-
Die Erfindung betrifft ein kontinuierlich
betriebenes Verfahren zur Reindestillation des bei der Propylenoxidsynthese
durch Umsetzung eines Hydroperoxids mit Propylen als Lösungsmittel
verwendeten Methanols unter gleichzeitiger Abtrennung der Methoxypropanole
und der Schwersieder unter Verwendung einer Trennwandkolonne. Dabei
wird das bei der Synthese anfallende Lösungsmittelgemisch in eine
Leichtsiederfraktion, die Methanol, in eine Mittelsiederfraktion,
die die Methoxypropanole als Azeotrop mit Wasser und eine Schwersiederfraktion,
die Wasser enthält,
aufgetrennt. In einer besonderen Ausführungsform kann die Trennwandkolonne
auch in Form zweier thermisch gekoppelter Kolonnen vorliegen.
-
Nach den gängigen Verfahren des Standes
der Technik kann Propylenoxid durch Umsetzung von Propylen mit Hydroperoxiden
hergestellt werden, wobei diese Umsetzungen einstufig oder mehrstufig
durchgeführt
werden können.
-
Beispielsweise sieht das in der WO
00/07965 beschriebene mehrstufige Verfahren vor, dass die Umsetzung
wenigstens die Schritte (i) bis (iii) umfasst: (i) Umsetzung des
Hydroperoxids mit Propylen unter Erhalt eines Produktgemisches,
umfassend Propylenoxid und nicht umgesetztes Hydroperoxid, (ii)
Abtrennung des nicht umgesetzten Hydroperoxids aus der aus Stufe
(i) resultierenden Mischung, (iii) Umsetzung des abgetrennten Hydroperoxids
aus Stufe (ii) mit Propylen.
-
Demgemäss findet die Umsetzung von
Propylen mit dem Hydroperoxid in mindestens zwei Stufen (i) und
(iii) statt, wobei das in Stufe (ii) abgetrennte Hydroperoxid erneut
in die Reaktion eingesetzt wird.
-
Die Umsetzungen in den Stufen (i)
und (iii) erfolgen dabei in zwei getrennten Reaktoren, die vorzugsweise
als Festbettreaktoren ausgerüstet
sind. Dabei ist es günstig,
die Stufe (i) unter weitgehend isothermer und die Stufe (iii) unter
adiabatischer Reaktionskontrolle durchzuführen. Es ist gleichfalls vorteilhaft,
die Umsetzung heterogen zu katalysieren.
-
Vorzugsweise wird diese Reaktionsfolge
in einem Lösungsmittel
durchgeführt
und als Hydroperoxid Wasserstoffperoxid verwendet. Besonders bevorzugtes
Lösungsmittel
ist Methanol.
-
Hierbei erreicht der Wasserstoffperoxid-Umsatz
in Stufe (i) ca. 85 % bis 90 und in Stufe (iii) ca. 95 % bezogen
auf die Stufe (ii). In der Summe beträgt über beide Stufen der Wasserstoffperoxidumsatz
ca. 99 % bei einer Propylenoxid-Selektivität von ca.
94 bis 95 %.
-
Wegen der hohen Selektivität der Reaktion
wird dieses Verfahren auch als koppelproduktfreie Propylenoxidsynthese
bezeichnet.
-
Das Propylenoxid muss aus einem Gemisch
abgetrennt werden, das noch Methanol als Lösungsmittel, Wasser, Wasserstoffperoxid
als Hydroperoxid sowie Nebenprodukte enthält. Nebenprodukte sind beispielsweise
die Methoxypropanole bestehend aus 1-Methoxy-2-propanol und 2-Methoxy-1-propanol,
die durch Reaktion von Propylenoxid mit Methanol entstehen. Ferner
sind im Gemisch auch Propylenglykole, Hydroperoxypropanole, Acetaldehyd
und Methylformiat vorhanden.
-
Methoxypropanole können beispielsweise
als Lösungsmittel
in Lacksystemen eingesetzt werden können. In der Aufarbeitung fallen
sie in einem Strom an, der neben den Methoxypropanolen Methanol,
Wasser und Propylenglykol enthält.
-
Die bisher durchgeführten Trennverfahren
zur Wiedergewinnung besagter Wertstoffe wurde bisher typischerweise
in Destillationskolonnen mit Seitenabzug oder in Kolonnen in Reihenschaltung
durchgeführt.
Diese Vorgehensweise ist aufwendig, da sie einen erhöhten energetischen
und apparativen Aufwand erfordert.
-
Es war Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die Reindestillation des bei der vorzugsweise koppelproduktfreien
Propylenoxidsynthese durch Umsetzung eines Hydroperoxids mit Propylen
als Lösungsmittel
eingesetzten Methanols unter gleichzeitiger Gewinnung der Methoxypropanole
und Absenkung des sonst üblichen
Energiebedarfs zu optimieren. Dabei sollte das Lösungsmittel in einer Qualität erhalten
werden, die die Wiederverwendbarkeit für die genannte Propylenoxidsynthese
gewährleistet.
-
Diese Aufgabe konnte durch ein kontinuierlich
betriebenes Verfahren zur Reindestillation des bei der vorzugsweise
koppelproduktfreien Propylenoxidsynthese durch Umsetzung eines Hydroperoxids
mit Propylen als Lösungsmittel
verwendeten Methanols und der Methoxypropanole in einer Trennwandkolonne
gelöst
werden.
-
Gegenstand der Erfindung ist somit
ein Verfahren zur kontinuierlich betriebenen zur Reindestillation des
bei der Propylenoxidsynthese durch Umsetzung eines Hydroperoxids
mit Propylen als Lösungsmittel
verwendeten Methanols unter gleichzeitiger Abtrennung der Methoxypropanole
und der Schwersieder, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Synthese
anfallende Lösungsmittelgemisch
in einer Trennwandkolonne in eine Leichtsiederfraktion, die Methanol,
in eine Mittelsiederfraktion, die die Methoxypropanole als Azeotrop
mit Wasser und eine Schwersiederfraktion, die Wasser und Propylenglykol
enthält,
aufgetrennt wird.
