EP2220016A1 - Method for producing isopropanol and 2-butanol from the corresponding alkanes - Google Patents
Method for producing isopropanol and 2-butanol from the corresponding alkanesInfo
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- EP2220016A1 EP2220016A1 EP08859972A EP08859972A EP2220016A1 EP 2220016 A1 EP2220016 A1 EP 2220016A1 EP 08859972 A EP08859972 A EP 08859972A EP 08859972 A EP08859972 A EP 08859972A EP 2220016 A1 EP2220016 A1 EP 2220016A1
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- EP
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- stream
- water
- alkane
- product mixture
- dehydrogenation
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- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
- C07C29/09—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by hydrolysis
- C07C29/095—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by hydrolysis of esters of organic acids
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C5/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
- C07C5/32—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with formation of free hydrogen
- C07C5/327—Formation of non-aromatic carbon-to-carbon double bonds only
- C07C5/333—Catalytic processes
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C5/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
- C07C5/42—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with a hydrogen acceptor
- C07C5/48—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with a hydrogen acceptor with oxygen as an acceptor
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C07C67/00—Preparation of carboxylic acid esters
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Definitions
- the invention relates to a process for the preparation of isopropanol from propane and from 2-butanol from butane.
- the hydration of alkenes to alcohols is well known and is operated on an industrial scale.
- the two-stage hydration in which the alkene is reacted with sulfuric acid to alkyl sulfate and this is cleaved in the second step with water to the alcohol and the acid.
- An advantage of this process is that the alkene can be used in the form of alkene crude mixtures, for example mixtures of the alkene, the corresponding alkane and further secondary constituents.
- a disadvantage is the highly corrosive medium, the contamination of the product with sulfur-containing odoriferous substances, which may require additional purification steps, and the loss of the inert alkane content of the mixture, which is unreacted and discharged after the reaction.
- a further disadvantage is that after hydrolysis of the alkyl sulfate to the alcohol, the resulting dilute sulfuric acid must be concentrated before its reuse in the esterification step.
- GB 2 238 539 discloses the two-stage hydration of 1-butene by reaction with trifluoroacetic acid to give 2-butyltrifluoroacetate in the presence of a strongly acidic ion exchange resin and subsequent hydrolysis of the ester to 2-butanol.
- the direct, one-stage hydration of alkenes on strongly acidic catalysts for example ion exchangers, zeolites, heteropolyacids and mineral acids
- ion exchangers for example ion exchangers, zeolites, heteropolyacids and mineral acids
- Direct hydration processes can be carried out in the gas phase, in the liquid phase or in the biphasic phase.
- a disadvantage of the single-stage process are in particular the low sales and the high demands on the purity of the alkene used.
- propylene must be used as polymer grade propylene.
- GB-A-2 147 290 discloses a process for producing isopropanol, 2-butanol and methyl tertiary butyl ether from an LPG gas mixture containing propane, n-butane and iso-butane.
- the gas mixture is dehydrogenated to a mixture containing propene, n-butenes and isobutene and then passed through an etherification zone in which isobutene is etherified with methanol to methyl tert-butyl ether.
- Propene and n-butenes which under the chosen conditions essentially do not react with methanol, are simultaneously hydrated directly with water to give isopropanol or 2-butanol, respectively.
- US 2004/0225165 A discloses a process for the preparation of alcohols having 3 or more carbon atoms from the corresponding alkanes, in which a stream comprising propane or a longer alkane alkane is converted to an intermediate product stream containing the corresponding olefin, and the intermediate product stream direct or indirect hydration to a product stream containing the corresponding alcohol is reacted.
- various methods of direct hydration are described.
- the remaining gas stream which consists essentially of propene, isobutene and isobutane, is fed into a hydration zone, where propene and isobutene are hydrated on an acidic ion exchanger resin directly to isopropanol and tert-butanol.
- the remaining gas stream is separated on the one hand into an isobutane stream, which is recycled to the dehydrogenation zone, and on the other hand into a stream containing propane and propene, which is recycled to the propane separation before the hydration step.
- the process is thus characterized in that unreacted propane is separated off prior to hydration and the hydration is carried out with a feed stream consisting essentially of the C 3 and C 4 olefins.
- the object of the invention is to provide an economical process for the preparation of isopropanol and 2-butanol, which does not have the disadvantages of the prior art.
- alkanols (I) selected from the group consisting of isopropanol and 2-butanol, from the corresponding alkanes (II) selected from the group consisting of propane and n-butane, with the steps :
- the product gas stream b is at least compressed, optionally the product gas stream b is separated into an aqueous phase c1, an alkene (III), the alkane (II) and optionally high boilers containing phase c2 and a gas phase c3 containing hydrogen and low boilers;
- the alkanol (I) and the alkanoic acid (IV) are separated and the alkanoic acid is optionally recycled to the esterification zone.
- the inventive method dispenses with the use of highly corrosive sulfuric acid. It is characterized by the fact that even in the ester-forming step D), even when using a feed gas stream containing the alkene (III) only in very dilute form in addition to other components (unreacted alkane, inert gases), high space / time yields and sales are achieved. Separation of non-reactive secondary components before the esterification step can therefore be dispensed with.
- alkane (II) selected from propane and butane, containing feed gas stream a.
- alkane (II) selected from propane and butane, containing feed gas stream a.
- propane this contains in the
- propane generally at least 80% by volume of propane, preferably 90% by volume of propane.
- propane generally still contains butane (n-butane, iso-butane), butenes, ethane and ethene.
- the propane-containing feed gas stream a is usually obtained from liquefied petroleum gas (LPG).
- the feed gas stream generally contains at least 80% by volume of n-butane, preferably 90% by volume of n-butane. In addition, it generally still contains ethane, ethene, propane, propene, isobutane, butenes and C 5 - hydrocarbons.
- the feed gas stream containing the alkane (II) is fed into a dehydrogenation zone and subjected to a generally catalytic dehydrogenation.
- the alkane is partially dehydrogenated in a dehydrogenation reactor on a dehydrogenation catalyst to the alkene.
- hydrogen and small amounts of low boilers and high boilers Low-boiling hydrocarbons are referred to herein as lower hydrocarbons than propene or 1-butene, and higher-boiling hydrocarbons referred to as propene or 2-butene, respectively.
- the dehydrogenation product gas stream generally contains water vapor which has already been added to the dehydrogenation gas mixture and / or, upon dehydrogenation in the presence of oxygen (oxidative or non-oxidative), is formed on dehydrogenation.
- Inert gases nitrogen
- unreacted alkane (II) propane or n-butane
- the alkane dehydrogenation can in principle be carried out in all reactor types known from the prior art.
- a comparatively comprehensive description of the invention suitable reactor types also includes "Catalytica® ® Studies Division, Oxidative Dehydrogenation and Alternative Dehydrogenation Proces- ses" (Study Number 4192 OD, 1993, 430 Ferguson Drive, Mountain View, California, 94043-5272, USA).
- the dehydrogenation can be carried out as oxidative or non-oxidative dehydrogenation.
- the dehydration can be performed isothermally or adiabatically.
- the dehydrogenation can be carried out catalytically in a fixed bed, moving bed or fluidized bed reactor.
- the non-oxidative catalytic alkane dehydrogenation is preferably carried out autothermally.
- oxygen is added to the reaction gas mixture of the dehydrogenation in at least one reaction zone and at least partially burned the hydrogen and / or hydrocarbon contained in the reaction gas mixture, whereby at least a portion of the required Dehydriereben in the at least one reaction zone is generated directly in the reaction gas mixture.
- One feature of non-oxidative driving versus oxidative driving is the at least intermediate formation of hydrogen, which is reflected in the presence of hydrogen in the dehydrogenation product gas. In oxidative dehydrogenation, there is no free hydrogen in the dehydrogenation product gas.
- a suitable reactor form is the fixed bed tube or tube bundle reactor.
- the catalyst dehydrogenation catalyst and optionally special oxidation catalyst
- the catalyst is a fixed bed in a reaction tube or in a bundle of reaction tubes.
- Typical reaction tube internal diameters are about 10 to 15 cm.
- a typical Dehydrierrohrbündelreaktor comprises about 300 to 1000 reaction tubes.
- the temperature in the inside of the reaction tube usually ranges from 300 to 1200 ° C., preferably in the range from 500 to 1000 ° C.
- the working pressure is usually between 0.5 and 8 bar, frequently between 1 and 2 bar when using a low steam dilution.
- GHSV high steam dilution
- STAR process steam active reforming process
- Linde process the dehydrogenation of propane or butane by Phillips Petroleum Co. loads
- GHSV high steam dilution
- the catalyst geometry may be for example, spherical or cylindrical (hollow or solid). It can be operated in parallel and a plurality of fixed bed or tubular reactors, one of which turns at least one is in the state of regeneration.
- the non-oxidative catalytic, autothermal dehydrogenation can also be carried out in a heterogeneously catalyzed fluidized bed according to the Snamprogetti / Yarsintez-FBD process.
- two fluidized beds are operated side by side, one of which is usually in the state of regeneration.
- the working pressure is typically 1 to 2 bar, the dehydrated temperature usually 550 to 600 0 C.
- the heat required for the dehydrogenation can be introduced into the reaction system in that the dehydrogenation catalyst is preheated to the reaction temperature.
- an oxygen-containing co-feed can be dispensed with the preheater, and the heat required is generated directly in the reactor system by combustion of hydrogen and / or hydrocarbons in the presence of oxygen.
- a hydrogen-containing co-feed may additionally be admixed.
- the non-oxidative catalytic, autothermal dehydrogenation is preferably carried out in a tray reactor.
- This contains one or more successive catalyst beds.
- the number of catalyst beds may be 1 to 20, advantageously 1 to 6, preferably 1 to 4 and in particular 1 to 3.
- the catalyst beds are preferably flowed through radially or axially from the reaction gas.
- such a tray reactor is operated with a fixed catalyst bed.
- the fixed catalyst beds are arranged in a shaft furnace reactor axially or in the annular gaps of concentrically arranged cylindrical gratings.
- a shaft furnace reactor corresponds to a horde.
- the performance of dehydrogenation in a single shaft furnace reactor corresponds to one embodiment.
- the dehydrogenation is carried out in a tray reactor with 3 catalyst beds.
- the amount of the oxygen-containing gas added to the reaction gas mixture is selected such that the combustion of mixtures of hydrogen present in the reaction gas mixture and optionally of hydrocarbons present in the reaction gas mixture and / or coke present in the form of coke for the dehydrogenation of the alkane (propane or n-butane) required amount of heat is generated.
- the total amount of oxygen introduced based on the total amount of propane, is 0.001 to 0.5 mol / mol, preferably 0.005 to 0.25 mol / mol, particularly preferably 0.05 to 0.25 mol / mol.
- Angry- The substance can be used either as pure oxygen or as an oxygen-containing gas containing inert gases.
- the oxygen content of the oxygen-containing gas used is high and at least 50% by volume, preferably at least 80% by volume, more preferably at least 90% by volume. It may be particularly advantageous if the oxygen-containing gas is technically pure oxygen with an O 2 content of about 99% by volume. In addition, a driving is possible in which air is fed as oxygen-containing gas.
- the hydrogen burned to generate heat is the hydrogen formed during the catalytic alkane dehydrogenation and, if appropriate, the hydrogen gas additionally added to the reaction gas mixture.
- the molar ratio H 2 IO 2 in the reaction gas mixture immediately after the introduction of oxygen is 1 to 10, preferably 2 to 5 mol / mol. This applies to multi-stage reactors for each intermediate feed of oxygen-containing and possibly hydrogen-containing gas.
- the hydrogen combustion takes place catalytically.
- the dehydrogenation catalyst used generally also catalyzes the combustion of the hydrocarbons and of hydrogen with oxygen, so that in principle no special oxidation catalyst different from this one is required.
- the reaction is carried out in the presence of one or more oxidation catalysts which selectively catalyze the combustion of hydrogen to oxygen in the presence of hydrocarbons.
- the combustion of these hydrocarbons with oxygen to CO, CO 2 and water is therefore only to a minor extent.
- the dehydrogenation catalyst and the oxidation catalyst are present in different reaction zones.
- the oxidation catalyst can be present in only one, in several or in all reaction zones.
- the catalyst which selectively catalyzes the oxidation of hydrogen is disposed at the sites where higher oxygen partial pressures prevail than at other locations of the reactor, particularly near the oxygen-containing gas feed point.
- the feeding of oxygen-containing gas and / or hydrogen-containing gas can take place at one or more points of the reactor.
- an intermediate feed of oxygen-containing gas and of hydrogen-containing gas takes place before each tray of a tray reactor.
- oxygen-containing gas and hydrogen-containing gas are introduced to each horde except the first horde.
- behind each feed point is a layer of a special oxidation catalyst, followed by a layer of the dehydrogenation catalyst.
- no special oxidation catalyst is present.
- the dehydrogenation temperature is generally 400 to 1100 0 C
- the pressure in the last catalyst bed of the tray reactor generally 0.2 to 5 bar, preferably 1 to 3 bar.
- a preferred catalyst which selectively catalyzes the combustion of hydrogen contains oxides and / or phosphates selected from the group consisting of the oxides and / or phosphates of germanium, tin, lead, arsenic, antimony or bismuth.
- Another preferred catalyst which catalyzes the combustion of hydrogen contains a noble metal of VIII. And / or I. Maury.
- the dehydrogenation catalysts used generally have a carrier and an active composition.
- the carrier is usually made of a heat-resistant oxide or mixed oxide.
- the dehydrogenation catalysts contain a metal oxide selected from the group consisting of zirconium dioxide, zinc oxide, alumina, silica, titania, magnesia, lanthana, ceria and mixtures thereof as a carrier.
- the mixtures may be physical mixtures or chemical mixed phases such as magnesium or zinc-aluminum oxide mixed oxides.
- Preferred supports are zirconium dioxide and / or silicon dioxide, particular preference is given to mixtures of zirconium dioxide and silicon dioxide.
- the active composition of the dehydrogenation catalysts generally contains one or more elements of subgroup VIII, preferably platinum and / or palladium, more preferably platinum.
- the dehydrogenation catalysts may comprise one or more elements of main group I and / or II, preferably potassium and / or cesium.
- the dehydrogenation catalysts may contain one or more elements of III. Subgroup including the lanthanides and actinides, preferably lanthanum and / or cerium.
- the dehydrogenation catalysts may contain one or more elements of III. and / or IV. Main group, preferably one or more elements from the group consisting of boron, gallium, silicon, germanium, tin and lead, particularly preferably tin.
- the dehydrogenation catalyst contains at least one element of the VIII. Subgroup, at least one element of the I. and / or II. Main group, at least one element of III. and / or IV. main group and min. at least one element of the III. Subgroup including lanthanides and actinides.
- all dehydrogenation catalysts can be used which are described in WO 99/46039, US Pat. No. 4,788,371, EP-A 705,136, WO 99/29420, US Pat. No. 5,220,091, US Pat. No. 5,430,220, US Pat. No. 5,877,369, EP 0 1 17 146, DE-A 199 37 106, DE-A 199 37 105 and DE-A 199 37 107 are disclosed.
- Particularly preferred catalysts for the above-described variants of the autothermal propane dehydrogenation are the catalysts according to Examples 1, 2, 3 and 4 of DE-A 199 37 107.
- the autothermal alkane dehydrogenation is preferably carried out in the presence of steam.
- the added water vapor serves as a heat carrier and supports the gasification of organic deposits on the catalysts, whereby the coking of the catalysts counteracted and the service life of the catalysts is increased.
- the organic deposits are converted into carbon monoxide, carbon dioxide and possibly water.
- the dehydrogenation catalyst can be regenerated in a manner known per se.
- steam can be added to the reaction gas mixture or, from time to time, an oxygen-containing gas can be passed over the catalyst bed at elevated temperature and the deposited carbon burned off. Dilution with water vapor shifts the equilibrium to the products of dehydration.
- the catalyst is reduced after regeneration with a hydrogen-containing gas.
- a gas mixture which generally has the following composition: 10 to 45 vol .-% propane, 5 to 40 vol .-% propene, 0 to 5 vol .-% Methane, ethane, ethene and C 4 + hydrocarbons, 0 to 5 vol .-% carbon dioxide, 0 to 20 vol .-% of water vapor and 0 to 25 vol .-% hydrogen and 0 to 5 vol .-% inert gases.
- a gas mixture which generally has the following composition: 5 to 40% by volume of butane, 10 to 60% by volume of 1-butene and 2-butene , 0 to 10% by volume of methane, ethane, ethene, propane, propene and C 5 + hydrocarbons, 0 to 5% by volume of carbon dioxide, 0 to 20% by volume of steam and 0 to 25% by volume Hydrogen and 0 to 5 vol .-% inert gases.
- the product gas stream b when leaving the dehydrogenation zone is generally under a pressure of 1 to 5 bar, preferably 1, 5 to 3 bar, and has a temperature in the range of 400 to 700 0 C.
- the product gas stream b can be separated into two partial streams, with a partial stream being returned to the autothermal dehydrogenation, in accordance with the cycle gas procedure described in DE-A 102 11 275 and DE-A 100 28 582.
- the product gas stream b is compressed.
- the compression of the product gas stream b is carried out at pressures of 5 to 150 bar, preferably 15 to 100 bar, more preferably 20 to 60 bar.
- the compression can take place in several stages with intermediate cooling, for example in three or four stages, preferably it takes place in several stages, for example in three stages.
- the cooling can be done in several stages, preferably it is multi-stage.
