DE3415821A1 - Process for the preparation of alcohols from light hydrocarbons - Google Patents
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Abstract
Description
Ι O Die Erfindung betrifft das in den Patentansprüchen angegebene Verfahren zur Herstellung eines Gemisches aus Methanol und mindestens einem in der homologen Reihe über dem Methanol stehenden linearen und gesättigten Alkohol mit z.B. 2 bis 10 Kohlenstoffatomen pro Molekül, insbesondere aus Ethanol, Propanol, den Butanolen und den Pentanolen. Einige dieser Alkohole, im allgemeinen bestimmte derartige Alkohole im Gemisch miteinander, zeichnen sich durch die Besonderheit aus, daß sie direkt einem praktisch aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Treibstoff, d.h. einem Normal- oder Super-Autobenzin, zugesetzt werden können, wobei z.B. ein Automobil-Treibstoff von mäßigem Preis und ausgezeichneter Qualität erhalten wird.Ι O The invention relates to what is stated in the claims Process for the preparation of a mixture of methanol and at least one in the homologous series linear and saturated alcohol above methanol with e.g. 2 to 10 carbon atoms per molecule, in particular from ethanol, propanol, butanols and pentanols. Some of these alcohols, in general certain such alcohols mixed with one another, are characterized by the fact that they directly to a fuel consisting practically of hydrocarbons, i.e. a normal or super car gasoline, may be added, for example, an automobile fuel of moderate price and excellent quality is obtained.
Verfahren zur Herstellung derartiger Alkoholgemische, bei denen von Synthesegas ausgegangen und in einer oder mehreren Verfahrensstufen gearbeitet wird, werden in zahlreichen Druckschriften beschrieben, z.B. in der FR-Patentanmeldung 82/16 345, der GB-PS 21 20 119, der FR-PS 25 23 957, der FR-Patentanmeldung 82/11 892 und in den FR-PSen 23 69 234 (entsprechend der US-PS 41 22 110), 24 44 654 (entsprechend der US-PS 42 91 126), 24 53 und 24 41 420.Process for the production of such alcohol mixtures, which started out from synthesis gas and in one or more Process steps are worked in numerous Documents described, e.g. in FR patent application 82/16 345, GB-PS 21 20 119, FR-PS 25 23 957, the FR patent application 82/11 892 and in the FR-PS 23 69 234 (corresponding to US-PS 41 22 110), 24 44 654 (corresponding to US-PS 42 91 126), 24 53 and 24 41 420.
erfindungsgemäße Verfahren erfolgt in zwei Verfahrensstufen, wobei es sich bei der ersten Verfahrens-The process according to the invention takes place in two process stages, whereby the first procedural
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stufe um eine Dampf-Reformierung handelt, d.h. um die Reaktion von Wasser mit Methan oder gasförmigen leichten Kohlenwasserstoffen der Formel C Hn ~, worin n=1 bisstage is a steam reforming, ie the reaction of water with methane or gaseous light hydrocarbons of the formula CH n ~, where n = 1 to
η 2η+2'η 2η + 2 '
bedeutet. Bei dieser Reaktion wird Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff und somit ein Synthesegas gebildet, aus dem in einer zweiten Verfahrensstufe ein Alkohol oder Alkohole hergestellt werden.means. During this reaction, carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen and thus a synthesis gas are formed, from which an alcohol or alcohols are produced in a second process stage.
Ein derartiges Verfahren erscheint ä priori nicht sehr naheliegend im Hinblick auf thermodynamische Überlegungen. So wird die Reaktion (1), d.h. die Reformierung des Methans mit WasserSuch a procedure does not appear very much a priori obvious with regard to thermodynamic considerations. So becomes reaction (1), i.e. the reforming of methane with water
CH4 + H2O >C0 + 3 H2 (1)CH 4 + H 2 O> C0 + 3 H 2 (1)
begleitet von der Gleichgewichtsreaktion (2)accompanied by the equilibrium reaction (2)
A
CO + H9O =»C0 + H9 (2)A.
CO + H 9 O = »C0 + H 9 (2)
BB.
Dieses Gleichgewicht ist wesentlich im Sinne von A verschoben, aufgrund des Überschusses an Wasser, das im Reaktionstyp (1) zur Anwendung gelangt, wobei dieser Überschuß notwendig ist, um das (durch übermäßige Hitzeentwicklung) verursachte Verkoken des Reaktors und des Katalysators zu vermeiden, was zu einem molaren Verhältnis H9/CO führt, das sehr oft zwischen 4.5 und 6 liegt. Die Verschiebung des Gleichgewichts (2) im Sinne von A äußert sich somit in einem zu hohen Gehalt an Wasserstoff, was wiederum in der zweiten Verfahrensstufe eine zu starke Bildung von Methan auf Kosten der angestrebten Alkohole zur Folge hat.This equilibrium is essentially shifted in the sense of A, due to the excess of water which is used in reaction type (1), this excess being necessary in order to avoid the coking of the reactor and the catalyst caused (by excessive heat generation), which leads to a molar ratio of H 9 / CO which is very often between 4.5 and 6. The shift in equilibrium (2) in the sense of A is thus expressed in an excessively high content of hydrogen, which in turn results in an excessive formation of methane at the expense of the desired alcohols in the second process stage.