-
Erfindungsgemäß werden dabei das Methanol über den
Kopf der Kolonne abdestilliert, die Methoxypropanole als Azeotrop
mit Wasser über
den Seitenabzug und die Schwersieder mit dem Sumpf der Trennwandkolonne
entnommen.
-
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann das Methanol in so reiner Form gewonnen werden, dass es beispielsweise
als Lösungsmittel
für die
Propylenoxidsynthese wiederverwendet werden kann. Auch die Methoxypropanole
fallen im Gemisch als Azeotrop mit Wasser in guter Reinheit an.
Im Vergleich zu den beim Stand der Technik geschilderten Verfahren
führt das
neue erfindungsgemäße Verfahren
zu einem reduzierten apparativen Aufwand. Darüber hinaus zeichnet sich die
Trennwandkolonne durch einen besonders niedrigen Energieverbrauch
aus und bietet somit hinsichtlich des Energiebedarfs gegenüber einer
konventionellen Kolonne oder einer Anordnung von konventionellen
Kolonnen Vorteile. Für
die industrielle Anwendung ist dies außerordentlich vorteilhaft.
-
Destillationskolonnen mit Seitenabzügen und
Trennwand, im Folgenden auch als Trennwandkolonnen bezeichnet, sind
bereits bekannt. Sie stellen eine Weiterentwicklung von Destillationskolonnen
dar, die nur über
einen Seitenabzug aber über
keine Trennwand verfügen.
Die Anwendungsmöglichkeit
des zuletzt genannten Kolonnentyps ist eingeschränkt, weil die an der Seitenabzugsstelle
entnommenen Produkte nie völlig rein
sind. Bei Seitenabnahmen im Verstärkungsteil der Kolonne, die üblicherweise
in flüssiger
Form erfolgen, enthält
das Seitenprodukt noch Anteile an leichtsiedenden Komponenten, die über Kopf
abgetrennt werden sollen. Bei Seitenabnahmen im Abtriebsteil der
Kolonne, die meist dampfförmig
erfolgen, weist das Seitenprodukt noch Hochsiederanteile auf. Die
Verwendung von konventionellen Seitenabzugskolonnen ist daher auf Fälle begrenzt,
in denen verunreinigte Seitenprodukte zulässig sind.
-
Beim Einbau einer Trennwand in eine
solche Kolonne kann jedoch die Trennwirkung verbessert werden. Bei
dieser Bauart ist es möglich,
Seitenprodukte in reiner Form zu entnehmen. Im mittleren Bereich
oberhalb und unterhalb der Zulaufstelle und der Seitenentnahmestelle
ist eine Trennwand angebracht, wobei diese fest verschweißt oder
auch nur gesteckt werden kann. Sie dichtet den Entnahmeteil gegenüber dem
Zulaufteil ab und unterbindet in diesem Kolonnenteil eine Quervermischung
von Flüssigkeits-
und Brüdenströmen über den
gesamten Kolonnenquerschnitt. Hierdurch verringert sich bei der
Auftrennung von Vielstoffgemischen, deren Komponenten ähnliche
Siedepunkte besitzen, die Zahl der insgesamt benötigten Destillationskolonnen.
-
Dieser Kolonnentyp wurde beispielsweise
zur Trennung einer Komponentenvorlage aus Methan, Ethan, Propan
und Butan verwendet (
US 2,471,134 ),
zur Trennung eines Gemisches von Benzol, Toluol und Xylol (
US 4,230,533 ) sowie zur
Trennung eines Gemisches aus n-Hexan, n-Heptan und n-Octan (
EP 0 122 367 ).
-
Auch zur Trennung azeotrop siedender
Mischungen können
Trennwandkolonnen erfolgreich eingesetzt werden (
EP 0 133 510 ).
-
Schließlich sind auch Trennwandkolonnen,
in denen chemische Reaktionen unter gleichzeitiger Destillation
der Produkte durchgeführt
werden können,
bekannt. Als Beispiele werden Veresterungen, Umesterungen, Verseifungen
sowie Acetalisierungen genannt (
EP
0 126 288 ).
-
In 1 ist
schematisch die Reindestillation des bei der Propylenoxidsynthese
als Lösungsmittel
verwendeten Methanols unter gleichzeitiger Abtrennung der Methoxypropanole
und der Schwersieder in einer Trennwandkolonne mit einer Seitenabzugsstelle
dargestellt.
-
Dabei wird das aus der Propylenoxidsynthese
stammende Lösungsmittelgemisch über den
Zulauf Z kontinuierlich in die Trennwandkolonne eingebracht. In
der Kolonne wird besagtes Gemisch aufgetrennt in die Leichtsiederfraktion
L, die Methanol enthält,
in die Mittelsiederfraktion M, die die Methoxypropanole als Azeotrop
mit Wasser enthält,
und in die Schwersiederfraktion S, die Wasser enthält.
-
Die Leichtsiederfraktion L wird über den
Kopf der Kolonne entnommen und mit dem Kondensator K kondensiert.
Am Seitenabzug für
Mittelsieder M werden die Methoxypropanole als Azeotrop mit Wasser
in flüssiger
oder dampfförmiger
Form entnommen. Zur Entnahme an der Seitenentnahmestelle eignen
sich sowohl innenliegende als auch außerhalb der Kolonne angeordnete
Auffangräume,
in denen die Flüssigkeit
oder kondensierender Dampf gesammelt werden kann. Die Schwersiederfraktion
S wird mit dem Sumpf der Kolonne entnommen. Die Energiezufuhr erfolgt
dabei über
den Verdampfer V.
-
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Trennwandkolonne verwendet, die vorzugsweise 15 bis 60,
mehr bevorzugt 20 bis 35, theoretische Trennstufen besitzt. Mit
dieser Ausführung kann
das erfindungsgemäße Verfahren
besonders günstig
durchgeführt
werden.
