DE69412019T2 - Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff durch partielle Oxidation eines Kohlenwasserstoffeinsatzmaterials, insbesondere eines Kohlenwasserstoffeinsatzmaterials mit einem Gehalt an Kohlendioxid.
  • Die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Methan oder Erdgas, in Anwesenheit eines Katalysators ist ein attraktiver Weg zur Herstellung von Gemischen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, in der Technik bekannt als Synthesegas. Die partielle Oxidation eines Kohlenwasserstoffes ist eine stark exotherme Reaktion und läuft im Falle von Methan als Kohlenwasserstoff nach der folgenden Reaktion ab:
  • 2CH&sub4; + O&sub2; → 2CO + 4H2
  • Verfahren zur katalytischen partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, wie Methan, sind bekannt und in der Technik beschrieben. Beispielsweise haben D. A. Hickman und L. D. Schmidt ("Synthesis Gas Formation by Direct Oxidation of Methane over Pt Monoliths", Journal of Catalysis 138, 1992, S. 267 bis 282) Versuche mit der partiellen Oxidation von Methan in Gegenwart von Katalysatoren mit einem Gehalt an Platin oder Rhodium durchgeführt. Die verwendeten Katalysatoren lagen in Form einer polykristallinen Platinfolie oder als Rhodium oder Platin, aufgebracht auf einen keramischen Schaumträger, vor. Die partiellen Oxidationsreaktionen wurden bei im wesentlichen Atmosphärendruck, bei Temperaturen im Bereich von 600 bis 1500 K (337 bis 1237ºC) und unter Anwendung eines Bereichs von Gasströmungsgeschwindigkeiten durchgeführt. Die Versuche verwendeten ein aus Methan und Sauerstoff oder Luft bestehendes Gemisch als Einsatzmaterial. Die Versuche erzielten eine typische Methanumwandlung von 80% mit typischen Selektivitäten auf Kohlenmonoxid und Wasserstoff von 90% bzw. 50%.
  • Weiters beschreiben P. D. F. Vernon et al ("Partial Oxidation of Methane to Synthesis Gas, and Carbon Dioxide as an Oxidising Agent for Methane Conversion", Catalysis Today, 13 (1992) 417 = 426) die partielle Oxidation von Methan durch Sauerstoff, um unter Verwendung der auf inerten Oxiden aufgebrachten Übergangsmetalle Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Platin und Iridium Synthesegas zu ergeben.
  • Geeignete Einsatzmaterialien zur Verwendung in dem katalytischen partiellen Oxidationsverfahren können neben einem Gehalt an Kohlenwasserstoffen wie Methan auch Kohlendioxid enthalten. Tatsächlich enthalten einige natürliche Gasvorkommen in beachtlichen Mengen Kohlendioxid. Demnach besteht ein Bedarf nach einem technischen Verfahren zur Umwandlung der vorstehend erwähnten Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialen mit einem Gehalt an Kohlendioxid zu Gemischen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
  • Das Reformieren von Kohlenwasserstoffen unter Anwendung von Kohlendioxid ist ein gut bekanntes Verfahren. Das Verfahren verläuft endotherm, was im Falle des Reformierens von Methan nach der folgenden Reaktion erfolgt:
  • CH&sub4; + CO&sub2; → 2 CO + 2H2
  • P.D.F. Vernon et al. beschreiben in der oben erwähnten Literaturstelle eine Reihe von Versuchen, die durchgeführt wurde, um das Reformieren von Methan unter Verwendung von Kohlendioxid in Gegenwart von Katalysatoren zu überprüfen, die auf einen Aluminiumoxidträger aufgebrachtes Nickel, Palladium, Ruthenium, Rhodium und Iridium umfassen.