Diese Gleichgewichtsverschiebung im Sinne A ist umso ausgeprägter, als bei den in der Regel angewandten Temperaturen, selbst in Abwesenheit eines ÜberschussesThis shift in equilibrium in the sense of A is all the more pronounced than in the case of the ones usually used Temperatures, even in the absence of excess
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von Wasser, der Wert der Gleichgewichtskonstante K (im Sinne A) günstig für die Verschiebung im Sinne A ist, was gleichzeitig eine nachteilige Überproduktion von C0_ zur Folge hat.of water, the value of the equilibrium constant K (in the sense of A) is favorable for the shift in the sense of A, which at the same time results in a disadvantageous overproduction of C0_.
Im folgenden werden verschiedene Werte für K für verschiedene Temperaturen angegeben:In the following, different values for K are given for different temperatures:
ρ(im Sinne A)ρ (in the sense of A)
ρ COo.p H.ρ CO o .p H.
ρ COρ CO
Genau genommen basiert die Erfindung jedoch auf derStrictly speaking, however, the invention is based on
Einführung von CO3 in den ersten Reaktor. Als C02~Quelle für diese Einführung kann CO„ dienen, das zumindest teilweise aus einem Lagerbestand von komprimiertem CO7 oder einer ähnlichen Bevorratungseinheit (z.B. aus der Ammo-Introduction of CO 3 into the first reactor. As a CO 2 source for this introduction, CO "can serve, which is at least partially from a stock of compressed CO 7 or a similar storage unit (eg from the Ammo
niaksynthese) oder aus einer Naturquelle stammt, oder auch CO», das aus den Gasen des Dampfreformierofens wie-niaksynthesis) or comes from a natural source, or CO », which comes from the gases of the steam reforming furnace
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-δι dergewonnen ist usw., doch besteht erfindungsgemäß zumindest ein Teil dieses CO0 vorteilhafterweise aus C0_, das dem Synthesereaktor für Methanol und/oder dessen homologe Alkohole entnommen ist.Wenn auf diese Weise das COp verwendet wird, das aus dem Reaktor für die Alkoholsynthese stammt, lassen sich zahlreiche Probleme lösen, die das Vorliegen von CO2 in den aus dem Synthesereaktor abgezogenen Gasen mit sich bringt. Es ist in der Tat empfehlenswert, diese Gase in den Synthesereaktor zu recyclisieren, doch hat das Vorliegen von CO2 in diesen Gasen aus folgenden Gründen Nachteile:-δι is obtained, etc., but according to the invention at least part of this CO 0 advantageously consists of C0_, which is taken from the synthesis reactor for methanol and / or its homologous alcohols. If the COp is used in this way, which is from the reactor for the alcohol synthesis originates, numerous problems associated with the presence of CO 2 in the gases withdrawn from the synthesis reactor can be solved. It is indeed advisable to recycle these gases to the synthesis reactor, but the presence of CO 2 in these gases has disadvantages for the following reasons:
Zur Durchführung der Alkoholsynthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bedarf es theoretisch 2 Molekülen Wasserstoff für ein Molekül CO gemäß der Reaktion (3):Theoretically, 2 molecules of hydrogen are required to carry out the alcohol synthesis from carbon monoxide and hydrogen for a molecule of CO according to reaction (3):
nC0 + 2n H2 * Qn H2n+1 OH + (n-1) H3O (3) n C0 + 2n H 2 * Q n H 2n + 1 OH + (n-1) H 3 O (3)
Für diesen Reaktionstyp ist es daher in der Regel wünschenswert, mit einem molaren Verhältnis H-/C0 bei etwa 2 zu arbeiten, z.B. zwischen 1,6 und 2,4 und insbesondere zwischen 1,8 und 2,2, was durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht wird.For this type of reaction it is therefore generally desirable to use a molar ratio of H- / C0 of around 2 work, e.g. between 1.6 and 2.4 and in particular between 1.8 and 2.2, which is achieved by the method according to the invention is made possible.