-
Demzufolge ist das erfindungsgemäße Verfahren
dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwandkolonne 15 bis 60 theoretische
Böden besitzt.
-
Dabei weist der obere gemeinsame
Teilbereich 1 des Zulauf- und Entnahmeteils der Trennwandkolonne
vorzugsweise 5 bis 50 %, mehr bevorzugt 15 bis 30 %, der Verstärkungsteil 2 des
Zulaufteils vorzugsweise 5 bis 50 %, mehr bevorzugt 15 bis 30 %,
der Abtriebsteil 4 des Zulaufteils vorzugsweise 5 bis 50
%, mehr bevorzugt 15 bis 30 %, der Abtriebsteil 3 des Entnahmeteils
vorzugsweise 5 bis 50 %, mehr bevorzugt 15 bis 30 %, der Verstärkungsteil 5 des
Entnahmeteils vorzugsweise 5 bis 50 %, mehr bevorzugt 15 bis 30
%, und der gemeinsame untere Teilbereich 6 des Zulauf-
und Entnahmeteils der Trennwandkolonne vorzugsweise 5 bis 50 %,
mehr bevorzugt 15 bis 30 %, der Gesamtzahl der theoretischen Trenn stufen
der Kolonne auf. Die Trennwand 7 verhindert die Vermischung
von Flüssigkeits-
und Brüdenströmen.
-
Vorzugsweise beträgt die Summe der Zahl der theoretischen
Trennstufen der Teilbereiche 2 und 4 im Zulaufteil
80 bis 110 %, mehr bevorzugt 90 bis 100 %, der Summe der Zahl der
Trennstufen der Teilbereiche 3 und 5 im Entnahmeteil.
-
Gleichfalls günstig ist es, die Zulaufstelle
und die Seitenabzugsstelle hinsichtlich der Lage der theoretischen
Trennstufen auf unterschiedlicher Höhe in der Kolonne anzuordnen.
Vorzugsweise ist die Zulaufstelle um 1 bis 8, mehr bevorzugt um
3 bis 5, theoretische Trennstufen höher oder niedriger angeordnet
als die Seitenabzugsstelle.
-
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren
verwendete Trennwandkolonne kann vorzugsweise sowohl als Packungskolonne
mit Füllkörpern oder
geordneten Packungen oder als Bodenkolonne ausgeführt werden. Beispielsweise
können
als geordnete Packungen Blech- oder Gewebepackungen mit einer spezifischen
Oberfläche
von 100 bis 1000 m2/m3,
bevorzugt etwa 250 bis 750 m2/m3 eingesetzt
werden. Solche Packungen bieten eine hohe Trennleistung bei gleichzeitig
niederem Druckverlust pro Trennstufe.
-
Vorzugsweise wird bei vorstehend
genannter Ausführung
der Kolonne der durch die Trennwand unterteilte Teilbereich der
Kolonne bestehend aus dem Verstärkungsteil 2 des
Zulaufteils, dem Abtriebsteil 3 des Entnahmeteils, dem
Abtriebsteil 4 des Zulaufteils und dem Verstärkungsteil 5 oder
Teilen davon mit geordneten Packungen oder Füllkörpern bestückt, und die Trennwand 7 in
diesen Teilbereichen wärmeisolierend
ausgeführt.
-
Das zu trennende Lösungsmittelgemisch
wird in Form des Zulaufstroms, der die Leicht-, Mittel- und Hochsieder
enthält, über den
Zulauf Z kontinuierlich in die Kolonne eingebracht. Dieser Zulaufstrom
ist im allgemeinen flüssig.
Es kann je doch von Vorteil sein, den Zulaufstrom einer Vorverdampfung
zu unterziehen, und anschließend
zweiphasig, d. h. gasförmig
und flüssig
oder in Form eines gasförmigen
und eines flüssigen
Stromes der Kolonne zuzuführen.
Diese Vorverdampfung bietet sich besonders dann an, wenn der Zulaufstrom größere Mengen
an Leichtsiedern enthält.
Durch die Vorverdampfung kann der Abtriebsteil der Kolonne wesentlich
entlastet werden.
-
Zweckmäßigerweise wird der Zulaufstrom
mittels einer Pumpe oder über
eine statische Zulaufhöhe von
mindestens 1 m mengengeregelt in den Zulaufteil aufgegeben. Vorzugsweise
erfolgt diese Zugabe über eine
Kaskadenregelung in Verbindung mit der Flüssigkeitsstandregelung des
Auffangraumes des Zulaufteils. Dabei wird die Regelung so eingestellt,
dass die auf das Verstärkungsteil 2 aufgegebene
Flüssigkeitsmenge nicht
unter 30 % des Normalwertes sinken kann. Es hat sich gezeigt, dass
eine derartige Vorgehensweise zur Kompensation von störenden Schwankungen
bezüglich
der Zulaufinenge oder der Zulaufkonzentration wichtig ist.
-
Ähnlich
wichtig ist, dass die Aufteilung der aus dem Abtriebsteil 3 des
Entnahmeteils der Kolonne ablaufenden Flüssigkeit auf den Seitenabzug
und auf den Verstärkungsteil 5 des
Entnahmeteils durch eine Regelung so eingestellt wird, dass die
auf den Teilbereich 5 aufgegebene Flüssigkeitsmenge nicht unter
30 % des Normalwertes sinken kann.
-
Die Einhaltung dieser Voraussetzungen
muss durch entsprechende Regelvorschriften sichergestellt werden.
-
Regelungsmechanismen zum Betreiben
von Trennwandkolonnen wurden beispielsweise beschrieben in Chem.
Eng. Technol. 10 (1987) 92–98,
Chem.-Ing.-Technol.
