DE102019213497A1 - Process for the production of aldehydes and / or alcohols - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aldehyden und/oder Alkoholen durch katalytische Umsetzung (12) von Synthesegas (11) zu einem ersten Gemisch enthaltend Alkene und Alkane, wobei in diesem Gemisch enthaltene Alkene in mindestens einem nachfolgenden Schritt durch Hydroformylierung (21) zu den entsprechenden Alkoholen umgesetzt werden, wobei erfindungsgemäß das erste nach der katalytischen Umsetzung (12) erhaltene Gemisch neben Alkenen und Alkanen wenigstens einen Alkohol mit zwei bis vier C-Atomen enthält, welcher danach durch Abtrennung (24) und/oder Aufreinigung (19) als isoliertes Produkt gewonnen wird. Anders als im Stand der Technik werden erfindungsgemäß bereits bei der katalytischen Umsetzung von Synthesegas, das heißt bereits in diesem ersten Schritt nicht nur Alkene, sondern auch Alkohole mit zwei bis vier C-Atomen erzeugt. Damit wird die Ausbeute an diesen Alkoholen in dem mindestens zwei Syntheseschritte umfassenden Verfahren insgesamt erhöht. Die Alkohole, welche durch Umsetzung des Synthesegases im ersten Schritt gebildet werden können je nach Verfahrensvariante beispielsweise bereits vor der Hydroformylierung (21) von den Alkenen abgetrennt werden.The present invention relates to a process for the preparation of aldehydes and / or alcohols by catalytic conversion (12) of synthesis gas (11) to a first mixture containing alkenes and alkanes, alkenes contained in this mixture in at least one subsequent step by hydroformylation (21) are converted to the corresponding alcohols, wherein according to the invention the first mixture obtained after the catalytic conversion (12) contains, in addition to alkenes and alkanes, at least one alcohol with two to four carbon atoms, which is then separated off (24) and / or purified (19) is obtained as an isolated product. In contrast to the prior art, according to the invention, not only alkenes but also alcohols with two to four carbon atoms are produced as early as the catalytic conversion of synthesis gas, that is to say in this first step. This increases the overall yield of these alcohols in the process comprising at least two synthesis steps. The alcohols which are formed by reaction of the synthesis gas in the first step can, depending on the process variant, be separated from the alkenes, for example, before the hydroformylation (21).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aldehyden und/oder Alkoholen durch katalytische Umsetzung von Synthesegas zu einem ersten Gemisch enthaltend Alkene und Alkohole, wobei in diesem Gemisch enthaltene Alkene in mindestens einem nachfolgenden Schritt durch Hydroformylierung zu den entsprechenden Aldehyden oder Alkoholen umgesetzt werden.The present invention relates to a process for the preparation of aldehydes and / or alcohols by catalytic conversion of synthesis gas to a first mixture containing alkenes and alcohols, alkenes contained in this mixture being converted to the corresponding aldehydes or alcohols in at least one subsequent step by hydroformylation.
Stand der TechnikState of the art
Die Hydroformylierung von Alkenen zu den entsprechenden Aldehyden und/oder Alkoholen ist eine bekannte Reaktion zur Darstellung von Aldehyden und Alkoholen und wird industriell beispielsweise für die Herstellung von Propanal und Propanol aus Ethen und für die Herstellung von Butyraldehyd und 1-Butanol aus Propen angewendet.The hydroformylation of alkenes to the corresponding aldehydes and / or alcohols is a known reaction for the preparation of aldehydes and alcohols and is used industrially, for example for the production of propanal and propanol from ethene and for the production of butyraldehyde and 1-butanol from propene.
Die selektive Hydroformylierung aliphatischer Alkene zu linearen Aldehyden ist eine der bedeutendsten homogenkatalytischen Reaktionen in der Industrie. Mehr als 8 Millionen Tonnen verschiedener Aldehyde und Alkohole werden jährlich über diesen Weg hergestellt. Die Hydroformylierung von Propen ist zum Beispiel wichtig zur Produktion von 1-Butanal welches als Startmaterial für 2-Ethylhexanol dient, dem zurzeit bedeutsamsten Weichmacheralkohol.The selective hydroformylation of aliphatic alkenes to linear aldehydes is one of the most important homogeneous catalytic reactions in industry. More than 8 million tons of various aldehydes and alcohols are produced in this way every year. The hydroformylation of propene, for example, is important for the production of 1-butanal, which serves as the starting material for 2-ethylhexanol, currently the most important plasticizer alcohol.
Die Hydroformylierung kann sowohl in der Gasphase an heterogenen Katalysatoren als auch in der Flüssigphase bevorzugt mit homogenen Katalysatoren durchgeführt werden. Es existieren unterschiedliche Verfahren für die Hydroformylierung, die sich unter anderem in der Wahl des Katalysatorrecyclings unterscheiden.The hydroformylation can be carried out both in the gas phase over heterogeneous catalysts and in the liquid phase, preferably with homogeneous catalysts. There are different processes for hydroformylation, which differ, among other things, in the choice of catalyst recycling.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Aldehyden und/oder Alkoholen, insbesondere mit zwei bis fünf C-Atomen durch katalytische Umsetzung von Synthesegas zur Verfügung zu stellen, bei dem die Alkohole bzw. Aldehyde in höherer Ausbeute entstehen.The object of the present invention is to provide an improved process for the preparation of aldehydes and / or alcohols, in particular with two to five carbon atoms, by catalytic conversion of synthesis gas, in which the alcohols or aldehydes are formed in higher yield.
Ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem das komplexe erste Produktgemisch aus der katalytischen Umsetzung des Synthesegases, bestehend aus Alkoholen, Alkenen und Alkanen gezielt und effektiver in Folgeprodukte umgewandelt werden kann, um so ein hochwertiges Produkt/hochwertige Produkte für den Kraftstoffmarkt und/oder die Chemieindustrie herzustellen. Ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der vorgenannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem die Aufreinigung des komplexen Produktgemisches erleichtert wird.Another concern of the present invention is to provide a method in which the complex first product mixture from the catalytic conversion of the synthesis gas, consisting of alcohols, alkenes and alkanes, can be converted into secondary products in a targeted and more effective manner, in order to produce a high-quality product / high-quality products for the fuel market and / or the chemical industry. Another concern of the present invention is to provide a method of the aforementioned type in which the purification of the complex product mixture is facilitated.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert ein Verfahren zur Herstellung von Alkenen der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The solution to the aforementioned object is provided by a method for producing alkenes of the type mentioned at the beginning with the features of claim 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste nach der katalytischen Umsetzung erhaltene Gemisch neben Alkenen und Alkanen wenigstens einen Alkohol mit zwei bis vier C-Atomen enthält, welcher danach durch Abtrennung und/oder Aufreinigung als isoliertes Produkt gewonnen wird.According to the invention it is provided that the first mixture obtained after the catalytic conversion contains, besides alkenes and alkanes, at least one alcohol with two to four carbon atoms, which is then obtained as an isolated product by separation and / or purification.
Anders als im Stand der Technik werden erfindungsgemäß bereits bei der katalytischen Umsetzung von Synthesegas, das heißt bereits in diesem ersten Schritt nicht nur Alkene, sondern auch Alkohole mit zwei bis vier C-Atomen erzeugt. Durch die anschließende Umsetzung der Alkene in der Hydroformylierung wird die Ausbeute an Alkoholen in dem mindestens zwei Syntheseschritte umfassenden Verfahren insgesamt erhöht beziehungsweise wird das Produktspektrum um Aldehyde erweitert und die Gesamtausbeute an Alkoholen und Aldehyden erhöht. Diese Alkohole können je nach Verfahrensvariante beispielsweise bereits vor der Hydroformylierung von den Alkenen abgetrennt werden.In contrast to the prior art, according to the invention, not only alkenes but also alcohols with two to four carbon atoms are produced as early as the catalytic conversion of synthesis gas, that is to say in this first step. The subsequent conversion of the alkenes in the hydroformylation increases the overall yield of alcohols in the process comprising at least two synthesis steps, or the range of products is expanded to include aldehydes and the overall yield of alcohols and aldehydes is increased. Depending on the process variant, these alcohols can, for example, be separated off from the alkenes even before the hydroformylation.
Die bei der Hydroformylierung zunächst entstehenden Aldehyde können in einem nachfolgenden Schritt zu Alkoholen hydriert werden. Bei der Hydroformylierung werden zunächst Aldehyde gebildet. Die Bildung der Alkohole kann entweder bereits während der Hydroformylierung geschehen oder nachgelagert.The aldehydes initially formed in the hydroformylation can be hydrogenated to alcohols in a subsequent step. In the hydroformylation, aldehydes are initially formed. The alcohols can be formed either during the hydroformylation or afterwards.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden Katalysatoren und Prozessvarianten zur katalytischen Synthese von höheren Alkoholen aus Synthesegasen entwickelt. Dabei kann beispielsweise die Umsetzung von Synthesegas erfolgen, welches durch Reinigung und Konditionierung von Hüttengasen bereitgestellt wird. Die nachfolgend beschriebene Erfindung lässt sich aber ausdrücklich auch auf andere Synthesegasquellen anwenden.In the context of the present invention, catalysts and process variants for the catalytic synthesis of higher alcohols from synthesis gases were developed. Here, for example, synthesis gas can be converted, which is provided by cleaning and conditioning steel mill gases. However, the invention described below can expressly also be applied to other synthesis gas sources.
Die Synthese höherer Alkohole aus Synthesegas umfasst gemäß der vorliegenden Erfindung zunächst die Bereitstellung des Synthesegases, die katalytische Synthese der höheren Alkohole aus diesem Synthesegas (unter „höheren Alkoholen“ werden hierin Alkohole mit wenigstens zwei C-Atomen verstanden) und die Aufreinigung bzw. Auftrennung des Produktgemisches. Die Bereitstellung des Synthesegases umfasst gegebenenfalls neben der Darstellung des Synthesegases auch die Reinigung und die Konditionierung des Synthesegases. Als Feed für die Bereitstellung des Synthesegases können sowohl fossile Brennstoffe, wie Erdgas, Kohle aber auch CO- und CO2-reiche Gase beispielweise aus Stahl- oder Zementwerken und Wasserstoff verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, das eingesetzte Synthesegas aus Biomasse zu gewinnen. Der Wasserstoff wird bevorzugt mittels erneuerbarer Energien und/oder mit geringem CO2-Footprint hergestellt, beispielsweise mittels Wasserelektrolyse oder Methanpyrolyse.According to the present invention, the synthesis of higher alcohols from synthesis gas initially comprises the provision of the synthesis gas, the catalytic synthesis of the higher alcohols from this synthesis gas (“higher alcohols” are understood here to mean alcohols with at least two carbon atoms) and the purification or separation of the Product mixture. The provision of the synthesis gas may also include the cleaning and conditioning of the synthesis gas in addition to the preparation of the synthesis gas. Both fossil fuels, such as natural gas, coal, but also gases rich in CO and CO 2, for example from steel or cement works, and hydrogen can be used as feed for the provision of the synthesis gas. It is also possible to obtain the synthesis gas used from biomass. The hydrogen is preferably produced by means of renewable energies and / or with a low CO 2 footprint, for example by means of water electrolysis or methane pyrolysis.