  • Schließlich schlagen P.D.F. Vernon et al in der gleichen Literaturstelle vor, die exotherme partielle Oxidationsreaktion mit der endothermen Kohlendioxidreformierungsreaktion zu kombinieren, um ein thermoneutrales Verfahren zu ergeben. Es werden Versuche beschrieben, worin ein Katalysator mit einem Gehalt an auf Aluminiumoxid aufgebrachtem Iridium verwendet wurde, um Einsatzgemische mit einem Bereich von Zusammensetzungen zu konvertieren. Ein hoher Umwandlungsgrad an Methan wurde in dem Verfahren erreicht, der mit der Ausbildung von sowohl Kohlenmonoxid als auch Wasserstoff in vernünftigen Ausbeuten einherging. Für Einsatzgemische mit einem Gehalt an Kohlendioxid in einer Konzentration von größer als 20% wurde ein hohes Ausmaß an Kohlendioxidumwandlung erzielt. Die in der Literaturstelle angegebebenen Daten zeigen jedoch, daß bei niedrigen Konzentrationen von Kohlendioxid im Einsatzgemisch nur ein sehr geringes Ausmaß an Kohlendioxidumwandlung erreichbar ist. Daraus wurde geschlossen, daß ausgezeichnete Ausbeuten an Synthesegas erzielt werden könnten, wenn Einsatzmaterialen mit einem Gehalt an Methan, Sauerstoff und Kohlendioxid in annähernd stöchiometrischen Mengen verwendet werden. Es werden zu den angewandten Reaktionsbedingungen bei den Versuchen keine Einzelheiten angegeben.
  • Die internationale Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 92/11199 (WO 92/11199) beschreibt ein Verfahren zur Umwandlung eines Reaktantengasgemisches aus Kohlendioxid, Sauerstoff und Methan. Das Reaktantantengas wird mit einem Katalysator bei einer Temperatur von 600 bis 1000ºC in Kontakt gebracht, um ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzielen. Der Katalysator ist ein Feststoff mit der allgemeinen Formel MxM'y0z oder Mx0z oder M'y0z oder M' auf einem geeigneten Träger. M in den Formeln ist wenigstens ein aus Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Bor, Aluminium, Scandium, Yttrium, Gallium, Indium, Thallium, Bismuth, Uran, Thorium, Blei und den Lanthaniden ausgewähltes Metall. M' in den Formeln ist wenigstens ein aus Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Gallium, Germanium, Yttrium, Zirkon, Niobium, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Gold, Cadmium, Indium, Zinn, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Silber, Quecksilber, Tellur, Blei, Bismuth, Thallium und Uran ausgewähltes Metall.
  • In WO 92/11199 wird angegeben, daß eine thermisch neutrale Umsetzung erzielt werden kann, wenn das Verhältnis von Kohlendioxid zu Sauerstoff im Reaktantengas etwa 1 zu 6 beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren mit einem Überschuß an Kohlendioxid im Reaktantengas betrieben. Auf diese Weise soll die Ausbildung von Kohlenstoff unterdrückt werden, was die Anwendung von billigeren Katalysatoren ermöglicht. Versuche werden in WO 92/11199 beschrieben, worin eine Reihe von Katalysatoren getestet wird. Die Versuche wurden bei 0,1 MPa (1 bar) und bei Temperaturen von bis zu 1050 K (777ºC) durchgeführt. Die in der Umwandlung von Gemischen aus Methan, Kohlendioxid und Sauerstoff getesteten Katalysatoren erzielten nur sehr geringe Umwandlungsgrade von Kohlendioxid, wenn Einsatzmaterialen mit nur einem kleinen Anteil Kohlendioxid verwendet werden. Außerdem zeigen die in WO 92/11199 geoffenbarten Werte, daß der Grad der Kohlenwasserstoffumwandlung und die Selektivität auf Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die im Verfahren er reicht wurden, abnimmt, wenn die Raumgeschwindigkeit der Gasströmung über den Katalysator erhöht wird.
  • Um für eine Anwendung im kommerziellen Umfang geeignet zu sein, muß ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus einem Einsatzmaterial, das einen Kohlenwasserstoff und Kohlendioxid umfaßt, imstande sein, einen hohen Grad an Kohlendioxidumwandlung zu erzielen. Das Verfahren muß befähigt sein, mit einer kommerziell annehmbaren Gasdurchsatzgeschwindigkeit zu arbeiten. Es scheint sich daher aus den von P.D.F. Vernon et al. und in WO 92/11199 geoffenbarten Angaben und Informationen zu ergeben, daß eine katalytische partielle Oxidation für die Anwendung bei der Herstellung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus Einsatzmaterialen, die Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid umfassen, in einem kommerziellen Ausmaß höchst ungeeignet ist.
  • Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß im Gegensatz zur zuvor diskutierten Lehre nach dem Stand der Technik ein Einsatzmaterial aus einem Gemisch aus einem Kohlenwasserstoff, Kohlendioxid und einem sauerstoffhältigen Gas durch die katalytische partielle Oxidation des Kohlenwasserstoffes unter Anwendung von sehr hohen stündlichen Raumgeschwindigkeiten in hoher Ausbeute zu einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff konvertiert werden kann. Völlig überraschend wurde gefunden, daß dieses Verfahren hohe Kohlendioxidumwandlungsgrade erzielen läßt, wenn Kohlendioxid im Einsatzmaterial nur in kleinen Mengen vorhanden ist.
  • Demnach schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff durch partielle Oxidation eines Kohlenwasserstoffes, welches Verfahren ein Inkontaktbringen eines den Kohlenwasserstoff, Kohlendioxid in einer Konzentration größer als jener von Luft und bis zu 10 Vol.-% des Einsatzes und ein sauerstoffhältiges Gas umfassenden Einsatzmaterials mit einem Katalysator umfaßt, der ein aus der Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente ausgewähltes Metall umfaßt, bei einer stündlichen Gasraumgeschwindkeit von mindestens 500.000 Nl/kg/h.
  • Es ist ein höchst überraschender Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß die zum Umwandeln des Kohlendioxids im Einsatzmaterial erforderlichen Kohlendioxidreformierungsreaktionen in der sehr kurzen Zeit erreicht werden können, in der das Einsatzmaterial mit den in diesem Verfahren herrschenden sehr hohen Raumgeschwindikeiten mit dem Katalysator in Kontakt kommt. Die Anwendung von sehr hohen Raumgeschwindigkeiten im Verfahren der vorliegenden Erfindung führt zu einer Reihe von bedeutentenden Vorteilen. Erstens ist es möglich, Gasgeschwindigkeiten anzuwenden, welche die Geschwindigkeit einer sich durch das Einsatzmaterial fortsetzenden Flamme überschreiten. Das senkt das Risiko von Explosionen, die bei Ausführung des Verfahrens aufgrund der Entzündung des Einsatzgemisches entstehen, und ermöglicht ein Vermischen der verschiedenen Komponenten des Einsatzmaterials vor dem Inkontaktbringen mit dem Katalysator. Zweitens ist bei derart hohen Raumgeschwindigkeiten die Zeit, während welcher das Einsatzmaterial mit dem Katalysator in Kontakt kommt, sehr kurz. Das senkt wiederum das Risiko, daß eine vollständige Oxidation des Kohlenwasserstoffes im Einsatzmaterial erfolgt. Eine vollständige Oxidation würde Kohlendioxid ergeben, welches ein Reformieren mit dem Kohlenwasserstoff erfordern würde, um das gewünschte Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzielen. Solche Reformierungsreaktionen sind endotherm, wie oben erörtert, und werden vorzugsweise auf einem Minimum gehalten.
  • Daher ist im Gegensatz zu den in der Technik geoffenbarten Verfahren das Verfahren der vorliegenden Erfindung besonders für eine Anwendung im technischen Umfang geeignet.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann eingesetzt werden, um ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus einem beliebigen gasförmigen Kohlenwasserstoff oder einem Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial mit einem niedrigen Siedepunkt herzustellen. Das Verfahren ist besonders geeignet für die partielle Oxidation von Methan, Erdgas, Begleitgas oder anderen Quellen von leichten Kohlenwasserstoffen. Im Hinblick darauf ist der Ausdruck "leichte Kohlenwasserstoffe" ein Hinweis auf Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen. Das Verfahren kann vorteilhaft bei der Umwandlung von Gas aus natürlich vorkommenden Methanvorkommen angewendet werden, welche eine erhebliche Menge Kohlendioxid enthalten.
  • Das Einsatzmaterial umfaßt ein sauerstoffhältiges Gas. Luft ist zur Verwendung als sauerstoffhältiges Gas geeignet.
  • Die Verwendung von im wesentlichen reinem Sauerstoff als sauerstoffhältiges Gas kann jedoch bevorzugt werden. Auf diese Weise wird die Notwendigkeit einer Handhabung eines großen Volumens Inertgas, beispielsweise Stickstoff bei Verwendung von Luft als sauerstoffhältigem Gas, vermieden.