61 (1989) Nr. 1, 16–25,
Gas Separation and Purification 4 (1990) 109– 114, Process
Engineering 2 (1993) 33–34, Trans IChemE 72 (1994)
Part A 639– 644, Chemical
Engineering 7 (1997) 72–76). Die bei diesem Stand
der Technik angegebenen Regelungsmechanismen können auch für das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet bzw. auf dieses übertragen
werden.
-
Für
die kontinuierlich betriebene Reindestillation des Lösungsmittels
hat sich nachfolgend beschriebenes Regelungsprinzip als besonders
günstig
erwiesen. Es ist in der Lage, Lastschwankungen gut zu verkraften.
Vorzugsweise erfolgt somit die Destillatentnahmetemperaturgeregelt.
-
Im oberen Kolonnenteil 1 ist
eine Temperaturregelung vorgesehen, die als Stellgröße die Ablaufmenge,
das Rücklaufverhältnis oder
bevorzugt die Rücklaufinenge
nutzt. Dabei befindet sich die Messstelle für die Temperaturregelung vorzugsweise
um drei bis acht, mehr bevorzugt um vier bis sechs, theoretische
Trennstufen unterhalb des unteren Endes der Kolonne.
-
Durch eine geeignete Temperatureinstellung
wird dann die aus dem Kolonnenteil 1 ablaufende Flüssigkeit
am oberen Ende der Trennwand 7 so aufgeteilt, dass das
Verhältnis
des Flüssigkeitsstroms
zum Zulaufteil zu dem zum Entnahmeteil vorzugsweise 0,1 bis 1,0,
mehr bevorzugt 0,3 bis 0,6, beträgt.
-
Vorzugsweise wird bei dieser Methode
die ablaufende Flüssigkeit
in einem in oder außerhalb
der Kolonne angeordneten Auffangraum gesammelt, woraus sie dann
kontinuierlich in die Kolonne eingespeist wird. Dieser Auffangraum
kann somit die Aufgabe einer Pumpenvorlage übernehmen oder für eine ausreichend hohe
statische Flüssigkeitshöhe sorgen,
die eine durch Stellorgane, beispielsweise Ventile, geregelte Flüssigkeitsweiterleitung
ermöglicht.
Bei der Verwendung von gepackten Kolonnen wird die Flüssigkeit
zunächst
in Sammler gefasst und von dort aus in einen innenliegenden oder
außenliegenden
Auffangraum geleitet.
-
Der Brüdenstrom am unteren Ende der
Trennwand 7 wird durch die Wahl und/oder Dimensionierung der
Trenneinbauten und/oder den Einbau druckmindernder Vorrichtungen,
beispielsweise von Blenden, so eingestellt, dass das Ver hältnis des
Brüdenstroms
im Zulaufteil zu dem des Entnahmeteils vorzugsweise 0,8 bis 1,2,
bevorzugt 0,9 bis 1,1, beträgt.
-
Beim vorstehend genannten Regelprinzip
ist des weiteren eine Temperaturregelung im unteren gemeinsamen
Kolonnenteil 6 vorgesehen, die als Stellgröße die Sumpfentnahmemenge
nutzt. Somit kann die Entnahme des Sumpfprodukts temperaturgeregelt
erfolgen. Dabei ist die Messstelle für die Temperaturregelung vorzugsweise
um drei bis sechs, mehr bevorzugt vier bis sechs, theoretische Trennstufen
oberhalb des unteren Endes der Kolonne angeordnet.
-
Zusätzlich kann die genannte Standregelung
am Kolonnenteil 6 (Kolonnensumpf) als Stellgröße für die Seitenentnahmemenge
genutzt werden. Hierzu wird als Regelgröße der Flüssigkeitsstand im Verdampfer
verwendet.
-
Als Stellgröße der Heizleistung kann auch
der Differenzdruck über
die Kolonne genutzt werden. Günstigerweise
wird die Destillation bei einem Kopfdruck zwischen 1 und 15 bar,
bevorzugt zwischen 5 und 13 bar, durchgeführt. Dementsprechend wird zur
Einhaltung dieses Druckbereiches die Heizleistung des Verdampfers am
Kolonnenboden gewählt.
-
Dabei resultiert eine Destillationstemperatur,
die vorzugsweise zwischen 30 und 140 °C, mehr bevorzugt zwischen 60
und 140 °C
und insbesondere zwischen 100 und 130 °C liegt. Die Destillationstemperatur wird
dabei im Kopf der Kolonne gemessen.
-
Demzufolge ist das erfindungsgemäße Verfahren
dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zwischen 1 und 15 bar und
die Destillationstemperatur 30 bis 140 °C beträgt, jeweils gemessen im Kopf
der Kolonne.
-
Um die Trennwandkolonne störungsfrei
betreiben zu können,
werden die vorstehend genannten Regelmechanismen zumeist in Kombination
angewendet.
-
Bei der Trennung von Mehrstoffgemischen
in eine Leichtsieder-, Mittelsieder- und Schwersiederfraktion existieren üblicherweise
Spezifikationen über
den maximal zulässigen
Anteil an Leichtsiedern und Schwersiedern in der Mittelsiederfraktion.
Hierbei werden entweder einzelne für das Trennproblem kritische
Komponenten, sogenannte Schlüsselkomponenten,
oder die Summe von mehreren Schlüsselkomponenten
spezifiziert.
-
Die Einhaltung der Spezifikation
für die
Hochsieder in den Mittelsiederfraktionen wird vorzugsweise über das
Aufteilungsverhältnis
der Flüssigkeitsmenge
am oberen Ende der Trennwand 7 geregelt. Dabei wird das
Aufteilungsverhältnis
so eingestellt, dass die Konzentration an Schlüsselkomponenten für die Hochsiederfraktion
in der Flüssigkeit
am oberen Ende der Trennwand 10 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 30 bis
50 Gew.-%, des Wertes ausmacht, der in den Seitenabzügen erzielt
werden soll. Die Flüssigkeitsaufteilung
kann dann so eingestellt werden, dass bei höheren Gehalten an Schlüsselkomponenten
der Hochsiederfraktion mehr und bei niedrigeren Gehalten an Schlüsselkomponenten
weniger Flüssigkeit
auf den Zulaufteil geleitet wird.