- coolant air coming pan in air coolers flow or cold water, as well as refrigerants, such as ethene, propene and Pro, which by compacting at pressures up to 20 bar and subsequent decision-span temperatures in the range from -40 0 C to -100 0 C. be cooled, used.
- refrigerants such as ethene, propene and Pro
- the product gas stream b is separated into an aqueous phase d, a hydrocarbon phase c2 comprising the alkene (III) and the unreacted alkane (II) and a gas phase c3 comprising hydrogen and low-boiling components.
- the separation step within the process part C) generally takes place when the product gas stream b contains water vapor. But it can also be done only a water separation (see below).
- water can first be separated off.
- the separation of water can be carried out by condensation by cooling and optionally compressing the product gas stream b and can be carried out in one or more cooling and optionally compression stages.
- the product gas stream b is cooled to a temperature in this range of 30 to 80 0 C, preferably 40 to 65 ° C.
- the condensation can be done before the compression and / or in the compression stages as intermediate cooling.
- the product gas stream b is passed through a cascade of heat exchangers and thus first cooled to a temperature in the range of 50 to 200 0 C and then in a quench tower with water to a temperature of 40 to 80 0 C, for example 55 ° C, further cooled.
- the major part of the water vapor condenses, but also a part of the high boilers contained in the product gas stream b.
- these may be C 4 + hydrocarbons, in particular the C 5 + hydrocarbons.
- a water vapor-depleted product gas stream b is obtained.
- This generally contains up to 5 vol .-% water vapor.
- drying by means of molecular sieve can be provided.
- the autothermal alkane dehydrogenation is carried out with the introduction of pure oxygen or oxygen-enriched air as the oxygen-containing gas
- the work-up of the product gas stream b and the recovery of the alkane and alkene-containing mixture c2 can also be carried out as described below.
- the product gas stream b is cooled and a liquid hydrocarbon stream c2 containing propane and propene or n-butane and butenes can be separated by condensation, leaving a residual gas stream c3 containing hydrogen and low boilers.
- the hydrocarbon stream c2 may additionally contain methane, ethane, ethene and C 4 + hydrocarbons; in general it contains at least small amounts of ethane and ethene.
- the temperature and the pressure in the separation step within the compression stage C can also be chosen so that a large part of the alkanes and alkenes contained in the product gas stream b are contained in the gas stream c3.
- This gas stream c3, either as well as the hydrocarbon stream c2, can be fed into the esterification zone D or alternatively into an absorption stage (as described below).
- the residual gas stream c3 in addition to hydrogen as low boilers generally still methane and carbon monoxide.
- the product gas stream b is generally compressed to a pressure in the range of 5 to 60 bar and cooled to a temperature in the range of -10 to -60 0 C.
- an aqueous phase d can condense on cooling and compression and separated from the C3-hydrocarbon phase c2 by phase separation in a phase separator, if no complete removal of water from the product gas stream b has taken place before the condensation step.
- phase separator In multi-stage cooling and compression all accumulating condensate streams can be fed to the phase separator.
- Prior removal of water from the product gas stream b before condensing the C 3 -hydrocarbon phase c 2 can also be dispensed with. Then, water condenses out as the aqueous phase d together with the alkane and alkene-containing hydrocarbon phase c2. Aqueous phase and hydrocarbon phase are then subsequently separated in a phase separator.
- cooling of the product gas stream is accomplished by heat exchange with a coolant.
- the cooling can be done in several stages using multiple cooling circuits.
- the cooling can be carried out in a plurality of stages in a column, wherein the rising in the column gas is removed, cooled, (partially) condensed and returned to the column. At the bottom of the column, the condensate, at the top of the column, the uncondensed gas is removed, which is not condensed in the uppermost cooling circuit.
- the alkane dehydrogenation is carried out as autothermal dehydrogenation with simultaneous combustion of the hydrogen formed, the result is a low hydrogen content of the product gas stream b.
- the separation step C if this is carried out, the C 3 or C 4 hydrocarbons can be condensed out predominantly and only a very small part of the C 3 or C 4 hydrocarbons is hydrogenated / Low boilers containing exhaust stream c3 discharged.
- the carbon dioxide gas scrubber may be preceded by a separate combustion stage in which carbon monoxide is selectively oxidized to carbon dioxide.
- the product gas stream c For CO 2 separation, generally sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution or an alkanolamine solution is used as the scrubbing liquid; preference is given to using an activated N-methyldiethanolamine solution.
- the product gas stream c by single or multi-stage compression to a pressure in the range of 5 to 25 bar compressed.
- a carbon dioxide-depleted product gas stream b having a CO 2 content of generally ⁇ 100 ppm or even ⁇ 10 ppm can be obtained.
- the liquid hydrocarbon condensate stream c2 obtained in the cooling and condensation step C) generally contains 20 to 60 mol% of alkane (II), 20 to 60 mol% of alkene (III), 0 to 20 mol% of low boilers and 0 to 5 mol% high boilers.
- the liquid hydrocarbon condensate stream c2 obtained in the cooling and condensation step C) may contain 20 to 70 mol% propane, 20 to 60 mol% propene, 0 to 10 mol% methane, 0 to 10 mol% % Ethane and ethene and 0 to 5 mol% of C 4 + hydrocarbons.
- the work-up of the product gas stream b and the recovery of the alkane and alkene-containing mixture c2 can also be carried out as described below.
- steam is separated off by condensation by cooling the product gas stream b and optionally compacting it, with a product gas stream b depleted in water vapor being obtained.
- alkane and alkene are separated from non-condensable or low-boiling gas constituents by contacting the product gas stream b with an inert absorbent and then desorbing the alkane and alkene dissolved in the inert absorbent to obtain a gaseous C 3 or C 4 hydrocarbon stream, and the Exhaust stream c3 containing hydrogen and low boilers (in the case of the propane dehydrogenation methane, ethane, ethene, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, optionally oxygen and optionally inert gases, in the case of n-butane dehydrogenation also propane and propene) is separated ,
- the described work-up of the product gas stream b can also be carried out correspondingly in the case of the autothermal alkane dehydrogenation with the introduction of pure oxygen or oxygen-enriched air as the oxygen-containing gas.
- the gas stream b is brought into contact with an inert absorbent, the C 3 or C 4 hydrocarbons and also small amounts of C 2 -KoIi hydrocarbons are absorbed in the inert absorbent and a C 3 - or C 4 -Koh hydrocarbons laden absorbent and the other gas components containing exhaust c3 are obtained.
- these are carbon oxides, hydrogen, inert gases as well as C 2 -hydrocarbons and methane.
- propane and propene or C 4 - hydrocarbons may still be contained in the stream c3, since the separation is generally not completely complete.
- the C 3 - or C 4 -Koh hydrocarbons are released from the absorbent again.
- Inert absorbent used in the absorption stage are generally high-boiling non-polar solvents in which the separated C3 or C 4 hydrocarbon mixture has a significantly higher solubility than the other gas components to be separated.
- the absorption can be carried out by simply passing the stream c through the absorbent. But it can also be done in columns. It can be used in cocurrent, countercurrent or cross flow. Suitable absorption columns include plate columns having bubble-cap, valve, and / or sieve trays, columns with structured packings, gen example Gewebepackun- or sheet-metal packings with a specific surface area of 100 to 1000 m 2 / m 3 as Mellapak ® 250 Y, and packed columns such as with balls, rings or saddles made of metal, plastic or ceramic as packing.
- there are also trickle and spray towers graphite block absorbers, surface absorbers such as thick-film and thin-layer absorbers and bubble columns with and without internals into consideration.
- the absorption column has an absorption part and a rectification part.
- heat can then be introduced into the bottom of the column.
- a stripping gas stream can be fed into the bottom of the column, for example from nitrogen, air, steam or propane / propene mixtures.
- Suitable absorbents are relatively nonpolar organic solvents, for example C 4 -C 8 -alkenes, naphtha or aromatic hydrocarbons, such as the paraffin distillation medium fractions, or bulky group ethers, or mixtures of these solvents, such as polar solvents such as 1, 2 and 3. Dimethyl phthalate may be added.
- Suitable absorbers are also esters of benzoic acid and phthalic acid with straight-chain C 1 -C 6 -alkanols, such as n-butyl benzoate, methyl benzoate, ethyl benzoate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate, and so-called heat transfer oils, such as biphenyl and diphenyl ether, their chlorinated derivatives and triaryl alkenes.
- a Suitable absorbent is a mixture of biphenyl and diphenyl ether, preferably in the azeotropic composition, for example, the commercially available Diphyl ® . Frequently, this solvent mixture contains dimethyl phthalate in an amount of 0.1 to 25 wt .-%.
- Suitable absorbers are also butanes, pentanes, hexanes, heptanes, octanes, nonanes, decanes, undecanes, dodecanes, tridecanes, tetradecanes, pentadecanes, hexadecanes, heptadecanes and octadecanes or fractions obtained from refinery streams, which contain the abovementioned linear alkanes as main components contain.
- Preferred absorbents are Cs-C-io-hydrocarbons, particularly preferred are C 9 -hydrocarbons, in particular nonanes.
- the laden absorbent is heated and / or expanded to a lower pressure.
- the desorption can also be effected by stripping, usually with steam, or in a combination of relaxation, heating and stripping in one or more process steps.
- the desorption can be carried out in two stages, wherein the second desorption stage is carried out at a lower pressure than the first desorption stage and the desorption gas of the second stage is returned to the absorption stage.
- the absorbent regenerated in the desorption stage is returned to the absorption stage.
- a portion of this absorbent stream which may contain C 4 + hydrocarbons, is discharged, worked up and recycled, or discarded.
- the desorption step is carried out by relaxation and / or heating of the loaded absorbent.
- the desorption step is additionally stripped with steam.
- the separation is generally not completely complete, so that in the C 3 - or C 4 - hydrocarbon stream - depending on the type of separation - still small amounts or even traces of other gas constituents, in particular the low-boiling hydrocarbons may be present.
- the desorbed C 3 or C 4 hydrocarbon stream can be cooled, wherein it can be additionally compressed in one or more further compression stages.
- the liquid condensate stream c2 is obtained from C 3 or C 4 hydrocarbons.
- the stream c2 may still contain small amounts of C 2 hydrocarbons.
- the aqueous condensate stream generally accumulates when it is stripped with water vapor to desorb the dissolved gases.
- the compression can again be done in one or more stages. In general, a total pressure of from 1 to 29 bar, preferably from 1 to 10 bar, is compressed to a pressure in the range from 12 to 30 bar.
- each compression stage is followed by a cooling step, in which the gas stream is cooled to a temperature in the range of 15 to 80 0 C, preferably 15 to 60 0 C, cooled. Subsequently, the compressed gas mixture is cooled to a temperature of -10 ° C to 60 0 C, preferably -10 ° C to 30 0 C.
- An optional aqueous condensate stream can be separated from the liquid C 3 or C 4 hydrocarbon stream in a phase separation apparatus.
- the absorbent used in the absorption column is the same alkanoic acid which is reacted in the esterification zone with the corresponding alkene. In this case, it is then possible to dispense with the desorption step described above.
- the absorbent laden with C 3 - or C 4 -hydrocarbons, ie in this case the alkanoic acid can then, if appropriate after further heating and / or compression, be passed directly into the esterification zone.
- the absorption of the absorbent into the absorption column can be carried out using the alkanoic acid separated off from the separation step (G) after the ester cleavage zone. This is then not directly in the esterification zone, but in the absorption stage and from there, charged with the C 3 - or C 4 -KoIi hydrogens, recycled to the esterification zone.
- the separation step within process part C) may or may not be performed. As described above, however, at least one compression of the product gas stream b is always carried out.
- the resulting dehydrogenation gas mixture b which in the case of propane dehydrogenation consists essentially of propane, propene, hydrogen and low boilers and the n-butane dehydrogenation consists essentially of butane, 1-butene, 2-butene, hydrogen and low boilers, fed directly and without prior separation of the C 3 - or C 4 -KoIi hydrogens in the esterification zone and in contact with the organic acid to be brought.
- the product gas stream b contains steam, since the dehydrogenation was carried out with the introduction of oxygen and / or with the introduction of steam, separation of water vapor alone-for example by condensation as described above under C) -can be sufficient and the remaining, the C 3 - or C 4 hydrocarbons, hydrogen and low boilers containing mixture are reacted gaseous or liquid with the organic acid. Also the presence of Carbon oxides and other inert gases (atmospheric nitrogen) do not interfere with the ester formation reaction.
- the residual gas stream c3 can, preferably it is predominantly recycled to the dehydrogenation stage A).
- a partial flow is separated and discharged from the process, in order to avoid an accumulation of secondary components.
- This partial stream can be incinerated or fed to a process stage for the recovery of alkane / alkene contained therein.
- the recovery can be carried out as adsorption or adsorption, as membrane separation or rectification.
- a partial stream of the residual gas stream c3 can also be fed to the esterification step D).
- the hydrocarbon phase c2 can be fed directly or after further pressure increase of the ester formation stage D).
- the aqueous condensate stream d can be discharged from the process or fed into the ester cleavage stage (process part F)).
- the esterification can be carried out in liquid phase or two-phase (with respect to the reactants) as a gas / liquid reaction.
- the esterification is generally carried out at a pressure of 10 to 100 bar and at a temperature of 50 to 250 0 C.
- the alkanoic acid (IV), based on alkene in amounts of 0.5 to 50 moles per mole of alkene, preferably in stoichiometric excess, preferably in amounts of 1, 1 to 6, particularly preferably 1, 2-2 , 5 moles per mole of alkene used.
- 50 to 90% of the alkene reacts to the corresponding alkyl ester.
- unsaturated secondary components contained in the product gas stream b or in the stream c2 can react to alkyl esters. These can readily be removed by distillation in the subsequent work-up steps.
- alkanes present in stream b or c2 do not naturally react in the ester formation stage D) and do not react. leave esterification step D) together with alkene (III) unreacted in the esterification in the case of operation of esterification step D) in homogeneous liquid phase in stream d or in case of operation of esterification step D) in gas-liquid mode as additional stream d2 ).
- this stream can still contain small amounts of the ester formed, as well as water and the low boilers already contained in stream c2.
- esterification step D) may comprise two zones, a reaction zone and a backwash zone.
- the aim of the reaction zone is the highest possible conversion of the alkanoic acid (IV) with the alkene (III).
- the gas stream d2 is largely freed from acid residues by the addition of water. This can be corrosion problems in other parts of the system in the return of the current d2) avoided.
- the ester formation can be carried out in fixed-bed reactors in trickle-bed mode or in fluidized bed mode.
- the organic acid and the alkene-containing stream can be conducted in cocurrent or countercurrent, but also in crossflow.
- a cascading of several catalyst beds takes place, optionally with intermediate introduction of the acid and / or the alkene-containing stream.
- a cascade of 2-5, more preferably 2-3, different reaction zones is used.
- the released heat of reaction can be dissipated by internal heat exchanger surfaces.
- a driving with an external circulation in which a heat exchanger is mounted to dissipate the heat of reaction is possible. By adjusting the circulation rate, the axial temperature profile in the reactor can be set almost arbitrarily.
- esterification can also be carried out in bubble columns or jet loop reactors.
- a particular embodiment is the tubular reactor in fluidized bed mode, which is operated selectively at the loosening point of the catalyst (so-called floating bed method), with external heat exchanger and 2-fold cascading.
- this zone corresponds to an absorption column, which can be designed separately as a separate apparatus or integrated into the fixed bed reactor. As internals soils, packs or random beds can be used.
- the amount of washing water is chosen so that the acid residue in the gas stream d2 ⁇ 50 ppm, preferably ⁇ 10 ppm, more preferably ⁇ 1 ppm.
- a typical ratio of wash water volume: the amount of acid to be removed to reach ⁇ 1 ppm acid is in the range of 1 kg / kg to 20 kg / kg.
- the wash water loaded with acid residues can be used for ester cleavage in process stage F).
- Suitable heterogeneous ester formation catalysts are acidic ion exchange resins, in particular those of sulfonated, crosslinked with divinylbenzene polystyrene. These catalysts can have different pore structures - one differentiates microporous, gel-like and macroporous catalysts. In addition, may be bound to the aromatic rings of polystyrene electronegative radicals, such as chlorine or fluorine.
- Suitable catalysts of this kind are, for example, Amberlyst 15, 16, 36, 39, 40, 46, 48, 70, 119, 139 Lewatit K1 131, K1221, K1461, K2420, K2629, K2649, Purolite CT169, CT175, CT275, Diaion RCP145H.
- catalysts which contain a high content of acidic groups such as. Amberlyst 35, 36, 40, 49, 119, Lewatit K2649, Purolite CT275.
- the catalysts mentioned here are usually available in dry or hydrous form. Both forms are suitable; in the hydrous catalysts, the water is displaced by washing with the organic acid or with an alcohol, preferably isopropanol or 2-butanol.
- a group of catalysts related to acidic ion exchange resins is derived from sulfonated polycondensed aromatics or graphitic carbon, respectively. Such materials are z.
- a similar process is based on the charring of organic material, eg sugars, under anaerobic conditions. The corresponding residues are then sulfonated.
- Another group of organic heterogeneous catalysts is derived from ionic liquids which are adsorbed on suitable support materials.
- a number of inorganic catalysts such as acidic metal oxide catalysts or acidic zeolites, are also suitable.
- this group of catalysts include the water-insoluble acidic salts of heteropolyacids, for example, tungstophosphoric or molybdophosphoric acid or tungstosilicic acid.
- Such insoluble salts form from these acids with metal cations with large ionic radii, such as K + , Rb + , Cs + , NH 4 + or Ag + .
