DE2056612A1 - Verfahren zur Herstellung von Methanol - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von MethanolInfo
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Description
Unser Zeichen: O.Z. 27 172 Vo/Wil
67OO Ludwigshafen, 13.II.1970
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Methanol durch Umsetzung von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff
in Gegenwart von Zink, Kupfer und Aluminium enthaltenden Katalysatoren, wobei als Katalysator aus wässeriger Lösung gefällte
Verbindungen eingesetzt werden, die einer Mischkristallreihe angehören.
Es ist bekannt, daß man Gemische von Kohlenmonoxid und Wasserstoff,
gegebenenfalls unter Zusatz von Kohlendioxid in Gegenwart von
Katalysatoren bei Drucken zwischen 30 und 400 atm und Temperaturen
im Bereich zwischen 200 und 400°C zu Methanol umsetzt (vgl. Emmett in Catalysis Band III, Seite 35I ffι J. Schmidt, Das
Kohlenmonoxid, 2. Auflage I950, Seiten I89 bis 220; Ullmanns
Enzyklopädie der technischen Chemie, Band 12, Seiten 403 ff).
Als Katalysatoren werden vornehmlich Zinkoxid-Chromoxid- oder Kupferkatalysatoren verwendet, die noch zusätzlich Oxide als
Promotoren enthalten können. Die zahlreichen bekanntgewordenen Verfahren zur Synthese von Methanol befriedigen aber noch nicht
alle Anforderungen, die bezüglich Wirtschaftlichkeit, Aktivität
und Lebensdauer an Katalysatoren bei solchen Verfahren, die in großtechnischem Maßstab ausgeführt werden, gestellt werden.
In der deutschen Auslegeschrift 1 241 429 wird ein Verfahren beschrieben,
bei dem Katalysatoren auf Basis Cu-Zn-Cr-0xiden zur Methanolsynthese verwendet werden, wobei man zur Erreichung einer
hohen Aktivität des Kontaktes Kupfergehalte in der Größenordnung 65 bis 70 %, bezogen auf die Gesamtmetallmenge, anwendet.
Nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 568 864 wird die
Methanolsynthese in Gegenwart von Katalysatoren durchgeführt,
die die Oxide von Kupfer und Zink und mindeste^ ein schwer reduzierbares Oxid eines Metalles der Gruppe II bis IV des
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Periodensystems enthalten. Als schwer reduzierbares Metalloxid wird dabei bevorzugt Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid verwendet.
Eine hohe Aktivität des Kontaktes wird auch in diesem System durch Anwendung hoher Kupfergehalte von bevorzugt mehr als 35 Gew.%,
bezogen auf die Gesamtmetallmenge, erreicht. Dabei wird aus den
Komponenten durch gemeinsame Fällung der Nitrate mittels Sodaoder Bicarbonatlösung der Katalysator in Form einer Mischung von
Carbonaten und Hydroxyden erhalten, wenn der pH-Wert auf Werte im Bereich von pH 7 - 0,5 eingestellt wird. Im übrigen wird die
Fällung mit der Maßgabe durchgeführt, möglichst quantitativ zu fällen. Durch Trocknen bei 105 bis 150°C und anschließendes
Calcinieren bei 200 bis JOO0C wird der Niederschlag in das Oxidgemisch
übergeführt, welches nach dem Verpressen zur Synthese verwendet wird. Aufgrund des hohen Kupfergehaltes und der Herstellungsart
sind die so gewonnenen Kontakt sehr temperaturempfindlich und rekristallisieren sehr leicht, so daß ihre Laufzeit
bei hohen Belastungen und Drucken von über 100 atm nur sehr begrenzt ist.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß man in dem oben genannten Katalysatorsystem
Kupfer-Zink-Aluminiumoxid wesentlich aktivere Katalysatoren mit einer längeren Laufzeit erhalten kann, wenn man unter
ganz bestimmten Bedingungen aus einer wässerigen Lösung, die die Komponenten Cu-Zn-Al enthält, definierte Verbindungen fällt, die
einer Mischkristallreihe angehören.