Die katalytische Synthese der höheren Alkohole aus Synthesegas kann erfindungsgemäß beispielsweise bei Reaktionstemperaturen von 200 °C bis 360 °C durchgeführt werden, bevorzugt bei Temperaturen von 220 °C bis 340 °C, weiter bevorzugt bei 240 °C bis 320 °C, insbesondere bei 260 °C bis 300 °C, beispielsweise bei etwa 280 °C. Außerdem kann diese Reaktion zum Beispiel bei einem Reaktionsdruck von 10 bar bis 110 bar, insbesondere bei 30 bar bis 90 bar, bevorzugt bei 50 bar bis 70 bar, beispielsweise bei etwa 60 bar durchgeführt werden. Das erhaltene Produktgemisch aus nicht umgesetzten Synthesegas, Alkoholen, Alkenen und Alkanen kann auf niedrigere Temperaturen von beispielsweise 150 °C oder weniger, insbesondere auf unter 130 °C, bevorzugt auf unter 110 °C oder auf noch niedrigere Temperaturen von weniger als 80 °C, beispielsweise etwa 40 °C bis 20 °C, insbesondere auf etwa 30 °C abgekühlt und in eine Gas- und eine Flüssigphase aufgetrennt werden. Die Gasphase enthält überwiegend das nicht umgesetzte Synthesegas sowie eventuell vorhandene inerte Komponenten (z.B. Stickstoff) und das als Nebenprodukt gebildete Methan. Die Gasphase wird üblicherweise in die Synthese der höheren Alkohole zurückgeführt. Gegebenenfalls ist zusätzliche eine Aufreinigung bzw. Konditionierung der Gasphase, wie beispielsweise die Umsetzung des als Nebenprodukt gebildeten Methans zu Synthesegas vorgesehen.The catalytic synthesis of the higher alcohols from synthesis gas can be carried out according to the invention, for example, at reaction temperatures from 200 ° C to 360 ° C, preferably at temperatures from 220 ° C to 340 ° C, more preferably at 240 ° C to 320 ° C, in particular at 260 ° C to 300 ° C, for example at about 280 ° C. In addition, this reaction can be carried out, for example, at a reaction pressure of 10 bar to 110 bar, in particular at 30 bar to 90 bar, preferably at 50 bar to 70 bar, for example at about 60 bar. The product mixture obtained from unconverted synthesis gas, alcohols, alkenes and alkanes can be heated to lower temperatures of, for example, 150 ° C or less, in particular to below 130 ° C, preferably to below 110 ° C or to even lower temperatures of less than 80 ° C, for example about 40 ° C to 20 ° C, especially cooled to about 30 ° C and separated into a gas and a liquid phase. The gas phase mainly contains the unconverted synthesis gas as well as any inert components (e.g. nitrogen) and the methane formed as a by-product. The gas phase is usually returned to the synthesis of the higher alcohols. If necessary, a purification or conditioning of the gas phase, such as, for example, the conversion of the methane formed as a by-product into synthesis gas, is provided.
Die Flüssigphase enthält überwiegend die gebildeten Alkohole, Alkene und Alkane. Über eine Absenkung des Drucks auf weniger als 50 bar, insbesondere auf weniger als 30 bar, bevorzugt auf weniger als 20 bar, weiter bevorzugt auf weniger als 10 bar, beispielsweise 3 bis 1 bar, vorzugsweise auf etwa 1 bar, können beispielsweise die Alkene und Alkane verdampft und aus dem Produktgemisch abgetrennt werden. Andere dem Fachmann bekannte Methoden zur Abtrennung der Alkene und Alkane von den Alkoholen sind hier aber ebenfalls geeignet. Zur wirtschaftlichen und/oder ökologischen Optimierung des Prozesses ist es gegebenenfalls vorteilhaft, die Alkane zu Synthesegas umzusetzen, z.B. über eine partielle Oxidation, Steamreforming oder autotherme Reformierung in den Prozess zurückzuführen. Gegebenenfalls können die Alkane auch zu den entsprechenden Alkenen dehydriert und anschließend ebenfalls hydroformyliert werden, um die Ausbeute an Aldehyden und/oder Alkoholen zu erhöhen.The liquid phase mainly contains the alcohols, alkenes and alkanes formed. By lowering the pressure to less than 50 bar, in particular to less than 30 bar, preferably to less than 20 bar, more preferably to less than 10 bar, for example 3 to 1 bar, preferably to about 1 bar, the alkenes and Alkanes are evaporated and separated from the product mixture. Other methods known to the person skilled in the art for separating the alkenes and alkanes from the alcohols are, however, likewise suitable here. In order to optimize the process economically and / or ecologically, it may be advantageous to convert the alkanes into synthesis gas, e.g. through partial oxidation, steam reforming or autothermal reforming. If appropriate, the alkanes can also be dehydrogenated to the corresponding alkenes and then likewise hydroformylated in order to increase the yield of aldehydes and / or alcohols.
Die Alkohole verbleiben in der Flüssigphase und werden gegebenenfalls nach Abtrennung des als Koppelprodukt gebildeten Wassers gegebenenfalls als Produktgemisch zum Beispiel als Kraftstoffzusatz vermarket oder in einer Destillation in die einzelnen Alkohole aufgetrennt.The alcohols remain in the liquid phase and are optionally marketed as a product mixture, for example as a fuel additive, after the water formed as a by-product has been separated off, or are separated into the individual alcohols in a distillation.
In Abhängigkeit von der jeweiligen Zusammensetzung und Konzentration der nach der katalytischen Umsetzung des Synthesegases gebildeten Produkte können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die vorgenannten Prozessparameter in geeigneter Weise variiert bzw. durch weitere Trennschritte ergänzt werden.Depending on the respective composition and concentration of the products formed after the catalytic conversion of the synthesis gas, the aforementioned process parameters can be varied in a suitable manner or supplemented by further separation steps within the scope of the method according to the invention.
Die erfindungsgemäße Wertschöpfungskette beinhaltet neben der nachgeschalteten Hydroformylierung der Alkene zu den Alkoholen auch die direkte Einbindung der konsekutiven Hydroformylierung der Alkene in das Prozesskonzept der Synthese der höheren Alkohole. Hierfür bestehen mehrere Optionen und das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit mehrere alternative Varianten vor.In addition to the downstream hydroformylation of the alkenes to give the alcohols, the value chain according to the invention also includes the direct integration of the consecutive hydroformylation of the alkenes into the process concept of the synthesis of the higher alcohols. There are several options for this and the method according to the invention thus provides several alternative variants.
Die industriellen Prozesse zur Hydroformylierung von Alkenen verwenden ein CO-reiches Synthesegas aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff mit einem CO:H2-Verhältnis von 1:1 oder 1:2. In der wissenschaftlichen Literatur sind auch Verfahren zur Hydroformylierung mit CO2-haltigem Synthesegas beschrieben. Die Bereitstellung eines geeigneten Synthesegases muss in den Prozesskonzepten zur konsekutiven Hydroformylierung berücksichtigt werden.The industrial processes for the hydroformylation of alkenes use a CO-rich synthesis gas from carbon monoxide and hydrogen with a CO: H 2 ratio of 1: 1 or 1: 2. Processes for hydroformylation using synthesis gas containing CO 2 are also described in the scientific literature. The provision of a suitable synthesis gas must be taken into account in the process concepts for consecutive hydroformylation.
Die konsekutive Hydroformylierung der in der Synthese der höheren Alkohole als Nebenprodukte gebildeten Alkene zu Alkoholen ermöglicht die gezielte Herstellung von Alkoholen in einer höheren Ausbeute und die Darstellung einer einheitlichen Verbindungsklasse aus dem komplexen Produktgemisch der katalytischen Synthese höherer Alkohole. Über die konsekutive Umsetzung der Alkene werden Alkohol-Ausbeuten erzielt, die mit dem eingesetzten Katalysator in der Synthese der höheren Alkohole aus Synthesegas so nicht erreicht werden können.The consecutive hydroformylation of the alkenes formed as by-products in the synthesis of the higher alcohols to alcohols enables the targeted production of alcohols in a higher yield and the preparation of a uniform class of compounds from the complex product mixture of the catalytic synthesis of higher alcohols. The consecutive conversion of the alkenes achieves alcohol yields which cannot be achieved with the catalyst used in the synthesis of the higher alcohols from synthesis gas.
Im Vergleich zur Hydratisierung der Alkene werden über die Hydroformylierung gezielt Aldehyde und Alkohole hergestellt, die ein zusätzliches C-Atom enthalten. Es wird ein Produktgemisch mit einer höheren mittleren Kettenlänge gebildet. Die Wertschöpfungskette führt ausgehend von dem bereitgestellten Synthesegas, welches gegebenenfalls entsprechend konditioniert wird, über die katalytische Synthese höherer Alkohole, die zu einem Produktgemisch von Alkoholen, Alkenen und Alkanen führt und die konsekutive Hydroformylierung zu Alkoholen und Alkanen bzw. zu Alkoholen, Aldehyden und Alkanen.Compared to the hydration of the alkenes, the hydroformylation specifically produces aldehydes and alcohols which contain an additional carbon atom. A product mixture with a higher average chain length is formed. Starting from the synthesis gas provided, which is optionally conditioned accordingly, the value chain leads via the catalytic synthesis of higher alcohols, which leads to a product mixture of alcohols, alkenes and alkanes and the consecutive hydroformylation to alcohols and alkanes or to alcohols, aldehydes and alkanes.
Diese Wertschöpfungskette liefert verschiedene prinzipielle Vorteile gegenüber dem aktuellen Stand der Technik in der Synthese höherer Alkohole aus Synthesegas und den bisherigen Ansätzen zur Gewinnung von chemischen Wertstoffen aus Hüttengas. Die hier vorgeschlagene zweistufige Synthese von Alkoholen kann zu höheren Alkohol-Ausbeuten führen als die bekannten katalytischen Verfahren zur Synthese von höheren Alkoholen.This value chain provides various fundamental advantages over the current state of the art in the synthesis of higher alcohols from synthesis gas and the previous approaches to the extraction of chemical valuable substances from steel mill gas. The two-step synthesis of alcohols proposed here can lead to higher alcohol yields than the known catalytic processes for the synthesis of higher alcohols.
Aus dem komplexen Produktgemisch nach der Umsetzung des Synthesegases im ersten Schritt wird ein einheitlicheres Produkt erzeugt, was zu Vorteilen im Aufreinigungsprozess und in der Vermarktungslogistik führt.From the complex product mixture after the synthesis gas has been converted in the first step, a more uniform product is generated, which leads to advantages in the purification process and in marketing logistics.
Die Umsetzung der Alkene zu Aldehyden und/oder Alkoholen hat zudem den Vorteil, dass die gegebenenfalls aufgrund der ähnlichen physikalischen Eigenschaften anspruchsvolle Trennung der Alkane und Alkene entfällt und die Alkane leichter aus dem Produktgemisch abgetrennt werden können.The conversion of the alkenes to aldehydes and / or alcohols also has the advantage that the separation of the alkanes and alkenes, which may be demanding due to the similar physical properties, is dispensed with and the alkanes can be separated more easily from the product mixture.
Gemäß einer ersten bevorzugten Variante des Verfahrens werden aus dem nach der katalytischen Umsetzung von Synthesegas erhaltenen ersten Gemisch von Alkanen, Alkenen und Alkoholen zunächst die Alkane und Alkene von den Alkoholen abgetrennt und danach die abgetrennten Alkene, gegebenenfalls im Gemisch mit den Alkanen hydroformyliert.According to a first preferred variant of the process, the alkanes and alkenes are first separated from the alcohols from the first mixture of alkanes, alkenes and alcohols obtained after the catalytic conversion of synthesis gas and then the separated alkenes are hydroformylated, optionally mixed with the alkanes.
Vorzugsweise kann bei dieser Variante ein Gemisch von abgetrennten Alkenen, gegebenenfalls im Gemisch mit den Alkanen, zunächst in zwei oder mehrere Fraktionen mit unterschiedlicher Anzahl an C-Atomen aufgetrennt werden und erst danach die einzelnen Fraktionen jeweils getrennt voneinander hydroformyliert werden, um aus den Alkenen in den Fraktionen jeweils die entsprechenden Alkohole zu erhalten.In this variant, a mixture of separated alkenes, optionally mixed with the alkanes, can first be separated into two or more fractions with different numbers of carbon atoms and only then the individual fractions are hydroformylated separately from one another in order to convert the alkenes into the respective fractions to obtain the corresponding alcohols.