- these salts usually 10-90 mol%, in particular 40-85 mol%, of the acidic sites are exchanged for cations.
- zeolite catalysts are derived from heteropolyacids or their salts, which are adsorbed on an inert support material such as silica gel, alumina or activated carbon.
- Suitable zeolite catalysts include those of the structural type beta zeolites, faujasites, mordenites, and ZSM-5 zeolites.
- the ratio of the Si / Al atoms (the modulus) in the zeolite framework is crucial for the catalytic activity of the zeolite.
- zeolites which have a modulus between 2 and 500, in particular between 3 and 200 and very particularly preferably between 5 and 100.
- the inorganic catalysts described herein are typically thermally activated, ie the materials are defined at temperatures from 50 to 900 0 C, preferably 90-500 0 C calcium.
- the esterification reaction can also be carried out homogeneously catalyzed.
- Mineral acids in particular sulfuric acid, sulfonic acids or the free heteropoly acids and their acidic soluble salts or acidic ionic liquids are suitable for this purpose.
- the ester formation preferably takes place in the presence of heterogeneous catalysts.
- Preferred heterogeneous catalysts are acidic ion exchange resins, the acidic potassium, cesium or ammonium salts of the heteropolyacids, and also beta zeolites and faujasites. Particularly preferred are ion exchange resins.
- Preferred alkanoic acids (IV) are unbranched or branched C 4 -C 10 -alkanoic acids, particular preference is given to unbranched or branched C 4 -C 6 -alkanoic acids, particular preference to butyric acid (butanoic acid), valeric acid (pentanoic acid) and isovaleric acid (3-methylbutanoic acid).
- butyric acid butanoic acid
- valeric acid valeric acid
- isovaleric acid 3-methylbutanoic acid
- propene reacts with butyric acid to form isopropylpyrrole and valeric acid or isovaleric acid to form isopropylvalerate or isopropylisovalerate.
- 1-Butene and 2-butene react with butyric acid to 2-butyl butyrate and with valeric acid or isovaleric acid to 2-butylvalerate or 2-butylisovalerate.
- the product mixture d of the ester formation is generally expanded, a gas stream e1 containing propane or n-butane being separated off, and a product mixture e2 containing the alkyl ester (V) being obtained.
- the gas stream e1 can be combined with the gas stream d2 of the backwashing zone in the process part D and fed together to the dehydrogenation zone B.
- the product mixture d is depressurized from a pressure in the range of 20 to 60 bar to a pressure in the range of 2 to 10 bar.
- propane or n-butane if appropriate, low boilers such as ethane, ethene, methane, carbon oxides and inert gases contained in the product mixture are also removed.
- the gas stream e1 containing the alkane (II) is preferably recycled to the alkane dehydrogenation.
- the gas stream e1 containing the alkane (II) may still contain low-boiling components such as ethane, ethene, methane, carbon oxides and inert gases as well as hydrogen. In general it contains low boilers and optionally hydrogen, if not already in step C) the above-described (optional) separation of low boilers and hydrogen (residual gas stream c3) is carried out. From the gas stream e1, a partial stream can be separated and discharged from the process in order to avoid an accumulation of secondary components. This partial stream can be incinerated or fed to a process stage for the recovery of alkane / alkene contained therein.
- the recovery can be carried out as adsorption or adsorption, as membrane separation or rectification.
- Hydrogen contained in the stream can be recovered, for example, by pressure swing adsorption. Both the recovered alkane / alkene and the recovered hydrogen can be recycled to the dehydrogenation. It is also possible to remove the entire stream e1 from the process or to feed it to the process stage for the recovery of alkane / alkene or hydrogen contained therein.
- distillation or rectification can additionally be carried out.
- a reflux ratio between 0.2 and 1.5
- tray columns e.g. Bell bottom columns as well as packed columns or packed columns can be used.
- the product mixture d can also be expanded from a pressure in the range of 20 to 60 bar to a pressure of generally 2 to 45 bar, for example 10 to 40 bar, or, in a special variant, 25 to 32 bar.
- the post-expansion streams e1 and e2 may be worked up as described below using two columns K1 and K2.
- Variants I are distinguished by the fact that the C3 components (propane and propene) are separated “sharply", with very little propane and propene in the bottom discharge (corresponding to stream e2) (for example about 100-1000 ppm by mass)
- the advantage of these variants is that no or only very little C3-hydrocarbons get into the subsequent stages F) and G). If the C3-components are not separated sharply, as it corresponds to the variant II described below, then this can in stages F) and G) bring a higher procedural effort with it.
- the gas stream e1 present after the expansion is fed to a first column K1.
- the pressure in this column is the same or only weak. less than the pressure of the feed stream.
- the column K1 is preferably the pure enrichment part of a conventional column, ie it has no evaporator, but a condenser, and the feed is preferably at the bottom of the column.
- the liquid stream e2 present after the expansion is fed to the second column K2.
- the pressure in K1 is 10 to 40 bar, preferably 25 to 32 bar, and in K2 1 to 5 bar, preferably 1, 3 to 2 bar.
- the bottom draw of the column K1 is also fed to the column K2.
- the two top takeoff streams of the columns K1 and K2 correspond to the stream e1 and can be reused or further worked up as described above.
- the top outlet of the second column K2 is preferably recycled directly into the dehydrogenation, optionally using a compressor.
- the pressure in K1 is 10 to 40 bar, preferably 25 to 32 bar, and in K2 2.5 to 7 bar, preferably 4 to 6 bar.
- This variant has the advantage that no compressor is needed.
- the condenser temperature of the column K2 is higher (for example, about 40 0 C). In general, this temperature is 30 to 50 0 C, preferably 37 to 45 ° C.
- this stream is compressed to the pressure of the column K1 and fed to the column K1.
- the pressure in K1 is 10 to 40 bar, preferably 25 to 32 bar, and in K2 1 to 5 bar, preferably 1, 3 to 2 bar.
- the procedure is as described under variant Ib, however, larger amounts of C3 components (propane and propene) in the bottom discharge of the column K2 (for example about 1- 2% by mass) are allowed, so that the sump temperature is reduced to approx 100-110 0 C is limited and increased material requirements for evaporator and bottom part of the column K2 not result.
- the pressure in the column K1 is generally 10 to 40 bar, preferably 25 to 35 bar
- the pressure in the column K2 is generally 2.5 to 7 bar, preferably 4 to 6 bar.
- the recycle stream d2 can be treated if it contains even larger amounts of alkyl ester (V).
- a distillative purification of the stream is preferred. This can be done in a separate column, or alternatively together with the treatment of the stream d in a common column. It may be followed by a fine cleaning by adsorption, absorption, gas scrubbing or catalytic purification stages.
- the alkyl ester (V) containing product mixture e2 (consisting essentially of the alkyl ester (V) and the alkanoic acid (IV), for example consisting of Isopro- pylisovalerat and isovaleric acid) can be further worked up before the stream e2 in the process step F) out becomes.
- the alkanoic acid (IV), for example isovaleric acid from the alkyl ester (V), for example Isopropylisovalerat be separated.
- the alkanoic acid (IV), for example isovaleric acid can be obtained as the bottom product and recycled to the esterification stage.
- the alkyl ester (V), for example isopropyl isovalerate, can be obtained as top product and is further passed into process stage F).
- suitable process parameters in the case of the separation of isovaleric acid and isopropyl isovalerate are a pressure of up to 1, 5 bar (all pressures absolute) and a reflux ratio of 0 to 3.
- a process stage F the product mixture e2 containing the alkyl ester (V) is reacted with water in an ester cleavage zone to give a product mixture f containing the alkanol (I) (isopropanol or 2-butanol) and the alkanoic acid (IV).
- a process stage G the alkanol (I) is separated off from the product mixture f and the alkanoic acid (IV) is recovered.
- the alkanoic acid (IV) is generally recycled to the esterification stage D) or it is fed as an absorbent into the absorption stage for the separation of alkene and alkane from the gas phase c3.
- the product mixture f can be separated into a stream gl containing the alkanoic acid (IV) and the alkyl ester (V) and water and a stream g2 essentially consisting of the alkanol (I) and water.
- the stream gl is separated by distillation into the alkanoic acid (IV) and into a mixture of alkyl ester (V) and water.
- the Alkanoic acid (IV) is recycled to the esterification stage D or to the adsorption stage to separate the alkene and alkane from the gas phase c3, while the mixture of alkyl ester (V) and water is recycled to the ester cleavage zone F.
- the separation of the g2 consisting of alkanol (I) / water can, depending on the phase equilibria by simple distillation or by azeotropic rectification using entrainers (eg., Benzene, cyclohexane or diisopropyl ether in the case of isopropanol), by extractive distillation under Use of an extractant (eg of ionic liquids or acetic acid) as well as by membrane processes (pervaporation or vapor permeation) take place.
- entrainers eg., Benzene, cyclohexane or diisopropyl ether in the case of isopropanol
- an extractant eg of ionic liquids or acetic acid
- membrane processes pervaporation or vapor permeation
- the ester cleavage can be carried out both homogeneously and heterogeneously catalyzed.
- the catalysts described above, which are also used in the ester formation reaction are suitable.
- Preferred heterogeneous catalysts are ion exchange resins.
- Preferred homogeneous catalysts are sulfuric acid or heteropolyacids.
- the ester cleavage zone can be configured as a reactor or as a reactive distillation column. A combination of reactor and reactive distillation column is possible.
- Ester cleavage and distillation can be carried out in separate process steps.
- the mixture e2 containing the alkyl ester (V) is reacted with water in an ester cleavage reactor to give a product mixture f containing the alkanol (I), the alkanoic acid (IV), the alkyl ester (V) and water, and then this mixture in at least two distillation columns connected in series, optionally in conjunction with a dividing wall column, separated
- the ester cleavage reactor can be designed as a fixed bed, trickle bed, fluidized bed or slurry reactor.
- the catalyst can be operated selectively at the loosening point (so-called floating bed mode).
- the reactor can be designed, for example, as a stirred tank reactor or tubular reactor. If the ester cleavage is carried out homogeneously, the catalyst is generally separated off with the alkanoic acid in process step G), generally via the bottom draw stream of the second distillation column.
- the catalyst before recycling the alkanoic acid to the esterification step D), the catalyst may be separated and the separated catalyst recycled to the ester cleavage reactor.
- the separation of the catalyst can be carried out thermally in an evaporator or in a multistage distillation column and in a phase separator or by a combination of phase separation and thermal separation. Is used for the ester cleavage of the same homogeneous catalyst as for the ester formation, it can be dispensed with a separate separation of the catalyst. Heteropolyacids or sulfuric acid are particularly suitable for this process variant.
- isovaleric acid is used as the alkanoic acid (IV) and a product mixture e2 containing isopropyl isovalerate is obtained, where
- step F) the isopropyl isovalerate-containing product mixture e2 is reacted in an ester cleavage reactor with water to give a product mixture f comprising isopropanol, isovaleric acid, isopropyl isovalerate and water, and
- step G the product mixture f in a first distillation column (1) into a stream gl consisting essentially of isovaleric acid, isopropyl isovalerate and water and a stream g2 consisting essentially of isopropanol and water is separated.
- the stream gl is separated in a second distillation column (2) into a stream h1 (which is generally obtained as a bottom draw stream) consisting essentially of isovaleric acid and a stream h2 (which is generally obtained as a top draw stream) consisting essentially of isopropyl isovalerate and water ,
- the stream h1 can be recycled to the esterification zone or to the optional adsorption step to separate the alkane / alkene mixture.
- the stream h2 is returned directly to the hydrolysis reactor. This variant is shown in FIG.
- n-valeric acid is used as the alkanoic acid (IV) and a product mixture e2 containing isopropyl valency is obtained, where
- step F) the isopropyl valerate-containing product mixture e2 is reacted in an ester cleavage reactor with water to give a product mixture f comprising isopropanol, valeric acid, isopropyl valerate and water, and
- step G the product mixture f in a first distillation column (1) is separated into a stream gl consisting essentially of valeric acid, isopropyl valerate and water and a stream g2 essentially consisting of isopropanol and water.
- the stream g1 is converted into a stream h1 (which is generally obtained as a bottom draw stream) essentially consisting of valeric acid and a stream h2 (which is generally used as topcoat stream).
- ström is essentially separated consisting of isopropyl valerate and water.
- the stream h1 can be recycled to the esterification zone or to the optional adsorption step to separate the alkane / alkene mixture.
- the stream h2 is returned directly to the hydrolysis reactor.
- the acid used as alkanoic acid (IV) is butyric acid, and a product mixture e2 containing isopropyl butyrate is obtained, where
- step F) the isopropyl butyrate-containing product mixture e2 is reacted in an ester cleavage reactor with water to give a product mixture f containing isopropanol, butyric acid, isopropyl butyrate and water, and
- step G the product mixture f in a first distillation column (1) is separated into a stream gl consisting essentially of butyric acid, isopropyl butyrate and water and a stream g2 consisting essentially of isopropanol and water.
- the stream gl is converted in a second distillation column (2) into a stream h1 (which is generally obtained as a bottom draw stream) consisting essentially of butyric acid and a stream h2 (which is generally obtained as a top draw stream) consisting essentially of isopropyl butyrate and Water separated.
- the stream h1 can be recycled to the esterification zone or to the optional adsorption step to separate the alkane / alkene mixture.
- the stream h2 is returned directly to the hydrolysis reactor.
- the water contained in stream g2 can be separated off by azeotropic distillation using an entraining agent such as benzene, cyclohexane or diisopropyl ether using an azeotrope distillation column (3), a phase separator (5) and the water separation column (4) and recycled as stream k1 into the ester cleavage reactor become. If diisopropyl ether is obtained as a by-product in the ester cleavage, preference is given to using diisopropyl ether as the entraining agent.
- the bottom draw stream i1 of the azeotropic distillation column (3) is pure isopropanol.
- the inventive use of higher alkanoic acids having 3 or more carbon atoms offers significant advantages.
- no alkyl ester / isopropanol azeotrope and no alkyl ester / isopropanol / water azeotrope is formed.
- the alkyl ester can be separated from isopropanol by a simple and "sharp" method, and most of the water contained in the product mixture f from the ester cleavage zone can be mixed with the alkyl ester by means of the first and the second distillation column (1). and (2) separated and recycled to the ester cleavage zone.
- the water load of the downstream azeotropic distillation for separating the alkanol / water mixture is significantly reduced.
- the ester cleavage is generally carried out at a pressure of 1 to 20 bar, preferably 2 to 5 bar, and a temperature of generally 50 to 150 0 C, preferably 80 to 120 0 C, performed. Preference is given to working in the presence of an acidic ion exchanger as a catalyst. Water can be used in stoichiometric excess or in excess, generally in stoichiometric excess based on alkyl ester (V). For example, it is used in amounts of from 0.5 to 0.9 mol per mole of isopropyl isovalerate.
- the ester cleavage reaction can be carried out in a fluidized bed reactor in suspended bed mode or in a fixed bed reactor.
- the product mixture f obtained in the ester cleavage reaction contains, for example, 5 to 15% by weight of isopropanol, 10 to 40% by weight of isovaleric acid (or valeric acid or butyric acid), 45 to 80% by weight of isopropyl isovalerate (or isopropyl valerate or isopropyl butyrate) and 1 to 10 wt .-% water.
- the stream gl which is generally obtained as the bottom draw stream of the first column (1), contains, for example, 32% by weight of isovaleric acid (or valeric acid or butyric acid) and 64% by weight of isopropyl isovalerate (or isopropyl valerate or isopropyl butyrate) and 4% by weight of water.
- the stream h1 which is generally obtained as the bottom draw stream of the second column (2), contains 99% by weight of isovaleric acid (or valeric acid or butyric acid) and 1% by weight of isopropyl isovalerate (or isopropyl valerate or isopropyl butyrate) and the stream h2 which is generally obtained as a top draw stream of the second column (2) contains, for example, 93% by weight of isopropyl isovalerate (or isopropyl valerate or isopropyl butyrate), 2% by weight of isovaleric acid (or valeric acid or butyric acid) and 5% by weight Water.
- the stream i1 which is generally obtained as the bottom draw stream of the third column (3), preferably contains at least 98% by weight of isopropanol.
- the current i2 is separated by adding an entrainer, for example cyclohexane, into an aqueous and an organic phase.
- the aqueous phase is added as reflux to the fourth column (4) and contains preferably at least 60% by weight of water, up to 40% by weight of isopropanol and small amounts of the entraining agent.
- the organic phase is added as reflux to the third column (3) and preferably contains 20 to 50% by weight of isopropanol, less than 10% by weight of water and 50 to 80% by weight of the entraining agent.
- the bottom draw stream k1 of the fourth column (4) preferably contains more than 98% by weight of water and is recycled to the ester cleavage zone.
- the first column (1) generally has 20 to 40 theoretical plates and is operated at a pressure of 0.5 to 2 bar.
- the second column (2) generally has 15 to 35 theoretical plates and is operated at a pressure of 0.5 to 1.5 bar.
- the third column (3) generally has 10 to 30 theoretical plates and is operated at a pressure of 0.5 to 4 bar.
- the fourth column (4) generally has 1 to 15 theoretical plates and is operated at a pressure of 0.5 to 2 bar.
- ester cleavage and distillation can also be carried out-at least in part-simultaneously in one and the same process step, wherein the mixture formed by ester cleavage is at least partially separated by distillation and the alkanoic acid (IV), optionally together with the homogeneous catalyst, is recovered.
- the reactive distillation column may be preceded by a pre-reactor.