  • Das Einsatzmaterial kann zusätzlich Dampf umfassen.
  • Das im Verfahren der vorliegenden Erfindung umzuwandelnde Einsatzmaterial sollte den Kohlenwasserstoff, Kohlendioxid und das sauerstoffhältige Gas in ausreichenden Mengen enthalten, um ein geeignetes Verhältnis Sauerstoff-zu-Kohlenstoff zu ergeben. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdruck "Verhältnis Sauerstoff-zu-Kohlenstoff" ein Hinweis auf das Verhältnis von im Einsatzmaterial vorhandenen Sauerstoffatomen zu den im Einsatzmaterial vorhandenen Kohlenstoffatomen. Die zur Bestimmung des Verhältnisses Sauerstoff-zu-Kohlenstoff relevanten Sauerstoffatome sind im Einsatzmaterial in Form von Kohlendioxidmolekülen und als Sauerstoffmoleküle im sauerstoffhältigen Gas vorhanden. Kohlenstoffatome sind im Einsatzmaterial in Form von Kohlenwasserstoffmolekülen und in Form von Kohlendioxidmolekülen vorhanden. Vorzugsweise umfaßt das Einsatzmaterial Kohlenwasserstoff, Kohlendioxid und das sauerstoffhältige Gas in Konzentrationen, die ausreichen, um ein Verhältnis Sauerstoff-zu-Kohlenstoff im Bereich von 0,6 bis 1,6, stärker bevorzugt im Bereich von 0,9 bis 1,5 zu ergeben. Stärker bevorzugt liegt das Verhältnis Sauerstoff-zu-Kohlenstoff im Bereich von 0,9 bis 1,4, wobei die Verhältnisse Sauerstoff-zu-Kohlenstoff in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses von 1,0, d. h. in einem Bereich von 0,9 bis 1,3, besonders bevorzugt werden.
  • Bei vielen Anwendungen ist das Kohlendioxid im Einsatzmaterial ein Begleiter des zu behandelnden Kohlenwasserstoffes. In solchen Fällen wird die Konzentration von Kohlendioxid im Einsatzmaterial zu dem Verfahren durch die Konzentration von Kohlendioxid in der Kohlenwasserstoffquelle bestimmt, beispielsweise Erdgas aus einem Gasvorkommen oder Begleitgas aus einem Ölvorkommen. Die für das Einsatzmaterial zum Verfahren zu verwendende Menge an sauerstoffhältigem Gas wird daher durch die Konzentration von Kohlendioxid, die im Einsatzmaterial vor handen ist, und durch das gewünschte Verhältnis Sauerstoff-zu- Kohlenstoff bestimmt.
  • Wenn Dampf im Einsatzmaterial vorhanden ist, liegt das Verhältnis Dampf-zu-Kohlenstoff vorzugsweise im Bereich von über 0,0 bis 3,0, stärker bevorzugt von 0,0 bis 2,0.
  • Der Kohlenwasserstoff, das Kohlendioxid, das sauerstoffhältige Gas und der Dampf, falls vorhanden, werden vorzugsweise vor dem Inkontaktbringen mit dem Katalysator gut vermischt. Wie zuvor erörtert, ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die zuvor erwähnten Komponenten des Einsatzmaterials vor dem Katalysator ohne das Risiko einer sich ausbreitenden Flamme oder einer Explosion stromauf zum Katalysator oder einer anderen Zündquelle gut vermischt werden können.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bei jedem geeigneten Druck arbeiten. Das Verfahren wird jedoch vorzugsweise bei erhöhten Drücken betrieben, d. h. bei Drücken, die deutlich über dem Atmosphärendruck liegen. Das Verfahren kann bei Drücken im Bereich von bis zu 150 bara betrieben werden. Stärker bevorzugt wird das Verfahren bei Drücken im Bereich von 2 bis 125 bara, im speziellen von 2 bis 100 bara betrieben.