In den bekannten Verfahren wird das Synthesegas in der Regel durch Vergasung von z.B. Kohle, Koks, schweren Erdölrückständen, Bitumen und dgl. erhalten und dessen Zusammensetzung entspricht nicht der stochiometrischen Zusammensetzung, die für die Gewinnung von Alkoholen erforderlich ist, da dieses Synthesegas einen zu geringen Gehalt an Wasserstoff aufweist; seine Zusammensetzung muß daher entsprechend eingestellt werden durch Umwandlung von CO mit Wasserdampf und anschließende Entfernung der Gesamtmenge oder eines Teils des gebildeten CO-. In diesem Falle hat man auch kein Interesse,zuvielIn the known processes, the synthesis gas is usually obtained by gasifying e.g. coal, coke, heavy Petroleum residues, bitumen and the like. Obtained and its composition does not correspond to the stoichiometric Composition that is required for the production of alcohols, since this synthesis gas is too low Has hydrogen content; its composition must therefore be adjusted accordingly by conversion of CO with water vapor and subsequent removal the total amount or part of the CO- formed. In this case one has no interest either, too much
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CO2 in dem Synthesegas zu belassen, da die Alkoholsynthese ■aus CO2 mehr Wasserstoff erfordert als im Falle der Synthese aus CO, wie Reaktion (4) zeigt:To leave CO 2 in the synthesis gas, since the alcohol synthesis ■ from CO 2 requires more hydrogen than in the case of the synthesis from CO, as reaction (4) shows:
η CO0 + 3n H0 * C H0 . OH + (2n-1) H0O (4)η CO 0 + 3n H 0 * CH 0 . OH + (2n-1) H 0 O (4)
λ 2. η 2η+1 λ λ 2. η 2η + 1 λ
Im Verlaufe der Alkoholsynthese fällt ein Reaktionsgemisch an, das nicht-umgesetzte Gase (CO + H0), Methanol, Wasser, Kohlenwasserstoffe ( Methan und höhere Kohlen-Wasserstoffe mit mindestens 2 Kohlenstoffatomen pro Molekül) und homologe Alkohole des Methanols enthält. Dieser gesamte Abfluß wird in solcher Weise gekühlt, daß der größte Teil des Methanols und der homologen Alkohole sowie der größte Teil des Wassers kondensieren. Die nicht-kondensierte Fraktion enthält im wesentlichen Kohlenoxid, Wasserstoff, Methan, andere Kohlenwasserstoffe und Kohlensäuregas. Diese Gasfraktion wird bei den bekannten Verfahren mindestens teilweise als Auffrisch-Gas zum Eingang des Reaktors recyclisiert, um das molare Verhältnis H2/CO (am Eingang des Synthesereaktors) auf einen Wert von vorzugsweise zumindest etwa 1 ,8 bis 2 zu erhöhen.In the course of the alcohol synthesis, a reaction mixture is produced which contains unconverted gases (CO + H 0 ), methanol, water, hydrocarbons (methane and higher hydrocarbons with at least 2 carbon atoms per molecule) and homologous alcohols of methanol. All of this effluent is cooled in such a way that most of the methanol and homologous alcohols and most of the water condense. The non-condensed fraction essentially contains carbon oxide, hydrogen, methane, other hydrocarbons and carbonic acid gas. In the known processes, this gas fraction is at least partially recycled as make-up gas to the inlet of the reactor in order to increase the molar ratio H 2 / CO (at the inlet of the synthesis reactor) to a value of preferably at least about 1.8 to 2.
Ein derartiges Verfahren hat jedoch einen großen Nachteil, nämlich das Vorliegen relativ großer Mengen an Kohlensäuregas in den aus dem Reaktor abgezogenen Gasen. Wie oben angegeben, erfordert die Herstellung von Alkoholen aus CO2 mehr Wasserstoff als deren Herstellung aus CO. Eine Recyclisierung von CO2 ist daher letztendlich von Nachteil. Außerdem schadet die Recyclisierung von CO2 in die Reaktionszone der Gleichgewichtsreaktion (2), die auch bei dieser Alkoholsynthese herrscht, nämlichHowever, such a method has a major disadvantage, namely the presence of relatively large amounts of carbonic acid gas in the gases withdrawn from the reactor. As stated above, the production of alcohols from CO 2 requires more hydrogen than their production from CO. Recycling CO 2 is therefore ultimately a disadvantage. In addition, the recycling of CO 2 in the reaction zone harms the equilibrium reaction (2), which also prevails in this alcohol synthesis, namely
2 , T CO r* 2, T CO r *
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-ιοί und sich in der Reaktionszone ausbildet.-ιοί and forms in the reaction zone.
Es ergibt sich somit, daß sich beim Stand der Technik eine sehr oft mühselige Decarbonatisierung der nichtkondensierbaren Gase als notwendig erweist,· die offensichtlich einen nicht unerheblichen Verlust an Kohlenstoff zur Folge hat.It thus follows that in the prior art there is a very often laborious decarbonation of the non-condensable Gases proving necessary · which obviously result in a not inconsiderable loss of carbon has the consequence.