- This reactive distillation can be carried out homogeneously or heterogeneously catalyzed.
- the reactive distillation column may contain conventional internals such as packings, packing and trays.
- Heterogeneous catalysts can be present in the form of catalytic units, for example as catalyst packings or catalyst packings, or in the form of a catalyst suspension.
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Abstract
The invention relates to a method for producing alcohols (I), selected from isopropanol and 2-butanol, from the corresponding alkanes (II), selected from propane and n-butane, comprising the steps: A) a feed stream a, comprising the alkane (II) is prepared, B) the feed stream a, comprising the alkane (II) is introduced into a dehydrogenation zone and the alkane (II) subjected to a dehydrogenation to give the alkene (III), wherein a product gas stream b containing the alkene (III), unreacted alkane (II), optional high-boilers, steam, hydrogen and low-boilers is obtained, C) the product gas stream b is at least compressed, the product gas stream b is optionally separated into an aqueous phase c1, a phase c2, comprising the alkene (III), the alkane (II) and optionally high-boilers and a gas phase c3, comprising hydrogen and low-boilers, D) the product gas stream b and/or the phase c2, comprising the alkene (III) and alkane (II) is reacted in an esterification zone with an alkanoic acid (IV) having 3 or more carbon atoms, wherein a product mixture d, comprising the corresponding alkyl ester (V) of the alkanoic acid and the unreacted alkane (II) is obtained, E) a gas stream e1 comprising an alkane (II) is separated off from the product mixture d, optionally recycled back to the dehydrogenation zone and a product mixture e2, comprising the alkyl ester (V) is obtained; F) the product mixture e2, comprising the alkyl ester (V) is reacted with water in an ester cleavage zone to give a product mixture f containing the alcohol (I) and the alkanoic acid (IV), G) the alcohol (I) and the alkanoic acid (IV) are separated off from the product mixture f and the alkanoic acid optionally recycled to the esterification zone.
Description
Verfahren zur Herstellung von Isopropanol und 2-Butanol aus den entsprechenden Alkanen Process for the preparation of isopropanol and 2-butanol from the corresponding alkanes
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Isopropanol aus Propan und von 2-Butanol aus Butan.The invention relates to a process for the preparation of isopropanol from propane and from 2-butanol from butane.
Die Hydratisierung von Alkenen zu Alkoholen ist wohl bekannt und wird großtechnisch betrieben. Technisch ausgeübt wird die zweistufige Hydratisierung, bei der das Alken mit Schwefelsäure zum Alkylsulfat umgesetzt und dieses im zweiten Schritt mit Wasser zum Alkohol und der Säure gespalten wird. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass das Alken in Form von Alken-Rohgemischen, beispielsweise Gemischen aus dem Al- ken, dem entsprechenden Alkan und weiteren Nebenbestandteilen, eingesetzt werden kann. Nachteilig ist das hoch korrosive Medium, die Verunreinigung des Produkts mit schwefelhaltigen geruchsbildenden Stoffen, welche zusätzliche Reinigungsschritte erforderlich machen kann, und der Verlust des inerten Alkananteils des Gemischs, welcher nicht reagiert und nach der Reaktion ausgeschleust wird. Nachteilig ist weiterhin, dass nach Hydrolyse des Alkylsulfats zum Alkohol die anfallende verdünnte Schwefelsäure vor ihrer Wiederverwendung in dem Esterbildungsschritt aufkonzentriert werden muss.The hydration of alkenes to alcohols is well known and is operated on an industrial scale. Technically, the two-stage hydration, in which the alkene is reacted with sulfuric acid to alkyl sulfate and this is cleaved in the second step with water to the alcohol and the acid. An advantage of this process is that the alkene can be used in the form of alkene crude mixtures, for example mixtures of the alkene, the corresponding alkane and further secondary constituents. A disadvantage is the highly corrosive medium, the contamination of the product with sulfur-containing odoriferous substances, which may require additional purification steps, and the loss of the inert alkane content of the mixture, which is unreacted and discharged after the reaction. A further disadvantage is that after hydrolysis of the alkyl sulfate to the alcohol, the resulting dilute sulfuric acid must be concentrated before its reuse in the esterification step.
Daneben ist die Esterbildung von Olefinen mit Carbonsäuren und anschließende Es- terspaltung der gebildeten Alkylester zum entsprechenden Alkohol unter Wiedergewinnung der Säure bekannt. So beschreibt US 4,384,148 die Umsetzung von Ethen mit Essigsäure zu Ethylacetat in einem Autoklaven. Die anschließende Hydrolyse des destillativ abgetrennten Ethylacetats mit Wasser im Molverhältnis 1 : 5 in einem Autoklaven liefert ein Gemisch enthaltend Ethylacetat, Ethanol und Diethylether. GB 2 238 539 offenbart die zweistufige Hydratisierung von 1 -Buten durch Umsetzung mit Trifluoressigsäure zum 2-Butyltrifluoracetat in Gegenwart eines stark sauren lonenaus- tauscherharzes und anschließende Hydrolyse des Esters zum 2-Butanol.In addition, the esterification of olefins with carboxylic acids and subsequent ester cleavage of the alkyl esters formed to give the corresponding alcohol with recovery of the acid is known. Thus, US 4,384,148 describes the reaction of ethene with acetic acid to ethyl acetate in an autoclave. The subsequent hydrolysis of the distillatively separated ethyl acetate with water in a molar ratio of 1: 5 in an autoclave yields a mixture containing ethyl acetate, ethanol and diethyl ether. GB 2 238 539 discloses the two-stage hydration of 1-butene by reaction with trifluoroacetic acid to give 2-butyltrifluoroacetate in the presence of a strongly acidic ion exchange resin and subsequent hydrolysis of the ester to 2-butanol.
Weiterhin wird technisch die direkte, einstufige Hydratisierung von Alkenen an stark sauren Katalysatoren, beispielsweise lonentauschern, Zeolithen, Heteropolysäuren und Mineralsäuren, auf heterogenen Trägern durchgeführt. Verfahren zur Direkt- Hydratisierung können in der Gasphase, in der flüssigen Phase oder zweiphasig durchgeführt werden. Nachteilig an den einstufigen Verfahren sind insbesondere die
niedrigen Umsätze und die hohen Anforderungen an die Reinheit des eingesetzten Alkens. Beispielsweise muss Propylen als Polymer Grade-Propylen eingesetzt werden.Furthermore, the direct, one-stage hydration of alkenes on strongly acidic catalysts, for example ion exchangers, zeolites, heteropolyacids and mineral acids, is carried out on heterogeneous supports. Direct hydration processes can be carried out in the gas phase, in the liquid phase or in the biphasic phase. A disadvantage of the single-stage process are in particular the low sales and the high demands on the purity of the alkene used. For example, propylene must be used as polymer grade propylene.
GB-A 2 147 290 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Isopropanol, 2-Butanol und Methyl-tert.-butylether aus einem LPG-Gasgemisch enthaltend Propan, n-Butan und iso-Butan. Das Gasgemisch wird zu einem Gemisch enthaltend Propen, n-Butene und Isobuten dehydriert und passiert anschließend eine Veretherungszone, in der Isobuten mit Methanol zu Methyl-tert.-butylether verethert wird. Propen und n-Butene, welche unter den gewählten Bedingungen im Wesentlichen nicht mit Methanol reagie- ren, werden simultan mit Wasser zu Isopropanol beziehungsweise 2-Butanol direkt hydratisiert.GB-A-2 147 290 discloses a process for producing isopropanol, 2-butanol and methyl tertiary butyl ether from an LPG gas mixture containing propane, n-butane and iso-butane. The gas mixture is dehydrogenated to a mixture containing propene, n-butenes and isobutene and then passed through an etherification zone in which isobutene is etherified with methanol to methyl tert-butyl ether. Propene and n-butenes, which under the chosen conditions essentially do not react with methanol, are simultaneously hydrated directly with water to give isopropanol or 2-butanol, respectively.
US 2004/0225165 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Alkoholen mit 3 oder mehr C-Atomen aus den entsprechenden Alkanen, bei dem ein Strom enthaltend Pro- pan oder ein längerkettiges Alkan zu einem Zwischenproduktstrom enthaltend das entsprechende Olefin umgesetzt wird, und der Zwischenproduktstrom durch direkte oder indirekte Hydratisierung zu einem Produktstrom enthaltend den entsprechenden Alkohol umgesetzt wird. Die Schrift nennt als indirekten Prozess die zweistufige Hydratisierung von Propen mit konzentrierter Schwefelsäure unter intermediärer Bildung des Schwefelsäureesters und anschließender Hydrolyse des Schwefelsäureesters zum Alkohol. Daneben werden verschiedene Verfahren der direkten Hydratisierung beschrieben.US 2004/0225165 A discloses a process for the preparation of alcohols having 3 or more carbon atoms from the corresponding alkanes, in which a stream comprising propane or a longer alkane alkane is converted to an intermediate product stream containing the corresponding olefin, and the intermediate product stream direct or indirect hydration to a product stream containing the corresponding alcohol is reacted. The document mentions as an indirect process the two-stage hydration of propene with concentrated sulfuric acid with intermediate formation of the sulfuric acid ester and subsequent hydrolysis of the sulfuric acid ester to the alcohol. In addition, various methods of direct hydration are described.
Aus US 4,484,013 ist ein Verfahren zur Herstellung von Isopropanol und tert.-Butanol bekannt, bei dem ein Einsatzgasstrom aus Propan und Isobutan in eine Dehydrierungszone eingespeist und zu einem Produktgasgemisch enthaltend Propen, Isobuten, sowie nicht umgesetztes Propan und Isobutan nicht-oxidativ, d. h. in Abwesenheit von Luft oder Sauerstoff, dehydriert wird. Aus dem Produktgasstrom der Dehydrierung werden zunächst Leichtsieder (Wasserstoff) und anschließend Propan destillativ abge- trennt, wobei letzteres in die Dehydrierzone zurückgeführt wird. Der verbleibende Gasstrom, der im Wesentlichen aus Propen, Isobuten und Isobutan besteht, wird in eine Hydratisierungszone eingespeist, wo Propen und Isobuten an einem sauren lonentau- scherharz direkt zu Isopropanol und tert.-Butanol hydratisiert werden. Der verbleibende Gasstrom wird einerseits in einen Isobutanstrom, der in die Dehydrierzone zurückge- führt wird, und andererseits in einen Propan und Propen enthaltenden Strom, der in die Propan-Abtrennung vor den Hydratisierungsschritt zurückgeführt wird, aufgetrennt. Das Verfahren ist somit dadurch gekennzeichnet, dass vor der Hydratisierung nicht umgesetztes Propan abgetrennt und die Hydratisierung mit einem im Wesentlichen aus den C3- und C4-Olefinen bestehenden Einsatzstrom durchgeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Iso- propanol und 2-Butanol bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.From US 4,484,013 a process for the preparation of isopropanol and tert-butanol is known, in which a feed gas stream of propane and isobutane fed into a dehydrogenation zone and non-oxidative, ie, in a product gas mixture containing propene, isobutene, and unreacted propane and isobutane Absence of air or oxygen, being dehydrated. From the product gas stream of the dehydrogenation first low boilers (hydrogen) and then propane are separated by distillation, the latter being recycled to the dehydrogenation zone. The remaining gas stream, which consists essentially of propene, isobutene and isobutane, is fed into a hydration zone, where propene and isobutene are hydrated on an acidic ion exchanger resin directly to isopropanol and tert-butanol. The remaining gas stream is separated on the one hand into an isobutane stream, which is recycled to the dehydrogenation zone, and on the other hand into a stream containing propane and propene, which is recycled to the propane separation before the hydration step. The process is thus characterized in that unreacted propane is separated off prior to hydration and the hydration is carried out with a feed stream consisting essentially of the C 3 and C 4 olefins. The object of the invention is to provide an economical process for the preparation of isopropanol and 2-butanol, which does not have the disadvantages of the prior art.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Alkanolen (I), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Isopropanol und 2-Butanol, aus den entsprechenden Alkanen (II), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Propan und n-Butan, mit den Schritten:The object is achieved by a process for the preparation of alkanols (I) selected from the group consisting of isopropanol and 2-butanol, from the corresponding alkanes (II) selected from the group consisting of propane and n-butane, with the steps :
A) ein das Alkan (II) enthaltender Einsatzgasstrom a wird bereitgestellt;A) a feed gas stream a containing the alkane (II) is provided;
B) der das Alkan (II) enthaltende Einsatzgasstrom a wird in eine Dehydrierzone eingespeist und das Alkan (II) wird einer Dehydrierung zum Alken (III) unterworfen, wobei ein Produktgasstrom b enthaltend das Alken (III), nicht umgesetztes Alkan (II), gegebenenfalls Hochsieder, Wasserdampf, Wasserstoff und Leichtsieder erhalten wird;B) the feed gas stream a containing the alkane (II) is fed into a dehydrogenation zone and the alkane (II) is subjected to dehydrogenation to the alkene (III), a product gas stream b comprising the alkene (III), unreacted alkane (II), optionally high boilers, water vapor, hydrogen and low boilers are obtained;
C) der Produktgasstrom b wird zumindest komprimiert, optional wird der Produktgasstrom b in eine wässrige Phase c1 , eine das Alken (III), das Alkan (II) und gegebenenfalls Hochsieder enthaltende Phase c2 und eine Gasphase c3 enthaltend Wasserstoff und Leichtsieder aufgetrennt;C) the product gas stream b is at least compressed, optionally the product gas stream b is separated into an aqueous phase c1, an alkene (III), the alkane (II) and optionally high boilers containing phase c2 and a gas phase c3 containing hydrogen and low boilers;
D) der Produktgasstrom b beziehungsweise die das Alken (III) und das Alkan (II) enthaltende Phase c2 wird in einer Esterbildungszone mit einer Alkansäure mit 3 oder mehr C-Atomen (IV) umgesetzt, wobei ein Produktgemisch d enthaltend den entsprechenden Alkylester (V) der Alkansäure (IV) und das nicht umgesetzte Alkan (II) erhalten wird;D) the product gas stream b or the alkene (III) and the alkane (II) containing phase c2 is reacted in an esterification zone with an alkanoic acid having 3 or more carbon atoms (IV), wherein a product mixture d containing the corresponding alkyl ester (V ) of the alkanoic acid (IV) and the unreacted alkane (II) is obtained;
E) von dem Produktgemisch d wird ein Alkan (II) enthaltender Gasstrom e1 abge- trennt, der gegebenenfalls in die Dehydrierzone zurückgeführt wird, und ein denE) is separated from the product mixture d an alkane (II) containing gas stream e1, which is optionally recycled to the dehydrogenation, and a
Alkylester (V) enthaltendes Produktgemisch e2 gewonnen;Product ester e2 containing alkyl ester (V) obtained;
F) das den Alkylester enthaltende Produktgemisch e2 wird in einer Esterspaltungszone mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend das Alkanol (I) und die Alkansäure (IV) umgesetzt;F) the product mixture e2 containing the alkyl ester is reacted with water in an ester cleavage zone to give a product mixture f containing the alkanol (I) and the alkanoic acid (IV);
G) aus dem Produktgemisch f werden das Alkanol (I) und die Alkansäure (IV) abgetrennt und die Alkansäure gegebenenfalls in die Esterbildungszone zurückgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren verzichtet auf den Einsatz von stark korrosiver Schwefelsäure. Es zeichnet sich dadurch aus, dass dennoch in dem Esterbildungsschritt D) auch bei Verwendung eines Einsatzgasstromes, der das Alken (III) nur in sehr verdünnter Form neben weiteren Komponenten (nicht umgesetztes Alkan, Inert- gase) enthält, hohe Raum/Zeit-Ausbeuten und Umsätze erzielt werden. Auf eine Abtrennung von nicht reaktiven Nebenkomponenten vor Durchführung des Esterbildungsschrittes kann daher verzichtet werden.G) from the product mixture f, the alkanol (I) and the alkanoic acid (IV) are separated and the alkanoic acid is optionally recycled to the esterification zone. The inventive method dispenses with the use of highly corrosive sulfuric acid. It is characterized by the fact that even in the ester-forming step D), even when using a feed gas stream containing the alkene (III) only in very dilute form in addition to other components (unreacted alkane, inert gases), high space / time yields and sales are achieved. Separation of non-reactive secondary components before the esterification step can therefore be dispensed with.
In dem ersten Verfahrensteil A) wird ein Alkan (II), ausgewählt aus Propan und Butan, enthaltender Einsatzgasstrom a bereitgestellt. Im Falle von Propan enthält dieser imIn the first process part A) is provided an alkane (II), selected from propane and butane, containing feed gas stream a. In the case of propane this contains in the
Allgemeinen mindestens 80 Vol.-% Propan, vorzugsweise 90 Vol.-% Propan. Daneben enthält er im Allgemeinen noch Butane (n-Butan, iso-Butan), Butene, Ethan und Ethen.Generally at least 80% by volume of propane, preferably 90% by volume of propane. In addition, it generally still contains butane (n-butane, iso-butane), butenes, ethane and ethene.
Typische Zusammensetzungen des propanhaltigen Einsatzgasstroms sind in DE-A 102Typical compositions of the propane-containing feed gas stream are described in DE-A 102
46 1 19 und DE-A 102 45 585 offenbart. Üblicherweise wird der propanhaltige Einsatz- gasstrom a aus liquefied petroleum gas (LPG) gewonnen.46 1 19 and DE-A 102 45 585 discloses. The propane-containing feed gas stream a is usually obtained from liquefied petroleum gas (LPG).