Weiterhin kann vorzugsweise das Gemisch von Alkenen mindestens in eine C2-Fraktion, eine C3-Fraktion und eine C4-Fraktion aufgetrennt und dann hydroformyliert werden und aus diesen Fraktionen gegebenenfalls nach Abtrennung der jeweiligen Alkane können Propanol, Butanol und Pentanol bzw. Propanal, Butanal und Pentanal gewonnen werden.Furthermore, the mixture of alkenes can preferably be separated into at least a C2 fraction, a C3 fraction and a C4 fraction and then hydroformylated and from these fractions, if appropriate after separation of the respective alkanes, propanol, butanol and pentanol or propanal, butanal and Pentanal can be obtained.
Die Auftrennung der Kohlenwasserstoffe in die einzelnen Cx-Schnitte bzw. Alkene kann vorteilhaft sein, da es die separate Hydroformylierung der einzelnen Alkene ermöglicht. Alkene deren jeweilige Hydroformylierungsprodukte besonders gut für den Kraftstoff- oder Chemiemarkt geeignet sind, können zu den entsprechenden Aldehyden bzw. Alkoholen umgesetzt werden. Alkene für die es einen entsprechenden Alkenmarkt gibt, können aus dem jeweiligen C-Schnitt abgetrennt und vermarktet werden. Des Weiteren können die Reaktionsbedingungen für die Hydroformylierung der einzelnen Cx-Schnitte bzw. Alkene unabhängig voneinander gewählt werden. Der Einfluss der Alkane auf die Hydroformylierung der Alkene ist zu beachten.The separation of the hydrocarbons into the individual Cx cuts or alkenes can be advantageous since it enables the individual alkenes to be hydroformylated separately. Alkenes, the respective hydroformylation products of which are particularly suitable for the fuel or chemical market, can be converted to the corresponding aldehydes or alcohols. Alkenes for which there is a corresponding alkene market can be separated from the respective C-cut and marketed. Furthermore, the reaction conditions for the hydroformylation of the individual Cx cuts or alkenes can be selected independently of one another. The influence of the alkanes on the hydroformylation of the alkenes must be taken into account.
Nachteilig ist, dass für jeden C-Schnitt eine separate Anlage für die Hydroformylierung benötigt wird oder eine absatzweise Hydroformylierung der einzelnen Fraktionen vorgenommen werden muss. Jede der Hydroformylierungsanlagen muss mit Synthesegas versorgt werden. Das Synthesegas kann entweder über einen Teilstrom aus der katalytischen Synthese höherer Alkohole oder optional über die partielle Oxidation der als Nebenprodukte gebildeten Alkane bereitgestellt werden.The disadvantage is that a separate system is required for the hydroformylation for each C-cut or that the individual fractions have to be hydroformylated batchwise. Each of the hydroformylation plants must be supplied with synthesis gas. The synthesis gas can either over a partial stream from the catalytic synthesis of higher alcohols or optionally via the partial oxidation of the alkanes formed as by-products can be provided.
Bei dieser möglichen Variante erfolgt die Durchführung der konsekutiven Hydroformylierung der Alkene zu Alkoholen bevorzugt nach der Abtrennung der Alkohole, wobei aus den abgetrennten Alkoholen gegebenenfalls durch Aufreinigung bzw. Auftrennung des Alkoholgemisches die jeweiligen reinen Alkohole gewonnen werden können. Die Auftrennung des Alkengemisches in die einzelnen Alkene kann ebenfalls vorteilhaft sein, da es die separate Hydroformylierung der einzelnen Alkene ermöglicht. In diesem Fall würde nach dieser jeweils separaten Hydroformylierung der einzelnen Kohlenwasserstoff-Fraktionen jeweils ein Stoffgemisch aus dem Alkan und dem nächsthöheren Aldehyd und/oder Alkohol erhalten, da durch die Hydroformylierung die Kettenlänge um ein C-Atom verlängert wird. Dies wären somit beispielsweise Propanol im Gemisch mit Ethan, Butanol im Gemisch mit Propan oder Pentanol im Gemisch mit Butan bzw. die genannten Alkane jeweils im Gemisch mit dem nächsthöheren Aldehyd und/oder Alkohol, also beispielsweise Propanal im Gemisch mit Ethan, Butanal im Gemisch mit Propan oder Pentanal im Gemisch mit Butan.In this possible variant, the consecutive hydroformylation of the alkenes to alcohols is preferably carried out after the alcohols have been separated off, and the respective pure alcohols can be obtained from the separated alcohols by purification or separation of the alcohol mixture. The separation of the alkene mixture into the individual alkenes can also be advantageous since it enables the individual alkenes to be hydroformylated separately. In this case, after this separate hydroformylation of the individual hydrocarbon fractions, a mixture of the alkane and the next higher aldehyde and / or alcohol would be obtained, since the chain length is lengthened by one carbon atom as a result of the hydroformylation. These would be, for example, propanol in a mixture with ethane, butanol in a mixture with propane or pentanol in a mixture with butane or the alkanes mentioned in a mixture with the next higher aldehyde and / or alcohol, for example propanal in a mixture with ethane, butanal in a mixture with Propane or pentanal mixed with butane.
Weiterhin gibt es die Option, die Alkene nach der Abtrennung der Alkane aus den jeweiligen Cx-Schnitten zu hydroformylieren. Dies liefert die Vorteile einer vergleichsweise reinen Eduktkonzentration und der Möglichkeit, die Hydroformylierung unter jeweils unterschiedlichen, spezifisch angepassten Bedingungen für das jeweilige Alken durchzuführen. Aufgrund des apparativen und energetischen Aufwands der Trennung von Alkanen und Alkenen ist diese Option allerdings nur unter bestimmten Rahmenbedingungen wirtschaftlich durchführbar.There is also the option of hydroformylating the alkenes after the alkanes have been separated off from the respective Cx cuts. This provides the advantages of a comparatively pure starting material concentration and the possibility of carrying out the hydroformylation under respectively different, specifically adapted conditions for the respective alkene. However, due to the equipment and energy requirements involved in separating alkanes and alkenes, this option is only economically feasible under certain framework conditions.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglichen Optionen zur Integration der konsekutiven Umsetzung der Alkene zu Alkoholen in das Prozesskonzept zur katalytischen Synthese der höheren Alkohole unterscheiden sich gegebenenfalls jeweils in der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches und den vorherrschenden Prozessbedingungen, wie Temperatur und Druck. Durch die Einbindung der Hydroformylierung der Alkene in das Prozesskonzept zur katalytischen Synthese der höheren Alkohole besteht die Möglichkeit, die bereits vorhandenen Temperatur- und Druckniveaus der katalytischen Synthese höherer Alkohole für die Hydroformylierung zu nutzen.The options for integrating the consecutive conversion of the alkenes to alcohols into the process concept for the catalytic synthesis of the higher alcohols, which are possible within the scope of the process according to the invention, may differ in the composition of the reaction mixture and the prevailing process conditions, such as temperature and pressure. By integrating the hydroformylation of the alkenes into the process concept for the catalytic synthesis of the higher alcohols, it is possible to use the temperature and pressure levels already present in the catalytic synthesis of higher alcohols for the hydroformylation.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Abtrennung der Alkohole ein die Alkene und Alkane enthaltendes Gemisch umfassend vorwiegend C2-C4-Alkene anschließend im Gemisch zu den entsprechenden Aldehyden und/oder Alkoholen hydroformyliert.According to a second preferred variant of the process according to the invention, after the alcohols have been separated off, a mixture comprising the alkenes and alkanes comprising predominantly C2-C4 alkenes is then hydroformylated as a mixture to give the corresponding aldehydes and / or alcohols.
Die Abtrennung der Alkohole von den Alkenen und Alkanen nach der katalytischen Synthese höherer Alkohole bietet die Möglichkeit, die anschließende Hydroformylierung der Alkene mit einem relativ reinen Gemisch an Alkenen und Alkanen durchzuführen. Dabei ist zu berücksichtigten, dass die industriellen Verfahren für die Umsetzung der einzelnen Alkene optimiert sind und sich untereinander in der Wahl des Katalysators und der Reaktionsbedingungen unterscheiden. Für die Umsetzung des Alkengemisches ist es daher empfehlenswert, das Verfahren so zu führen, dass entweder die Umsetzung aller Alkene ermöglicht oder die Umsetzung einzelner favorisierter Alkene zu den jeweiligen Aldehyden und/oder Alkoholen begünstigt wird. Gegenüber der oben beschriebenen ersten Verfahrensvariante bietet die Hydroformylierung des Alkengemisches den Vorteil, dass lediglich eine Anlage für die Hydroformylierung benötigt wird bzw. dass auf eine absatzweise Hydroformylierung verzichtet werden kann.The separation of the alcohols from the alkenes and alkanes after the catalytic synthesis of higher alcohols offers the possibility of carrying out the subsequent hydroformylation of the alkenes with a relatively pure mixture of alkenes and alkanes. It must be taken into account that the industrial processes for the implementation of the individual alkenes are optimized and differ from one another in the choice of the catalyst and the reaction conditions. For the conversion of the alkene mixture, it is therefore advisable to conduct the process in such a way that either the conversion of all alkenes is possible or the conversion of individual preferred alkenes to the respective aldehydes and / or alcohols is promoted. Compared to the first variant of the process described above, the hydroformylation of the alkene mixture has the advantage that only one plant is required for the hydroformylation or that batch hydroformylation can be dispensed with.
Vorzugsweise werden bei dieser Variante des Verfahrens nach der Hydroformylierung die Alkane aus dem Gemisch abgetrennt und die aus den Alkenen entstandenen Aldehyde und/oder Alkohole werden gegebenenfalls mit den nach dem ersten Schritt der katalytischen Umsetzung von Synthesegas abgetrennten Alkoholen vereint und gegebenenfalls in einzelne Aldehyde und/oder Alkohole mit unterschiedlicher Anzahl von Kohlenstoffatomen getrennt. Anders als bei der ersten oben genannten Variante erfolgt hier vor der Hydroformylierung keine Auftrennung der Alkene in die einzelnen Verbindungen mit unterschiedlicher Anzahl von C-Atomen.In this variant of the process, the alkanes are preferably separated off from the mixture after the hydroformylation and the aldehydes and / or alcohols formed from the alkenes are optionally combined with the alcohols separated off after the first step of the catalytic conversion of synthesis gas and optionally converted into individual aldehydes and / or or alcohols with different numbers of carbon atoms separated. In contrast to the first variant mentioned above, there is no separation of the alkenes into the individual compounds with different numbers of carbon atoms before the hydroformylation.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Alkane von den Alkoholen abgetrennt und abgetrennte Alkane werden mindestens teilweise durch partielle Oxidation mit Sauerstoff (POX), Steamreforming oder autothermes Reforming ein CO-reiches Synthesegas umgewandelt, welches anschließend für die Hydroformylierung der Alkene eingesetzt wird.According to a possible development of the process according to the invention, the alkanes are separated from the alcohols and separated alkanes are converted at least partially into a CO-rich synthesis gas by partial oxidation with oxygen (POX), steam reforming or autothermal reforming, which synthesis gas is then used for the hydroformylation of the alkenes.
Falls die katalytische Synthese höherer Alkohole ebenfalls mit einem CO-reichen Synthesegas aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff (beispielsweise CO:H2 im Verhältnis 1:1) betrieben wird, kann vorzugsweise ein Teilstrom des bereitgestellten Synthesegases für die Hydroformylierung verwendet werden.If the catalytic synthesis of higher alcohols is also carried out with a CO-rich synthesis gas composed of carbon monoxide and hydrogen (for example CO: H 2 in a ratio of 1: 1), a substream of the synthesis gas provided can preferably be used for the hydroformylation.
