DE4332790A1 - Process for producing methanol - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Methanol aus Kohlendioxid und Wasserstoff, bei welchem ein Gemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff einem thermi schen Reaktor zugeführt werden und dort unter Überdruck und in Anwesenheit eines Katalysators in Methanol umgewandelt werden.The invention relates to a method of manufacture of methanol from carbon dioxide and hydrogen, in which a mixture of carbon dioxide and hydrogen a thermi be fed to the reactor and there under excess pressure and converted to methanol in the presence of a catalyst become.
Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der Zeitschrift "HITACHI RE- VIEW", Dezember 1990, Vol. 39-No. 6, Seiten 318 und 319, insbesondere Fig. 8 auf Seite 318, oder auch der Veröffent lichung von N.Kanoun et al. "Catalytic properties of new Cu based catalysts containing Zr and/or V for methanol synthe sis from a carbon dioxide and hydrogen mixture" in CATALYSIS LETTERS 15 (1992), 231-235, ergibt.The invention relates to a state of the art, as it is for example from the magazine "HITACHI REVIEW", December 1990, Vol. 39-No. 6, pages 318 and 319, in particular Fig. 8 on page 318, or the publication by N. Kanoun et al. "Catalytic properties of new Cu based catalysts containing Zr and / or V for methanol synthe sis from a carbon dioxide and hydrogen mixture" in CATALYSIS LETTERS 15 (1992), 231-235.
Der Kohlendioxidausstoß fossiler Verbrennungsprozesse hat ein Ausmaß erreicht, das globale Veränderungen der Zusam mensetzung der Atmosphäre bewirkt und über den Treibhausef fekt zu gravierenden Klimaveränderungen führen kann. Nach Angaben der IPCC-Kommission, welche die Weltklima-Konferenz in Genf im Oktober/November 1990 vorbereitet hat, müßte man die Emission von Kohlendioxid sofort um 60% reduzieren, um den Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre zu stabilisieren.The carbon dioxide emissions from fossil combustion processes reached a level that global changes in the together the atmosphere and the greenhouse boss can lead to serious climate changes. To Information from the IPCC Commission, which is the World Climate Conference in Geneva in October / November 1990, one would have to immediately reduce the emission of carbon dioxide by 60% stabilize the carbon dioxide content of the atmosphere.
Es gibt derzeit nur wenige Anwendungen, die größere Mengen an Kohlendioxid benötigen und gleichzeitig zur Emissionsver minderung beitragen, z. B. tertiäre Ölförderung (Enhanced Oil Recovery). Die vorgeschlagenen Endlagerungskonzepte (Meer, Erdgasfelder) werden kaum in diesem Jahrhundert re alisiert werden können und könnten z. B. aus biologischen Gründen immer verschlossen bleiben. Hingegen bietet sich die Umwandlung von Kohlendioxid in chemische Verbindungen an, die in großen Mengen Absatz finden, z. B. als Treibstoff für Verkehrsmittel oder Verbrennungsanlagen. Zu diesen Verbindungen gehören in erster Linie Methanol oder auch Methan.There are currently only a few applications that use larger amounts need for carbon dioxide and at the same time to reduce emissions contribute to reduction, e.g. B. tertiary oil production (Enhanced Oil recovery). The proposed disposal concepts (Sea, natural gas fields) are hardly re in this century can be and could be z. B. from biological Always remain closed for reasons. On the other hand, there is Converting carbon dioxide into chemical compounds, which are sold in large quantities, e.g. B. as fuel for Transportation or incinerators. To this Compounds primarily belong to methanol too Methane.
Im Prinzip kann die Synthese dieser Substanzen nach der fol genden Summenreaktion verlaufen:In principle, the synthesis of these substances according to fol overall reaction:
CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O
CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂OCO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O
CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O
In der klassischen chemischen Verfahrentechnik lassen sich diese Reaktionen nur unter erhöhtem Druck unter Einsatz spe zieller Katalysatoren, z. B. Rhodium plus Metalloxide, Kup fer/Zink plus Chrom, Aluminium, Mangan, Silber oder Vanadium oder Kupfer/Nickel-Verbindungen, bei Temperaturen von 230 - 280°C durchführen.In classic chemical process engineering, these reactions only under increased pressure using spe ziale catalysts, e.g. B. rhodium plus metal oxides, cup fer / zinc plus chrome, aluminum, manganese, silver or vanadium or copper / nickel compounds, at temperatures of 230 - Carry out at 280 ° C.