Im Falle von n-Butan als Alkan (II) enthält der Einsatzgasstrom im Allgemeinen mindestens 80 Vol.-% n-Butan, vorzugsweise 90 Vol.-% n-Butan. Daneben enthält er im Allgemeinen noch Ethan, Ethen, Propan, Propen, iso-Butan, Butene und C5- Kohlenwasserstoffe.In the case of n-butane as alkane (II), the feed gas stream generally contains at least 80% by volume of n-butane, preferably 90% by volume of n-butane. In addition, it generally still contains ethane, ethene, propane, propene, isobutane, butenes and C 5 - hydrocarbons.
In einem Verfahrensteil B) wird der das Alkan (II) enthaltende Einsatzgasstrom in eine Dehydrierzone eingespeist und einer im Allgemeinen katalytischen Dehydrierung unterworfen. Dabei wird das Alkan in einem Dehydrierreaktor an einem dehydrieraktiven Katalysator teilweise zum Alken dehydriert. Daneben fallen Wasserstoff und in geringen Mengen Leichtsieder sowie Hochsieder an. Als Leichtsieder werden vorliegend niedriger als Propen beziehungsweise 1 -Buten siedende Kohlenwasserstoffe bezeichnet, als Schwersieder höher als Propen beziehungsweise 2-Buten siedende Kohlenwasserstoffe bezeichnet. So können beispielsweise bei der Propan-Dehydrierung als Leichtsieder Methan, Ethan und Ethen und als Hochsieder C4 +-KoIi lenwasserstoffe (n- Butan, iso-Butan, Butene, Butadien) anfallen. Bei der n-Butan-Dehydrierung können beispielsweise als Leichtsieder Methan, Ethan und Ethen, Propan und Propen und als Hochsieder C5 +-Koh lenwasserstoffe anfallen. Außerdem fallen, falls die Dehydrierung in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Gases durchgeführt wird, im Allgemeinen Koh- lenstoffoxide (CO, CO2), insbesondere CO2, sowie Wasserdampf und gegebenenfalls in geringem Umfang Inertgase im Produktgasgemisch der Dehydrierung an. Der Produktgasstrom der Dehydrierung enthält im Allgemeinen Wasserdampf, der bereits dem Dehydriergasgemisch zugesetzt und/oder - bei Dehydrierung in Gegenwart von Sauerstoff (oxidativ oder nicht-oxidativ) - bei der Dehydrierung gebildet wird. Inertgase (Stickstoff) werden bei Durchführung der Dehydrierung in Gegenwart von Sauerstoff
mit dem eingespeisten sauerstoffhaltigen Gasstrom in die Dehydrierzone eingebracht, sofern kein reiner Sauerstoff eingespeist wird. Daneben liegt im Reaktionsgasgemisch nicht umgesetztes Alkan (II) (Propan beziehungsweise n-Butan) vor.In a process part B), the feed gas stream containing the alkane (II) is fed into a dehydrogenation zone and subjected to a generally catalytic dehydrogenation. In this case, the alkane is partially dehydrogenated in a dehydrogenation reactor on a dehydrogenation catalyst to the alkene. In addition, hydrogen and small amounts of low boilers and high boilers. Low-boiling hydrocarbons are referred to herein as lower hydrocarbons than propene or 1-butene, and higher-boiling hydrocarbons referred to as propene or 2-butene, respectively. Thus, for example, in the propane dehydrogenation as low boilers methane, ethane and ethene and high boilers C 4 + hydrocarbons (n-butane, isobutane, butenes, butadiene) incurred. In n-butane dehydrogenation, for example, methane, ethane and ethene, propane and propene can be obtained as low boilers and C 5 + hydrocarbons as high boilers. In addition, if the dehydrogenation is carried out in the presence of an oxygen-containing gas, carbon oxides (CO, CO 2 ), in particular CO 2 , and water vapor and optionally, to a lesser extent, inert gases in the product gas mixture generally fall to the dehydrogenation. The dehydrogenation product gas stream generally contains water vapor which has already been added to the dehydrogenation gas mixture and / or, upon dehydrogenation in the presence of oxygen (oxidative or non-oxidative), is formed on dehydrogenation. Inert gases (nitrogen) become when carrying out the dehydrogenation in the presence of oxygen introduced with the fed oxygen-containing gas stream in the dehydrogenation zone, if no pure oxygen is fed. In addition, unreacted alkane (II) (propane or n-butane) is present in the reaction gas mixture.
Die Alkan-Dehydrierung kann grundsätzlich in allen aus dem Stand der Technik bekannten Reaktortypen durchgeführt werden. Eine vergleichsweise ausführliche Beschreibung von erfindungsgemäß geeigneten Reaktortypen enthält auch „Catalytica® Studies Division, Oxidative Dehydrogenation and Alternative Dehydrogenation Proces- ses" (Study Number 4192 OD, 1993, 430 Ferguson Drive, Mountain View, California, 94043-5272, USA).The alkane dehydrogenation can in principle be carried out in all reactor types known from the prior art. A comparatively comprehensive description of the invention suitable reactor types also includes "Catalytica® ® Studies Division, Oxidative Dehydrogenation and Alternative Dehydrogenation Proces- ses" (Study Number 4192 OD, 1993, 430 Ferguson Drive, Mountain View, California, 94043-5272, USA).
Die Dehydrierung kann als oxidative oder nicht-oxidative Dehydrierung durchgeführt werden. Die Dehydrierung kann isotherm oder adiabat durchgeführt werden. Die Dehydrierung kann katalytisch im Festbett-, Wanderbett- oder Wirbelbettreaktor durchge- führt werden.The dehydrogenation can be carried out as oxidative or non-oxidative dehydrogenation. The dehydration can be performed isothermally or adiabatically. The dehydrogenation can be carried out catalytically in a fixed bed, moving bed or fluidized bed reactor.
Die nicht-oxidative katalytische Alkan-Dehydrierung wird bevorzugt autotherm durchgeführt. Dazu wird dem Reaktionsgasgemisch der Dehydrierung in mindestens einer Reaktionszone zusätzlich Sauerstoff zugemischt und der in dem Reaktionsgasgemisch enthaltene Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff zumindest teilweise verbrannt, wodurch zumindest ein Teil der benötigten Dehydrierwärme in der mindestens einen Reaktionszone direkt in dem Reaktionsgasgemisch erzeugt wird.The non-oxidative catalytic alkane dehydrogenation is preferably carried out autothermally. For this purpose, oxygen is added to the reaction gas mixture of the dehydrogenation in at least one reaction zone and at least partially burned the hydrogen and / or hydrocarbon contained in the reaction gas mixture, whereby at least a portion of the required Dehydrierwärme in the at least one reaction zone is generated directly in the reaction gas mixture.
Ein Merkmal der nicht-oxidativen Fahrweise gegenüber einer oxidativen Fahrweise ist die zumindest intermediäre Bildung von Wasserstoff, die sich im Vorhandensein von Wasserstoff im Produktgas der Dehydrierung niederschlägt. Bei der oxidativen Dehydrierung findet sich kein freier Wasserstoff im Produktgas der Dehydrierung.One feature of non-oxidative driving versus oxidative driving is the at least intermediate formation of hydrogen, which is reflected in the presence of hydrogen in the dehydrogenation product gas. In oxidative dehydrogenation, there is no free hydrogen in the dehydrogenation product gas.
Eine geeignete Reaktorform ist der Festbettrohr- oder Rohrbündelreaktor. Bei diesen befindet sich der Katalysator (Dehydrierungskatalysator und gegebenenfalls spezieller Oxidationskatalysator) als Festbett in einem Reaktionsrohr oder in einem Bündel von Reaktionsrohren. Übliche Reaktionsrohr-Innendurchmesser betragen etwa 10 bis 15 cm. Ein typischer Dehydrierrohrbündelreaktor umfasst ca. 300 bis 1000 Reaktionsrohre. Die Temperatur im Reaktionsrohrinneren bewegt sich üblicherweise im Bereich von 300 bis 12000C, vorzugsweise im Bereich von 500 bis 10000C. Der Arbeitsdruck liegt üblicherweise zwischen 0,5 und 8 bar, häufig zwischen 1 und 2 bar bei Verwendung einer geringen Wasserdampfverdünnung, aber auch zwischen 3 und 8 bar bei Verwendung einer hohen Wasserdampfverdünnung (entsprechend dem so genannten „steam active reforming process" (STAR-Prozess) oder dem Linde-Verfahren) zur De- hydrierung von Propan oder Butan von Phillips Petroleum Co. Typische Katalysatorbe-
lastungen (GHSV) liegen bei 500 bis 2000 h"1, bezogen auf eingesetzten Kohlenwasserstoff. Die Katalysatorgeometrie kann beispielsweise kugelförmig oder zylindrisch (hohl oder voll) sein. Es können auch mehrere Festbettrohr- oder Rohrbündelreaktoren nebeneinander betrieben werden, von denen sich abwechselnd mindestens einer im Zustand der Regenerierung befindet.A suitable reactor form is the fixed bed tube or tube bundle reactor. In these, the catalyst (dehydrogenation catalyst and optionally special oxidation catalyst) is a fixed bed in a reaction tube or in a bundle of reaction tubes. Typical reaction tube internal diameters are about 10 to 15 cm. A typical Dehydrierrohrbündelreaktor comprises about 300 to 1000 reaction tubes. The temperature in the inside of the reaction tube usually ranges from 300 to 1200 ° C., preferably in the range from 500 to 1000 ° C. The working pressure is usually between 0.5 and 8 bar, frequently between 1 and 2 bar when using a low steam dilution. but also between 3 and 8 bar when using a high steam dilution (according to the so-called "steam active reforming process" (STAR process) or the Linde process) for the dehydrogenation of propane or butane by Phillips Petroleum Co. loads (GHSV) are from 500 to 2000 h "1, based on the hydrocarbon used. The catalyst geometry may be for example, spherical or cylindrical (hollow or solid). It can be operated in parallel and a plurality of fixed bed or tubular reactors, one of which turns at least one is in the state of regeneration.
Die nicht-oxidative katalytische, autotherme Dehydrierung kann auch, entsprechend dem Snamprogetti/Yarsintez-FBD-Prozess, heterogen katalysiert im Wirbelbett durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise werden dabei zwei Wirbelbetten nebeneinander betrieben, von denen sich eines in der Regel im Zustand der Regenerierung befindet. Der Arbeitsdruck beträgt typischerweise 1 bis 2 bar, die Dehydriertem peratur in der Regel 550 bis 6000C. Die für die Dehydrierung erforderliche Wärme kann dabei in das Reaktionssystem eingebracht werden, indem der Dehydrierkatalysator auf die Reaktionstemperatur vorerhitzt wird. Durch die Zumischung eines Sauerstoff enthaltenden Co-Feeds kann auf die Vorerhitzer verzichtet werden, und die benötigte Wärme wird direkt im Reaktorsystem durch Verbrennung von Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff erzeugt. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Wasserstoff enthaltender Co-Feed zugemischt werden.The non-oxidative catalytic, autothermal dehydrogenation can also be carried out in a heterogeneously catalyzed fluidized bed according to the Snamprogetti / Yarsintez-FBD process. Conveniently, two fluidized beds are operated side by side, one of which is usually in the state of regeneration. The working pressure is typically 1 to 2 bar, the dehydrated temperature usually 550 to 600 0 C. The heat required for the dehydrogenation can be introduced into the reaction system in that the dehydrogenation catalyst is preheated to the reaction temperature. By adding an oxygen-containing co-feed can be dispensed with the preheater, and the heat required is generated directly in the reactor system by combustion of hydrogen and / or hydrocarbons in the presence of oxygen. Optionally, a hydrogen-containing co-feed may additionally be admixed.
Die nicht-oxidative katalytische, autotherme Dehydrierung wird bevorzugt in einem Hordenreaktor durchgeführt. Dieser enthält ein oder mehrere aufeinander folgende Katalysatorbetten. Die Anzahl der Katalysatorbetten kann 1 bis 20, zweckmäßigerweise 1 bis 6, bevorzugt 1 bis 4 und insbesondere 1 bis 3 betragen. Die Katalysatorbetten werden vorzugsweise radial oder axial vom Reaktionsgas durchströmt. Im Allgemeinen wird ein solcher Hordenreaktor mit einem Katalysatorfestbett betrieben. Im einfachsten Fall sind die Katalysatorfestbetten in einem Schachtofenreaktor axial oder in den Ringspalten von konzentrisch angeordneten zylindrischen Gitterrosten angeordnet. Ein Schachtofenreaktor entspricht einer Horde. Die Durchführung der Dehydrierung in einem einzelnen Schachtofenreaktor entspricht einer Ausführungsform. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Dehydrierung in einem Hordenreaktor mit 3 Katalysatorbetten durchgeführt.The non-oxidative catalytic, autothermal dehydrogenation is preferably carried out in a tray reactor. This contains one or more successive catalyst beds. The number of catalyst beds may be 1 to 20, advantageously 1 to 6, preferably 1 to 4 and in particular 1 to 3. The catalyst beds are preferably flowed through radially or axially from the reaction gas. In general, such a tray reactor is operated with a fixed catalyst bed. In the simplest case, the fixed catalyst beds are arranged in a shaft furnace reactor axially or in the annular gaps of concentrically arranged cylindrical gratings. A shaft furnace reactor corresponds to a horde. The performance of dehydrogenation in a single shaft furnace reactor corresponds to one embodiment. In a further preferred embodiment, the dehydrogenation is carried out in a tray reactor with 3 catalyst beds.
Im Allgemeinen wird die Menge des dem Reaktionsgasgemisch zugesetzten sauerstoffhaltigen Gases so gewählt, dass durch die Verbrennung von im Reaktionsgasge- misch vorhandenem Wasserstoff und gegebenenfalls von im Reaktionsgasgemisch vorliegenden Kohlenwasserstoffen und/oder von in Form von Koks vorliegendem Kohlenstoff die für die Dehydrierung des Alkans (Propan beziehungsweise n-Butan) benötigte Wärmemenge erzeugt wird. Im Allgemeinen beträgt die insgesamt zugeführte Sauerstoffmenge, bezogen auf die Gesamtmenge des Propans, 0,001 bis 0,5 mol/mol, bevorzugt 0,005 bis 0,25 mol/mol, besonders bevorzugt 0,05 bis 0,25 mol/mol. Sauer-
stoff kann entweder als reiner Sauerstoff oder als sauerstoffhaltiges Gas, welches Inertgase enthält, eingesetzt werden. Um hohe Propan- und Propen-Verluste bei der Aufarbeitung (siehe unten) zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, wenn der Sauerstoff-Gehalt des eingesetzten sauerstoffhaltigen Gases hoch ist und mindestens 50 Vol.-%, bevorzugt mindestens 80 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Vol.-% beträgt. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn das sauerstoffhaltige Gas technisch reiner Sauerstoff mit einem O2-Gehalt von ca. 99 Vol.-% ist. Daneben ist eine Fahrweise möglich, bei der Luft als sauerstoffhaltiges Gas eingespeist wird.In general, the amount of the oxygen-containing gas added to the reaction gas mixture is selected such that the combustion of mixtures of hydrogen present in the reaction gas mixture and optionally of hydrocarbons present in the reaction gas mixture and / or coke present in the form of coke for the dehydrogenation of the alkane (propane or n-butane) required amount of heat is generated. In general, the total amount of oxygen introduced, based on the total amount of propane, is 0.001 to 0.5 mol / mol, preferably 0.005 to 0.25 mol / mol, particularly preferably 0.05 to 0.25 mol / mol. Angry- The substance can be used either as pure oxygen or as an oxygen-containing gas containing inert gases. In order to avoid high propane and propene losses in the work-up (see below), it may be advantageous if the oxygen content of the oxygen-containing gas used is high and at least 50% by volume, preferably at least 80% by volume, more preferably at least 90% by volume. It may be particularly advantageous if the oxygen-containing gas is technically pure oxygen with an O 2 content of about 99% by volume. In addition, a driving is possible in which air is fed as oxygen-containing gas.
Der zur Wärmeerzeugung verbrannte Wasserstoff ist der bei der katalytischen Alkan- Dehydrierung gebildete Wasserstoff sowie gegebenenfalls dem Reaktionsgasgemisch als wasserstoffhaltiges Gas zusätzlich zugesetzter Wasserstoff. Vorzugsweise sollte soviel Wasserstoff zugegen sein, dass das Molverhältnis H2IO2 im Reaktionsgasgemisch unmittelbar nach der Einspeisung von Sauerstoff 1 bis 10, bevorzugt 2 bis 5 mol/mol beträgt. Dies gilt bei mehrstufigen Reaktoren für jede Zwischeneinspeisung von sauerstoffhaltigem und gegebenenfalls wasserstoffhaltigem Gas.The hydrogen burned to generate heat is the hydrogen formed during the catalytic alkane dehydrogenation and, if appropriate, the hydrogen gas additionally added to the reaction gas mixture. Preferably, so much hydrogen should be present that the molar ratio H 2 IO 2 in the reaction gas mixture immediately after the introduction of oxygen is 1 to 10, preferably 2 to 5 mol / mol. This applies to multi-stage reactors for each intermediate feed of oxygen-containing and possibly hydrogen-containing gas.