Für den Fall, dass die katalytische Synthese höherer Alkohole mit einem CO2-reichen bzw. CO und CO2-haltigen Synthesegas, welches z.B. aus Hochofengas erhalten werden kann, betrieben wird, könnte die nachfolgende Hydroformylierung mit dem gleichen CO-haltigen Synthesegas betrieben werden oder eine eigene Synthesegaserzeugung erhalten. Die als Nebenprodukt in der katalytischen Synthese höherer Alkohole gebildeten Alkane können beispielsweise durch eine partielle Oxidation in ein CO-reiches Synthesegas umgewandelt werden. Der Wasserstoffgehalt kann durch Entfernung von Wasserstoff beispielsweise mittels PSA (pressure swing adsorption) oder durch Zugabe von Wasserstoff angepasst werden. Das so erzeugte Synthesegas kann anschließend in der Hydroformylierung verwendet werden. Mit diesem Prozesskonzept werden auch die als Nebenprodukte gebildeten Alkane in dem Prozess verwertet.In the event that the catalytic synthesis of higher alcohols is carried out with a CO 2 -rich or CO and CO 2 -containing synthesis gas, which can be obtained, for example, from blast furnace gas, the subsequent hydroformylation could be carried out with the same CO-containing synthesis gas or get your own synthesis gas production. The alkanes formed as a by-product in the catalytic synthesis of higher alcohols can, for example, be converted into a CO-rich synthesis gas by partial oxidation. The hydrogen content can be adjusted by removing hydrogen, for example by means of PSA (pressure swing adsorption) or by adding hydrogen. The synthesis gas produced in this way can then be used in the hydroformylation. With this process concept, the alkanes formed as by-products are also used in the process.
Als energetisch nachteilig bei dieser Verfahrensvariante könnte sich die Kühlung (auf ca. 30 °C) und Entspannung (auf ca. 1 bar) für die Abtrennung der Kohlenwasserstoffe von den Alkoholen erweisen. Die Hydroformylierung erfordert in vielen Fällen erhöhte Drücke von mehr als 5 bar, beispielsweise 40 bar bis 60 bar, insbesondere etwa 50 bar und erhöhte Temperaturen von mehr als 80 °C, beispielsweise ca. 150-250 °C, so dass das isolierte Alkan/Alken-Gemisch erneut komprimiert und erwärmt werden muss.The cooling (to approx. 30 ° C.) and relaxation (to approx. 1 bar) for the separation of the hydrocarbons from the alcohols could prove to be energetically disadvantageous in this process variant. In many cases, the hydroformylation requires elevated pressures of more than 5 bar, for example 40 bar to 60 bar, in particular about 50 bar, and elevated temperatures of more than 80 ° C., for example approx. 150-250 ° C., so that the isolated alkane / Alkene mixture must be recompressed and heated.
Bei allen erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten erfolgt die Hydroformylierung bevorzugt bei erhöhter Temperatur, insbesondere bei Temperaturen von mehr als 80 °C, bevorzugt bei Temperaturen von mehr als 100 °C, weiter bevorzugt bei Temperaturen von mehr als 120 °C, beispielsweise bei Temperaturen im Bereich von 160 °C bis 200 °C, insbesondere bei 170 °C bis 190 °C und/oder wird bei atmosphärischem oder erhöhtem Druck, insbesondere bei einem Druck von mehr als 5 bar, bevorzugt bei einem Druck von mehr als 10 bar, weiter bevorzugt bei einem Druck von mehr als 15 bar, beispielsweise bei einem Druck von 20 bar bis 60 bar, vorzugsweise bei einem Druck von 30 bar bis 60 bar durchgeführt.In all process variants according to the invention, the hydroformylation is preferably carried out at elevated temperature, in particular at temperatures of more than 80 ° C., preferably at temperatures of more than 100 ° C., more preferably at temperatures of more than 120 ° C., for example at temperatures in the range of 160 ° C to 200 ° C, in particular at 170 ° C to 190 ° C and / or is at atmospheric or elevated pressure, in particular at a pressure of more than 5 bar, preferably at a pressure of more than 10 bar, more preferably at a Pressure of more than 15 bar, for example at a pressure of 20 bar to 60 bar, preferably carried out at a pressure of 30 bar to 60 bar.
Eine dritte alternative bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Hydroformylierung der Alkene mit dem bei der katalytischen Umsetzung des Synthesegases erhaltenen ersten Gemisch aus Alkanen, Alkenen und Alkoholen erfolgt, ohne dass zuvor die Alkohole aus diesem Gemisch abgetrennt wurden.A third alternative preferred variant of the process according to the invention provides that the hydroformylation of the alkenes is carried out with the first mixture of alkanes, alkenes and alcohols obtained in the catalytic conversion of the synthesis gas without the alcohols having been separated off from this mixture beforehand.
Vorzugsweise werden bei dieser Verfahrensvariante nach der Hydroformylierung die Alkane von den Aldehyden und/oder Alkoholen getrennt und das verbleibende Gemisch von Alkoholen und/oder Aldehyden wird gegebenenfalls aufgereinigt und/oder in einzelne Aldehyde und/oder Alkohole, insbesondere in Propanal, Butanal und Pentanal und/oder Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol aufgetrennt.In this process variant, the alkanes are preferably separated from the aldehydes and / or alcohols after the hydroformylation and the remaining mixture of alcohols and / or aldehydes is optionally purified and / or into individual aldehydes and / or alcohols, in particular into propanal, butanal and pentanal and / or methanol, ethanol, propanol and butanol separated.
Vorzugsweise erfolgt bei dieser und gegebenenfalls auch bei anderen Verfahrensvarianten die Abtrennung der Alkane von den Alkoholen bei einer niedrigeren Temperatur und niedrigerem Druck als die vorangehende Hydroformylierung, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 20 °C bis 40 °C und einem Druck von weniger als 5 bar, besonders bevorzugt bei einem Druck von weniger als 2 bar.In this and, if appropriate, also in other process variants, the alkanes are preferably separated off from the alcohols at a lower temperature and lower pressure than the preceding hydroformylation, preferably at a temperature in the range from 20 ° C. to 40 ° C. and a pressure of less than 5 bar, particularly preferably at a pressure of less than 2 bar.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor der Hydroformylierung der Alkene zu den entsprechenden Aldehyden und/oder Alkoholen und nach der katalytischen Umsetzung des Synthesegases wenigstens ein Schritt vorgesehen, in dem eine Trennung des bei dieser Reaktion erhaltenen Produktgemisches in eine Gasphase und eine flüssige Phase erfolgt, wobei die flüssige Phase für die anschließende Hydroformylierung der Alkene zu den Aldehyden und/oder Alkoholen verwendet wird und wobei die Trennung bevorzugt bei einer niedrigeren Temperatur und/oder bei etwa gleichem Druck erfolgt wie die vorhergehende katalytische Umsetzung des Synthesegases.In the process according to the invention, before the hydroformylation of the alkenes to the corresponding aldehydes and / or alcohols and after the catalytic conversion of the synthesis gas, at least one step is provided in which the product mixture obtained in this reaction is separated into a gas phase and a liquid phase, the liquid phase being used for the subsequent hydroformylation of the alkenes to the aldehydes and / or alcohols and the separation preferably taking place at a lower temperature and / or at approximately the same pressure as the previous catalytic conversion of the synthesis gas.
Die Hydroformylierung der Alkene nach einer solchen Gas-Flüssig-Trennung und Umsetzung des in der katalytischen Synthese der höheren Alkohole gebildeten Reaktionsgemisches aus Alkenen, Alkanen und Alkoholen kann bei einigen optionalen Verfahrensvarianten den Vorteil bieten, dass das Reaktionsgemisch bereits bei einem hohen Druck von beispielsweise 60 bar vorliegt und lediglich auf die Reaktionstemperatur vorgewärmt werden muss.The hydroformylation of the alkenes after such a gas-liquid separation and conversion of the reaction mixture of alkenes, alkanes and alcohols formed in the catalytic synthesis of the higher alcohols can, in some optional process variants, offer the advantage that the reaction mixture is already at a high pressure of, for example, 60 bar is present and only needs to be preheated to the reaction temperature.
Vorzugsweise wird bei diesen Varianten des Verfahrens die bei der Trennung erhaltene Gasphase wenigstens teilweise zu dem Schritt der katalytischen Umsetzung des Synthesegases zurückgeführt. Gegebenenfalls kann diese Gasphase auch der Hydroformylierung zugeführt werden.In these variants of the process, the gas phase obtained in the separation is preferably at least partially returned to the step of catalytic conversion of the synthesis gas. If appropriate, this gas phase can also be fed to the hydroformylation.
Gemäß einer vierten möglichen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nach der katalytischen Umsetzung des Synthesegases und erst nach der auf diese folgenden Hydroformylierung der Alkene zu den entsprechenden Aldehyden und/oder Alkoholen wenigstens ein Schritt vorgesehen, in dem eine Trennung des bei dieser Reaktion erhaltenen Produktgemisches in eine Gasphase und eine flüssige Phase erfolgt, wobei aus der flüssigen Phase danach die Alkane abgetrennt werden.According to a fourth possible variant of the process according to the invention, after the catalytic conversion of the synthesis gas and only after the subsequent hydroformylation of the alkenes to the corresponding aldehydes and / or alcohols, at least one step is provided in which the product mixture obtained in this reaction is separated into a Gas phase and a liquid phase takes place, the alkanes then being separated off from the liquid phase.
Auch bei dieser Verfahrensvariante wird bevorzugt die bei der Trennung erhaltene Gasphase wenigstens teilweise zu dem Schritt der katalytischen Umsetzung des Synthesegases zurückgeführt.In this process variant too, the gas phase obtained in the separation is preferably at least partially returned to the step of catalytic conversion of the synthesis gas.
Sowohl bei der dritten als auch bei dieser vierten möglichen Variante des Verfahrens wird somit die Hydroformylierung in Gegenwart der ebenfalls gebildeten Alkohole und der Alkane durchgeführt. In der Patentliteratur sind Beispiele für die Gasphasenhydroformylierung beschrieben, bei denen die Reaktionsbedingungen der Gasphasenhydroformylierung beispielsweise des Ethens und des Propens denen der katalytischen Synthese der höheren Alkohole ähnlich sind (siehe beispielsweise
Die Zusammensetzung des Synthesegases ist für die Hydroformylierung durch die Zusammensetzung des Synthesegases für die katalytische Synthese höherer Alkohole bzw. die des in der katalytischen Synthese höherer Alkohole enthaltenen Restgases vorgegeben bzw. teilweise vorgegeben. Im Gegensatz zu den oben genannten Verfahrensvarianten ist insbesondere bei der vierten Verfahrensvariante die Zusammensetzung des Synthesegases nicht frei wählbar. Eine weitere Option ist hier daher zum Beispiel eine Zugabe von Synthesegas zu dem bereits vorhandenen Gasgemisch.The composition of the synthesis gas for the hydroformylation is predetermined or partially predetermined by the composition of the synthesis gas for the catalytic synthesis of higher alcohols or that of the residual gas contained in the catalytic synthesis of higher alcohols. In contrast to the process variants mentioned above, in particular in the fourth process variant, the composition of the synthesis gas cannot be freely selected. Another option here is, for example, adding synthesis gas to the gas mixture that is already present.