Es wurde nämlich gefunden, daß man durch Umsetzung eines Gasgemisches
von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in Gegenwart eines Katalysators, der Zink, Kupfer und Aluminium enthält, vorteilhaft
Methanol gewinnen kann, wenn man die Umsetzung bei Temperaturen im Bereich zwischen 200 und 35O°C und im Druckbereich zwischen
50 und 250 atm in Gegenwart eines Katalysators durchführt, der erhalten worden ist durch Fällen von Verbindungen der Mischkristallreihe
(CuxZn ) Al2 (OH)16 . CO, . 4H2O mit Alkalicarbonaten,
Alkalibicarbonaten oder deren Gemischen aus wässerigen Lösungen, die Kupfer-, Zink-und Aluminiumsalze enthalten, mit der Maßgabe,
daß χ und y Zahlenwerte von 0,5 bis 5,5 annehmen können und die Summe von χ und y gleich 6 ist.
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Das Atomverhältnis der Summe der zweiwertigen Metalle Kupfer und Zink zum dreiwertigen Aluminium in der Mischkristallreihe
ist konstant und beträgt 6:2. Als zweiwertige Metalle können neben Kupfer und Zink noch andere zweiwertige Metalle(wie
Magnesium und Calcium) verwendet werden. Aluminium kann außerdem teilweise durch andere dreiwertige Metalle, wie beispielsweise
Chrom, substituiert werden. Hält man das Atomverhältnis von 6:2 zwischen den zwei- und dreiwertigen Metallen nicht ein, so ent- - »
stehen Gemische von Hydroxiden, Hydroxidcarbonaten und eventuell auch Carbonaten der einzelnen Metalle. Diese Gemische sind
katalytisch weit weniger aktiv als Kontakte, die aus der oben beschriebenen
Mischkristallreihe gewonnen werden.
Entscheidend für die Aktivität der Katalysatoren ist in Jedem '
Fall, daß die durch obige Formel beschriebene Verbindung in reiner
Form entsteht. Die Güte der Fällung kann durch Röntgenanalyse schnell und einfach kontrolliert werden, da die oben beschriebene
Verbindung ein charakteristisches Röntgendiagramm ergibt. Diese Kontrolle hat den großen Vorteil, daß man schon direkt nach der
Fällung prüfen kann, ob der gewünschte Katalysator die erstrebte
Aktivität besitzen wird oder nicht.
Als Fällungsmittel kommen Carbonate und Hydrogencarbonate der
Alkalien in Betracht; insbesondere haben sich von den Bicarbonaten diejenigen des Natriums und des Kaliums bewährt. Auch Mischungen
der genannten Fällungsmittel können verwendet werden. Entscheidend d
für die Aktivität der Katalysatoren ist die besondere Art der Fällung, die im pH-Bereich von 4,5 bis 5,5* bevorzugt jedoch im
pH-Bereich 4,8 bis 5>2 durchgeführt werden sollte. In diesem
pH-Bereich entsteht die oben genannte Mischkristallreihe in reiner Form.
Kupfer, Zink und Aluminium werden in Form ihrer Salze, vorzugsweise
der Nitrate, gemeinsam in Wasser gelöst, und zwar in einem Mengenverhältnis, das der gewünschten Zusammensetzung des
Katalysators und in der Stöchiometrie der oben angeführten Formel entspricht. Die Metallsalzlösung soll insgesamt etwa 0,5 bis