Die Wasserstoffverbrennung erfolgt katalytisch. Der eingesetzte Dehydrierungskatalysator katalysiert im Allgemeinen auch die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe und von Wasserstoff mit Sauerstoff, so dass grundsätzlich kein von diesem verschiedener, spezieller Oxidationskatalysator erforderlich ist. In einer Ausführungsform wird in Gegenwart eines oder mehrerer Oxidationskatalysatoren gearbeitet, die selektiv die Verbrennung von Wasserstoff zu Sauerstoff in Gegenwart von Kohlenwasserstoffen katalysieren. Die Verbrennung dieser Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff zu CO, CO2 und Wasser läuft dadurch nur in untergeordnetem Maße ab. Vorzugsweise liegen der Dehydrierungskatalysator und der Oxidationskatalysator in verschiedenen Reaktionszonen vor.The hydrogen combustion takes place catalytically. The dehydrogenation catalyst used generally also catalyzes the combustion of the hydrocarbons and of hydrogen with oxygen, so that in principle no special oxidation catalyst different from this one is required. In one embodiment, the reaction is carried out in the presence of one or more oxidation catalysts which selectively catalyze the combustion of hydrogen to oxygen in the presence of hydrocarbons. The combustion of these hydrocarbons with oxygen to CO, CO 2 and water is therefore only to a minor extent. Preferably, the dehydrogenation catalyst and the oxidation catalyst are present in different reaction zones.
Bei mehrstufiger Reaktionsführung kann der Oxidationskatalysator in nur einer, in meh- reren oder in allen Reaktionszonen vorliegen.In the case of a multistage reaction, the oxidation catalyst can be present in only one, in several or in all reaction zones.
Bevorzugt ist der Katalysator, der selektiv die Oxidation von Wasserstoff katalysiert, an den Stellen angeordnet, an denen höhere Sauerstoffpartialdrucke herrschen als an anderen Stellen des Reaktors, insbesondere in der Nähe der Einspeisungsstelle für das sauerstoffhaltige Gas. Die Einspeisung von sauerstoffhaltigem Gas und/oder wasserstoffhaltigem Gas kann an einer oder mehreren Stellen des Reaktors erfolgen.Preferably, the catalyst which selectively catalyzes the oxidation of hydrogen is disposed at the sites where higher oxygen partial pressures prevail than at other locations of the reactor, particularly near the oxygen-containing gas feed point. The feeding of oxygen-containing gas and / or hydrogen-containing gas can take place at one or more points of the reactor.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Zwischeneinspeisung von sauerstoffhaltigem Gas und von wasserstoffhaltigem Gas vor jeder Horde eines Hordenreaktors. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemä-
ßen Verfahrens erfolgt die Einspeisung von sauerstoffhaltigem Gas und von wasser- stoffhaltigem Gas vor jeder Horde außer der ersten Horde. In einer Ausführungsform ist hinter jeder Einspeisungsstelle eine Schicht aus einem speziellen Oxidationskataly- sator vorhanden, gefolgt von einer Schicht aus dem Dehydrierungskatalysator. In einer weiteren Ausführungsform ist kein spezieller Oxidationskatalysator vorhanden. Die Dehydriertemperatur beträgt im allgemeinen 400 bis 11000C, der Druck im letzten Katalysatorbett des Hordenreaktors im Allgemeinen 0,2 bis 5 bar, bevorzugt 1 bis 3 bar. Die Belastung (GHSV = gasous hourly space velocity) beträgt im Allgemeinen 500 bis 2000 h"1, bei Hochlastfahrweise auch bis zu 100 000 h"1, bevorzugt 4000 bis 16 000 h"1.In one embodiment of the process according to the invention, an intermediate feed of oxygen-containing gas and of hydrogen-containing gas takes place before each tray of a tray reactor. In a further embodiment of the inventive In the process, oxygen-containing gas and hydrogen-containing gas are introduced to each horde except the first horde. In one embodiment, behind each feed point is a layer of a special oxidation catalyst, followed by a layer of the dehydrogenation catalyst. In another embodiment, no special oxidation catalyst is present. The dehydrogenation temperature is generally 400 to 1100 0 C, the pressure in the last catalyst bed of the tray reactor generally 0.2 to 5 bar, preferably 1 to 3 bar. The load (GHSV = gasous hourly space velocity) is generally from 500 to 2000 h -1 , in the case of high-load operation also up to 100 000 h -1 , preferably 4000 to 16 000 h -1 .
Ein bevorzugter Katalysator, der selektiv die Verbrennung von Wasserstoff katalysiert, enthält Oxide und/oder Phosphate, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Oxiden und/oder Phosphaten von Germanium, Zinn, Blei, Arsen, Antimon oder Bismut. Ein weiterer bevorzugter Katalysator, der die Verbrennung von Wasserstoff katalysiert, enthält ein Edelmetall der VIII. und/oder I. Nebengruppe.A preferred catalyst which selectively catalyzes the combustion of hydrogen contains oxides and / or phosphates selected from the group consisting of the oxides and / or phosphates of germanium, tin, lead, arsenic, antimony or bismuth. Another preferred catalyst which catalyzes the combustion of hydrogen contains a noble metal of VIII. And / or I. Nebengruppe.
Die eingesetzten Dehydrierungskatalysatoren weisen im Allgemeinen einen Träger und eine Aktivmasse auf. Der Träger besteht dabei in der Regel aus einem wärmebeständigen Oxid oder Mischoxid. Bevorzugt enthalten die Dehydrierungskatalysatoren ein Metalloxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zirkondioxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Magnesiumoxid, Lanthanoxid, Ceroxid und deren Gemischen, als Träger. Bei den Gemischen kann es sich um physikalische Mischungen oder auch um chemische Mischphasen wie Magnesium- oder Zinkaluminiumoxid-Mischoxide handeln. Bevorzugte Träger sind Zirkondioxid und/oder Silizium- dioxid, besonders bevorzugt sind Gemische aus Zirkondioxid und Siliziumdioxid.The dehydrogenation catalysts used generally have a carrier and an active composition. The carrier is usually made of a heat-resistant oxide or mixed oxide. Preferably, the dehydrogenation catalysts contain a metal oxide selected from the group consisting of zirconium dioxide, zinc oxide, alumina, silica, titania, magnesia, lanthana, ceria and mixtures thereof as a carrier. The mixtures may be physical mixtures or chemical mixed phases such as magnesium or zinc-aluminum oxide mixed oxides. Preferred supports are zirconium dioxide and / or silicon dioxide, particular preference is given to mixtures of zirconium dioxide and silicon dioxide.
Die Aktivmasse der Dehydrierungskatalysatoren enthält im Allgemeinen ein oder mehrere Elemente der VIII. Nebengruppe, bevorzugt Platin und/oder Palladium, besonders bevorzugt Platin. Darüber hinaus können die Dehydrierungskatalysatoren ein oder mehrere Elemente der I. und/oder II. Hauptgruppe aufweisen, bevorzugt Kalium und/oder Cäsium. Weiterhin können die Dehydrierungskatalysatoren ein oder mehrere Elemente der III. Nebengruppe einschließlich der Lanthaniden und Actiniden enthalten, bevorzugt Lanthan und/oder Cer. Schließlich können die Dehydrierungskatalysatoren ein oder mehrere Elemente der III. und/oder IV. Hauptgruppe aufweisen, bevorzugt ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Bor, Gallium, Silizium, Germanium, Zinn und Blei, besonders bevorzugt Zinn.The active composition of the dehydrogenation catalysts generally contains one or more elements of subgroup VIII, preferably platinum and / or palladium, more preferably platinum. In addition, the dehydrogenation catalysts may comprise one or more elements of main group I and / or II, preferably potassium and / or cesium. Furthermore, the dehydrogenation catalysts may contain one or more elements of III. Subgroup including the lanthanides and actinides, preferably lanthanum and / or cerium. Finally, the dehydrogenation catalysts may contain one or more elements of III. and / or IV. Main group, preferably one or more elements from the group consisting of boron, gallium, silicon, germanium, tin and lead, particularly preferably tin.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Dehydrierungskatalysator mindestens ein Element der VIII. Nebengruppe, mindestens ein Element der I. und/oder II. Hauptgruppe, mindestens ein Element der III. und/oder IV. Hauptgruppe und min-
destens ein Element der III. Nebengruppe einschließlich der Lanthaniden und Actini- den.In a preferred embodiment, the dehydrogenation catalyst contains at least one element of the VIII. Subgroup, at least one element of the I. and / or II. Main group, at least one element of III. and / or IV. main group and min. at least one element of the III. Subgroup including lanthanides and actinides.
Beispielsweise können erfindungsgemäß alle Dehydrierkatalysatoren eingesetzt wer- den, die in den WO 99/46039, US 4,788,371 , EP-A 705 136, WO 99/29420, US 5,220,091 , US 5,430,220, US 5,877,369, EP 0 1 17 146, DE-A 199 37 106, DE-A 199 37 105 und DE-A 199 37 107 offenbart werden. Besonders bevorzugte Katalysatoren für die vorstehend beschriebenen Varianten der autothermen Propan-Dehydrierung sind die Katalysatoren gemäß den Beispielen 1 , 2, 3 und 4 der DE-A 199 37 107.For example, according to the invention, all dehydrogenation catalysts can be used which are described in WO 99/46039, US Pat. No. 4,788,371, EP-A 705,136, WO 99/29420, US Pat. No. 5,220,091, US Pat. No. 5,430,220, US Pat. No. 5,877,369, EP 0 1 17 146, DE-A 199 37 106, DE-A 199 37 105 and DE-A 199 37 107 are disclosed. Particularly preferred catalysts for the above-described variants of the autothermal propane dehydrogenation are the catalysts according to Examples 1, 2, 3 and 4 of DE-A 199 37 107.
Die autotherme Alkan-Dehydrierung wird bevorzugt in Gegenwart von Wasserdampf durchgeführt. Der zugesetzte Wasserdampf dient als Wärmeträger und unterstützt die Vergasung von organischen Ablagerungen auf den Katalysatoren, wodurch der Verkokung der Katalysatoren entgegengewirkt und die Standzeit der Katalysatoren erhöht wird. Dabei werden die organischen Ablagerungen in Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und gegebenenfalls Wasser umgewandelt.The autothermal alkane dehydrogenation is preferably carried out in the presence of steam. The added water vapor serves as a heat carrier and supports the gasification of organic deposits on the catalysts, whereby the coking of the catalysts counteracted and the service life of the catalysts is increased. The organic deposits are converted into carbon monoxide, carbon dioxide and possibly water.
Der Dehydrierungskatalysator kann in an sich bekannter Weise regeneriert werden. So kann dem Reaktionsgasgemisch Wasserdampf zugesetzt werden oder von Zeit zu Zeit ein Sauerstoff enthaltendes Gas bei erhöhter Temperatur über die Katalysator- schüttung geleitet werden und der abgeschiedene Kohlenstoff abgebrannt werden. Durch die Verdünnung mit Wasserdampf wird das Gleichgewicht zu den Produkten der Dehydrierung verschoben. Gegebenenfalls wird der Katalysator nach der Regenerierung mit einem wasserstoffhaltigen Gas reduziert.The dehydrogenation catalyst can be regenerated in a manner known per se. Thus, steam can be added to the reaction gas mixture or, from time to time, an oxygen-containing gas can be passed over the catalyst bed at elevated temperature and the deposited carbon burned off. Dilution with water vapor shifts the equilibrium to the products of dehydration. Optionally, the catalyst is reduced after regeneration with a hydrogen-containing gas.
Bei der autothermen Propan-Dehydrierung unter Einspeisung von im Wesentlichen reinem Sauerstoff wird ein Gasgemisch erhalten, welches im Allgemeinen folgende Zusammensetzung aufweist: 10 bis 45 Vol.-% Propan, 5 bis 40 Vol.-% Propen, 0 bis 5 Vol.-% Methan, Ethan, Ethen und C4 +-KoIi lenwasserstoffe, 0 bis 5 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 20 Vol.-% Wasserdampf und 0 bis 25 Vol.-% Wasserstoff sowie 0 bis 5 Vol.-% Inertgase.In the autothermal propane dehydrogenation under feeding of substantially pure oxygen, a gas mixture is obtained, which generally has the following composition: 10 to 45 vol .-% propane, 5 to 40 vol .-% propene, 0 to 5 vol .-% Methane, ethane, ethene and C 4 + hydrocarbons, 0 to 5 vol .-% carbon dioxide, 0 to 20 vol .-% of water vapor and 0 to 25 vol .-% hydrogen and 0 to 5 vol .-% inert gases.
Bei der autothermen Butan-Dehydrierung unter Einspeisung von im Wesentlichen reinem Sauerstoff wird ein Gasgemisch erhalten, welches im Allgemeinen folgende Zu- sammensetzung aufweist: 5 bis 40 Vol.-% Butan, 10 bis 60 Vol.-% 1 -Buten und 2- Buten, 0 bis 10 Vol.-% Methan, Ethan, Ethen, Propan, Propen und C5 +- Koh lenwasserstoffe, 0 bis 5 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 20 Vol.-% Wasserdampf und 0 bis 25 Vol.-% Wasserstoff sowie 0 bis 5 Vol.-% Inertgase.
Der Produktgasstrom b steht beim Verlassen der Dehydrierzone im Allgemeinen unter einem Druck von 1 bis 5 bar, vorzugsweise 1 ,5 bis 3 bar, und weist eine Temperatur im Bereich von 400 bis 7000C auf.In the autothermal butane dehydrogenation with introduction of substantially pure oxygen, a gas mixture is obtained, which generally has the following composition: 5 to 40% by volume of butane, 10 to 60% by volume of 1-butene and 2-butene , 0 to 10% by volume of methane, ethane, ethene, propane, propene and C 5 + hydrocarbons, 0 to 5% by volume of carbon dioxide, 0 to 20% by volume of steam and 0 to 25% by volume Hydrogen and 0 to 5 vol .-% inert gases. The product gas stream b when leaving the dehydrogenation zone is generally under a pressure of 1 to 5 bar, preferably 1, 5 to 3 bar, and has a temperature in the range of 400 to 700 0 C.
Der Produktgasstrom b kann in zwei Teilströme aufgetrennt werden, wobei ein Teilstrom in die autotherme Dehydrierung zurückgeführt wird, entsprechend der in DE-A 102 1 1 275 und DE-A 100 28 582 beschriebenen Kreisgasfahrweise.The product gas stream b can be separated into two partial streams, with a partial stream being returned to the autothermal dehydrogenation, in accordance with the cycle gas procedure described in DE-A 102 11 275 and DE-A 100 28 582.
Im Verfahrensteil C) wird der Produktgasstrom b komprimiert. Die Komprimierung des Produktgasstroms b erfolgt auf Drücke von 5 - 150 bar, bevorzugt auf 15 - 100 bar, besonders bevorzugt auf 20 - 60 bar. Die Verdichtung kann mehrstufig mit Zwischenkühlungen erfolgen, beispielsweise in drei oder vier Stufen, vorzugsweise erfolgt sie mehrstufig, beispielsweise dreistufig. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine ein- oder zweistufige Kompression des Produktgasstroms b auf einen Druck im Bereich von 5 bis 12 bar und anschließend eine ein- oder zweistufige Kompression auf einen Druck im Bereich von 10 bis 25 bar. Auch die Kühlung kann mehrstufig erfolgen, bevorzugt erfolgt sie mehrstufig. Als Kühlmittel kommen Luft in Luftkühlern, Fluss- oder Kaltwasser sowie Kältemittel wie Ethen, Propen und Pro- pan, welche durch Verdichten auf Drücke bis zu 20 bar und anschließendes Ent- spannen auf Temperaturen im Bereich von -400C bis -1000C abgekühlt werden, zum Einsatz.In process part C), the product gas stream b is compressed. The compression of the product gas stream b is carried out at pressures of 5 to 150 bar, preferably 15 to 100 bar, more preferably 20 to 60 bar. The compression can take place in several stages with intermediate cooling, for example in three or four stages, preferably it takes place in several stages, for example in three stages. In one embodiment of the method according to the invention, a one- or two-stage compression of the product gas stream b to a pressure in the range of 5 to 12 bar and then a one or two stage compression to a pressure in the range of 10 to 25 bar. The cooling can be done in several stages, preferably it is multi-stage. As the coolant air coming pan in air coolers, flow or cold water, as well as refrigerants, such as ethene, propene and Pro, which by compacting at pressures up to 20 bar and subsequent decision-span temperatures in the range from -40 0 C to -100 0 C. be cooled, used.
Optional wird der Produktgasstrom b in eine wässrige Phase d , eine Kohlenwasserstoffphase c2 enthaltend das Alken (III) sowie das nicht umgesetzte Alkan (II) und eine Gasphase c3 enthaltend Wasserstoff und Leichtsieder aufgetrennt.Optionally, the product gas stream b is separated into an aqueous phase d, a hydrocarbon phase c2 comprising the alkene (III) and the unreacted alkane (II) and a gas phase c3 comprising hydrogen and low-boiling components.
Der Abtrennschritt innerhalb des Verfahrensteils C) erfolgt im Allgemeinen, wenn der Produktgasstrom b Wasserdampf enthält. Es kann aber auch lediglich eine Wasserabtrennung erfolgen (siehe unten).The separation step within the process part C) generally takes place when the product gas stream b contains water vapor. But it can also be done only a water separation (see below).