  • Das Verfahren kann bei jeder geeigneten Temperatur betrieben werden. Unter den im Verfahren der vorliegenden Erfindung herrschenden bevorzugten Hochdruckbedingungen wird das Einsatzmaterial jedoch vorzugsweise mit dem Katalysator bei hohen Temperaturen in Kontakt gebracht, um den gewünschten Umwandlungsgrad zu erzielen. Demgemäß wird das Gemisch aus Kohlenwasserstoff, Kohlendioxid und sauerstoffhältigem Gas vorzugsweise mit dem Katalysator bei einer Temperatur über 800ºC, stärker bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1400ºC, insbesondere von 1000 bis 1300ºC in Kontakt gebracht. Das Einsatzmaterial wird vorzugsweise vor dem Inkontaktbringen mit dem Katalysator vorerhitzt.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird mit einer stündlichen Gasraumgeschwindigkeit (ausgedrückt als Normalliter Gas pro Kilogramm Katalysator pro Stunde) von wenigstens 500.000 l/kg/h (STP) betrieben. STP wird verwendet, um das Volumen bei Standardtemperatur und -druck anzugeben, d. h. 0ºC und 1 bar. Vorzugsweise liegt die stündliche Gasraumgeschwindigkeit (STP) im Bereich von 500.000 bis 50,000.000 l/kg/h, stärker bevorzugt von 750.000 bis 30,000.000 l/kg/h, im speziellen von 1,000.000 l/kg/h bis 20,000.000 l/kg/h.
  • Der im Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete Katalysator umfaßt ein aus der Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente ausgewähltes Metall. Hinweise in der vorliegenden Beschreibung auf das Periodensystem der Elemente beziehen sich auf die CAS-Version, wie sie im CRC-Handbook of Chemistry and Physics, 68. Ausgabe, veröffentlicht wurde. Bevorzugte Katalysatoren zur Verwendung im Verfahren umfassen ein unter Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin ausgewähltes Metall. Ruthenium, Rhodium oder Iridium als katalytisch aktives Metall umfassende Katalysatoren werden für die Verwendung im Verfahren besonders bevorzugt.
  • Das katalytisch aktive Metall ist höchst zweckmäßig auf einen Träger aufgebracht. Geeignete Trägermaterialien sind in der Technik gut bekannt und umfassen die feuerfesten Oxide wie Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid und Gemische hievon. Das katalytisch aktive Metall kann auf dem feuerfesten Oxidträger durch in der Technik gut bekannte Methoden abgelagert werden. Eine höchst zweckmäßige Technik zum Ablagern des Metalls auf dem Träger ist das Imprägnieren, welche Technik in typischer Weise das Inkontaktbringen des Trägermaterials mit einer Lösung einer Verbindung des katalytisch aktiven Metalls, gefolgt vom Trocknen und Calcinieren des gebildeten Materials, umfaßt.
  • Jede geeignete Reaktionsführung kann im Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um die Reaktanten mit dem Katalysator in Kontakt zu bringen. Eine geeignete Reaktionsführung ist ein Fließbett, in welchem der Katalysator in Form von durch einen Gasstrom fluidisierten Teilchen verwendet wird. Eine bevorzugte Reaktionsführung zur Anwendung im Verfahren ist eine Festbettreaktion, in welcher der Katalysator innerhalb der Reaktionszone in einer festen Anordnung gehalten wird. Teilchen des Katalysators können im Festbettbereich verwendet werden und unter Verwendung von in der Technik gut bekannten Festbettreaktionstechniken gehalten werden. In alternativer Weise kann der Katalysator in Form eines Schaums vorliegen, der beispielsweise durch Imprägnieren eines keramischen Schaums des feuerfesten Oxids nach den zuvor beschriebenen Me thoden hergestellt wird. Geeignete Schäume zur Anwendung bei der Herstellung des Katalysators umfassen jene mit 30 bis 150 Poren pro Zoll (12 bis 60 Poren pro Zentimeter). Weiters umfassen alternative Formen für den Katalysator honigwabenförmige feuerfeste Oxide mit monolithischen Strukturen.