5 Mol, vorzugsweise 1,0 bis 2 Mol, an Metallionen enthalten.
suren von 50 bis 209823/1061
Sie wird auf Temperaturen von 50 bis 100 C, vorzugsweise auf
BA0
- 4 ~ ο.ζ.27 172
Temperaturen im Bereich 70 bis 1000C, erhitzt und mit einer entsprechend temperierten wässerigen Lösung eines Fällungsmittels
behandelt. Das Fällungsmittel wird bevorzugt in einer 1 bis 2 molaren Lösung angewendet. Die Einhaltung des pH-Bereiches bei
der Fällung wird mit Hilfe eines pH-Meters kontrolliert. Der Niederschlag der Verbindung wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen
und bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 20O0C3 vorzugsweise
zwischen 100 und 1500C3 getrocknet. Zum Calcinieren wird die getrocknete
Verbindung vorzugsweise zwischen 12 und 24 Stunden auf Temperaturen im Bereich 200 bis 50O0C erhitzt. Das calcinierte
Produkt wird zu Tabletten verformt und im Verlauf von 5 bis 100 Stunden, vorzugsweise innerhalb von 10 bis 25 Stunden, bei
Temperaturen im Bereich von I50 bis 55O0C reduziert.
Da die Aktivkomponenten in der gefällten Verbindung atomar verteilt
sind, besteht auch im reduzierten bzw. calcinierten und reduzierten Katalysator eine optimale Verteilung der Komponenten.
Durch diese äußerst feine Verteilung erreichen auch Katalysatoren mit einem wesentlich geringeren Gehalt an Kupfer bessere
Aktivitäten als bisher bekannte Katalysatoren mit höheren Kupfergehalten. Dies geht aus den nachfolgend in Tabelle 1 gegebenen
Vergleichsversuchen in Verbindung mit den Versuchen in Tabelle 2 hervor. Die Versuche in Tabelle 1 zeigen deutlich, daß die erfindungsgemäß
hergestellten Kontakte in dem untersuchten Druckbereich bei ähnlicher Zusammensetzung eine weitaus höhere
Aktivität aufweisen als Kontakte, die zum Stand der Technik gehören; dies geht aus den Werten für die Raumzeitausbeuten hervor.
Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Katalysatoren liegt vor
allem darin, daß man wesentlich längere Standzeiten selbst bei höheren Belastungen und höheren Drucken erreicht, ohne daß die
Aktivität durch Rekristallisation abnimmt. In Tabelle 2 ist ein Katalysator vom Stand der Technik mit einem Kupfergehalt von
42 % (dieser Gehalt liegt in dem gemäß DOS 1 568 866 angegebenen
bevorzugten Bereich für dieses Metall) einem Katalysator mit geringem "[upfergehalt (ca. l8 %) in seinem Langzeitverhalten
gegenübergestellt. Die Vergleichsversuche belegen die Überlegenheit des erfindungsgemäß hergestellten Kontaktes. Die erfindungsgemäßen
Kontakte erlauben die Durchführung der Methanolsynthese bei Drucken über 100 atm und Belastungen von 20 bis 60 Nnr/lKat.h
209823/1081
BAD ORIGINAL
Katalysator hergestellt gemäß
Atom. % bezogen auf Metallatome
^Belastung Raumzeitausbeute
|kg Methanol]
|kg Methanol]
Zn Cu Al Kat ' Röntgenanalyse nach der Fällung
.a j
at 150 at 200 at
at 150 at 200 at
cx> ro co
vorliegender Anmeldung
(Beispiel 1) 62,5 12,5 25
DOS 1568864; Beispiel 1 79,5 15,0 5,5
2,086 3,198 5,290 Cu1Zn5 Al2 (OH)16
0,286 0,463 0,850
Gemisch von Hydroxidcarbonaten, Carbonaten und Hydroxiden der Komponenten Cu-Zn-Al
Katalysator Atom. % bezogen _Belastung Raumzeitausbeute
hergestellt auf Metallatome |~ NnP "j jkg Methanol; .
gemäß
Zn Cu
Al
. h
Kat ' nj
nach Zeit in Stunden
20 h 50 h 100 h 150 h
200 h 400 h 500 h 600 h
H0 vorliegender
ο Anmeldung 56,25 18,75 25,0
>° DOS 1568864 54,0 42,0 4,0
360 3 295 3 210 3 180 3 165 2 950 2 900 2 878
015 2 762 2 68Ο 2 43Ο 2 195 1 85Ο 1 63Ο 83Ο
- 7 - O.Z. 27 172
und erhöhen somit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gerade
auch bei größeren Anlagen.