Aus dem Produktgasstrom b kann zunächst Wasser abgetrennt werden. Die Abtrennung von Wasser kann durch Kondensieren lassen durch Abkühlen und gegebenenfalls Verdichten des Produktgasstroms b durchgeführt werden und kann in einer oder mehreren Abkühlungs- und gegebenenfalls Verdichtungsstufen durchgeführt werden. Im Allgemeinen wird der Produktgasstrom b hierzu auf eine Temperatur im Bereich von 30 bis 800C, vorzugsweise 40 bis 65°C abgekühlt. Das Kondensieren lassen kann dabei vor der Kompression und/oder in den Verdichtungsstufen als Zwischenkühlung erfolgen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Produktgasstrom b durch eine Kaskade von Wärmetauschern geleitet und so zunächst auf eine Temperatur im Bereich von 50 bis 2000C abgekühlt und anschließend in einem Quenchturm mit Wasser auf eine Temperatur von 40 bis 800C, beispielsweise 55°C, weiter abgekühlt. Dabei kondensiert der größte Teil des Wasserdampfs aus, aber auch ein Teil der im Produktgasstrom b enthaltenen Hochsieder. Im Falle der Propan- Dehydrierung können dies C4 +-Kohlenwasserstoffe, insbesondere die C5 +-Kohlen- wasserstoffe sein.From the product gas stream b, water can first be separated off. The separation of water can be carried out by condensation by cooling and optionally compressing the product gas stream b and can be carried out in one or more cooling and optionally compression stages. In general, the product gas stream b is cooled to a temperature in this range of 30 to 80 0 C, preferably 40 to 65 ° C. The condensation can be done before the compression and / or in the compression stages as intermediate cooling. In one embodiment of the method according to the invention, the product gas stream b is passed through a cascade of heat exchangers and thus first cooled to a temperature in the range of 50 to 200 0 C and then in a quench tower with water to a temperature of 40 to 80 0 C, for example 55 ° C, further cooled. In this case, the major part of the water vapor condenses, but also a part of the high boilers contained in the product gas stream b. In the case of propane dehydrogenation, these may be C 4 + hydrocarbons, in particular the C 5 + hydrocarbons.
Dabei wird ein an Wasserdampf abgereicherter Produktgasstrom b erhalten. Dieser enthält im Allgemeinen noch bis zu 5 Vol.-% Wasserdampf. Zur praktisch vollständigen Entfernung von Wasser aus dem Produktgasstrom b kann eine Trocknung mittels Molekularsieb vorgesehen werden.In this case, a water vapor-depleted product gas stream b is obtained. This generally contains up to 5 vol .-% water vapor. For practically complete removal of water from the product gas stream b, drying by means of molecular sieve can be provided.
Wird die autotherme Alkan-Dehydrierung unter Einspeisung von reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft als sauerstoffhaltigem Gas durchgeführt, so kann die Aufarbeitung des Produktgasstroms b und die Gewinnung des Alkan und Alken enthaltenden Gemischs c2 auch wie nachstehend beschrieben erfolgen.If the autothermal alkane dehydrogenation is carried out with the introduction of pure oxygen or oxygen-enriched air as the oxygen-containing gas, the work-up of the product gas stream b and the recovery of the alkane and alkene-containing mixture c2 can also be carried out as described below.
Anschließend wird der Produktgasstrom b abgekühlt und ein flüssiger Kohlenwasserstoffstrom c2 enthaltend Propan und Propen beziehungsweise n-Butan und Butene durch Kondensieren lassen abgetrennt, wobei ein Restgasstrom c3 enthaltend Wasserstoff und Leichtsieder verbleibt. Der Kohlenwasserstoffstrom c2 kann im Falle der Propan-Dehydrierung daneben Methan, Ethan, Ethen und C4 +-Kohlenwasserstoffe enthalten, im Allgemeinen enthält er zumindest in geringen Mengen Ethan und Ethen. Die Temperatur und der Druck im Abtrennschritt innerhalb der Kompressionsstufe C können auch so gewählt werden, dass ein Großteil der im Produktgasstrom b enthaltenen Alkane und Alkene im Gastrom c3 enthalten sind. Dieser Gastrom c3 kann entweder ebenso wie der Kohlenwasserstoffstrom c2 in die Esterbildungszone D oder alter- nativ in eine Absorptionsstufe (wie unten beschrieben) geführt werden.Subsequently, the product gas stream b is cooled and a liquid hydrocarbon stream c2 containing propane and propene or n-butane and butenes can be separated by condensation, leaving a residual gas stream c3 containing hydrogen and low boilers. In the case of propane dehydrogenation, the hydrocarbon stream c2 may additionally contain methane, ethane, ethene and C 4 + hydrocarbons; in general it contains at least small amounts of ethane and ethene. The temperature and the pressure in the separation step within the compression stage C can also be chosen so that a large part of the alkanes and alkenes contained in the product gas stream b are contained in the gas stream c3. This gas stream c3, either as well as the hydrocarbon stream c2, can be fed into the esterification zone D or alternatively into an absorption stage (as described below).
Im Falle der n-Butan-Dehydrierung werden die Bedingungen so gewählt, dass ganz überwiegend n-Butan und Butene auskondensieren. Der Restgasstrom c3 enthält neben Wasserstoff als Leichtsieder im Allgemeinen noch Methan und Kohlenmonoxid. Daneben kann er auch noch Ethan und Ethen und - falls die autotherme Dehydrierung nicht unter Einspeisung von reinem Sauerstoff durchgeführt wird - insbesondere Stickstoff und Edelgase (hauptsächlich Argon) enthalten. Daneben kann er auch noch C3- und C4-KoIi lenwasserstoffe enthalten. Dazu wird der Produktgasstrom b im Allgemeinen auf einen Druck im Bereich von 5 bis 60 bar verdichtet und auf eine Temperatur im Bereich von -10 bis -600C abgekühlt.
Neben dem Kohlenwasserstoffstrom c2 kann beim Abkühlen und Verdichten eine wässrige Phase d auskondensieren und durch Phasentrennung in einem Phasen- scheider von der C3-Kohlenwasserstoffphase c2 abgetrennt werden, falls keine voll- ständige Wasserabtrennung aus dem Produktgastrom b vor dem Kondensationsschritt erfolgt ist. Bei mehrstufigem Abkühlen und Verdichten können sämtliche anfallenden Kondensatströme dem Phasenscheider zugeführt werden.In the case of n-butane dehydrogenation, the conditions are chosen so that predominantly n-butane and butenes condense out. The residual gas stream c3 in addition to hydrogen as low boilers generally still methane and carbon monoxide. In addition, it may also ethane and ethene and - if the autothermal dehydrogenation is not carried out under the supply of pure oxygen - in particular nitrogen and noble gases (mainly argon) included. In addition, it may also contain C 3 and C 4 hydrocarbons. For this purpose, the product gas stream b is generally compressed to a pressure in the range of 5 to 60 bar and cooled to a temperature in the range of -10 to -60 0 C. In addition to the hydrocarbon stream c2, an aqueous phase d can condense on cooling and compression and separated from the C3-hydrocarbon phase c2 by phase separation in a phase separator, if no complete removal of water from the product gas stream b has taken place before the condensation step. In multi-stage cooling and compression all accumulating condensate streams can be fed to the phase separator.
Auf eine vorherige Entfernung von Wasser aus dem Produktgasstrom b vor dem Kon- densieren lassen der C3-Kohlenwasserstoffphase c2 kann auch verzichtet werden. Dann kondensiert Wasser als wässrige Phase d zusammen mit der Alkan und Alken enthaltenden Kohlenwasserstoffphase c2 aus. Wässrige Phase und Kohlenwasserstoffphase werden dann anschließend in einem Phasenscheider getrennt.Prior removal of water from the product gas stream b before condensing the C 3 -hydrocarbon phase c 2 can also be dispensed with. Then, water condenses out as the aqueous phase d together with the alkane and alkene-containing hydrocarbon phase c2. Aqueous phase and hydrocarbon phase are then subsequently separated in a phase separator.
Im Allgemeinen erfolgt das Abkühlen des Produktgasstroms durch Wärmetausch mit einem Kühlmittel. Die Abkühlung kann mehrstufig unter Einsatz mehrerer Kühlkreisläufe erfolgen. Die Abkühlung kann mehrstufig in einer Kolonne erfolgen, wobei das in der Kolonne aufsteigende Gas entnommen, abgekühlt, (teilweise) kondensiert und in die Kolonne zurückgeführt wird. Am Kolonnensumpf wird das Kondensat, am Kolonnen- köpf das nicht kondensierte Gas entnommen, welches auch im obersten Kühlkreislauf nicht kondensiert ist.In general, cooling of the product gas stream is accomplished by heat exchange with a coolant. The cooling can be done in several stages using multiple cooling circuits. The cooling can be carried out in a plurality of stages in a column, wherein the rising in the column gas is removed, cooled, (partially) condensed and returned to the column. At the bottom of the column, the condensate, at the top of the column, the uncondensed gas is removed, which is not condensed in the uppermost cooling circuit.
Wird die Alkan-Dehydrierung als autotherme Dehydrierung unter simultaner Verbrennung des gebildeten Wasserstoffs durchgeführt, so resultiert ein geringer Wasserstoff- gehalt des Produktgasstroms b. Als Folge davon können in dem Abtrennschritt C) - falls dieser durchgeführt wird - die C3- beziehungsweise C4-KoIi lenwasserstoffe ganz überwiegend auskondensiert werden und es wird nur ein sehr kleiner Teil der C3- beziehungsweise C4-Koh lenwasserstoffe mit dem Wasserstoff/Leichtsieder enthaltenden Abgasstrom c3 ausgetragen.If the alkane dehydrogenation is carried out as autothermal dehydrogenation with simultaneous combustion of the hydrogen formed, the result is a low hydrogen content of the product gas stream b. As a consequence, in the separation step C), if this is carried out, the C 3 or C 4 hydrocarbons can be condensed out predominantly and only a very small part of the C 3 or C 4 hydrocarbons is hydrogenated / Low boilers containing exhaust stream c3 discharged.
Vor Durchführung der Kohlenwasserstoff-Kondensation kann aus dem Produktgasstrom b Kohlendioxid durch Gaswäsche abgetrennt werden, wobei ein an Kohlendioxid abgereicherter Produktgasstrom b erhalten wird. Der Kohlendioxid-Gaswäsche kann eine gesonderte Verbrennungsstufe vorgeschaltet werden, in der Kohlenmonoxid selektiv zu Kohlendioxid oxidiert wird.Before carrying out the hydrocarbon condensation, it is possible to separate off carbon dioxide from the product gas stream by washing with gas, a product gas stream b depleted in carbon dioxide being obtained. The carbon dioxide gas scrubber may be preceded by a separate combustion stage in which carbon monoxide is selectively oxidized to carbon dioxide.
Zur CO2-Abtrennung wird im Allgemeinen Natronlauge, Kalilauge oder eine Alkanol- amin-Lösung als Waschflüssigkeit eingesetzt, bevorzugt wird eine aktivierte N-Methyl- diethanolamin-Lösung eingesetzt. Im Allgemeinen wird vor Durchführung der Gas-
wasche der Produktgasstrom c durch ein- oder mehrstufige Verdichtung auf einen Druck im Bereich von 5 bis 25 bar verdichtet.For CO 2 separation, generally sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution or an alkanolamine solution is used as the scrubbing liquid; preference is given to using an activated N-methyldiethanolamine solution. In general, before carrying out the gas wash the product gas stream c by single or multi-stage compression to a pressure in the range of 5 to 25 bar compressed.
Es kann ein an Kohlendioxid abgereicherter Produktgasstrom b mit einem Cθ2-Gehalt von im Allgemeinen < 100 ppm oder sogar < 10 ppm erhalten werden.A carbon dioxide-depleted product gas stream b having a CO 2 content of generally <100 ppm or even <10 ppm can be obtained.
Der in dem Kühl- und Kondensationsschritt C) erhaltene flüssige Kohlenwasserstoff- Kondensatstrom c2 enthält im Allgemeinen 20 bis 60 Mol-% Alkan (II), 20 bis 60 Mol-% Alken (III), 0 bis 20 Mol-% Leichtsieder und 0 bis 5 Mol-% Hochsieder.The liquid hydrocarbon condensate stream c2 obtained in the cooling and condensation step C) generally contains 20 to 60 mol% of alkane (II), 20 to 60 mol% of alkene (III), 0 to 20 mol% of low boilers and 0 to 5 mol% high boilers.
Im Falle der Propan-Dehydrierung kann der im Kühl- und Kondensationsschritt C) erhaltene flüssige Kohlenwasserstoff-Kondensatstrom c2 20 bis 70 Mol-% Propan, 20 bis 60 Mol-% Propen, 0 bis 10 Mol-% Methan, 0 bis 10 Mol-% Ethan und Ethen und 0 bis 5 Mol-% C4 +-Koh lenwasserstoffen enthalten.In the case of propane dehydrogenation, the liquid hydrocarbon condensate stream c2 obtained in the cooling and condensation step C) may contain 20 to 70 mol% propane, 20 to 60 mol% propene, 0 to 10 mol% methane, 0 to 10 mol% % Ethane and ethene and 0 to 5 mol% of C 4 + hydrocarbons.
Wird die autotherme Alkan-Dehydrierung unter Einspeisung von Luft als sauerstoffhaltigem Gas durchgeführt, so kann die Aufarbeitung des Produktgasstroms b und die Gewinnung des Alkan und Alken enthaltenden Gemischs c2 auch wie nachstehend beschrieben erfolgen. Zunächst wird Wasserdampf durch Kondensieren lassen abge- trennt, indem der Produktgasstrom b abgekühlt und gegebenenfalls verdichtet wird, wobei ein an Wasserdampf abgereicherter Produktgasstrom b erhalten wird. Anschließend werden Alkan und Alken von nicht kondensierbaren oder leicht siedenden Gasbestandteilen durch Inkontaktbringen des Produktgasstroms b mit einem inerten Absorptionsmittel und anschließender Desorption des in dem inerten Absorptionsmittel gelösten Alkans und Alkens abgetrennt, wobei ein gasförmiger C3-beziehungsweise C4-KoIi lenwasserstoffstrom erhalten und der Abgasstrom c3, enthaltend Wasserstoff und Leichtsieder (im Falle von der Propan-Dehydrierung Methan, Ethan, Ethen, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, gegebenenfalls Sauerstoff und gegebenenfalls Inertgase, im Falle der n-Butan-Dehydrierung zusätzlich auch Propan und Propen), abgetrennt wird. Die beschriebene Aufarbeitung des Produktgasstroms b kann auch im Falle der autothermen Alkan-Dehydrierung unter Einspeisung von reinem Sauerstoff beziehungsweise mit Sauerstoff angereicherter Luft als sauerstoffhaltigem Gas entsprechend durchgeführt werden.If the autothermal alkane dehydrogenation is carried out with the introduction of air as an oxygen-containing gas, the work-up of the product gas stream b and the recovery of the alkane and alkene-containing mixture c2 can also be carried out as described below. First of all, steam is separated off by condensation by cooling the product gas stream b and optionally compacting it, with a product gas stream b depleted in water vapor being obtained. Subsequently, alkane and alkene are separated from non-condensable or low-boiling gas constituents by contacting the product gas stream b with an inert absorbent and then desorbing the alkane and alkene dissolved in the inert absorbent to obtain a gaseous C 3 or C 4 hydrocarbon stream, and the Exhaust stream c3 containing hydrogen and low boilers (in the case of the propane dehydrogenation methane, ethane, ethene, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, optionally oxygen and optionally inert gases, in the case of n-butane dehydrogenation also propane and propene) is separated , The described work-up of the product gas stream b can also be carried out correspondingly in the case of the autothermal alkane dehydrogenation with the introduction of pure oxygen or oxygen-enriched air as the oxygen-containing gas.
Dazu wird in der Absorptionsstufe bei 5 - 40 bar, bevorzugt 8 - 20 bar, besonders bevorzugt 10 - 15 bar der Gasstrom b mit einem inerten Absorptionsmittel in Kontakt gebracht, wobei die C3- beziehungsweise C4-Kohlenwasserstoffe und auch geringe Mengen der C2-KoIi lenwasserstoffe in dem inerten Absorptionsmittel absorbiert werden und ein mit C3- beziehungsweise C4-Koh lenwasserstoffen beladenes Absorptionsmittel und ein die übrigen Gasbestandteile enthaltendes Abgas c3 erhalten werden. Im Wesent-
liehen sind dies Kohlenstoffoxide, Wasserstoff, Inertgase sowie C2-Kohlenwasserstoffe und Methan. Auch gewisse Mengen Propan und Propen beziehungsweise C4- Kohlenwasserstoffe können noch in dem Strom c3 enthalten sein, da die Abtrennung im Allgemeinen nicht ganz vollständig ist. In einer Desorptionsstufe werden die C3- beziehungsweise C4-KOh lenwasserstoffe aus dem Absorptionsmittel wieder freigesetzt.For this purpose, in the absorption stage at 5 to 40 bar, preferably 8 to 20 bar, particularly preferably 10 to 15 bar, the gas stream b is brought into contact with an inert absorbent, the C 3 or C 4 hydrocarbons and also small amounts of C 2 -KoIi hydrocarbons are absorbed in the inert absorbent and a C 3 - or C 4 -Koh hydrocarbons laden absorbent and the other gas components containing exhaust c3 are obtained. Essentially, These are carbon oxides, hydrogen, inert gases as well as C 2 -hydrocarbons and methane. Certain amounts of propane and propene or C 4 - hydrocarbons may still be contained in the stream c3, since the separation is generally not completely complete. In a desorption step, the C 3 - or C 4 -Koh hydrocarbons are released from the absorbent again.