In bestimmten bekannten Verfahren wurde eine derartige Kohlensäureentfernung praktisch bei der Herstellung von Methanol bereits vermieden. So wird gemäß der US-PS 37 63 205 ein Recyclisierungsgemisch von Gas (darunter C0„), das sich im Abfluß aus der Methanolsynthese-Zone befindet, zu dem Dampf-Reformierungs-Reaktor, und zwar nur zu diesem Reaktor, geleitet, und gemäß der FR-PS 20 27 392 sind zwei Recyclisierungen von Kohlendioxidgas enthaltendem Gas möglich, sowohl zum Dampf-Reformierungs-Reaktor als auch zum Alkoholsynthese-Reaktor. Gemäß diesen beiden Patenten enthalten jedoch die recyclisierten Gase große Mengen an Wasserstoff, so daß einerseits das Verhältnis H2/C0 am Ausgang der Dampf-Reformierungszone zu hoch ist, als daß das stöchiometrische Verhältnis der Reaktion der Alkoholsynthese in der zweiten Zone eingehalten werden könnte, und andererseits die eingesetzten zu hohen Mengen an Wasserstoff sich außerdem in einer übermäßigen Bildung von Methan im Alkolholsynthese-Reaktor auf Kosten der angestrebten Alkohole auswirken.In certain known processes, such carbonic acid removal has already been practically avoided in the production of methanol. Thus, according to US Pat. No. 3,763,205, a recycling mixture of gas (including C0 "), which is located in the effluent from the methanol synthesis zone, is passed to the steam reforming reactor, specifically only to this reactor, and according to the FR-PS 20 27 392 two recycling of carbon dioxide gas-containing gas are possible, both to the steam reforming reactor and to the alcohol synthesis reactor. According to these two patents, however, the recycled gases contain large amounts of hydrogen, so that, on the one hand, the H 2 / C0 ratio at the outlet of the steam reforming zone is too high for the stoichiometric ratio of the alcohol synthesis reaction in the second zone to be maintained, and, on the other hand, the excessively high amounts of hydrogen used also result in an excessive formation of methane in the alcohol synthesis reactor at the expense of the desired alcohols.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Technik. der Gasrecyclisierung wesentlich verbessert wird zur Herstellung von Alkoholen, die in der homologen Reihe über dem Methanol stehen.The method according to the invention is characterized by this from that technology. the gas recycling is significantly improved for the production of alcohols, which are in the homologous series above the methanol.
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Die erfinderische Idee ist darin zu sehen, keinerlei Decarbonatisierung der am Ausgang der Alkoholsynthese-Zone nicht-kondensierten Gase vorzunehmen und einen speziellen Teil dieser Gase in den Dampf-Reformierungs-Reaktor zu leiten, während der andere Teil dieser Gase zum größten Teil in den Alkoholsynthese-Reaktor recyclisiert wird. Auf diese Weise dient das Kohlensäuregas, das somit nicht decarbonatisiert wurde, in wohl überlegter Weise zusammen mit den anderen Gasen (CO, H~) und ' dem diese begleitenden restlichen Methan dazu, das Gleichgewicht (2) im Sinne von B zu verschieben, was eines der Ziele vorliegender Erfindung ist, um den größten Teil (mindestens 90%) und bis zu 100% (wenn kein Recyclisierunggas über die in der Figur veranschaulichte Leitung 13 abgeführt wird) des im Verfahren eingesetzten Beschickungs-Kohlenstoffs (CO- und CH.) in Alkohole zu überführen. Außerdem wird erfindungsgemäß Kohlensäuregas, das aus den aus dem Dampf-Reforraierungs-Reaktor abgezogenen Gasen stammt, zum Eingang des Dampf-Reformierungs-Reaktors recyclisiert. Dabei ist zu beachten, daß in der Regel die aus der Dampf-Reformierungszone abgezogenen Gase keiner Abkühlung unterworfen werden vor deren Eintritt in den Synthese-Reaktor.The inventive idea is to be seen in the fact that there is no decarbonation of any kind at the exit of the alcohol synthesis zone Make non-condensed gases and a special portion of these gases in the steam reforming reactor while most of the rest of these gases are recycled to the alcohol synthesis reactor will. In this way, the carbonic acid gas, which has not been decarbonated, is used carefully Together with the other gases (CO, H ~) and the remaining methane accompanying them, add the To shift balance (2) in the sense of B, which is one of the aims of the present invention to the for the most part (at least 90%) and up to 100% (if no recycle gas above that illustrated in the figure Line 13 is discharged) of the feed carbon used in the process (CO and CH.) In To convert alcohols. In addition, according to the invention, carbonic acid gas is produced from the steam reforming reactor withdrawn gases originates, to the entrance of the steam reforming reactor recycled. It should be noted that, as a rule, those from the steam reforming zone withdrawn gases are not subjected to cooling before they enter the synthesis reactor.
Da sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abzugsgase aus dem Alkoholsynthese-Reaktor auf einer Temperatur in der Größenordnung von 100 bis 2000C befinden, werden sie erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise auf eine Temperatur in der Größenordnung von etwa 650 bis 9500C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 730 und 8900C, erhitzt und zumindest teilweise zum Dampf-Reformierungs-Reaktor recyclisiert, der zwischen 650 und 9500C, vorzugsweise zwischen 730 und 8900C, optimal arbeitet, und sie tragen auf diese Weise zu einem für die vorteilhafte Verschiebung desAs the flue gases from the alcohol synthesis reactor at a temperature in the order of 100 are for carrying out the inventive method up to 200 0 C, they are according to the invention in an advantageous manner to a temperature in the order of about 650-950 0 C, preferably to a temperature between 730 and 890 0 C, heated and at least partially recycled to the steam reforming reactor, which between 650 and 950 0 C, preferably between 730 and 890 0 C, works optimally, and they contribute in this way to a for the advantageous postponement of the
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Gleichgewichts (2) im Sinne von B günstigen K -Wert bei.Equilibrium (2) in the sense of B is a favorable K value.