Die Synthese von Methanol mit den erfindungsgemäßen Katalysatoren
führt man vorteilhaft bei Temperaturen im Bereich zwischen 200 und 3500C und bei Drucken im Bereich von 50 bis 250 at durch. Als
Ausgangsstoffe des Verfahrens verwendet man beispielsweise ein Gemisch von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff in einem
Verhältnis von 0,1 bis 0,2, vorzugsweise 0,1 bis 0,2, Mol Kohlenmonoxid
und von 0,01 bis 0,2, vorzugsweise von 0,03 bis 0,15, Mol Kohlendioxid je Mol Wasserstoff, Das Gasgemisch kann ferner Stickstoff
bis ca. 5 Vol.% sowie Wasserdampf, welcher zur Einstellung
des Wassergleichgewichtes führt, in einer Menge von 0,01 bis 0,07 Mol, je Mol Wasserstoff, enthalten.
Durch partielle Oxydation von Rohölen erhält man ein Synthesegas etwa folgender Zusammensetzung: kf Vol# CO, 48 Vol# H2 und ca.
5 -VoIJi COp. Durch teilweise Konvertierung dieses Gases kann der
gewünschte Kohlenmonoxidgehalt eingestellt werden; HpS und COS lassen sich bis unter 1 ppm herauswaschen, und man erhält dann
ein Synthesegas aus CO, COp und Hp, welches zweckmäßig unter
Zusatz von ca. 2 Vol$ Wasserdampf an dem erfindungsgemäßen Kontakt
umgesetzt werden kann.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Herstellung von Verbindungen
der Mischkristallreihe am Beispiel der kontinuierlichen Fällung mit Alkalibicarbonat oder Alkalicarbonat erläutert.
Im Anschluß an diese allgemeine Verfahrensbeschreibung wird das
erfindungsgemäße Verfahren noch anhand der nachfolgenden Beispiele
näher beschrieben.
Kontinuierliche Fällung mit Alkalicarbonat oder Alkalibicarbonat:
Die Metalle Cu, Zn und Al werden in Form ihrer Salze gemeinsam
in Wasser gelöst und die Lösung auf die gewünschte Fällungstemperatur erwärmt (vgl. S.J>
xx.H) In einem getrennten Kessel wird eine 1-bis 2-molare Alkalicarbonat- bzw.-bicarbonatlösungen
ebenfalls auf Fällungstemperatur erwärmt. Die Fällung wird in einer Rührkesselkaskade durchgeführt. Die Zulaufgeschwindigkeiten
derMetal'lsalz- bzw.Carbonatlösungen werden so geregelt, daß in
209 823/106 1
dem. ersten Kessel der Kaskade ein pH-Wert im Bereich von 4,5 bis 5,5? vorzugsweise ein solcher im Bereich von 4,8 bis 5,2, eingehalten
wird. Der Überlauf wird im folgenden Kessel nachgerührt und der pH-Wert gegebenenfalls durch weitere Zugabe von Carbonatlösung
auf 5,0 eingestellt. Der Überlauf auf Kessel 2 wird direkt auf eine Filterpresse gegeben und,wie bereits angegeben, getrocknet
calciniert und reduziert. Die hier beschriebenen Fällungsbedingungen sind genauestens einzuhalten, da die erwünschte Mischkristallreihe
nur bei genauer Einhaltung dieser Vorschriften entsteht.