  • In einer bevorzugt Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird das Einsatzmaterial mit einem Katalysator in Kontakt gebracht, der in einer festen Anordnung gehalten wird, welche Anordnung eine hohe Tortuosität aufweist. Der Ausdruck "Tortuosität" ist ein allgemeiner Ausdruck in der Technik, der unter Hinweis auf ein festes Katalysatorbett als das Verhältnis von der Länge des Wegs, den ein Gasstrom durch das Bett benötigt, zur Länge der kürzesten geraden Linie durch das Bett definiert. Daher haben die honigwabenförmigen monolithischen Strukturen eine Tortuosität von 1,0. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Ausdruck "hohe Tortuosität" ein Hinweis auf die Anordnungen, die eine im wesentlichen größere Tortuosität aufweisen als die honigwabenförmigen monolithischen Strukturen, insbesondere eine Tortuosität von mindestens 1,1. Ein Festbett von Katalysatorteilchen hat typischerweise eine Tortuosität von 1,5, während keramische Schäume mit einer Tortuosität im Bereich von 3,0 bis 4,0 oder sogar höher hergestellt werden können. Im allgemeinen liegt die Tortuosität der Festbettanordnung vorzugsweise im Bereich von 1,1 bis 10,0, stärker bevorzugt bis 5,0. Ein höchst zweckmäßiger Tortuositätsbereich liegt bei 1,3 bis 4,0.
  • Es wurde gefunden, daß der Einsatz des Katalysators in einer Festbettanordnung mit einer hohen Toruosität die Erzielung der erforderlichen Umwandlung bei einer relativ nur sehr kurzen Kontaktzeit zwischen den Reaktionsgasen und dem Katalysator ermöglicht. Auf diese Weise ist nur ein sehr geringes Katalysatorvolumen erforderlich, welches seinerseits die leichte Erreichung der sehr hohen Gasraumgeschwindigkeiten des vorliegenden Verfahrens im technischen Ausmaß ermöglicht.
  • Das Einsatzmaterial wird vorzugsweise mit dem Katalysator unter adiabatischen Bedingungen in Berührung gebracht. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdruck "adiabatisch" ein Hinweis auf die Reaktionsbedingungen, unter welchen im wesentlichen der gesamte Wärmeverlust und die Ab strahlung aus der Reaktionszone verhindert wird, mit Ausnahme jener Wärme, die in dem gasförmigen Abstrom aus dem Reaktor austritt.
  • In einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff, wann immer sie nach einem wie zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
  • Das nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist besonders geeignet für den Einsatz in der Synthese von Kohlenwasserstoffen, beispielsweise nach der Fischer-Tropsch-Synthese, oder für die Synthese von Oxygenaten, beispielsweise Methanol. Verfahren zur Umwandlung des Gemisches aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu solchen Produkten sind in der Technik gut bekannt.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird weiter durch das nachfolgende erläuternde Beispiel beschrieben.
    • Beispiel 1 Katalysatorherstellung
  • Eine wäßrige Lösung wurde durch Auflösen von Rhodiumchlorid (RhCl&sub3;, 2,0 g) und Chlorwasserstoffsäure (37%, 1,0 g) in entmineralisertem Wasser (6,83 g) hergestellt, um ein Rhodiumkonzentration von 10 Gew.-% zu ergeben. alpha-Aluminiumoxidextrudate (im Handel erhältlich von der Firma Engelhard, zerkleinert auf eine Maschengröße von 30/80, 10,0 g) wurden in die zuvorgenannte Lösung (5,33 g) eingetaucht. Das gebildete Gemisch wurde zuerst auf einer Rollmühle eine Stunde lang gerührt und danach in einem Rotationstrockner 1 Stunde lang getrocknet. Das gebildete Material wurde in einem Ofen durch Erhitzen während 1 Stunde getrocknet und 5 Stunden lang und auf einer Temperatur von 120ºC gehalten und anschließend durch Erhitzen während 5 Stunden calciniert und während 1 Stunde auf einer Temperatur von 500ºC gehalten. Der gebildete Katalysator enthielt 5,0 Gew.-% Rhodium.
    • Partielle katalytische Oxidation
  • Ein Reaktor wurde konstruiert, der ein durchsichtiges Saphirrohr umfaßte, das konzentrisch in einem durchsichtigen Polycarbonataußenrohr montiert war. Der rhodiumhältige Katalysator, wie zuvor beschrieben hergestellt, wurde in das Saphirrohr eingefüllt und in Form eines Festbetts von Katalysatorteilchen mit einer Tortuosität von etwa 1,5 gehalten. Methan, Sauerstoff und Kohlendioxid wurden vor dem Einführen in den Reaktor zum Kontakt mit dem Katalysatorfestbett gründlich vermischt. Die Konzentration des Kohlendioxids im Einsatzmaterial wurde variiert, um insgesamt vier verschiedene Einsatzzusammensetzungen zu ergeben, während der Betriebsdruck und die stündliche Gasraumgeschwindigkeit (GHSV) des Versuchs konstant gehalten werden. Die Zusammensetzung des aus dem Reaktor austretenden Gasgemisches wurde für jede der vier Einsatzzusammensetzungen gemessen.