In der
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde ein Gesamtprozess entwickelt, der es ermöglicht, ausgehend von Synthesegas Alkohole und/oder Aldehyde (mit zwei und mehr C-Atomen) mit guter Ausbeute herzustellen. In der vorliegenden Anmeldung werden Verfahren beschrieben, die ausgehend von dem bei der Umsetzung von Synthesegas, umfassend Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff oder Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff oder Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff, erhaltenen Produktgemisch verglichen mit bekannten Prozessen in ökonomischer, technologischer und/oder ökologischer Hinsicht Vorteile bieten, insbesondere gegenüber einer einfachen Trennung mit anschließender Einzelvermarktung der Produkte/Stoffgruppen. Hierbei wurde ein besonderes Augenmerk auf die Optimierung der Produkttrennung im Einklang mit den Syntheseschritten gelegt. Dies betrifft unter anderem die jeweiligen physikalischen Prozessbedingungen (Druck, Temperatur) sowie die Einstellung von bevorzugten bzw. technologisch tolerierbaren Eduktverhältnissen für die Syntheseschritte unter Berücksichtigung von insbesondere wirtschaftlichen Rahmenbedingungen.In the context of the present invention, an overall process was developed which enables alcohols and / or aldehydes (with two or more carbon atoms) to be produced with good yield starting from synthesis gas. In the present application, processes are described which, based on the product mixture obtained in the conversion of synthesis gas, comprising carbon monoxide and hydrogen or carbon dioxide and hydrogen or carbon monoxide and carbon dioxide and hydrogen, offer advantages in economic, technological and / or ecological terms compared to known processes , especially compared to a simple separation with subsequent individual marketing of the products / groups of substances. Particular attention was paid to optimizing the product separation in accordance with the synthesis steps. This concerns, among other things, the respective physical process conditions (pressure, temperature) as well as the setting of preferred or technologically tolerable educt ratios for the synthesis steps, taking into account, in particular, economic framework conditions.
Aufgrund der großen Anlagenkapazitäten, die beispielsweise bei Verwertung signifikanter Hüttengasmengen, aber auch bei anderen Synthesegasquellen, notwendig sind, werden bevorzugt Prozesse eingesetzt, die zu Produkten mit ausreichend großen (potentiellen) Märkten führen. Daher ist es hier insbesondere interessant, Basischemikalien zu betrachten, die beispielsweise im Kunststoff- oder Kraftstoffsektor eingesetzt werden können.Due to the large plant capacities, which are necessary, for example, for the utilization of significant quantities of steel mill gas, but also for other synthesis gas sources, processes are preferred that lead to products with sufficiently large (potential) markets. Hence it is here in particular interesting to look at basic chemicals that can be used, for example, in the plastics or fuel sector.
Gemäß der obigen Beschreibung sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere die nachfolgend genannten vier Verfahrensvarianten bevorzugt.According to the above description, the four method variants mentioned below are particularly preferred within the scope of the present invention.
Bei Variante 1 umfasst das Verfahren vorzugsweise die Schritte:
- - Herstellung von höheren Alkoholen (mit wenigstens zwei C-Atomen) und Alkenen durch katalytische Umsetzung von Synthesegas;
- - Trennung des erhaltenen Produktgemisches in eine Gasphase und eine Flüssigphase;
- - gegebenenfalls Rückführung der abgetrennten Gasphase zur katalytischen Umsetzung des Synthesegases;
- - Abtrennung der Alkene und Alkane von den erhaltenen Alkoholen;
- - gegebenenfalls Auftrennung des von den Alkenen und Alkanen abgetrennten Alkoholgemisches in einzelne Verbindungen oder Verbindungsgruppen, insbesondere Ethanol, Propanole, Butanole und gegebenenfalls Methanol;
- - Auftrennung des Gemisches aus Alkenen und Alkanen in einzelne Fraktionen mit jeweils unterschiedlicher Anzahl von C-Atomen, insbesondere einen C2-Schnitt, einen C3-Schnitt und einen C4-Schnitt;
- - jeweils getrennte Hydroformylierung der zuvor erhaltenen einzelnen Gemische aus Alkenen und Alkanen mit jeweils gleicher Anzahl von C-Atomen, gegebenenfalls anschließende Abtrennung der Alkane jeweils von den erhaltenen Aldehyden und/oder Alkoholen der einzelnen Fraktionen;
- - gegebenenfalls Umsetzung der abgetrennten Alkane zur Erzeugung von CO-reichem Synthesegas für die Hydroformylierung und/oder die Synthese höherer Alkohole, beispielsweise mittels partieller Oxidation, Autothermal Reformer (ATR) oder Steamreforming;
- - gegebenenfalls Vereinigung der nach der Abtrennung der Alkane erhaltenen Alkohole mit den zuvor bei der katalytischen Umsetzung des Synthesegases bereits erhaltenen und abgetrennten Alkoholen.
- - Production of higher alcohols (with at least two carbon atoms) and alkenes by catalytic conversion of synthesis gas;
- - Separation of the product mixture obtained into a gas phase and a liquid phase;
- - if necessary, recycling of the separated gas phase for the catalytic conversion of the synthesis gas;
- - Separation of the alkenes and alkanes from the alcohols obtained;
- if appropriate, separation of the alcohol mixture separated from the alkenes and alkanes into individual compounds or groups of compounds, in particular ethanol, propanols, butanols and, if appropriate, methanol;
- - Separation of the mixture of alkenes and alkanes into individual fractions each with a different number of carbon atoms, in particular a C2 cut, a C3 cut and a C4 cut;
- - In each case separate hydroformylation of the previously obtained individual mixtures of alkenes and alkanes each having the same number of carbon atoms, optionally subsequent separation of the alkanes in each case from the aldehydes and / or alcohols obtained of the individual fractions;
- - If necessary, conversion of the alkanes separated off to generate CO-rich synthesis gas for hydroformylation and / or the synthesis of higher alcohols, for example by means of partial oxidation, autothermal reformer (ATR) or steam reforming;
- optionally combining the alcohols obtained after the alkanes have been separated off with the alcohols already obtained and separated off beforehand in the catalytic conversion of the synthesis gas.
Bei Variante 2 umfasst das Verfahren vorzugsweise die Schritte:
- - Herstellung von höheren Alkoholen (mit wenigstens zwei C-Atomen) und Alkenen durch katalytische Umsetzung von Synthesegas;
- - Trennung des erhaltenen Produktgemisches in eine Gasphase und eine Flüssigphase;
- - gegebenenfalls Rückführung der abgetrennten Gasphase zur katalytischen Umsetzung des Synthesegases;
- - Abtrennung der Alkene und Alkane von den erhaltenen Alkoholen;
- - Hydroformylierung des Gemisches der zuvor von den Alkoholen abgetrennten Alkene im Gemisch mit den Alkanen, wobei ein Gemisch aus Aldehyden und/oder Alkoholen und Alkanen erhalten wird;
- - Abtrennung der Alkane von den Aldehyden und/oder Alkoholen
- - gegebenenfalls Umsetzung der abgetrennten Alkane zur Erzeugung von CO-reichem Synthesegas für die Hydroformylierung, beispielsweise mittels partieller Oxidation, Autothermal Reformer (ATR) oder Steamreforming;
- - gegebenenfalls Vereinigung der nach der Abtrennung der Alkane erhaltenen Alkohole mit den zuvor bei der katalytischen Umsetzung des Synthesegases bereits erhaltenen und abgetrennten Alkoholen;
- - gegebenenfalls Aufreinigung und Auftrennung des erhaltenen Alkoholgemisches in einzelne Verbindungen oder Verbindungsgruppen, insbesondere Ethanol, Propanol, Butanol sowie Methanol und gegebenenfalls höhere Alkohole.
- - Production of higher alcohols (with at least two carbon atoms) and alkenes by catalytic conversion of synthesis gas;
- - Separation of the product mixture obtained into a gas phase and a liquid phase;
- - if necessary, recycling of the separated gas phase for the catalytic conversion of the synthesis gas;
- - Separation of the alkenes and alkanes from the alcohols obtained;
- Hydroformylation of the mixture of the alkenes previously separated from the alcohols in a mixture with the alkanes, a mixture of aldehydes and / or alcohols and alkanes being obtained;
- - Separation of the alkanes from the aldehydes and / or alcohols
- - if necessary, conversion of the alkanes separated off to generate CO-rich synthesis gas for hydroformylation, for example by means of partial oxidation, autothermal reformer (ATR) or steam reforming;
- optionally combining the alcohols obtained after the alkanes have been separated off with the alcohols already obtained and separated off beforehand in the catalytic conversion of the synthesis gas;
- optionally purification and separation of the alcohol mixture obtained into individual compounds or groups of compounds, in particular ethanol, propanol, butanol and methanol and optionally higher alcohols.
Bei Variante 3 umfasst das Verfahren vorzugsweise die Schritte:
- - Herstellung von höheren Alkoholen (mit wenigstens zwei C-Atomen) und Alkenen durch katalytische Umsetzung von Synthesegas;
- - Trennung des erhaltenen Produktgemisches in eine Gasphase und eine Flüssigphase;
- - gegebenenfalls Rückführung der abgetrennten Gasphase zur katalytischen Umsetzung des Synthesegases;
- - Hydroformylierung des zuvor erhaltenen Produktgemisches der Flüssigphase umfassend Alkohole, Alkene und Alkane, wobei die Alkene im Gemisch zu den entsprechenden Aldehyden und/oder Alkoholen mit einer um ein C-Atom längeren Kohlenstoffkette hydroformyliert werden;
- - Abtrennung der Alkane von den erhaltenen Aldehyden und/oder Alkoholen, vorzugsweise bei einem niedrigeren Druck verglichen mit der zuvor durchgeführten Hydroformylierung;
- - gegebenenfalls Aufreinigung und Auftrennung des erhaltenen Aldehydgemisches und/oder Alkoholgemisches in einzelne Verbindungen oder Verbindungsgruppen, insbesondere Ethanol, Propanol, Butanol sowie Methanol und gegebenenfalls höhere Alkohole bzw. Propanal, Butanal und Pentanal;
- - gegebenenfalls Umsetzung der abgetrennten Alkane zur Erzeugung von CO-reichem Synthesegas für die Hydroformylierung, beispielsweise mittels partieller Oxidation, Autothermal Reformer (ATR) oder Steamreforming.
- - Production of higher alcohols (with at least two carbon atoms) and alkenes by catalytic conversion of synthesis gas;
- - Separation of the product mixture obtained into a gas phase and a liquid phase;
- - if necessary, recycling of the separated gas phase for the catalytic conversion of the synthesis gas;
- - Hydroformylation of the previously obtained product mixture of the liquid phase comprising alcohols, alkenes and alkanes, the alkenes being hydroformylated as a mixture to the corresponding aldehydes and / or alcohols with a carbon chain longer by one carbon atom;
- - Separation of the alkanes from the aldehydes and / or alcohols obtained, preferably at a lower pressure compared to the previously carried out hydroformylation;
- optionally purification and separation of the aldehyde mixture and / or alcohol mixture obtained into individual compounds or groups of compounds, in particular ethanol, propanol, butanol and methanol and optionally higher alcohols or propanal, butanal and pentanal;
- - If necessary, conversion of the alkanes separated off to generate CO-rich synthesis gas for the hydroformylation, for example by means of partial oxidation, autothermal reformer (ATR) or steam reforming.
Bei dieser dritten Variante erfolgt somit die konsekutive Hydroformylierung der Alkene zu Alkoholen nach der Gas-Flüssig-Trennung und somit nach der Abtrennung des nicht umgesetzten Synthesegases, jedoch in Gegenwart der bereits gebildeten Alkohole.In this third variant, the consecutive hydroformylation of the alkenes to alcohols takes place after the gas-liquid separation and thus after the separation of the unconverted synthesis gas, but in the presence of the alcohols already formed.