Das erfinderische Merkmal liegt somit in einer Verbindung von (a) einer Dampf-Reformierung, die bei hoher Temperatur erfolgt und somit bei den gewählten Temperaturen eine günstige CO^-Beschickung erfordert, und (b) einer Alkoholsynthese-Reaktion, die für diese Reaktion nachteiliges CO„ und leichte Kohlenwasserstoffe liefert, wobei jedoch in vorteilhafter Weise deren Recyclisierung sowohl zum Dampf-Reformierungs- als auch zum Synthese-Reaktor erfolgt. Die Recyclisierungsgase sind praktisch frei von Wasser und Alkoholen. Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind somit die folgenden:The inventive feature thus resides in a connection of (a) a steam reforming which occurs at high temperature and thus at the chosen temperatures requires a cheap CO ^ charge, and (b) one Alcohol synthesis reaction, which supplies CO "and light hydrocarbons that are detrimental to this reaction, however, their recycling in an advantageous manner takes place both to the steam reforming and to the synthesis reactor. The recycle gases are practical free from water and alcohol. The main advantages of the method according to the invention are thus the following:
- Es ist nicht mehr erforderlich, eine Decarbonatisierung der den Alkoholsynthese-Reaktor verlassenden nichtkondensierbaren Gase durchzuführen,- It is no longer necessary to decarbonate the non-condensables leaving the alcohol synthesis reactor To carry out gases,
- das Gleichgewicht (2) der Reaktion der Dampf-Reformierung wird im Sinne von B verschoben, weil das recyclisierte C0_, das in die Dampf-Reformierungszone eingeleitet wird, mit dem bei der Dampf-Reformierungs-- the equilibrium (2) of the steam reforming reaction is shifted in the sense of B because that recycled C0_, which is introduced into the steam reforming zone, with which in the steam reforming
Reaktion gebildeten Wasserstoff reagiert. Diese Gleichgewichtsverschiebung im Sinne B führt zu einer Verringerung des molaren Verhältnisses H2/C0 (das in der Regel zu hoch ist Und einen Wert von 4,5 bis 6 hat) auf einen Wert in der Größenordnung von 2 bisReaction formed hydrogen reacts. This equilibrium shift in the sense of B leads to a reduction in the molar ratio H 2 / C0 (which is usually too high and has a value from 4.5 to 6) to a value in the order of magnitude from 2 to
(vorzugsweise von 2,2 bis 2,8), so daß im Verlaufe dieser Reaktion der ersten Verfahrensstufe, d.h., bei der Dampf-Reformierung, wenig C0~, jedoch wesentliche Mengen eines Gemisches aus CO und Wasserstoff im molaren Verhältnis von 2 bis 3, vorzugsweise von 2,2 bis 2,8, gebildet werden, was ideal ist für dessen Einsatz als Synthesegas zur Herstellung von Alkoholen im(preferably from 2.2 to 2.8) so that in the course of this reaction the first process step, i.e. at of steam reforming, little C0 ~, but essential Amounts of a mixture of CO and hydrogen in a molar ratio of 2 to 3, preferably from 2.2 to 2.8, which is ideal for its use as a synthesis gas for the production of alcohols in the
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Verlaufe der zweiten Verfahrensstufe. Es verdient die Tatsache Beachtung, daß die Werte für das Verhältnis H„/CO, die oben diskutiert wurden und für einen guten Betrieb eines Reaktors zur Synthese von homologen Alkoholen des Methanols notwendig sind, sich von den hohen Werten dieses Verhälnisses H0/CO, über die in der US-PS 37 63 205 und der FR-PS 20 2 7 392 berichtet wird, wesentlich unterscheiden;Go through the second stage of the procedure. It should be noted that the values for the ratio H / CO, which were discussed above and are necessary for a good operation of a reactor for the synthesis of homologous alcohols of methanol, differ from the high values of this ratio H 0 / CO, on which is reported in US-PS 37 63 205 and FR-PS 20 2 7 392, differ significantly;
- in der Gesamtbilanz der beiden Reaktionen (Dampf-Reformierung und Alkoholsynthese) erfolgt, da das vorhandene CO2 nicht entfernt,sondern in die erste Verfahrensstufe zurückgeleitet wird, kein Verlust an Kohlenstoff. In der Verbindung beider Reaktionen wird der gesamte eingesetzte Kohlenstoff in Alkohole überführt. Ferner sinddie leichten Kohlenwasserstoffe, die als Reaktions-Nebenprodukte gleichzeitig mit den Alkoholen im Synthesereaktor gebildet werden können,so beschaffen, daß sie in vorteilhafter Weise gleichzeitig mit dem CO,, zum Dampf-Reformierungs-Reaktor recyclisiert werden. Diese leichten Kohlenwasserstoffe umfassen auch das in Abschnitt (14) der Figur nicht dampfreformierte Methan.- In the overall balance of the two reactions (steam reforming and alcohol synthesis) there is no loss of carbon since the CO 2 present is not removed but is returned to the first process stage. When both reactions are combined, all of the carbon used is converted into alcohols. Furthermore, the light hydrocarbons which can be formed as reaction by-products concurrently with the alcohols in the synthesis reactor are such that they are advantageously recycled concurrently with the CO 2 to the steam reforming reactor. These light hydrocarbons also include the methane not steam reformed in section (14) of the figure.