Die Verbindungen zeigen ein charakteristisches Röntgenbeugungsdiagramm
mit den nachfolgend nur für die stärksten Reflexe gegebenen d-Werten.
d-Wert 7,60 3,80 3,32 2,65 2,58 2,28 1,93 1,53
Intensität ) sst ms-t m m st m m st (geschätzt)
d-Wert 1,50 1,32
Intensität )
(geschätzt) m m
) (Für die Intensität gilt: sst = sehr stark,
st stark mst = mittelstark m = mittel
Je nach Zusammensetzung der Mischkristall reihe können die d-Werte bzw. die Intensitäten von den oben genannten Werten abweichen.
Nachfolgend werden einige Vertreter der Mischkristallreihe in den Beispielen 1 bis 9 vorgestellt. Teile bedeuten Gewichtsteile,
209823/1061
a) Herstellung des Katalysators
Zur Fällung der Verbindung CuZn1-Al3(OH)^CCU . 4 HgO werden
folgende zwei Lösungen hergestellt:
Lösung-1: 2,4l5 Teile Kupfer-II-nitrattrihydrat
14,875 Teile Zinknitrathexahydrat 7,502 Teile Aluminiumnitratenneahydrat
werden gemeinsam in 80 Teilen Wasser gelöst. Lösung 2: 15,420 Teile Natriumhydrogencarbonat
werden in 183,6 Teilen Wasser gelöst.
Beide Lösungen werden getrennt auf 80°C erhitzt und unter
Einhaltung eines pHTWertes im Bereich 4,8 bis 5,2 unter Rühren
vermischt. Der entstandene Niederschlag wird abfiltriert und | gewaschen. Eine Probe wird nun durch Röntgenanalyse geprüft.
Der gewaschene Niederschlag wird dann 20 Stunden bei HO0C
getrocknet, anschließend 20 Stunden bei 3500C calciniert und
dann zu 3 x 3 mm großen Pillen unter Zusatz von 2 Teilen
Graphit verpreßt.
b) Umsetzung:
Ein Liter des so hergestellten Katalysators wird in einen Röhrenreaktor eingefüllt. Mit einer Gasmischung, bestehend
aus 98 Vol$ Np und 2 Vol# Hp, wird der Katalysator drucklos
"reduziert. Die Temperatur wird in Zeitintervallen von 8 Stunden von .150° über I7O0 auf 1900C erhöht und schließlich auf
230oC gesteigert. Bei 2300C wird dann auf Synthesegas der
folgenden Zusammensetzung umgestellt: 70,6 Vol# Hp, 22,6 Vol#
CO, 6,1 VoI^ CO2 und 0,7 Vol# CH^. Der Druck des Synthesegases
kann zwischen 50 und 250 at variiert werden. Mit einer konstanten Belastung von 10 Kubikmeter je Liter Katalysator
und Stunde leitet man Synthesegas bei einer Temperatur von 2300C und Drucken von 100, I50 und 200 at durch den Reaktor.
Das den Reaktor verlassende Reaktionsgemisch wird bei Synthesedruck
in einem Rohrbündelkühler auf 20 bis 250C abgekühlt.
Das dabei kondensierende Rohmethanol wird abgeschieden und kontinuierlich auf Atmosphärendruck entspannt. Es werden Raumzeitausbeuten
von 2,086, 3,198 und 3,290 Methanol pro Volumenteil Katalysator und Stunde für die nachfolgend genannte Rei-
209823/1061
- ίο - <■ ο. ζ. 27 172
henfolge von Drucken erhalten: 100, I50 und 200 at.
Beispiele 2 bis 5
Durch kontinuerliche Fällung, wie auf Seite 7 beschrieben, wurde die Verbindung CUpZn2,AlpCOiOHig · 2J- HpO hergestellt.