Bei Variante 4 umfasst das Verfahren vorzugsweise die Schritte:
- - Herstellung von höheren Alkoholen (mit wenigstens zwei C-Atomen) und Alkenen durch katalytische Umsetzung von Synthesegas;
- - Hydroformylierung des erhaltenen Produktgemisches umfassend Alkohole, Alkene und Alkane, wobei die Alkene im Gemisch zu den entsprechenden Aldehyden und/oder Alkoholen mit einer um ein C-Atom längeren Kohlenstoffkette hydroformyliert werden;
- - Trennung des erhaltenen Produktgemisches in eine Gasphase und eine Flüssigphase;
- - gegebenenfalls Rückführung der abgetrennten Gasphase zur katalytischen Umsetzung des Synthesegases;
- - Abtrennung der Alkane aus dem Produktgemisch der flüssigen Phase;
- - gegebenenfalls Aufreinigung und Auftrennung des erhaltenen Alkoholgemisches in einzelne Verbindungen oder Verbindungsgruppen, insbesondere Ethanol, Propanol, Butanol sowie Methanol und gegebenenfalls höhere Alkohole;
- - gegebenenfalls Umsetzung der abgetrennten Alkane zur Erzeugung von CO-reichem Synthesegas für die Hydroformylierung, beispielsweise mittels partieller Oxidation, Autothermal Reformer (ATR) oder Steamreforming.
- - Production of higher alcohols (with at least two carbon atoms) and alkenes by catalytic conversion of synthesis gas;
- - Hydroformylation of the product mixture obtained comprising alcohols, alkenes and alkanes, the alkenes being hydroformylated as a mixture to the corresponding aldehydes and / or alcohols with a carbon chain longer by one carbon atom;
- - Separation of the product mixture obtained into a gas phase and a liquid phase;
- - if necessary, recycling of the separated gas phase for the catalytic conversion of the synthesis gas;
- - Separation of the alkanes from the product mixture of the liquid phase;
- optionally purification and separation of the alcohol mixture obtained into individual compounds or groups of compounds, in particular ethanol, propanol, butanol and methanol and optionally higher alcohols;
- - If necessary, conversion of the alkanes separated off to generate CO-rich synthesis gas for the hydroformylation, for example by means of partial oxidation, autothermal reformer (ATR) or steam reforming.
Bei dieser vierten Variante erfolgt somit die konsekutive Hydroformylierung der Alkene zu Alkoholen vor der Gas-Flüssig-Trennung und somit in Gegenwart des nicht umgesetzten Synthesegases und in Gegenwart der bereits gebildeten Alkohole.In this fourth variant, the consecutive hydroformylation of the alkenes to alcohols takes place before the gas-liquid separation and thus in the presence of the unconverted synthesis gas and in the presence of the alcohols already formed.
Bei allen vier vorgenannten Verfahrensvarianten ist eine wenigstens teilweise Rückführung der Gasphase zur Synthese der höheren Alkohole nach der Gas-Flüssig-Trennung vorteilhaft.In all four of the aforementioned process variants, at least partial recycling of the gas phase for the synthesis of the higher alcohols after the gas-liquid separation is advantageous.
In Abhängigkeit des Produktspektrums bzw. falls sich in der Hydroformylierung neben den Alkoholen auch Aldehyde bilden und die Alkohole das Zielprodukt der Hydroformylierung sind, ist für sämtliche Prozessoptionen eine nachgelagerte Hydrierung der Aldehyde zu berücksichtigen. Bezüglich der Wahl des Prozesskonzepts für die katalytische Synthese höherer Alkohole mit konsekutiver Hydroformylierung ist die Bereitstellung des Synthesegases für die Hydroformylierung der Alkene zu berücksichtigten.Depending on the product range or if aldehydes are formed in addition to the alcohols in the hydroformylation and the alcohols are the target product of the hydroformylation, a downstream hydrogenation of the aldehydes must be taken into account for all process options. With regard to the choice of the process concept for the catalytic synthesis of higher alcohols with consecutive hydroformylation, the provision of the synthesis gas for the hydroformylation of the alkenes must be taken into account.
Neben den vorgenannten Verfahrensvarianten ist es auch möglich, die Hydroformylierung der Alkene durch eine Kombination von zwei oder mehr der vorgenannten Verfahrensvarianten durchzuführen. Beispielsweise kann die Hydroformylierung des zunächst durch katalytische Umsetzung von Synthesegas erhaltenen Produktgemisches aus höheren Alkoholen (mit wenigstens zwei C-Atomen) und Alkenen mittels Verfahrensvariante 4 überwiegend zu Aldehyden und/oder Alkoholen erfolgen. Bei nicht vollständigem Umsatz der Alkene, können die nach der Trennung des erhaltenen Produktgemisches in eine Gasphase und eine Flüssigphase, in der Flüssigphase enthaltenen Alkene beispielsweise mittels einer der Verfahrensvarianten 1, 2 oder 3 zu den entsprechenden Aldehyden und/oder Alkoholen hydroformyliert werden.In addition to the aforementioned process variants, it is also possible to carry out the hydroformylation of the alkenes by a combination of two or more of the aforementioned process variants. For example, the product mixture of higher alcohols (with at least two carbon atoms) and alkenes, initially obtained by catalytic conversion of synthesis gas, can be hydroformylated by means of process variant 4, mainly to aldehydes and / or alcohols. If the alkenes are not completely converted, the after separation of the product mixture obtained into a gas phase and a liquid phase, in alkenes contained in the liquid phase can be hydroformylated to the corresponding aldehydes and / or alcohols, for example by means of one of process variants 1, 2 or 3.
Gegebenenfalls kann eine Kombination der Verfahrensvarianten 1-4 auch zu Vorteilen in der Auftrennung des Produktgemisches führen. So kann es vorteilhaft sein, einzelne Fraktionen an Alkoholen und Alkenen mit gleicher Kohlenstoffanzahl bevorzugt als Aldehyde und/oder Alkohole anstatt als Alkene aus dem Produktgemisch der Umsetzung von Synthesegas zu höheren Alkoholen abzutrennen. Beispielsweise ist die Abtrennung des Ethens aus dem Produktgemisch der höheren Alkohol-Synthese während der Trennung des erhaltenen Produktgemisches in eine Gasphase und eine Flüssigphase aufwendiger als die der langkettigen Alkene, so dass es vorteilhaft sein kann, die Reaktionsbedingungen der Hydroformylierung nach Verfahrensvariante 4 so zu wählen, dass überwiegend das Ethen zu Propanal hydroformyliert bzw. zu Propanol umgesetzt wird und diese Verbindungen in der Gas-Flüssig-Trennung abzutrennen. Die Hydroformylierung nicht umgesetzter Alkene kann gegebenenfalls nach der Trennung in eine Gas- und eine Flüssigphase nach einer der Verfahrensvarianten 1,2 oder 3 durchgeführt werden.If necessary, a combination of process variants 1-4 can also lead to advantages in the separation of the product mixture. It can thus be advantageous to separate individual fractions of alcohols and alkenes with the same number of carbon atoms, preferably as aldehydes and / or alcohols instead of as alkenes, from the product mixture of the conversion of synthesis gas to higher alcohols. For example, the separation of the ethene from the product mixture of the higher alcohol synthesis during the separation of the product mixture obtained into a gas phase and a liquid phase is more complex than that of the long-chain alkenes, so that it can be advantageous to choose the reaction conditions of the hydroformylation according to process variant 4 in this way that predominantly the ethene is hydroformylated to propanal or converted to propanol and these compounds are to be separated off in the gas-liquid separation. The hydroformylation of unreacted alkenes can, if appropriate, be carried out according to one of process variants 1, 2 or 3 after separation into a gas and a liquid phase.
Aus wirtschaftlicher Sicht bietet die Hydroformylierung den Vorteil, dass die Hydroformylierung der Alkene zu Aldehyden bzw. Alkoholen mit einer längeren Kohlenstoffkette führt. In der Regel werden für langkettige Kohlenwasserstoffe und Alkohole höhere Preise erzielt als für kurzkettige Verbindungen. Längere Alkohole weisen zudem eine höhere Energiedichte auf. Wenn die erfindungsgemäßen Produkte beispielsweise als Kraftstoffadditiv eingesetzt werden, wirkt sich die höhere Energiedichte positiv auf die Reichweite des eingesetzten Kraftstoffs aus.From an economic point of view, hydroformylation has the advantage that the hydroformylation of the alkenes leads to aldehydes or alcohols with a longer carbon chain. As a rule, higher prices are achieved for long-chain hydrocarbons and alcohols than for short-chain compounds. Longer alcohols also have a higher energy density. If the products according to the invention are used, for example, as a fuel additive, the higher energy density has a positive effect on the range of the fuel used.
Die Bereitstellung des Synthesegases für die erfindungsgemäße katalytische Umsetzung zu Alkoholen kann neben der Darstellung des Synthesegases auch die Reinigung und die Konditionierung des Synthesegases umfassen. Als Feed können sowohl fossile Brennstoffe, wie Erdgas, Kohle aber auch CO- und CO2-reiche Gase beispielweise aus Stahl- und Zementwerken und Wasserstoff verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, das eingesetzte Synthesegas aus Biomasse zu gewinnen. Der Wasserstoff wird bevorzugt mittels erneuerbarer Energien und/oder auf nachhaltige Art und Weise mit geringen CO2-Footprints hergestellt, beispielsweise mittels Wasserelektrolyse oder Methanpyrolyse. Die bei der katalytischen Umsetzung des Synthesegases entstehenden Alkane können gemäß einer vorteilhaften optionalen Variante der Erfindung auch als Feedstrom für die Erzeugung des Synthesegases verwendet werden, welches bei der katalytischen Umsetzung eingesetzt wird.The provision of the synthesis gas for the inventive catalytic conversion to alcohols can include not only the preparation of the synthesis gas but also the purification and conditioning of the synthesis gas. Both fossil fuels, such as natural gas, coal, but also gases rich in CO and CO 2, for example from steel and cement works and hydrogen, can be used as feed. It is also possible to obtain the synthesis gas used from biomass. The hydrogen is preferably produced by means of renewable energies and / or in a sustainable manner with low CO 2 footprints, for example by means of water electrolysis or methane pyrolysis. The alkanes formed in the catalytic conversion of the synthesis gas can, according to an advantageous optional variant of the invention, also be used as a feed stream for generating the synthesis gas which is used in the catalytic conversion.
Im Rahmen einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung wurden spezifische Kobalthaltige Katalysatoren entwickelt, die Eigenschaften eines Methanol-Synthese-Katalysators und eines Fischer-Tropsch-Katalysators vereinen. Auf diese Weise entsteht bei der katalytischen Umsetzung von Synthesegas ein Produktgemisch, das neben den höheren Alkoholen (v.a. Ethanol, Propanol und Butanol) auch hohe Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen (v.a. C2 - C4-Alkene und C1 - C4 Alkane), Wasser und CO2 aufweist. As part of a further development of the present invention, specific cobalt-containing catalysts were developed which combine the properties of a methanol synthesis catalyst and a Fischer-Tropsch catalyst. In this way, the catalytic conversion of synthesis gas creates a product mixture which, in addition to the higher alcohols (mainly ethanol, propanol and butanol), also has high concentrations of hydrocarbons (mainly C2 - C4 alkenes and C1 - C4 alkanes), water and CO 2 .
Verwendet wird dabei ein Katalysator; welcher Körner von nicht-graphitischem Kohlenstoff mit darin dispergierten Kobalt-Nanopartikeln umfasst, wobei die Kobalt-Nanopartikel einen mittleren Durchmesser dp im Bereich von 1 nm bis 20 nm aufweisen und die mittlere Entfernung D zwischen einzelnen Kobalt-Nanopartikeln in den Körnern aus nicht-graphitischem Kohlenstoff im Bereich von 2 nm und 150 nm liegt und ω, der kombinierte gesamte Massenbruchteil des Metalls in den Körnern aus nicht-graphitischem Kohlenstoff, im Bereich von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% der Gesamtmasse der Körner aus nicht-graphitischem Kohlenstoff liegt, wobei dp, D und ω die nachfolgende Beziehung erfüllen: 4,5 dp / ω > D ≧ 0,25 dp / ω.A catalyst is used here; which comprises grains of non-graphitic carbon with cobalt nanoparticles dispersed therein, the cobalt nanoparticles having a mean diameter d p in the range from 1 nm to 20 nm and the mean distance D between individual cobalt nanoparticles in the grains of non- graphitic carbon is in the range of 2 nm and 150 nm and ω, the combined total mass fraction of the metal in the grains of non-graphitic carbon, in the range of 30% by weight to 70% by weight of the total mass of the grains of non- graphitic carbon, where d p , D and ω satisfy the following relationship: 4.5 dp / ω> D ≧ 0.25 dp / ω.