Die Erfindung wird durch die beigefügte Figur veranschaulicht. Das Beschickungsmaterial (Erdgas, z.B. Methan oder mindestens ein anderer leichter Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch derartiger Gase) wird durch die Leitungen und 5 in die Dampf-Reformierungszone 14 eingespeist. Die Zuführleitung für Wasserdampf und für die Rückgewinnung des Kondensats sind nicht eingezeichnet. Auffrischungs-Kohlensäuregas, das zumindest teilweise aus Erdgasvorkommen stammt, wird durch die Leitungen 2 und eingeführt. Recyclisierungs-Kohlensäuregas und die als Reaktions-Nebenprodukte anfallenden Kohlenwasserstoffe werden durch die Leitung 3 zugeführt. Gegebenenfalls tritt durch die Leitung 4 ebenfalls Kohlensäure-The invention is illustrated by the attached figure. The feed material (natural gas, e.g. methane or at least one other light hydrocarbon or a mixture of such gases) is through the lines and 5 fed to the steam reforming zone 14. The supply line for steam and for recovery of the condensate are not shown. Booster carbon dioxide, which comes at least partially from natural gas deposits, is through the lines 2 and introduced. Recyclization carbonic acid gas and the hydrocarbons obtained as reaction by-products are fed through line 3. If necessary, carbonic acid also occurs through line 4
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gas ein, das am Ausgang der-Dampf-Reformierungszone gewonnen wird. Die Dampf-Reformierungszone arbeitet vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 730 und 8 9O0C unter einem Druck zwischen 1 und 4 MPa bei einem Durchsatz von 2000 bis 10 000 VolumenGas (Normaltemperatur und -druck) pro Volumen Katalysator pro h.gas obtained at the exit of the steam reforming zone. The steam-reforming zone preferably operates at a temperature of 730-8 9O 0 C under a pressure between 1 and 4 MPa at a rate from 2000 to 10,000 volume of gas (standard temperature and pressure) per volume of catalyst per h.
Der Abfluß aus der Dampf-Ref ormierungszone, der durch ';'" Leitung 6 abgezogen wird, wird durch die Leitungen 7 und 8 in einen Kompressor 19 geleitet. Gegebenenfalls wird ein Teil des Abflußes durch die Leitungen 15 .undThe effluent from the steam reforming zone indicated by ';' " Line 6 is withdrawn, is passed through lines 7 and 8 into a compressor 19. Possibly is part of the drain through the lines 15 .und
16 durch eine Zone 18 geführt, wodurch übliche bekannte geeignete Maßnahmen ein Teil des Kohlensäuregases des Dampf-Reformierungs-Abflußes isoliert wird, worauf dieser Anteil oder zumindest ein Teil desselben in die Dampf-Reformierungszone 14 durch die Leitungen 4 und 26 zurückgeführt wird. Man kann so in vorteilhafter Weise etwa 3 bis 60 Mol.-% des dem Dampf-Reformierungs-Reaktor entnommenen Kohlensäuregases in diesen Reaktor zurückführen, wobei diese recyclisierte Menge an Kohlensäuregas selbst wiederum etwa 30 bis 6 0 Mol.-% des in die Dampf-Reformierungseinheit eingeführten frischen Kohlensäuregases ausmacht. Der Abfluß aus der Dampf-Reformierungszone gelangt, nachdem er auf den in der Alkoholsynthese-Zone 20 erforderlichen Druck (der in der Regel zwischen 5 und 20 MPa liegt) komprimiert wurde, durch die Leitungen16 passed through a zone 18, whereby usual known appropriate measures a portion of the carbonic acid gas of the steam reforming effluent is isolated, whereupon this Share or at least a part of the same in the steam reforming zone 14 is returned through lines 4 and 26. In this way, it is advantageous for about 3 recycle up to 60 mol% of the carbonic acid gas withdrawn from the steam reforming reactor into this reactor, this recycled amount of carbonic acid gas itself in turn being about 30 to 60 mol% of that in the steam reforming unit imported fresh carbonic acid gas. The effluent from the steam reforming zone after it has reached the pressure required in the alcohol synthesis zone 20 (which is usually between 5 and 20 MPa) was compressed through the pipes
17 und 9 in die katalytische Alkoholsynthese-Zone 20, die bei einer Temperatur zwischen 200 und 4000C, vorzugsweise zwischen 250 und 350°C, arbeitet.17 and 9 in the catalytic alcohol synthesis zone 20 which operates at a temperature between 200 and 400 0 C, preferably between 250 and 350 ° C.