-
Entsprechend wird die Spezifikation
für die
Leichtsieder in der Mittelsiederfraktion durch die Heizleistung
geregelt. Hierbei wird die Heizleistung im Verdampfer so eingestellt,
dass die Konzentration an Schlüsselkomponenten
für die
Leichtsiederfraktion in der Flüssigkeit
am unteren Ende der Trennwand 10 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 30 bis
50 Gew.-%, des Wertes ausmacht, der in den Seitenabzugsprodukten
erzielt werden soll. Somit wird die Heizleistung dahingehend eingestellt,
dass bei höherem
Gehalt an Schlüsselkomponenten der
Leichtsiederfraktion die Heizleistung erhöht und bei niedrigerem Gehalt
an Schlüsselkomponenten
der Leichtsiederfraktion die Heizleistung verringert wird.
-
Die Konzentration von Leicht- und
Schwersiedern in der Mittelsiederfraktion kann nach üblichen
Analysemethoden ermittelt werden. Beispielsweise kann zur Detektion
Infrarot-Spektroskopie verwendet werden, wobei die im Reaktionsge misch
vorliegenden Verbindungen an Hand ihrer charakteristischen Absorptionen identifiziert
werden. Diese Messungen können
inline direkt in der Kolonne vorgenommen werden. Bevorzugt werden
jedoch gaschromatographische Methoden verwendet. Hierbei ist dann
vorgesehen, dass das obere und untere Ende der Trennwand Probeentnahmemöglichkeiten
aufweist. Somit können
aus der Kolonne kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen flüssige oder
gasförmige
Proben entnommen und hinsichtlich ihrer Zusammensetzung untersucht
werden. In Abhängigkeit
von der Zusammensetzung kann dann auf die entsprechenden Regelmechanismen
zurückgegriffen
werden.
-
Es ist ein Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Methanol und die Methoxypropanole als Azeotrop mit Wasser mit einer
Reinheit von vorzugsweise mindestens 95 % zur Verfügung zu
stellen.
-
In einer speziellen Ausführung der
Trennwandkolonne ist es auch möglich,
Zulaufteil und Entnahmeteil, die durch die Trennwand 7 voneinander
separiert sind, nicht in einer Kolonne zu vereinen, sondern räumlich voneinander
zu trennen. Somit kann in dieser speziellen Ausführung die Trennwandkolonne
auch aus mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Kolonnen
bestehen, die dann aber miteinander thermisch gekoppelt sein müssen.
-
Demzufolge ist das erfindungsgemäße Verfahren
auch dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwandkolonne in Form zweier
thermisch gekoppelter Kolonnen ausgeführt ist.
-
Solche thermisch miteinander gekoppelten
Kolonnen tauschen im Allgemeinen sowohl Dampf und Flüssigkeit
miteinander aus. In speziellen Ausführungsformen ist es aber auch
möglich,
dass sie nur Flüssigkeit
miteinander austauschen. Diese spezielle Ausführung bietet dann den Vorteil,
dass die thermisch miteinander gekoppelten Kolonnen auch unter verschiedenen
Drücken
betrieben werden können, wobei
eine noch bessere Einstellung des zur Destillation erforderlichen
Temperaturniveaus möglich
sein kann als bei der herkömmlichen
Trennwandkolonne.
-
Im Allgemeinen werden besagte thermisch
gekoppelten Kolonnen so betrieben, dass die Leichtsiederfraktion
und die Schwersiederfraktion aus verschiedenen Kolonnen entnommen
werden. Vorzugsweise wählt man
den Betriebsdruck der Kolonne, an der die Leichtsiederfraktion entnommen
wird, im Allgemeinen um etwa 0,5 bis 3 bar höher als den Druck in der Kolonne,
an der die Schwersiederfraktion entnommen wird.
-
Ferner kann es bei gekoppelten Kolonnen
günstig
sein, Sumpfströme
in einem zusätzlichen
Verdampfer teilweise oder ganz zu verdampfen und erst danach der
nächsten
Kolonne zuzuführen.
Diese Vorverdampfung bietet sich insbesondere dann an, wenn der
Sumpfstrom der ersten Kolonne größere Mengen
an Mittelsieder enthält.
In diesem Fall kann die Vorverdampfung auf einem niedrigerem Temperaturniveau
erfolgen und der Verdampfer der zweiten Kolonne entlastet werden,
sofern diese Kolonne mit einem Verdampfer ausgerüstet ist. Weiterhin wird durch
diese Maßnahme
der Abtriebsteil der zweiten Kolonne wesentlich entlastet. Der vorverdampfte
Strom kann dabei der nachfolgenden Kolonne zweiphasig oder in Form
von zwei separaten Strömen
zugeführt
werden.
-
Umgekehrt ist es aber auch möglich, leichtsiedende
Kopfströme
teilweise oder ganz zu kondensieren, bevor sie der nächsten Kolonne
zugeführt
werden. Auch diese Maßnahme
kann dazu beitragen, eine bessere Trennung zwischen Leichtsiedern
und darin enthaltenen Mittelsiedern herbeizuführen.
-
In weiteren Ausführungsformen ist das erfindungsgemäße Verfahren
dann auch dadurch gekennzeichnet, dass der aus einer der gekoppelten
Kolonnen entnommene flüssige
Sumpfstrom teilweise oder ganz verdampft wird, bevor er der anderen
Kolonne zugeführt
wird, und/oder der aus einer der gekoppelten Kolonnen entnommene
dampfförmige
Kopfstrom teilweise oder ganz kondensiert wird, bevor er der anderen
Kolonne zugeführt
wird.