Besonders bevorzugt verwendet man in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Katalysatormaterial, welches mit einem Metall ausgewählt aus Mn, Cu oder einem Gemisch aus diesen dotiert ist, wobei die Körner aus nicht-graphitischem Kohlenstoff ein molares Verhältnis von Kobalt zu dotiertem Metall im Bereich von 2 bis 15 aufweisen.In the process according to the invention, it is particularly preferred to use a catalyst material which is doped with a metal selected from Mn, Cu or a mixture of these, the grains of non-graphitic carbon having a molar ratio of cobalt to doped metal in the range from 2 to 15 exhibit.
Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass die vorgenannten Körner aus nicht-graphitischem Kohlenstoff mit darin dispergierten Kobalt-Nanopartikeln erhältlich sind aus wässrigen Lösungen metallischer Vorläufer und organischen Kohlenstoffquellen durch kombiniertes Sprühtrocknen oder Gefriertrocknen der wässrigen Lösung und thermische Behandlung des dabei erhaltenen Zwischenprodukts bei mäßigen Temperaturen.In experiments within the scope of the present invention it was found that the aforementioned grains of non-graphitic carbon with cobalt nanoparticles dispersed therein can be obtained from aqueous solutions of metallic precursors and organic carbon sources by combined spray-drying or freeze-drying of the aqueous solution and thermal treatment of the intermediate product obtained in this way at moderate temperatures.
Nicht-graphitischer Kohlenstoff kann von einem Fachmann identifiziert werden durch TEM-Analyse (P.W. Albers, Neutron scattering study of the terminating protons in the basic structural units of non-graphitizing and graphitizing carbons, Carbon 109 (2016), 239 - 245, page 241, figure 1c).Non-graphitic carbon can be identified by a person skilled in the art by TEM analysis (PW Albers, Neutron scattering study of the terminating protons in the basic structural units of non-graphitizing and graphitizing carbons, Carbon 109 (2016), 239 - 245, page 241 , figure 1c).
Im Vergleich zu den bisherigen Erkenntnissen und auch zu den Literatur-bekannten Beschreibungen besitzen die vorgenannten Katalysatoren überraschenderweise eine deutlich höhere Selektivität zu Alkenen als zu Alkanen (beispielsweise in der Größenordnung von etwa 3:1). Damit fallen in dem Produktgemisch neben den Alkoholen mit den Alkenen weitere Wertprodukte an, die aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht vorteilhaft stofflich und nicht energetisch genutzt werden können.In comparison to the previous knowledge and also to the descriptions known from the literature, the abovementioned catalysts surprisingly have a significantly higher selectivity for alkenes than for alkanes (for example in the order of about 3: 1). As a result, in addition to the alcohols with the alkenes, the product mixture also contains other valuable products which, from an economic and ecological point of view, can advantageously be used materially and not energetically.
Einen wichtigen Aspekt stellt im Zusammenhang mit einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auch die Trennung der Wertprodukte aus dem relativ komplexen Produktgemisch am Reaktorausgang dar. Neben den Wertprodukten Alkohole und Alkene können in dem Produktgemisch auch Restgase (je nach Einsatzgas: H2, CO, CO2, N2) und Nebenprodukte (vor allem Alkane, CO2 und H2O) enthalten sein.An important aspect in connection with an advantageous development of the invention is the separation of the products of value from the relatively complex product mixture at the reactor outlet. In addition to the products of value alcohols and alkenes, residual gases (depending on the feed gas: H 2 , CO, CO 2 , N 2 ) and by-products (especially alkanes, CO 2 and H 2 O).
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
-
1 ein beispielhaftes Prozessschema betreffend eine erste beispielhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 ein beispielhaftes Prozessschema betreffend eine zweite beispielhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
3 ein beispielhaftes Prozessschema betreffend eine dritte beispielhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
4 ein beispielhaftes Prozessschema betreffend eine vierte beispielhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
1 an exemplary process scheme relating to a first exemplary embodiment variant of the method according to the invention; -
2 an exemplary process scheme relating to a second exemplary embodiment variant of the method according to the invention; -
3 an exemplary process scheme relating to a third exemplary embodiment variant of the method according to the invention; -
4th an exemplary process scheme relating to a fourth exemplary embodiment variant of the method according to the invention;
Zunächst wird nachfolgend auf die
Das in dem Reaktor
Diese rückgeführte Gasphase kann beispielsweise neben CO, H2 und CO2 noch N2 und CH4 enthalten. Die in der Einrichtung
Die in der Trennvorrichtung
Nachfolgend wird auf die
Die in der Trennvorrichtung
Die in der Trennvorrichtung
Nachfolgend wird auf die
Nachfolgend wird auf die
Bei der in
Das in
Die Gasphasenhydroformylierung wird bevorzugt mit einem hohen CO-Überschuss (das Verhältnis CO:H2 beträgt vorzugsweise etwa 6:1, kann aber auch höher sein, beispielsweise etwa 10:1) durchgeführt (siehe auch
Bei Verwendung einer Synthesegaszusammensetzung für die katalytische Synthese höherer Alkohole von CO:H2 von etwa 1:1 (100 mol CO, 100 mol H2) und einem CO-Umsatz von beispielsweise etwa 40 % (Annahme H2-Umsatz 80 %) wird ein CO-reiches Synthesegasgemisch mit einer Zusammensetzung von CO:H2 im Verhältnis von etwa 3:1 (60 mol CO, 20 mol H2) erhalten, welches für die Hydroformylierung verwendet werden kann.When using a synthesis gas composition for the catalytic synthesis of higher alcohols from CO: H 2 of about 1: 1 (100 mol CO, 100 mol H 2 ) and a CO conversion of, for example, about 40% (assuming H 2 conversion 80%) a CO-rich synthesis gas mixture with a composition of CO: H 2 in the ratio of about 3: 1 (60 mol CO, 20 mol H 2 ), which can be used for the hydroformylation.
Des Weiteren verläuft die katalytische Synthese höherer Alkohole bei einem CO-Überschuss und einem CO:H2-Verhältnis von 2:1 (200 mol CO, 100 mol H2) mit etwas höherer Selektivität als bei einem CO:H2-Verhältnis von 1:1. Bei Verwendung einer Synthesegaszusammensetzung für die katalytische Synthese höherer Alkohole von CO:H2 gleich 2:1 und einem CO-Umsatz von beispielsweise 40 % (Annahme H2-Umsatz 80 %) wird ein CO-reiches Synthesegasgemisch mit einer Zusammensetzung von CO:H2 gleich 8:1 (160 mol CO, 20 mol H2) erhalten, welches für die Hydroformylierung verwendet werden kann. Diese Überlegungen zeigen somit, dass sich die katalytische Synthese höherer Alkohole und die Gasphasenhydroformylierung auch bezüglich des eingesetzten Synthesegasgemisches gut miteinander kombinieren lassen.Furthermore, the catalytic synthesis of higher alcohols proceeds with a CO excess and a CO: H 2 ratio of 2: 1 (200 mol CO, 100 mol H 2 ) with a slightly higher selectivity than with a CO: H 2 ratio of 1 :1. When using a synthesis gas composition for the catalytic synthesis of higher alcohols of CO: H 2 equal to 2: 1 and a CO conversion of, for example, 40% (assuming H 2 conversion 80%), a CO-rich synthesis gas mixture with a composition of CO: H 2 equal to 8: 1 (160 mol CO, 20 mol H 2 ) obtained, which can be used for the hydroformylation. These considerations thus show that the catalytic synthesis of higher alcohols and the gas-phase hydroformylation can also be combined well with one another with regard to the synthesis gas mixture used.
Beispiel 1example 1
In dem nachfolgenden Beispiel 1 wird eine exemplarische Produktzusammensetzung angegeben, die bei der katalytischen Umsetzung von Synthesegas nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung eines Katalysators erhalten wurde, welcher Körner von nicht-graphitischem Kohlenstoff mit darin dispergierten Kobalt-Nanopartikeln umfasst, wobei die Kobalt-Nanopartikel einen mittleren Durchmesser dp im Bereich von 1 nm bis 20 nm aufweisen und die mittlere Entfernung D zwischen einzelnen Kobalt-Nanopartikeln in den Körnern aus nicht-graphitischem Kohlenstoff im Bereich von 2 nm und 150 nm liegt und ω, der kombinierte gesamte Massenbruchteil des Metalls in den Körnern aus nicht-graphitischem Kohlenstoff, im Bereich von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% der Gesamtmasse der Körner aus nicht-graphitischem Kohlenstoff liegt, wobei dp, D und ω die nachfolgende Beziehung erfüllen: 4,5 dp / ω > D ≥ 0,25 dp / ω. Der verwendete Katalysator wies eine hohe C2-C4-Selektivität auf, wobei Alkohole, Alkene und Alkane gebildet wurden. Die CO-Selektivität bezüglich der Umsetzung zu Alkoholen beträgt etwa 28 %, die CO-Selektivität bezüglich der Umsetzung zu Alkenen beträgt etwa 32 %. Die genauen CO-Selektivitäten der katalytischen Umsetzung des Synthesegases ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle 1.
Tabelle 1
In diesem Beispiel wurde ein pulverförmiger Katalysator verwendet. Alternativ kann der Katalysator beispielsweise auch zu Tabletten gepresst werden.A powdery catalyst was used in this example. Alternatively, the catalyst can also be pressed into tablets, for example.
Die obige Tabelle 1 zeigt, dass bei der erfindungsgemäßen katalytischen Umsetzung von Synthesegas eine vergleichsweise hohe CO-Selektivität der Alkohole und Alkene erhalten wird. Die Selektivität zu Alkanen ist im Vergleich dazu geringer. Die Alkene können im nachfolgenden Hydroformylierungsschritt ebenfalls zu Alkoholen umgesetzt werden, so dass die Umsetzung des Synthesegases mit einer CO-Selektivität von nahezu 60 % zu Aldehyden und/oder Alkoholen durchgeführt werden kann, wobei ein Gemisch aus primären Alkoholen (Methanol, Ethanol, 1-Propanol und 1-Butanol) aus der Alkoholsynthese sowie Aldehyden (Propanal, Butanal, Pentanal) und/oder Alkoholen (Propanol, Butanol, Pentanol) aus dem Hydroformylierungsschritt erhalten wird und wobei der Methanol-Gehalt vergleichsweise gering ist. Ein solches Alkoholgemisch eignet sich beispielsweise als Kraftstoffadditiv zur Beimischung zu Benzin. Alternativ ist die Auftrennung in die einzelnen Alkohole und/oder Aldehyde möglich.Table 1 above shows that in the catalytic conversion of synthesis gas according to the invention, a comparatively high CO selectivity of the alcohols and alkenes is obtained. In comparison, the selectivity to alkanes is lower. The alkenes can also be converted to alcohols in the subsequent hydroformylation step, so that the conversion of the synthesis gas can be carried out with a CO selectivity of almost 60% to form aldehydes and / or alcohols, a mixture of primary alcohols (methanol, ethanol, 1- Propanol and 1-butanol) from the alcohol synthesis and aldehydes (propanal, butanal, pentanal) and / or alcohols (propanol, butanol, pentanol) from the hydroformylation step and the methanol content being comparatively low. Such an alcohol mixture is suitable, for example, as a fuel additive for admixture with gasoline. Alternatively, separation into the individual alcohols and / or aldehydes is possible.