Der durch die Leitung 10 abgezogene Abfluß aus der Zone 20 wird in der Zone 21 aufgetrennt, einerseits in eine flüssige Phase, die Wasser und Alkohole umfaßt und durch Leitung 12 abgezogen wird, und andererseits in eine Gasphase, die im wesentlichen nicht-umgesetzte Gase, leichte Kohlenwasserstoffe und CO2 umfaßt und die prak-The effluent drawn off through line 10 from zone 20 is separated in zone 21, on the one hand into a liquid phase, which comprises water and alcohols and is drawn off through line 12, and on the other hand into a gas phase, which essentially contains unreacted gases, includes light hydrocarbons and CO 2 and the practical
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tisch frei von Wasser und Alkoholen ist und durch Leitung 22 abgezogen wird. Mindestens ein Teil dieser Gasphase, die gegebenenfalls auf die in der Dampf-Reformierungszone 14 herrschende Temperatur gebracht wurde, wird in die Zone 14 durch Leitung 3 recyclisiert. In der Regel werden auf diese Weise 2 bis 15 Vol.-%, vorzugsweise 2,5 bis 10 Vol.-% des Gesamtvolumens der Gasphase in Leitung 22 in solcher Weise recyclisiert, daß vorzugsweise ein molares Verhältnis "recyclisiertes CH./frisches CH."/Zwischen 0,2 und 2, vorzugsweise von 0,3 bis 1, vorliegt im Hinblick auf eine Stabilisierung des Gleichgewichts der Reaktion (2) im Sinne von B.table is free of water and alcohols and is withdrawn through line 22. At least part of this gas phase, which has optionally been brought to the temperature prevailing in the steam reforming zone 14 recycled to zone 14 through line 3. As a rule, 2 to 15% by volume are preferred in this way 2.5 to 10% by volume of the total volume of the gas phase in line 22 is recycled in such a way that preferably a molar ratio "recycled CH./fresh CH." / between 0.2 and 2, preferably from 0.3 to 1, exists with a view to stabilizing the equilibrium of reaction (2) in the sense of B.
Es ist ferner vorteilhaft, zumindest einen Teil der Gasphase der Leitung 22 in die Alkoholsynthese-Zone 20 durch die Leitung 11 , den Kompressor 24 und die Leitung 25 zu recyclisieren. In vorteilhafter Weise werden 85 bis 98%, vorzugsweise 90 bis 97,5 Vol.-% der gesamten Gasphase dergestalt recyclisiert. Schließlich kann auch ein Teil der Gasphase entfernt und abgeleitet werden durch Leitung 13, wobei der Anteil der auf diese Weise entfernten Gasphase maximal 10 Vol.-% der Gesamtmenge der in Leitung 22 befindlichen Gasphase ausmacht.It is also advantageous to pass at least part of the gas phase through line 22 into alcohol synthesis zone 20 the line 11, the compressor 24 and the line 25 to recycle. Advantageously, 85 to 98%, preferably 90 to 97.5% by volume of the total gas phase is recycled in this way. Finally can too a portion of the gas phase can be removed and discharged through line 13, the portion of the in this way removed gas phase makes up a maximum of 10 vol .-% of the total amount of the gas phase in line 22.
Die Alkoholsynthese wird bei einem Druck zwischen 5 und 25 MPa, vorzugsweise zwischen 6 und 20 MPa durchgeführt; die Reaktionstemperatur liegt zwischen 200 und 4000C, vorzugsweise zwischen 250 und 3500C; die stündliche Raumgeschwindigkeit (ausgedrückt als Volumen,bei Normaltemperatur und -druck,Gasgemisch pro Volumen Katalysator pro h) liegt in der Regel zwischen 1500 und 60 000h , vorzugsweise zwischen 2000 und 20 000h .The alcohol synthesis is carried out at a pressure between 5 and 25 MPa, preferably between 6 and 20 MPa; the reaction temperature is between 200 and 400 0 C, preferably between 250 and 350 0 C; the hourly space velocity (expressed as volume, at normal temperature and pressure, gas mixture per volume of catalyst per hour) is generally between 1500 and 60,000 hours, preferably between 2000 and 20,000 hours.
Zahlreiche Typen von Katalysatoren, wie sie für diese Reaktion insbesondere in den oben am Beginn der Beschreibung angegebenen Patentschriften beschrieben werden,Numerous types of catalysts, such as those used for this reaction, in particular those mentioned above at the beginning of the description specified patents are described,
* = oder "recyklisierter Kohlenwasserstoff/frischer Kohlenwasserstoff" * ,A* = or "recycled hydrocarbon / fresh hydrocarbon" *, A
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sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einwandfrei geeignet, insbesondere die Katalysatoren auf der Basis von Kupfer, Kobalt und verschiedenen anderen Metallen, wie sie in der FR-PS 2 5 23 95 7 und der FR-Patentanmeldung 83/05 727 beschrieben werden, wobei diese bevorzugten Katalysatoren die besten Ergebnisse zu erzielen gestatten bei der erfindungsgemäßen Durchführung der Reycyclisierungs-Operationen, die vorliegender Erfindung als Aufgabe zugrunde liegen. Bei den erfindungsgemäß erhaltenen höheren homologen Alkoholen handelt es sich insbesondere um Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol usw.are perfectly suitable for carrying out the process according to the invention, in particular the catalysts the base of copper, cobalt and various other metals, as in FR-PS 2 5 23 95 7 and the FR patent application 83/05 727, with these preferred catalysts giving the best results allow the present invention when carrying out the recycling operations according to the invention as a task. The higher homologous alcohols obtained according to the invention are involved in particular ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, etc.