-
Beispiele für Trennwandkolonnen in der
speziellen Ausführung
der thermisch gekoppelten Kolonnen sind schematisch in den 2, 3, 4 und 5 dargestellt. Erfindungsgemäß können mit
diesen Anordnungen die Leichtsiederfraktion L, enthaltend Methanol,
die Mittelsiederfraktion M, enthaltend die Methoxypropanole als Azeotrop
mit Wasser, sowie die Schwersiederfraktion S, enthaltend Wasser
aber auch Propylenglykol, voneinander getrennt werden.
-
2 zeigt
zwei miteinander thermisch gekoppelte Kolonnen, wobei die Kolonne, über die
der Zulauf Z erfolgt, sowohl über
den Kopf wie auch über
den Boden Dampf d und Flüssigkeit
f mit der nachgeschalteten Kolonne austauscht. Die Energiezufuhr
erfolgt im Wesentlichen über
den Verdampfer V der der Zulaufkolonne nachgeschalteten Kolonne.
Hierbei können über den
Kopf der nachgeschalteten Kolonne durch Kondensation mit dem Kondensator
K die Leichtsiedersiederfraktion L, aus dem Seitenabzug die Mittelsiederfraktion
M sowie mit dem Sumpf die Schwersiederfraktion S erhalten werden.
-
Möglich
ist auch eine Verschaltung wie in 3 skizziert.
Hierbei werden bereits in der Zulaufkolonne über den Kopf die Leichtsiederfraktion
L und mit dem Sumpf die Schwersiederfraktion S abgetrennt. Aus dem Seitenabzug
der nachgeschalteten Kolonne wird die Mittelsiederfraktion M erhalten.
Die nachgeschaltete Kolonne kann dabei über Kopf und Boden Dampf d
und Flüssigkeit
f mit der Zulaufkolonne austauschen. Die Energiezufuhr erfolgt dabei
im Wesentlichen über
den Verdampfer der Zulaufkolonne.
-
4 zeigt
eine Anordnung, in der die Schwersiederfraktion S mit dem Sumpf
der Zulaufkolonne erhalten wird. Die Leichtsiederfraktion L wird über den
Kopf und die Mittelsiederfraktion M über den Seitenabzug der nachgeschalteten
Kolon ne erhalten. Die Energiezufuhr erfolgt dabei im Wesentlichen über den
Verdampfer der Zulaufkolonne.
-
5 zeigt
eine Anordnung, in der die Leichtsiederfraktion L über den
Kopf der Zulaufkolonne erhalten wird. In der nachgeschalteten Kolonne
wird mit dem Sumpf die Schwersiederfraktion S und über den
Seitenabzug die Mittelsiederfraktion M erhalten. Die Energiezufuhr
erfolgt dabei im Wesentlichen über
den Verdampfer der der Zulaufkolonne nachgeschalteten Kolonne.
-
Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren
auch dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittelgemisch in der der
Zulaufkolonne nachgeschalteten Kolonne in die Leicht-, Mittel- und
Schwersiederfraktion aufgetrennt wird, oder
dass das Lösungsmittelgemisch
in der Zulaufkolonne in die Leicht- und Schwersiederfraktion und
in der nachgeschalteten Kolonne in die Mittelsiederfraktion aufgetrennt
wird, oder
dass das Lösungsmittelgemisch
in der Zulaufkolonne in die Schwersiederfraktion und in der nachgeschalteten Kolonne
in die Leicht- und Mittelsiederfraktion aufgetrennt wird, oder
dass
das Lösungsmittelgemisch
in der Zulaufkolonne in die Leichtsiederfraktion und in der nachgeschalteten Kolonne
in die Mittel- und Schwersiederfraktion aufgetrennt wird.
-
Auch die Kolonnen nach 2 bis 5 können
als Packungskolonnen mit Füllkörpern oder
geordneten Packungen oder als Bodenkolonnen ausgeführt werden.
Beispielsweise können
als geordnete Packungen Blech- oder Gewebepackungen mit einer spezifischen
Oberfläche
von 100 bis 1000 m2/m3,
bevorzugt etwa 250 bis 750 m2/m3 eingesetzt
werden. Solche Packungen bieten eine hohe Trennleistung bei gleichzeitig
niederem Druckverlust pro Trennstufe.
-
Für
das erfindungsgemäße Verfahren
können
zur Herstellung des Propylenoxids die aus dem Stand der Technik
bekannten Edukte verwendet werden.
-
Propylen kann in der Qualitätsstufe
"chemical grade" eingesetzt werden. Ein solches Propylen enthält Propan,
wobei Propylen und Propan im Volumenverhältnis von ca. 97 : 3 bis 95
: 5 vorliegen.
-
Als Hydroperoxid können die
bekannten Hydroperoxide, die für
die Umsetzung der organischen Verbindung geeignet sind, eingesetzt
werden. Beispiele für
solche Hydroperoxide sind etwa tert.-Butylhydroperoxid oder Ethylbenzolhydroperoxid.
Bevorzugt wird als Hydroperoxid für die Oxiransynthese Wasserstoffperoxid eingesetzt,
wobei auch eine wässerige
Wasserstoffperoxidlösung
verwendet werden kann.
-
Wasserstoffperoxid kann beispielsweise über das
Anthrachinon-verfahren, wie es in „Ullmann's Encyclopedia of
Industrial Chemistry", 5. Auflage, Band 13, Seiten 447 bis 456,
beschrieben ist, hergestellt werden.
-
Ebenso ist es denkbar, zur Wasserstoffperoxidgewinnung
Schwefelsäure
durch anodische Oxidation unter gleichzeitiger kathodischer Wasserstoffentwicklung
in Peroxodischwefelsäure
zu überführen. Die
Hydrolyse der Peroxodischwefelsäure
führt dann
auf dem Weg über
Peroxoschwefelsäure
zu Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure, die damit zurückgewonnen
wird.
-
Möglich
ist selbstverständlich
auch die Darstellung von Wasserstoffperoxid aus den Elementen.