Beispiel 2Example 2
Nachfolgend wird beispielhaft ein mögliches Verfahren zur Auftrennung des bei der katalytischen Umsetzung von Synthesegas erhaltenen Produktgemisches beschrieben. Das im Folgenden beschriebene beispielhafte Verfahren zur Auftrennung beschreibt die Abtrennung des durch die Umsetzung des Synthesegases erhaltenen Gemisches aus Alkoholen, Alkenen und Alkanen von der Gasphase und dessen anschließende Auftrennung in ein Gemisch aus Alkoholen und ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen. Bei Anwendung der verschiedenen Verfahrensvarianten und Umwandlung des erhaltenen Produktgemisches können die einzelne Schritte dieses Verfahrens zur Auftrennung des Produktgemisches variiert und an das nach der Umwandlung erhaltene Produktgemisch angepasst werden.A possible method for separating the product mixture obtained in the catalytic conversion of synthesis gas is described below by way of example. The exemplary method for separation described below describes the separation of the mixture of alcohols, alkenes and alkanes obtained by the reaction of the synthesis gas from the gas phase and its subsequent separation into a mixture of alcohols and a mixture of hydrocarbons. When using the various process variants and converting the product mixture obtained, the individual steps of this process for separating the product mixture can be varied and adapted to the product mixture obtained after the conversion.
InertgasentfernungInert gas removal
Nach der katalytischen Umsetzung eines Synthesegasstroms unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt ein Produktstrom bei einer Temperatur von 280 °C und einem Druck von 60 bar vor. Dieser wird zunächst in einer Turbine auf einen Druck von 5 bis 20 bar, vorzugsweise auf etwa 10 bar entspannt, wobei elektrische Energie gewonnen wird, die für den Strombedarf des Prozesses eingesetzt werden kann.After the catalytic conversion of a synthesis gas stream under the conditions of the process according to the invention, a product stream is present at a temperature of 280 ° C. and a pressure of 60 bar. This is first expanded in a turbine to a pressure of 5 to 20 bar, preferably to about 10 bar, whereby electrical energy is obtained that can be used for the power requirement of the process.
Die anschließende Gas-Flüssig-Trennung, die insbesondere zur Abtrennung der inerten Gase (Stickstoff) und nicht umgesetzter Komponenten des Synthesegases dient (Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Methan), erfolgt durch Absorption des Produktstroms in einem Dieselöl (Referenzkomponente Dodekan) oder alternativ in einem Alkan oder einem Kohlenwasserstoffgemisch mit vergleichsweise niedriger Viskosität von beispielsweise weniger als 10 mPas bei Raumtemperatur und mit vorzugsweise einem vergleichsweise hohen Siedepunkt von insbesondere mehr als 200 °C. Das Wasser wird dabei nicht absorbiert, sondern zum großen Teil als zweite flüssige Phase kondensiert.The subsequent gas-liquid separation, which is used in particular to separate the inert gases (nitrogen) and unconverted components of the synthesis gas (hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and methane), takes place by absorbing the product flow in a diesel oil (reference component Dodecane) or alternatively in an alkane or a hydrocarbon mixture with a comparatively low viscosity of, for example, less than 10 mPas at room temperature and preferably a comparatively high boiling point of in particular more than 200 ° C. The water is not absorbed, but largely condenses as a second liquid phase.
In einem Dekanter können anschließend die beiden flüssigen Phasen (organische Phase und wässrige Phase) getrennt werden, wobei die Kohlenwasserstoffe kaum, die Alkohole aber teilweise in die wässrige Phase gehen. Beispielsweise mittels einer ersten Kolonne können die Alkohole als Azeotrope wieder aus dem Wasser herausdestilliert werden. Alkohole, Kohlenwasserstoffe und gegebenenfalls Aldehyde werden danach aus dem Dieselöl desorbiert, was in einer Kolonne erfolgen kann. Das Dieselöl kann nach der Desorption in den Absorptionsprozess zurückgeführt werden. Bei kleineren Inertgasanteilen im Produktstrom der katalytischen Umsetzung von Synthesegas kann alternativ auch eine Kondensation der leichtsiedenden Komponenten in Betracht kommen.The two liquid phases (organic phase and aqueous phase) can then be separated in a decanter, whereby the hydrocarbons hardly go into the aqueous phase, but some of the alcohols. For example, the alcohols can be distilled out of the water again as azeotropes by means of a first column. Alcohols, hydrocarbons and possibly aldehydes are then desorbed from the diesel oil, which can be done in a column. After desorption, the diesel oil can be returned to the absorption process. In the case of smaller proportions of inert gas in the product stream of the catalytic conversion of synthesis gas, a condensation of the low-boiling components can alternatively also come into consideration.
Trennung Alkohole/KohlenwasserstoffeSeparation of alcohols / hydrocarbons
Die Trennung von Alkoholen und Kohlenwasserstoffen und gegebenenfalls Aldehyden erfolgt durch Destillation in einer zweiten Kolonne vorzugsweise bei einem hohen Druck von beispielsweise 10 bar bis 40 bar, damit die C3-Anteile auch in Gegenwart gegebenenfalls vorhandener Reste von Inertgas noch kondensierbar bleiben. Diese Trennung wird vorzugsweise so gefahren, dass die Kohlenwasserstoffe praktisch vollständig aus der Alkoholfraktion am Sumpf entfernt werden, während kleinere Alkoholgehalte (insbesondere Methanol) in den Kohlenwasserstoffen toleriert werden können. Gegebenenfalls kann dieser Prozess durch eine löslichkeitsgetriebene Membran unterstützt werden.The separation of alcohols and hydrocarbons and optionally aldehydes is carried out by distillation in a second column, preferably at a high pressure of, for example, 10 bar to 40 bar, so that the C3 components still remain condensable in the presence of any residues of inert gas. This separation is preferably carried out in such a way that the hydrocarbons are practically completely removed from the alcohol fraction at the bottom, while lower alcohol contents (in particular methanol) in the hydrocarbons can be tolerated. If necessary, this process can be supported by a solubility-driven membrane.
Darstellung der KohlenwasserstoffeRepresentation of the hydrocarbons
In einer dritten Destillationskolonne werden bei erhöhtem Druck von beispielsweise 5 bar bis 20 bar die Kohlenwasserstoffe am Kopf gewonnen, während im Sumpf das restliche Wasser sowie die darin gelösten Alkohole und gegebenenfalls Aldehyde anfallen und abgetrennt werden. Dieser Strom kann zur Rückgewinnung der Alkohole und gegebenenfalls Aldehyde in die erste Destillationskolonne zurückgeführt werden. Der Kondensator der Kolonne kann beispielsweise ein Partialkondensator sein. Die Ausgänge der Kolonne sind eine Gasphase aus Kohlenwasserstoffen und Inerten, eine flüssige Phase aus Kohlenwassersstoffen sowie eine wässrige Phase, die als Rücklauf zurück in die Kolonne gehen kann.In a third distillation column, the hydrocarbons are obtained at the top at an elevated pressure of, for example, 5 bar to 20 bar, while the remaining water and the alcohols dissolved therein and optionally aldehydes are obtained and separated off in the bottom. This stream can be returned to the first distillation column to recover the alcohols and, if appropriate, aldehydes. The condenser of the column can, for example, be a partial condenser. The outputs of the column are a gas phase made of hydrocarbons and inerts, a liquid phase made of hydrocarbons and an aqueous phase that can return to the column as reflux.
Entwässerung der AlkoholfraktionDehydration of the alcohol fraction
Die Alkoholfraktion kann einen Wassergehalt von beispielsweise etwa 10 % haben. Dieses Wasser kann beispielsweise mittels eines Molekularsiebes entfernt werden.The alcohol fraction can have a water content of, for example, about 10%. This water can be removed, for example, by means of a molecular sieve.
Als alternative Methode zur Entfernung des Wassers aus der Alkoholfraktion kommt die Extraktivdestillation beispielsweise mit Ethylenglykol in Betracht, welche aber einen weiteren Trennschritt erfordert, da das Wasser vom Ethylenglykol mit in den Sumpf gezogen wird, während die Alkohole Methanol und Ethanol praktisch wasserfrei über Kopf gehen. Das Propanol verbleibt etwa zur Hälfte und das Butanol verbleibt ganz im Sumpf und in einer nachfolgenden Kolonne müssen diese C3-C4-Alkohole ebenfalls über Kopf aus dem Ethylenglykol entfernt werden.An alternative method for removing the water from the alcohol fraction is extractive distillation, for example with ethylene glycol, which, however, requires a further separation step, since the water is drawn into the sump from the ethylene glycol, while the alcohols methanol and ethanol are practically anhydrous overhead. About half of the propanol remains and the butanol remains entirely in the bottom and these C3-C4 alcohols must also be removed from the ethylene glycol via the top in a subsequent column.
Als dritte Alternative kommt die Pervaporation in Frage. Dabei geht Wasser selektiv durch eine Membran und wird als Permeat dampfförmig abgezogen. Der Energieverbrauch ist noch kleiner als bei einem Molekularsieb.The third alternative is pervaporation. Water passes selectively through a membrane and is withdrawn in vapor form as permeate. The energy consumption is even lower than with a molecular sieve.
Weitere alternative Methode wäre eine Azeotropdestillation z.B. mit Butan oder Pentan als selektivem Zusatzstoff.Another alternative method would be an azeotropic distillation, e.g. with butane or pentane as a selective additive.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- FeedstromFeed stream
- 1111
- Synthesegaserzeugung/Konditionierung SynthesegasSynthesis gas generation / conditioning synthesis gas
- 11a11a
- SynthesegasSynthesis gas
- 1212th
- Reaktorreactor
- 1313th
- Leitungmanagement
- 1414th
- Einrichtung zur TrennungSeparation facility
- 1515th
- Leitungmanagement
- 1616
- Leitungmanagement
- 1717th
- TrennvorrichtungSeparator
- 1818th
- Leitungmanagement
- 1919th
- Einrichtung zur AufreinigungPurification facility
- 2020th
- Leitungmanagement
- 2121
- Reaktor zur HydroformylierungHydroformylation reactor
- 21 a21 a
- Reaktor zur HydroformylierungHydroformylation reactor
- 21 b21 b
- Reaktor zur HxdroformylierungReactor for hydroformylation
- 21 c21 c
- Reaktor zur HydroformylierungHydroformylation reactor
- 2222nd
- Leitungmanagement
- 2323
- Leitungmanagement
- 2424
- TrennvorrichtungSeparator
- 2525th
- Leitungmanagement
- 2626th
- Einrichtung zur partiellen OxidationPartial oxidation device
- 2727
- Leitungmanagement
- 2828
- Leitungmanagement
- 2929
- Leitungmanagement
- 3030th
- Trennvorrichtung im mehrere Cx-SchnitteSeparating device in several Cx cuts
- 31 a31 a
- Leitungmanagement
- 31 b31 b
- Leitungmanagement
- 31 c31 c
- Leitungmanagement
- 3232
- Leitungmanagement
- 3333
- Leitungmanagement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 3130399 A1 [0005]EP 3130399 A1 [0005]
- DE 4242725 A1 [0006]DE 4242725 A1 [0006]
- US 6756411 B2 [0007]US 6756411 B2 [0007]
- US 6861450 B2 [0008]US 6861450 B2 [0008]
- US 6982355 B2 [0009]US 6982355 B2 [0009]
- US 9073804 B2 [0010]US 9073804 B2 [0010]
- EP 000003130399 A1 [0054, 0091]EP 000003130399 A1 [0054, 0091]
- WO 2015/086151 A1 [0056]WO 2015/086151 A1 [0056]
Claims (19)
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-
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