Die Dampf-Reformierung von Methan (in Zone 14) wurde bei einer Temperatur von 8800C unter einem Betriebsdruck von 2 MPa, bei einem Volumenverhältnis Wasser/Methan von 2,72 und bei einer stündlichen Raumgeschwindigkeit von 5000h (Normaltemperatur und -druck) durchgeführt. Der Dampf-Reformierungs-Reaktor enthält 50 t Katalysator aus Nickel-Aluminium-Calcium-Kalium (in Gew.-% etwa 20% NiO, 5% KOH,60% Aluminiumoxid und 15% Ca (OH)2).The steam reforming of methane (in zone 14) was carried out at a temperature of 880 ° C. under an operating pressure of 2 MPa, at a volume ratio of water / methane of 2.72 and at an hourly space velocity of 5000 h (normal temperature and pressure) . The steam reforming reactor contains 50 t of catalyst made from nickel-aluminum-calcium-potassium (in% by weight approx. 20% NiO, 5% KOH, 60% aluminum oxide and 15% Ca (OH) 2 ).
Es erfolgte kein Gasablaß (Leitung 13 war nicht vorhanden). Nach dem Aufheizen auf 8800C wurde ein Teil der Gasphase der Leitung 22 in die erste Verfahrensstufe und ein weiterer Anteil in die zweite Verfahrensstufe recyclisiert. Eine Recyclisierung von CO» erfolgte durchThere was no gas discharge (line 13 was not present). After heating to 880 ° C., part of the gas phase in line 22 was recycled into the first process stage and a further part was recycled into the second process stage. A recycling of CO »took place through
die Leitung 4. : line 4 .:
Der Reaktorabschnitt der Alkoholsynthese (Zone 20) umfaßte zwei in Reihe angeordnete Reaktoren, von denen jeder mehrere Katalysatorbette aufwies, mit Zwischenkühlung. Der nach den Lehren der FR-PS 25 23 95 7 hergestellte Katalysator entsprach der Formel (Angaben in Ato-The alcohol synthesis reactor section (zone 20) comprised two reactors in series, one of which each had several catalyst beds, with intermediate cooling. The manufactured according to the teachings of FR-PS 25 23 95 7 Catalyst corresponded to the formula (data in atom
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men) Cu^gCo0 ^35Al1 , τ %/5 La0 , 1NaO ,2 ' Es lagen 6 fc Kata' lysator pro Reaktor vor; der Betriebsdruck betrug 13 MPa und die Temperatur 3000C.men) Cu ^ gCo 0 ^ 35 Al 1 , τ% / 5 La 0, 1 Na 0, 2 ' There were 6 catalytic converters per reactor; the operating pressure was 13 MPa and the temperature 300 0 C.
Molares Verhältnis H2/CO.am Eingang der ZoneMolar ratio H 2 / CO. At the entrance to the zone
(in Leitung 5): 1,81(on line 5): 1.81
Molares Verhältnis H2/CO am Eingang der Zone (in Leitung 9): 1,97Molar ratio H 2 / CO at the entrance to the zone (in line 9): 1.97
Prozentsatz der in Leitung 3 recyclisierten Gasphase im Verhältnis zur gesamten Gasphase der Leitung 22: 3,25%.Percentage of the gas phase recycled in line 3 in relation to the total gas phase in line 22: 3.25%.
Prozentsatz des in Leitung 3 recyclisierten CO3 im Verhältnis zum gesamten CO„ der Leitung 22: 3,25%.Percentage of the CO 3 recycled in line 3 in relation to the total CO 2 in line 22: 3.25%.
Prozentsatz des in Leitung 3 recyclisierten CO2 im Verhältnis zur Gesamtmenge an CO2 in Leitung 5 (Eintritt in die Dampf-Reformierungszone): 14,42%. 20Percentage of the CO 2 recycled in line 3 in relation to the total amount of CO 2 in line 5 (entry into the steam reforming zone): 14.42%. 20th
% der in die Synthesezone recyclisierten Gasphase: 96,74 Vol.-%.% of the gas phase recycled into the synthesis zone: 96.74% by volume.
ί-^-2 =0,51 (molares Verhältnis) % Cb2 in Leitung 6 ί - ^ - 2 = 0.51 (molar ratio)% Cb 2 in line 6
% CO^ in Leitung 4 Λίπ/ τ ττ ι. ··-ι j. · \ 2 a— = 0,4 7 (molares Verhältnis) % CO ^ in line 4 Λί π / τ ττ ι. ·· -ι j. \ 2 a - = 0.4 7 (molar ratio)
% CO„ in Leitung 5% CO "in line 5
Jt_CH4 =0,48 (molares Verhältnis)Jt_CH 4 = 0.48 (molar ratio)
% CH4 frisch% CH 4 fresh
tJie folgende Tabelle gibt die Bilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens in kilomol an; der in Zone 14 teilweise verbrauchte Wasserdampf ist nicht aufgeführt.The following table gives the balance of the invention Procedure in kilomoles; the water vapor partially consumed in zone 14 is not listed.
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<c ·<c
T-Hco
TH
rc rc ο iH rH
rc rc ο
LnLn
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coO
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CJO
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CJOJ
CJ
Oco
O
LO D.
LO
Claims (7)
Gleichung (1), die für das Methan lautet- 2 -
Equation (1), which reads for the methane
CO + H-O- * CO„ + H9 ~ (2)A.
CO + HO - * CO "+ H 9 ~ (2)
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