-
Das zur Umsetzung als Lösungsmittel
verwendete Methanol kann in der üblichen
technischen Qualität verwendet
werden und ist dann vorzugsweise mindestens 95proz.-ig.
-
Als Katalysatoren für die Propylenoxidherstellung
werden bevorzugt solche verwendet, die ein poröses oxidisches Material, wie
z. B. ein Zeolith, umfassen. Vorzugsweise werden Katalysatoren eingesetzt,
die als poröses
oxidisches Material ein Titan-, Germanium-, Tellur-, Vanadium-,
Chrom-, Niob- oder Zirkoniumhaltigen Zeolith umfassen.
-
Dabei sind im einzelnen Titan-, Germanium-,
Tellur-, Vanadium-, Chrom-, Niob-, Zirkonium-haltige Zeolithe mit
Pentasil-Zeolith-Struktur, insbesondere die Typen mit röntgenografischer
Zuordnung zur ABW-, ACO-, AEI-, AEL-, AEN-, AET-, AFG-, AFI-, AFN-,
AFO-, AFR-, AFS-, AFT-, AFX-, AFY-, AHT-, ANA-, APC-, APD-, AST-,
ATN-, ATO-, ATS-, ATT-, ATV-, AWO-, AWW-, BEA-, BIK-, BOG-, BPH-,
BRE-, CAN-, CAS-, CFI-, CGF-, CGS-, CHA-, CHI-, CLO-, CON-, CZP-,
DAC-, DDR-, DFO-, DFT-, DOH-, DON-, EAB-, EDI-, EMT-, EPI-, ERI-,
ESV-, EUO-, FAU-, FER-, GIS-, GME-, G00-, HEU-, IFR-, ISV-, ITE-,
JBW-, KFI-, LAU-, LEV-, LIO-, LOS-, LOV-, LTA-, LTL-, LTN-, MAZ-,
MEI-, MEL-, MEP-, MER-, MFI-, MFS-, MON-, MOR-, MSO-, MTF-, MTN-,
MTT-, MTW-, MWW-, NAT-, NES-, NON-, OFF-, OSI-, PAR-, PAU-, PHI-,
RHO-, RON-, RSN-, RTE-, RTH-, RUT-, SAO-, SAT-, SBE-, SBS-, SBT-,
SFF-, SGT-, SOD-, STF-, STI-, STT-, TER-, THO-, TON-, TSC-, VET-,
VFI-, VNI-, VSV-, WIE-, WEN-, YUG-, ZON-Struktur sowie zu Mischstrukturen
aus zwei oder mehr der vorgenannten Strukturen. Denkbar sind für den Einsatz
im erfindungsgemäßen Verfahren
weiterhin titanhaltige Zeolithe mit der Struktur des ITQ-4, SSZ-24,
TTM-1, UTD-1, CIT-1 oder CIT-5. Als weitere titanhaltige Zeolithe
sind solche mit der Struktur des ZSM-48 oder ZSM-12 zu nennen.
-
Als besonders bevorzugt sind Ti-Zeolithe
mit MFI-, MEL- oder MFI/MEL-Mischstruktur
anzusehen. Ganz besonders bevorzugt sind im Einzelnen die Titanenthaltenden
Zeolith-Katalysatoren, die im allgemeinen als „TS-1", „TS-2", „TS-3" bezeichnet werden,
sowie Ti-Zeolithe mit einer zu β-Zeolith
isomorphen Gerüststruktur.
-
Sehr günstig ist die Verwendung eines
heterogenen Katalysator, der das Titan-haltige Silikalit TS-1 umfasst.
-
Dabei ist es auch möglich, als
Katalysator das poröse
oxidische Material an sich zu verwenden. Selbstverständlich ist
es jedoch auch möglich,
als Katalysator einen Formkörper
einzusetzen, der das poröse
oxidische Material umfasst. Dabei können zur Herstellung des Formkörpers, ausgehend
von dem porösen
oxidischen Material, alle Verfahren gemäß dem Stand der Technik eingesetzt
werden.
-
Vor, während oder nach dem einen oder
mehreren Formgebungsschritten in diesen Verfahren können auf
das Katalysatormaterial Edelmetalle in Form geeigneter Edelmetallkomponenten,
beispielsweise in Form von wasserlöslichen Salzen aufgebracht
werden. Vorzugsweise wird dieses Verfahren angewendet, um Oxidationskatalysatoren
auf der Basis von Titan- oder Vanadiumsilikaten mit Zeolithstruktur
herzustellen, wobei Katalysatoren erhältlich sind, die einen Gehalt
von 0,01 bis 30 Gew.-% an einem oder mehreren Edelmetallen aus der
Gruppe Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, Rhenium,
Gold und Silber aufweisen. Derartige Katalysatoren sind beispielsweise
in der
DE-A 196 23
609.6 beschrieben.
-
Selbstverständlich können die Formkörper konfektioniert
werden. Sämtliche
Verfahren zur Zerkleinerung sind dabei denkbar, beispielsweise durch
Splittung oder Brechen der Formkörper,
ebenso wie weitere chemische Behandlungen, wie beispielsweise vorstehend
beschrieben.
-
Bei Verwendung eines Formkörpers oder
auch mehr davon als Katalysator kann dieser im erfindungsgemäßen Verfahren
nach erfolgter Deaktivierung durch ein Verfahren regeneriert werden,
bei dem die Regenerierung durch gezieltes Abbrennen der für die Deaktivierung
verantwortlichen Beläge
erfolgt. Dabei wird bevorzugt in einer Inertgasatmosphäre gearbeitet,
die genau definierte Mengen an Sauerstoff liefernden Substanzen
enthält.
Dieses Regenerierungsverfahren ist in der
DE-A 197 23 949.8 beschrieben.
Ferner können die
dort bezüglich
des Standes der Technik angegebenen Regenerierungsverfahren eingesetzt
werden.