In der eingangs genannten Veröffentlichung "HITACHI REVIEW" a.a.O., Fig. 8, werden in summarischer Form den klassischen Verfahren zur synthetischen Herstellung von Methan und Me thanol zwei neue zur Seite gestellt, bei welchen Wasser bzw. Wasserstoff unmittelbar mit Kohlendioxid reagieren.In the above-mentioned publication "HITACHI REVIEW" loc. Cit., Fig. 8, the classic processes for the synthetic production of methane and methanol are summarized alongside two new ones, in which water or hydrogen react directly with carbon dioxide.
Bei dem einen Verfahren ("Photo-electric chemical conver sion") werden durch Photokatalyse die Wassermoleküle disso ziiert. Die dabei entstehenden Protonen (H⁺) reduzieren das Kohlendioxid zu Methan oder Methanol. Der dabei erzielte Wirkungsgrad (energy conversion efficiency) liegt jedoch un ter 1%. Hinzu kommt, daß sehr große Elektrodenflächen not wendig sind.In one method ("Photo-electric chemical conver sion ") the water molecules are disso adorns. The resulting protons (H⁺) reduce this Carbon dioxide to methane or methanol. The one achieved However, efficiency (energy conversion efficiency) is un ter 1%. In addition, very large electrode areas are not necessary are agile.
Bei dem anderen bekannten Verfahren wird Kohlendioxid mit tels durch Solarenergie erzeugtem Wasserstoff katalytisch hydriert ("Hydrogenation"), ein Verfahren daß bereits bei der Hydrierung von Kohlenmonoxid kommerziell durchgeführt wird. Dabei sind neben der Bereitstellung billigen Wasser stoffs die dabei notwendigen hohen Drücke und die hohen Temperaturen die Hauptprobleme für eine wirtschaftliche Anwendung.In the other known method, carbon dioxide is used Hydrogen generated by solar energy catalytically hydrogenated ("hydrogenation"), a process that already at the hydrogenation of carbon monoxide carried out commercially becomes. Besides providing cheap water the necessary high pressures and high pressures Temperatures are the main problems for an economic Application.
Aus der DE-A-42 20 865 ist schließlich ein Verfahren zur Synthese von Methan oder Methanol bekannt, das schon bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Drucken wirtschaftlich durchführbar ist. Dort wird in einem Reaktionsraum ein Gemisch aus Kohlendioxid und einer Wasserstoff enthaltenden Substanz stillen elektrischen Entladungen ausgesetzt.Finally, from DE-A-42 20 865 a method for Synthesis of methane or methanol known, which already at low temperatures and low pressures economically is feasible. There is a reaction chamber Mixture of carbon dioxide and one containing hydrogen Quiet substance exposed to electrical discharges.
Bei den bekannten katalytischen Verfahren finden sich nur vage Angaben über den Druck und Temperatur im Reaktionsraum, Verweilzeiten des Gemisches im Katalysotor(bett) und auch über die Vorbehandlung des Katalysators. Die Abstimmung dieser Prozeßgrößen ist aber von entscheidender Bedeutung für die erreichbare Methanolausbeute.In the known catalytic processes only vague information about the pressure and temperature in the reaction chamber, Residence times of the mixture in the catalyst (bed) and also about the pretreatment of the catalyst. The vote these process variables are of crucial importance for the achievable methanol yield.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Methanol zu schaffen, das schon bei niedr igen Temperaturen und niedrigen Drucken wirtschaftlich durchführbar ist und eine hohe Methanolausbeute ermöglicht. The invention has for its object a method for To create production of methanol that already at low temperatures and low pressures economically is feasible and enables a high methanol yield.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das ein Gemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff von oben her in den Reaktionsraum eingeführt wird und danach den Katalysator im unteren Abschnitt des Reaktionsraumes durchdringt, daß als Katalysator ein solcher auf Kupferbasis verwendet wird, und daß die Verweilzeit im Katalysator in Abhängigkeit von der Temperatur im Reaktionsraum derart bemessen ist, daß der Zahlenwert des Quotienten von Verweilzeit sv und Tem peratur t zwischen den Werten 10 und 50 liegt, wobei die Verweilzeit sv als Gasvolumen/Stunde dividiert durch die gesamte Gasmenge definiert ist und die Temperatur in Celciusgraden zu nehmen ist.This object is achieved in that the a mixture of carbon dioxide and hydrogen from above the reaction space is introduced and then the catalyst penetrates in the lower section of the reaction space that a copper-based catalyst is used, and that the residence time in the catalyst depending on the temperature in the reaction chamber is such that the numerical value of the quotient of residence time sv and tem temperature t lies between the values 10 and 50, whereby the Residence time sv as gas volume / hour divided by total amount of gas is defined and the temperature in Celcius degrees is to be taken.
