert werden kann.It is favorable to carry out the process according to the invention with a catalyst which contains at least 90% by weight of γ-aluminum oxide, since a particularly strong deactivation takes place in this catalyst by condensation of water, which can be prevented by the process according to the invention.
Bevorzugt wird das Verfahren mit einem γ-Aluminiumoxid-Katalysator durchgeführt, der zwischen 0,1 und 10, bevorzugt 0,2 und 5 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Erfindungsgemäß erhöht der Kohlenstoffanteil die Standzeit des Katalysators. Preferably, the process is carried out with a γ-alumina catalyst containing between 0.1 and 10, preferably 0.2 and 5 wt .-% carbon. According to the invention, the carbon content increases the service life of the catalyst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Vorbehandlung des Katalysators vorgesehen, in welcher der Katalysator vor der Verwendung des Katalysators wenigstens 24 Stunden, bevorzugt wenigstens 48 Stunden und besonders bevorzugt wenigstens 100 Stunden auf eine Temperatur zwischen 120 °C und 300 °C, bevorzugt 180 und 300 °C erhitzt wurde. Auch diese Vorbehandlung erhöht die Standzeit des Katalysators und verhindert oder zumindest verlangsamt die Umwandlung des aktiven γ-Aluminiumoxids zu dem inaktiven Böhmit.In a preferred embodiment of the process according to the invention, a pretreatment of the catalyst is provided in which the catalyst prior to use of the catalyst at least 24 hours, preferably at least 48 hours and more preferably at least 100 hours to a temperature between 120 ° C and 300 ° C, preferred 180 and 300 ° C was heated. Also, this pre-treatment increases the service life of the catalyst and prevents or at least slows down the conversion of the active γ-alumina to the inactive boehmite.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Further developments, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and the drawings. All described features alone or in any combination form the subject matter of the invention, also independent of their summary in the claims or their dependency.
Es zeigt:It shows:
Über Leitung
Das vorgereinigte Methanol wird aus dem Sumpf der Kolonne
Von dem vorgereinigten Methanol in Leitung
Mittels Leitung
Der in dem Kreuzwärmetauscher
Das so entstandene Produktgemisch wird mit Leitung
Die Regelungs- und/oder Steuereinheit
Diese Regelung bzw. Steuerung verhindert ein Auskondensieren von Wasser, sowohl während der Herstellung von Dimethylether als auch während des Anoder Abfahrens der Anlage, insbesondere des Reaktors. Dadurch wird eine Schädigung des verwendeten Katalysators verhindert oder zumindest verlangsamt und damit die Standzeit des Katalysators erhöht. This regulation or control prevents water from condensing out, both during the production of dimethyl ether and during the startup or shutdown of the plant, in particular of the reactor. As a result, damage to the catalyst used is prevented or at least slowed down and thus increases the service life of the catalyst.
Aus dem über Kopf der DME-Kolonne
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Der Einfluss des Phasenzustandes von Alumina bzw. Aluminiumoxid auf die Katalysatoraktivität ist in Tabelle 1 und der zugehörigen
Es wird deutlich, dass Böhmit eine sehr viel geringere Katalysatoraktivität als – γ-Alumina zeigt. It is clear that boehmite shows a much lower catalytic activity than - γ-alumina.
Beispiel 2Example 2
In Beispiel 2 werden die Bedingungen, die die Phasenumwandlung von γ-Alumina zu Böhmit begünstigen, untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2: Katalysatorzusammensetzung in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen
Es bestätigt sich, dass in Gegenwart von flüssigem Wasser offensichtlich eine Phasenumwandlung von γ-Alumina zu Böhmit erfolgt, während reiner Wasserdampf diesen Effekt nicht zeigt. Um die Katalysator Aktivität nicht zu beeinträchtigen, müssen also die Bedingungen so gewählt werden, dass der Taupunkt nicht unterschritten wird.It is confirmed that, in the presence of liquid water, a phase transformation of γ-alumina to boehmite apparently occurs, whereas pure water vapor does not show this effect. To the catalyst Activity must not be affected, so the conditions must be selected so that the dew point is not exceeded.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Leitung management
- 22
- MeOH-Vorreinigung MeOH pre-cleaning
- 3, 43, 4
- Leitung management
- 55
- Wärmetauscher heat exchangers
- 6, 76, 7
- Leitung management
- 88th
- Wärmetauscher heat exchangers
- 9–179-17
- Leitung management
- 2020
- Wäscher washer
- 21–2421-24
- Leitung management
- 2525
- Wärmetauscher heat exchangers
- 2626
- Leitung management
- 2727
- Kreuzwärmetauscher Cross heat exchanger
- 2828
- Leitung management
- 2929
- Verdichter compressor
- 29a29a
- Pumpe pump
- 29b29b
- Verdampfer Evaporator
- 3030
- DME-Reaktor DME reactor
- 31–3331-33
- Leitung management
- 4040
- DME-Reinigungseinrichtung DME-cleaning device
- 4141
- Leitung management
- 4242
- Wärmetauscher heat exchangers
- 43–4743-47
- Leitung management
- 4848
- Wärmetauscher heat exchangers
- 4949
- Leitung management
- 5050
- Regelungs- und/oder Steuereinheit Control and / or control unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6740783 B1 [0009] US 6740783 B1 [0009]
- US 20050038129 A1 [0010] US 20050038129 A1 [0010]
- KR 100966706 B [0011] KR 100966706 B [0011]
- US 2009/0023958 A1 [0012] US 2009/0023958 A1 [0012]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- "Ullmanns Encyclopedia of Chemistry", 6th edition, 1998 [0004] "Ullmann's Encyclopedia of Chemistry", 6th edition, 1998 [0004]
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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