-
Im Allgemeinen liegt die Reaktionstemperatur
für die
Herstellung des Propylenoxids in den Stufen (i) und (iii) im Bereich
von 0 bis 120 °C,
bevorzugt im Bereich von 10 bis 100 °C und weiter bevorzugt im Bereich von
20 bis 90 °C.
Die auftretenden Drücke
reichen dabei von 1 bis 100 bar, vorzugsweise 1 bis 40 bar, mehr bevorzugt
1 bis 30 bar. Bevorzugt wird bei Drücken gearbeitet, unter denen
keine Gasphase vorliegt.
-
Die Konzentration von Propylen und
Wasserstoffperoxid im Eduktstrom wird im Allgemeinen so gewählt, dass
das molare Verhältnis
bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 20, weiter bevorzugt im Bereich
von 0,8 bis 5,0, besonders bevorzugt im Bereich von 0,9 bis 2,0
und insbesondere im Bereich von 1,0 bis 1,6 liegt.
-
Bei der Propylenoxidherstellung richten
sich die Verweilzeiten im Reaktor bzw. in den Reaktoren dabei im
Wesentlichen nach den gewünschten
Umsätzen.
Im Allgemeinen liegen sie bei weniger als 5 Stunden, bevorzugt bei
weniger als 3 Stunden, weiter bevorzugt bei weniger als 1 Stunde
und besonders bevorzugt bei etwa einer halben Stunde.
-
Als Reaktoren für die Propylenoxid-Synthese
können
selbstverständlich
alle denkbaren, für
die jeweiligen Reaktionen am besten geeigneten Reaktoren eingesetzt
werden. Dabei ist ein Reaktor nicht auf einen einzelnen Behälter beschränkt. Vielmehr
ist es auch möglich,
beispielsweise eine Rührkesselkaskade
einzusetzen.
-
Bevorzugt werden für die Propylenoxid-Synthese
als Reaktoren Festbettreaktoren verwendet. Weiter bevorzugt werden
als Festbettreaktoren Festbettrohrreaktoren eingesetzt.
-
Insbesondere wird für vorstehend
beschriebene und bevorzugt verwendete Propylenoxidsynthese als Reaktor
für die
Stufe (i) ein isothermer Festbettreaktor und für die Stufe (iii) ein adiabatischer
Festbettreaktor verwendet, wobei in der Stufe (ii) das Hydroperoxid
in einer Abtrennvorrichtung abgetrennt wird.
-
Die Erfindung wird durch nachfolgendes
Beispiel beschrieben.
-
Beispiel
-
Nach dem in der WO 00/07965 angegebenem
Verfahren wurde ausgehend von Propylen durch Umsetzung mit Wasserstoffperoxid
Propylenoxid hergestellt, wobei die Umsetzung in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt wurde.
Das nach der Abtrennung des Propylenoxids erhaltene und aufzuarbeitende
Lösungsmittelgemisch,
das Methanol und die Methoxypropanole enthielt, wies folgende Zusammensetzung
auf
ca. 80,0 Gew.-% Methanol,
ca. 5,0 Gew.-% Methoxypropanole,
und
ca. 15,0 Gew.-% Wasser und Propylenglykol.
-
Es war das Ziel der Aufarbeitung,
Methanol und die Methoxypropanole (als Azeotrop mit Wasser) mit möglichst
geringem energetischen Aufwand voneinander zu trennen. Dabei sollte
das Methanol in einer Reinheit von wenigstens 95 % anfallen.
-
Dazu wurde das Gemisch mit Hilfe
einer Trennwandkolonne mit einem Seitenabzug destilliert, wobei Methanol über den
Kopf der Kolonne, die Methoxypropanole als Azeotrop mit Wasser aus
dem Seitenabzug und Wasser im Gemisch mit Propylenglykol mit dem
Sumpf der Kolonne entnommen wurden.
-
Der benötigte Energieinhalt der Destillation
wurde als Maß für die Effektivität der Trennung
eingesetzt. Er wurde berechnet aus der Verdampferleistung bezogen
auf Der benötigte
Energieinhalt der Destillation wurde als Maß für die Effektivität der Trennung
eingesetzt. Er wurde berechnet aus der Verdampferleistung bezogen
auf den pro Stunde durch die Kolonne erfolgten Durchsatz an aufzutrennendem
Gemisch. Als Kolonnenverschaltungen wurden die in der Tabelle aufgeführten Anordnungen
gewählt:
-
Es wird deutlich, dass die Trennwandverschaltung
energetisch einen erheblichen Vorteil gegenüber der konventionellen Destillationsanordnung
besaß,
da der für
die Destillation erforderliche Energieaufwand wesentlich niedriger
lag als bei der Destillation mit den beiden konventionellen Destillationsanordnungen
mit der konventionellen Kolonne mit Seitenabzug und der Reihenschaltung
zweier konventioneller Kolonnen.
-
Das durch Destillation in der Trennwandkolonne
erhaltene Methanol konnte erneut für die Propylenoxidsynthese
verwendet werden.
-
- 1
- gemeinsamer
Teilbereich des Zulauf- und Entnahmeteils der Trennwandkolonne
- 2
- Verstärkungsteil
des Zulaufteils
- 3
- Abtriebsteil
des Entnahmeteils
- 4
- Abtriebsteil
des Zulaufteils
- 5
- Verstärkungsteil
des Entnahmeteils
- 6
- gemeinsamer
Teilbereich des Zulauf- und Entnahmeteils
- 7
- Trennwand
- Z
- Zulauf
- L
- Leichtsiederfraktion
(Methanol)
- M
- Mittelsieder
(1-Methoxy-2-propanol und 2-Methoxy-1-propanol als Azeotrop mit
Wasser)
- S
- Schwersieder
- K
- Kondensator
- V
- Verdampfer
- d
- Dampf
- f
- Flüssigkeit
-
Waagrechte und diagonale oder diagonal
angedeutete Linien in den Kolonnen symbolisieren Packungen mit Füllkörpern oder
geordnete Packungen, die in der Kolonne vorhanden sein können.