In Anwendung dieser Lehre wird es erstmals möglich, Methanol in größerer Menge innerhalb vertretbarer Zeiten herzustellen und auf diese Weise das Treibhausgas Kohlendioxid quasi wiederzuverwerten. Dabei hat es sich als besonders vorteil haft erwiesen, einen Katalysator auf Kupferbasis zu verwen den, der vorgängig mit einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff während mehrerer Stunden konditioniert wurde. Als Katalysatormaterial kommen im wesentlichen alle im der eingangs zitierten Veröffentlichung "Catalytic properties of new Cu based catalysts . . . " a.a.O. aufgeführte Substanzen in Betracht, die in der Regel als Pellets gehandelt werden.Applying this teaching makes it possible for the first time to use methanol Manufacture in large quantities within reasonable times and this way the greenhouse gas carbon dioxide, so to speak to recycle. It has proven to be particularly advantageous proven to use a copper-based catalyst the one that previously had a mixture of nitrogen and Hydrogen was conditioned for several hours. Essentially all come in as the catalyst material initially cited publication "Catalytic properties of new Cu based catalysts. . . "The above-mentioned substances in Consider, which are usually traded as pellets.
Die Ausgangssubstanz Wasserstoff kann nach einem der heute gängigen Verfahren hergestellt werden, z. B. durch Elektro lyse, wobei als Energiequelle Kernenergie oder erneuerbare Energiequellen (Sonne, Wind, Wasserkraft, Biomasse) dienen können. Daneben kann der Wasserstoff durch Spaltung von Schwefelwasserstoff (H₂S) mittels Mikrowellen, mittels stil ler elektrischer Entladungen, durch thermische Dissoziation oder durch elektrolytische Dissoziation erzeugt werden. Schwefelwasserstoff fällt bei bestimmten chemischen Verfahren quasi als Abfallprodukt an; er ist auch ein Nebenprodukt der erdgasverarbeitenden Industrie. Die Gewinnung von Wasserstoff aus Schwefelwasserstoff hat dazu den Vorteil, daß dessen Bindungsenergie kleiner ist als die von Wasser.The starting substance hydrogen can according to one of the today common processes are manufactured, e.g. B. by electro lysis, with nuclear or renewable energy sources Serve energy sources (sun, wind, hydropower, biomass) can. In addition, the hydrogen can be split by Hydrogen sulfide (H₂S) using microwaves, using stil electrical discharges, through thermal dissociation or generated by electrolytic dissociation. Hydrogen sulfide drops at certain chemical Process as a waste product; he is also a By-product of the natural gas processing industry. The Extraction of hydrogen from hydrogen sulfide has to do this the advantage that its binding energy is less than that of water.
Das für die Methanolsynthese benötigte CO₂ fällt bei der Verbrennung fossiler Energieträger als unerwünschte Kompo nente ab. Bevor derartiges Kohlendioxid mit Wasserstoff vermischt und danach dem thermischen Reaktor zugeführt wird, muß es allerdings von anderen Verbrennungsrückständen be freit werden. Für diesen Zweck stehen bereits heute zahl reiche Technologien zur Verfügung, die Kohlendioxid entweder für Lebensmittel-Anwendungen (food-grade applications) oder chemische Anwendungen (chemical-grade applications) bereit stellen (vgl. Firmenschrift der ABB Lummus Crest, 12141 Wickester, Houston, TX 77079-9570 U.S.A. "CO₂ Recovery from Flue Gas" undatiert).The CO₂ required for the synthesis of methanol falls at Burning fossil fuels as an unwanted compo abent. Before such carbon dioxide with hydrogen mixed and then fed to the thermal reactor, However, it must be from other combustion residues become free. There are already numbers for this purpose rich technologies available that contain either carbon dioxide for food applications (food-grade applications) or chemical applications (chemical-grade applications) ready (see company lettering from ABB Lummus Crest, 12141 Wickester, Houston, TX 77079-9570 U.S.A. "CO₂ Recovery from Flue Gas "undated).
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläu tert.The method according to the invention is described below of an embodiment with reference to the drawing tert.
In der Zeichnung zeigt:The drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren zur Methanolsynthese im Labormaßstab; Figure 1 is a schematic representation of a device for performing the inventive method for methanol synthesis on a laboratory scale.
Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Einflusses der Temperatur und des Druckes im thermischen Reaktor auf die Methanolausbeute bei vorgegebener Verweil zeit. Fig. 2 is a diagram to illustrate the influence of temperature and pressure in the thermal reactor on the methanol yield for a given dwell time.