Dazu wurden folgende Lösungen bereitet:
Lösung 1: Mischung folgender 2-molarer Nitratlösungen, die in
den angegebenen Volumenteilen zu einer einzigen Lösung
vereinigt wurden:
2 Teile Kupfernitratlösung I 4 Teile Zinknitratlösung
2 Teile Aluminiumnitratlösung Lösung 2: 2-molare Natriumcarbonatlösung.
In zwei Kesseln werden Lösung 1 und Lösung 2 getrennt auf 8O0C
erwärmt. Die Fällung wird in einer Rührkesselkaskade durchgeführt.
Im Kessel 1 befindet sich zu Beginn der Fällung destilliertes Wasser von 8O0C als Vorlage, in das eine Elektrode zur Messung
des pH-Wertes eintaucht. Lösung 1 und Lösung 2 werden getrennt in den Kessel 1 gepumpt und die beiden Flüssigkeitsstrahlen in
der Nähe der Rührerachse vereinigt. Die Zulaufgeschwindigkeiten
der Lösungen werden so reguliert, daß ein pH-Wert von 5,0 im Rührkessel aufrechterhalten wird. Im zweiten Kessel der Kaskade
™ wird der Überlauf aus Kessel 1 nachgerührt. Der pH-Wert wird
auch in diesem Kessel mittels einer Elektrode ständig kontrolliert
und auf Werte unter 5.5 gehalten. Der Überlauf aus Kessel 2. gelangt direkt auf die Filterpresse und wird hier filtriert
und dann gewaschen bis kein Nitrat im Filtrat nachweisbar ist. Der Niederschlag wird bei 1500C getrocknet, anschließend 12 Stun
den bei 3500C calclniert, zu Pillen verformt, in einen Röhrenreaktor
eingefüllt und reduziert. Bei unterschiedlichen Drucken und verschiedenen Belastungen in Ινπγ/1 ·κ&^ «h wird die Reaktion
analog Beispiel 1 durchgeführt. Die Raumzeltausbeuten (RZA) in Teilen pro Volumenteil Katalysator und Stunde wurden in Abhängigkeit
von Druck (at) und Belastung ermittelt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
209823/1061
- 11 - O.Z. 27
Belastung jNm7L· . .h|
Druck_ (at)
RZA Ikg Methanol/L^.h
IO | 20 | 34 | 43 |
50 | 100 | 150 | 200 |
1,300 | 2,625 | 4,121 | 4,279 |
Beispiele 6 bis 9
Aus der Verbindung Cu,Zn,Al2(OH)1^CO, . 4 HgO wurde ein weiterer
Katalysator hergestellt. Die Syntheseergebnisse sind wie in den Beispielen 2 bis 5 als Raumzeitausbeuten in nachstehender
Tabelle in Abhängigkeit von Druck und von der Belastung in Nnr /lrrö4..h angegeben.
L- iVau .1
Beispiel 6789
Belastung [Nm5AKat-h] 23 3^ ^l
Druck (at) 100 I50 200 250
RZA [kg Methanol/lKafc.h] 2,530 3,850 4,l8O 4,420
209823/1061
Claims (2)
- - 12 - O.Z. 27 172PatentansprücheVerfahren zur Herstellung von Methanol durch Umsetzung eines Gasgemisches von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in Gegenwart eines Katalysators, der Zink, Kupfer und Aluminium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei Temperaturen im Bereich zwischen 200 und 3500C und Drucken im Bereich zwischen 50 und 250 atm in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt wird, der erhalten worden ist durch Fällen von Verbindungen der Mischkristallreihe (CuxZn )A12(OH)16 . CO, . 4 H3O mit Alkalicarbonaten oder Alkalibicarbonaten oder deren Gemischen aus wässerigen Lösungen, die Kupfer-, Zink-und Aluminiumsalze enthalten, mit der Maßgabe, daß χ und y Zahlenwerte von 0,5 bis 5,5 annehmen können und die Summe von χ und y gleich 6 ist.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fällung von Verbindungen der Mischkristallreihe im pH-Bereich 4,5 bis 5,5 vorgenommen wird.Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG209823/1061
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