  • Die Betriebstemperatur des Katalysatorbetts wurde durch optische Pyrometrie gemessen. Die Zusammensetzung des aus dem Reaktor austretenden Gasgemisches wurde durch Gaschromatographie gemessen. Die Umwandlung und die Selektivität des Verfahrens zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff (auf der Basis von umgewandeltem Methan) wurden bestimmt. Die Betriebsbedingungen des Reaktors und die Ergebnisse der Versuche sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt.
  • Aus den in der Tabelle angeführten Angaben ist ersichtlich, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Umwandlung von Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien, die Kohlendioxid enthalten, in hohen Ausbeuten und mit hohen Selektivitäten sowohl auf Kohlenmonoxid als auch auf Wasserstoff ermöglicht. Es ist ersichtlich, daß ein hoher Grad an Kohlendioxidumwandlung erreicht wird. Das hat wiederum den deutlichen Vorteil, daß im Produktstrom des Verfahrens weniger Kohlendioxid vorhanden ist, welches Kohlendioxid eine unerwünschte inerte Komponente bei der weiteren Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in solchen Verfahren wie der Fischer-Tropsch- Synthese wäre. Tabelle
  • ¹Selektivität auf Kohlenmonoxid und Wasserstoff, bezogen auf Methanumwandlung.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff durch partielle Oxidation eines Kohlenwasserstoffes, welches Verfahren ein Inkontaktbringen eines den Kohlenwasserstoff, Kohlendioxid in einer Konzentration größer als jener von Luft und bis zu 10 Vol.-% des Einsatzes und ein sauerstoffhältiges Gas umfassenden Einsatzmaterials mit einem Katalysator umfaßt, der ein aus der Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente ausgewähltes Metall umfaßt, bei einer stündlichen Gasraumgeschwindkeit von mindestens 500.000 Nl/kg/h (STP)
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff Methan ist oder als Erdgas, Begleitgas oder als andere Quelle von leichten Kohlenwasserstoffen vorliegt.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhältige Gas im wesentlichen reiner Sauerstoff ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzmaterial den Kohlenwasserstoff, das Kohlendioxid und das sauerstoffhältige Gas in Konzentrationen umfaßt, die ausreichen, um ein Verhältnis Sauerstoff zu Kohlenstoff im Bereich von 0,9 bis 1,6, vorzugsweise von 0,9 bis 1,5, stärker bevorzugt von 0,9 bis 1,4, im speziellen von 0,9 bis 1,3 zu ergeben.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzmaterial mit dem Katalysator bei einem Druck bis zu 150 bara, vorzugsweise einem Druck im Bereich von 2 bis 125 bara, stärker bevorzugt von 2 bis 100 bara in Kontakt gebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzmaterial mit dem Katalysator bei einer Temperatur größer als 800ºC, vorzugsweise einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1400ºC, stärker bevorzugt von 1000 bis 1300ºC in Kontakt gebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzmaterial mit dem Katalysator bei einer stündlichen Gasraumgeschwindigkeit (STP) im reich von 500.000 bis 50,000.000 l/kg/h, vorzugsweise von 750.000 bis 30,000.000 l/kg/h, stärker bevorzugt von 1,000.000 l/kg/h bis 20,000.000 l/kg/h in Kontakt gebracht wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator ein aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin ausgewähltes Metall, vorzugsweise ein aus Ruthenium, Rhodium oder Iridium ausgewähltes Metall, umfaßt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in einer starren Anordnung gehalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in einer starren Anordnung mit einer hohen Tortuosität, vorzugsweise im Bereich von 1,1 bis 10,0, stärker bevorzugt von 1,1 bis 5,0, im speziellen von 1,3 bis 4,0 gehalten wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in Form von Teilchen oder als ein keramischer Schaum vorliegt.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzmaterial unter adiabatischen Bedingungen mit dem Katalysator in Kontakt gebracht wird.
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