Im schematischen Laboraufbau einer Einrichtung zur Synthese von Methanol (CH₃OH) wird reiner Wasserstoff und reines Koh lendioxid über je einen Hochdruck-Mengenregler 1 bzw. 2 einem Mischer 3 zugeführt.In the schematic laboratory setup of a device for the synthesis of methanol (CH₃OH), pure hydrogen and pure carbon dioxide are fed via a high-pressure flow controller 1 or 2 to a mixer 3 .
Der Mischer 3 ist mit einem Sicherheitsventil 4 ausgestat tet. Vom Mischer 3 gelangt das H₂/CO₂-Gemisch in einen zylindrischen thermischen Reaktor 5. Im Bodenbereich des Reaktors 5 ist ein Katalysator 6 lose aufgeschüttet. Er erstreckt sich beim Laboraufbau etwa über 1/10 der Behälter höhe. Der Katalysator - er kommt in Form von Pellets in den Handel - wurde vorgängig gemahlen, und es wurden nur Kataly satormaterial mit Korngrößen zwischen 250 und 500 µm Korn durchmesser wurde verwendet. Es handelt sich dabei um einen Cu-basierten Katalysator, der unter der Typenbezeichnung MK- 101 von der Firma Haldor Topsoe A/5, Nymollevej, DK-2800 Lyngby, vertrieben wird. Der Reaktor besitzt eine Heizvor richtung 7. Mittels einem Druckregler 8 im Zuge der aus dem Reaktor heraus führenden Leitung kann der Druck im Inneren des Reaktors 5 in weiten Grenzen eingestellt werden. Tem peratur und Druck im Reaktor 5 werden mit einem Druckmesser 9 und einem Temperaturmesser 10 erfaßt.The mixer 3 is equipped with a safety valve 4 . The H₂ / CO₂ mixture passes from the mixer 3 into a cylindrical thermal reactor 5 . A catalyst 6 is loosely heaped up in the bottom region of the reactor 5 . It extends about 1/10 of the container height in the laboratory setup. The catalyst - it comes on the market in the form of pellets - was ground beforehand, and only catalyst material with particle sizes between 250 and 500 µm was used. It is a Cu-based catalyst which is sold under the type designation MK-101 by Haldor Topsoe A / 5 , Nymollevej, DK-2800 Lyngby. The reactor has a Heizvor direction 7th The pressure inside the reactor 5 can be set within wide limits by means of a pressure regulator 8 in the course of the line leading out of the reactor. Tem temperature and pressure in the reactor 5 are detected with a pressure meter 9 and a temperature meter 10 .
Vom Druckregler 8 führt eine beheizte Leitung 11 - die Hei zung ist mit 12 bezeichnet und verhindert die Kondensation des im Reaktor 5 erzeugten Methanols - zu einem Mehrwege ventil 13. Dieses Mehrwegeventil erlaubt es, das durch die Leitung 11 strömende Gasgemisch einmal an einen Gaschroma tographen 14 oder einem Kondensationsgerät 15 zuzuleiten. Im Gaschromatographen 14 läßt sich die Zusammensetzung des Gasgemischs, das den Reaktor 5 verläßt, qualitativ und quantitativ bestimmen. Im Kondensationsgerät 15 wird das bei etwa 60°C kondensierende Methanol 16 aufgefangen. Das nicht umgesetzte H₂/CO₂-Gemisch und wird (bei diesem Laboraufbau) ins Freie gelassen. From the pressure regulator 8 leads a heated line 11 - the heating is denoted by 12 and prevents the condensation of the methanol generated in the reactor 5 - to a multi-way valve 13 . This multi-way valve allows the gas mixture flowing through line 11 to be fed once to a gas chromatograph 14 or a condensing device 15 . In the gas chromatograph 14 , the composition of the gas mixture leaving the reactor 5 can be determined qualitatively and quantitatively. The methanol 16 condensing at about 60 ° C. is collected in the condensation device 15 . The unreacted H₂ / CO₂ mixture and (in this laboratory setup) is left outside.
Im Diagramm gemäß Fig. 2 ist die Abhängigkeit der prozentu alen Methanol-Umwandlungsrate CR vom Druck P im Inneren des Reaktors 5 bei verschiedenen Temperaturen aufgetragen. Generell steigt die Umwandlungsrate CR mit zunehmendem Druck an. Auch erhöht sich zunächst mit zunehmender Temperatur die Umwandlungsrate CR; sie erreicht bei Werten zwischen 220 und 250°C ein Maximum und fällt bei zunehmender Temperatur wieder.In the diagram according to FIG. 2, the dependence of the percent methanol conversion rate CR on the pressure P inside the reactor 5 is plotted at different temperatures. In general, the conversion rate CR increases with increasing pressure. The conversion rate CR also initially increases with increasing temperature; it reaches a maximum at values between 220 and 250 ° C and falls again with increasing temperature.
Nach den Erkenntnissen der Anmelderin sind für dieses Opti mum zwei konkurrierende Prozesse verantwortlich:According to the knowledge of the applicant, opti for this responsible for two competing processes:
Methanol bildet sich im Reaktor 5 im wesentlichen nach der folgenden Summenreaktion:Methanol essentially forms in reactor 5 after the following total reaction:
CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O (1)CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O (1)
Die Methanolsynthese führt bei niedrigeren Temperaturen zu höheren Umwandlungsraten; die Vorgänge laufen jedoch dann viel langsamer ab, und die Verweilzeit im Katalysatorbett muß dementsprechend vergrößert werden. Die Wirkung des Katalysators nimmt hingegen mit steigender Temperatur bis hin zur spezifizierten maximalen Arbeitstemperatur (310°C beim Typ MK-101) zu.Methanol synthesis leads to at lower temperatures higher conversion rates; however, the processes then run much slower, and the residence time in the catalyst bed must be increased accordingly. The effect of In contrast, the catalyst increases with increasing temperature towards the specified maximum working temperature (310 ° C for type MK-101).
Im Laboraufbau wurde die Methanolsynthese mit H₂/CO₂-Gemi schen mit Molverhältnissen von 1 : 1 bis 10 : 1, bei Verweil zeiten zwischen 1/10 und 10 sec, Drücken zwischen 1 und 30 bar und Temperaturen zwischen 140 und 300°C durchgeführt. Optimale Ausbeute ergab sich dabei bei einem Molverhältnis von 3 : 1, einer Verweilzeit von etwa 1 sec, einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von 240°C. Der CO₂-Umsatz (prozentualer Anteil umgesetzter Mole CO₂ zu zugeführten Molen CO₂) lag bei etwa 10%, die Selektivität (prozentualer Anteil der gebildeten Mole CH₃OH zu der Anzahl umgesetzter Mole CO₂) lag dabei über 50%. In the laboratory, the methanol synthesis with H₂ / CO₂-Gemi with molar ratios of 1: 1 to 10: 1, with dwell times between 1/10 and 10 sec, press between 1 and 30 bar and temperatures between 140 and 300 ° C carried out. Optimal yield was obtained with a molar ratio of 3: 1, a residence time of about 1 sec, a pressure of 20 bar and a temperature of 240 ° C. CO₂ sales (Percentage of converted moles of CO₂ supplied Molen CO₂) was about 10%, the selectivity (percentage Share of moles CH₃OH formed to the number converted Mole CO₂) was over 50%.
Die Erfindung wurde im vorstehenden unter Bezugnahme auf einen Laboraufbau und unter Verwendung eines bestimmten Katalysators beschrieben. Bei einer großtechnischen Reali sierung des erfindungsgemäßen Verfahrens käme des Kohlen dioxid z. B. aus einer Anlage, wie sie in der eingangs ge nannten Firmenschrift "CO₂ Recovery from Flue Gas" beschrie ben wird.The invention has been described above with reference to a laboratory setup and using a specific one Described catalyst. With a large-scale reali The method according to the invention would come from coal dioxide e.g. B. from a plant, as in the ge called company name "CO₂ Recovery from Flue Gas" will.
Als Wasserstoffquellen kommen z. B. nuklear- oder solarener giebetriebene Wasser-Elektrolyse-Anlagen in Frage. Als Was serstoffquelle kommt auch Schwefelwasserstoff in Frage.As hydrogen sources come e.g. B. nuclear or solar powered water electrolysis systems in question. As what Hydrogen sulfide is also an option.
BezugszeichenlisteReference list
1, 2 Mengenregler
3 Mischer
4 Sicherheitsventil
5 thermischer Reaktor
6 Katalysator
7 Heizvorrichtung
8 Druckregler
9 Druckmesser
10 Temperaturmesser
11 Leitung
12 Leitungsheizung
13 Mehrwegeventil
14 Gaschromatograph
15 Kondensationsgerät
16 Methanol 1 , 2 flow regulator
3 mixers
4 safety valve
5 thermal reactor
6 catalyst
7 heater
8 pressure regulators
9 pressure gauges
10 temperature meters
11 line
12 line heating
13 multi-way valve
14 gas chromatograph
15 condensing unit
16 methanol
Claims (8)
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