In der Absorptionsstufe eingesetzte inerte Absorptionsmittel sind im Allgemeinen hochsiedende unpolare Lösungsmittel, in denen das abzutrennende C3- beziehungsweise C4-Kohlenwasserstoff-Gemisch eine deutlich höhere Löslichkeit als die übrigen abzu- trennenden Gasbestandteile aufweist. Die Absorption kann durch einfaches Durchleiten des Stroms c durch das Absorptionsmittel erfolgen. Sie kann aber auch in Kolonnen erfolgen. Dabei kann im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom gearbeitet werden. Geeignete Absorptionskolonnen sind z.B. Bodenkolonnen mit Glocken-, Ventil- und/oder Siebböden, Kolonnen mit strukturierten Packungen, z.B. Gewebepackun- gen oder Blechpackungen mit einer spezifischen Oberfläche von 100 bis 1000 m2/m3 wie Mellapak® 250 Y, und Füllkörperkolonnen, z.B. mit Kugeln, Ringen oder Sätteln aus Metall, Kunststoff oder Keramik als Füllkörpern. Es kommen aber auch Riesel- und Sprühtürme, Graphitblockabsorber, Oberflächenabsorber wie Dickschicht- und Dünnschichtabsorber sowie Blasensäulen mit und ohne Einbauten in Betracht.Inert absorbent used in the absorption stage are generally high-boiling non-polar solvents in which the separated C3 or C 4 hydrocarbon mixture has a significantly higher solubility than the other gas components to be separated. The absorption can be carried out by simply passing the stream c through the absorbent. But it can also be done in columns. It can be used in cocurrent, countercurrent or cross flow. Suitable absorption columns include plate columns having bubble-cap, valve, and / or sieve trays, columns with structured packings, gen example Gewebepackun- or sheet-metal packings with a specific surface area of 100 to 1000 m 2 / m 3 as Mellapak ® 250 Y, and packed columns such as with balls, rings or saddles made of metal, plastic or ceramic as packing. However, there are also trickle and spray towers, graphite block absorbers, surface absorbers such as thick-film and thin-layer absorbers and bubble columns with and without internals into consideration.
Vorzugsweise weist die Absorptionskolonne einen Absorptionsteil und einen Rektifikationsteil auf. Zur Erhöhung der Anreicherung der C3- beziehungsweise C4-Kohlen- wasserstoffen im Lösungsmittel nach Art einer Rektifikation kann dann in den Kolonnensumpf Wärme eingetragen werden. Alternativ kann in den Kolonnensumpf ein Strippgasstrom eingespeist werden, beispielsweise aus Stickstoff, Luft, Wasserdampf oder Propan/Propen-Gemischen. So wird im Rektifikationsteil der Absorptionskolonne das beladene Absorptionsmittel mit dem Strippgasstrom in Kontakt gebracht. Dadurch werden aus dem beladenen Absorptionsmittel C2 "-Kohlenwasserstoffe herausgestrippt. Ein Teil des Kopfproduktes kann kondensiert und als Rücklauf wieder auf den Ko- lonnenkopf gegeben werden, um Lösungsmittelverluste zu begrenzen.Preferably, the absorption column has an absorption part and a rectification part. To increase the concentration of the C 3 - or C 4 -hydrocarbons in the solvent in the manner of a rectification, heat can then be introduced into the bottom of the column. Alternatively, a stripping gas stream can be fed into the bottom of the column, for example from nitrogen, air, steam or propane / propene mixtures. Thus, in the rectification section of the absorption column, the laden absorbent is brought into contact with the stripping gas stream. As a result, C 2 " hydrocarbons are stripped out of the loaded absorbent A portion of the top product can be condensed and returned to the column head as reflux to limit solvent losses.
Geeignete Absorptionsmittel sind vergleichsweise unpolare organische Lösungsmittel, beispielsweise aliphatische C4-Ci8-Alkene, Naphtha oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie die Mittelölfraktionen aus der Paraffindestillation, oder Ether mit sperrigen Gruppen, oder Gemische dieser Lösungsmittel, wobei diesen ein polares Lösungsmittel wie 1 ,2-Dimethylphthalat zugesetzt sein kann. Geeignete Absorptionsmittel sind weiterhin Ester der Benzoesäure und Phthalsäure mit geradkettigen Ci-Cβ-Alkanolen, wie Benzoesäure-n-butylester, Benzoesäuremethylester, Benzoesäureethylester, Phthalsäuredimethylester, Phthalsäurediethylester, sowie so genannte Wärmeträger- öle, wie Biphenyl und Diphenylether, deren Chlorderivate sowie Triarylalkene. Ein ge-
eignetes Absorptionsmittel ist ein Gemisch aus Biphenyl und Diphenylether, bevorzugt in der azeotropen Zusammensetzung, beispielsweise das im Handel erhältliche Diphyl®. Häufig enthält dieses Lösungsmittelgemisch Dimethylphthalat in einer Menge von 0,1 bis 25 Gew.-%. Geeignete Absorptionsmittel sind ferner Butane, Pentane, He- xane, Heptane, Octane, Nonane, Decane, Undecane, Dodecane, Tridecane, Tetrade- cane, Pentadecane, Hexadecane, Heptadecane und Octadecane oder aus Raffinerieströmen gewonnene Fraktionen, die als Hauptkomponenten die genannten linearen Alkane enthalten. Bevorzugte Absorptionsmittel sind Cs-C-io-Kohlenwasserstoffe, besonders bevorzugt sind C9-Kohlenwasserstoffe, insbesondere Nonane.Suitable absorbents are relatively nonpolar organic solvents, for example C 4 -C 8 -alkenes, naphtha or aromatic hydrocarbons, such as the paraffin distillation medium fractions, or bulky group ethers, or mixtures of these solvents, such as polar solvents such as 1, 2 and 3. Dimethyl phthalate may be added. Suitable absorbers are also esters of benzoic acid and phthalic acid with straight-chain C 1 -C 6 -alkanols, such as n-butyl benzoate, methyl benzoate, ethyl benzoate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate, and so-called heat transfer oils, such as biphenyl and diphenyl ether, their chlorinated derivatives and triaryl alkenes. A Suitable absorbent is a mixture of biphenyl and diphenyl ether, preferably in the azeotropic composition, for example, the commercially available Diphyl ® . Frequently, this solvent mixture contains dimethyl phthalate in an amount of 0.1 to 25 wt .-%. Suitable absorbers are also butanes, pentanes, hexanes, heptanes, octanes, nonanes, decanes, undecanes, dodecanes, tridecanes, tetradecanes, pentadecanes, hexadecanes, heptadecanes and octadecanes or fractions obtained from refinery streams, which contain the abovementioned linear alkanes as main components contain. Preferred absorbents are Cs-C-io-hydrocarbons, particularly preferred are C 9 -hydrocarbons, in particular nonanes.
Zur Desorption der C3- beziehungsweise C4-KOh lenwasserstoffe wird das beladene Absorptionsmittel erhitzt und/oder auf einen niedrigeren Druck entspannt. Alternativ dazu kann die Desorption auch durch Strippung, üblicherweise mit Wasserdampf, oder in einer Kombination von Entspannung, Erhitzen und Strippung in einem oder mehre- ren Verfahrensschritten erfolgen. Beispielsweise kann die Desorption zweistufig durchgeführt werden, wobei die zweite Desorptionsstufe bei einem niedrigeren Druck als die erste Desorptionsstufe durchgeführt wird und das Desorptionsgas der zweiten Stufe in die Absorptionsstufe zurückgeführt wird. Das in der Desorptionsstufe regenerierte Absorptionsmittel wird in die Absorptionsstufe zurückgeführt. Gegebenenfalls wird ein Teil dieses Absorptionsmittelstroms, der C4 +-KOh lenwasserstoffe enthalten kann, ausgeschleust, aufgearbeitet und zurückgeführt, oder verworfen.For the desorption of the C 3 or C 4 hydrocarbons, the laden absorbent is heated and / or expanded to a lower pressure. Alternatively, the desorption can also be effected by stripping, usually with steam, or in a combination of relaxation, heating and stripping in one or more process steps. For example, the desorption can be carried out in two stages, wherein the second desorption stage is carried out at a lower pressure than the first desorption stage and the desorption gas of the second stage is returned to the absorption stage. The absorbent regenerated in the desorption stage is returned to the absorption stage. Optionally, a portion of this absorbent stream, which may contain C 4 + hydrocarbons, is discharged, worked up and recycled, or discarded.
In einer Verfahrensvariante wird der Desorptionsschritt durch Entspannung und/oder Erhitzen des beladenen Absorptionsmittels durchgeführt. In einer weiteren Verfahrens- Variante wird zusätzlich mit Wasserdampf gestrippt.In a variant of the method, the desorption step is carried out by relaxation and / or heating of the loaded absorbent. In a further process variant is additionally stripped with steam.
Die Abtrennung ist im Allgemeinen nicht ganz vollständig, so dass in dem C3- beziehungsweise C4- Kohlenwasserstoffstrom - je nach Art der Abtrennung - noch geringe Mengen oder auch nur Spuren der weiteren Gasbestandteile, insbesondere der leicht siedenden Kohlenwasserstoffe, vorliegen können.The separation is generally not completely complete, so that in the C 3 - or C 4 - hydrocarbon stream - depending on the type of separation - still small amounts or even traces of other gas constituents, in particular the low-boiling hydrocarbons may be present.
Anschließend kann der desorbierte C3- beziehungsweise C4-Kohlenwasserstoffstrom abgekühlt werden, wobei er zusätzlich in einer oder mehreren weiteren Kompressionsstufen komprimiert werden kann. Dabei wird der flüssige Kondensatstrom c2 aus C3- beziehungsweise C4-Kohlenwasserstoffen erhalten. Der Strom c2 kann noch geringe Mengen C2-Kohlenwasserstoffe enthalten. Daneben können ein wässriger Kondensatstrom und gegebenenfalls weitere Mengen des Abgasstroms c3 anfallen. Der wässrige Kondensatstrom fällt im Allgemeinen an, wenn zur Desorption der gelösten Gase mit Wasserdampf gestrippt wird.
Die Kompression kann wiederum ein- oder mehrstufig erfolgen. Im Allgemeinen wird insgesamt von einem Druck im Bereich von 1 bis 29 bar, vorzugsweise 1 bis 10 bar, auf einen Druck im Bereich von 12 bis 30 bar komprimiert. Nach jeder Kompressionsstufe folgt eine Abkühlstufe, in der der Gasstrom auf eine Temperatur im Bereich von 15 bis 800C, vorzugsweise 15 bis 600C, abgekühlt wird. Anschließend wird das komprimierte Gasgemisch auf eine Temperatur von -10°C bis 600C, vorzugsweise -10°C bis 300C abgekühlt. Ein gegebenenfalls vorhandener wässriger Kondensatstrom kann in einem Phasentrennapparat von dem flüssigen C3- beziehungsweise C4-Kohlen- wasserstoffstrom abgetrennt werden.Subsequently, the desorbed C 3 or C 4 hydrocarbon stream can be cooled, wherein it can be additionally compressed in one or more further compression stages. The liquid condensate stream c2 is obtained from C 3 or C 4 hydrocarbons. The stream c2 may still contain small amounts of C 2 hydrocarbons. In addition, an aqueous condensate stream and possibly further amounts of the exhaust gas stream c3 incurred. The aqueous condensate stream generally accumulates when it is stripped with water vapor to desorb the dissolved gases. The compression can again be done in one or more stages. In general, a total pressure of from 1 to 29 bar, preferably from 1 to 10 bar, is compressed to a pressure in the range from 12 to 30 bar. After each compression stage is followed by a cooling step, in which the gas stream is cooled to a temperature in the range of 15 to 80 0 C, preferably 15 to 60 0 C, cooled. Subsequently, the compressed gas mixture is cooled to a temperature of -10 ° C to 60 0 C, preferably -10 ° C to 30 0 C. An optional aqueous condensate stream can be separated from the liquid C 3 or C 4 hydrocarbon stream in a phase separation apparatus.
Die oben beschriebene Absorptionsstufe kann auch wie folgt ausgeführt werden:The above-described absorption step can also be carried out as follows:
Als Absorptionsmittel wird in der Absorptionskolonne die gleiche Alkansäure eingesetzt, die in der Esterbildungszone mit dem entsprechenden Alken umgesetzt wird. Dabei kann dann auf den oben beschriebenen Desorptionsschritt verzichtet werden. Das mit C3- beziehungsweise C4-KOh lenwasserstoffen beladene Absorptionsmittel, d.h. in diesem Fall die Alkansäure, kann dann, gegebenenfalls nach weiterem Aufheizen und/oder Komprimieren, direkt in die Esterbildungszone geführt werden. Als Absorptionsmittelzulauf in die Absorptionskolonne kann in diesem Fall die aus dem Abtrenn- schritt (G) nach der Esterspaltungszone abgetrennte Alkansäure verwendet werden. Diese wird dann nicht direkt in die Esterbildungszone, sondern in die Absorptionsstufe und von dort, beladen mit den C3- beziehungsweise C4-KoIi lenwasserstoffen, in die Esterbildungszone zurückgeführt.The absorbent used in the absorption column is the same alkanoic acid which is reacted in the esterification zone with the corresponding alkene. In this case, it is then possible to dispense with the desorption step described above. The absorbent laden with C 3 - or C 4 -hydrocarbons, ie in this case the alkanoic acid, can then, if appropriate after further heating and / or compression, be passed directly into the esterification zone. In this case, the absorption of the absorbent into the absorption column can be carried out using the alkanoic acid separated off from the separation step (G) after the ester cleavage zone. This is then not directly in the esterification zone, but in the absorption stage and from there, charged with the C 3 - or C 4 -KoIi hydrogens, recycled to the esterification zone.
Der Abtrennschritt innerhalb des Verfahrensteils C) kann, muss aber nicht durchgeführt werden. Wie oben beschrieben, wird aber immer zumindest eine Kompression des Produktgasstroms b durchgeführt. Zum Beispiel kann, falls die Alkan-Dehydrierung nicht unter Einspeisung eines sauerstoffhaltigen Gases und auch nicht in Gegenwart von Wasserdampf durchgeführt wird, das erhaltene Dehydriergasgemisch b, das im Falle der Propan-Dehydrierung im Wesentlichen aus Propan, Propen, Wasserstoff und Leichtsiedern und im Falle der n-Butan-Dehydrierung im Wesentlichen aus Butan, 1- Buten, 2-Buten, Wasserstoff und Leichtsiedern besteht, direkt und ohne vorherige Abtrennung der C3- beziehungsweise C4-KoIi lenwasserstoffe in die Esterbildungszone eingespeist und mit der organischen Säure in Kontakt gebracht werden. Enthält der Produktgasstrom b Wasserdampf, da die Dehydrierung unter Einspeisung von Sauerstoff und/oder unter Einspeisung von Wasserdampf durchgeführt wurde, kann eine Abtrennung von Wasserdampf alleine - beispielsweise durch Kondensation wie oben unter C) beschrieben - ausreichend sein und das verbliebene, die C3- beziehungsweise C4-Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Leichtsieder enthaltende Gemisch gasförmig oder flüssig mit der organischen Säure umgesetzt werden. Auch die Gegenwart von
Kohlenstoffoxiden und weiteren Inertgasen (Luftstickstoff) stören die Esterbildungsreaktion grundsätzlich nicht.The separation step within process part C) may or may not be performed. As described above, however, at least one compression of the product gas stream b is always carried out. For example, if the alkane dehydrogenation is not carried out with the introduction of an oxygen-containing gas and also not in the presence of water vapor, the resulting dehydrogenation gas mixture b, which in the case of propane dehydrogenation consists essentially of propane, propene, hydrogen and low boilers and the n-butane dehydrogenation consists essentially of butane, 1-butene, 2-butene, hydrogen and low boilers, fed directly and without prior separation of the C 3 - or C 4 -KoIi hydrogens in the esterification zone and in contact with the organic acid to be brought. If the product gas stream b contains steam, since the dehydrogenation was carried out with the introduction of oxygen and / or with the introduction of steam, separation of water vapor alone-for example by condensation as described above under C) -can be sufficient and the remaining, the C 3 - or C 4 hydrocarbons, hydrogen and low boilers containing mixture are reacted gaseous or liquid with the organic acid. Also the presence of Carbon oxides and other inert gases (atmospheric nitrogen) do not interfere with the ester formation reaction.
Der Restgasstrom c3 kann, bevorzugt wird er überwiegend in die Dehydrierstufe A) zurückgeführt. Ein Teilstrom wird abgetrennt und aus dem Prozess ausgeschleust, um eine Anreicherung von Nebenkomponenten zu vermeiden. Dieser Teilstrom kann verbrannt werden oder einer Verfahrensstufe zur Rückgewinnung von in diesem enthaltenen Alkan/Alken zugeführt werden. Die Rückgewinnung kann als Ab- oder Adsorption, als Membrantrennung oder Rektifikation durchgeführt werden.The residual gas stream c3 can, preferably it is predominantly recycled to the dehydrogenation stage A). A partial flow is separated and discharged from the process, in order to avoid an accumulation of secondary components. This partial stream can be incinerated or fed to a process stage for the recovery of alkane / alkene contained therein. The recovery can be carried out as adsorption or adsorption, as membrane separation or rectification.
Ein Teilstrom des Restgasstroms c3 kann auch dem Esterbildungsschritt D) zugeführt werden.A partial stream of the residual gas stream c3 can also be fed to the esterification step D).
Die Kohlenwasserstoffphase c2 kann direkt oder nach weiterer Druckerhöhung der Esterbildungsstufe D) zugeführt werden. Der wässrige Kondensatstrom d kann aus dem Verfahren ausgeschleust oder in die Esterspaltungs-Stufe (Verfahrensteil F)) geführt werden.The hydrocarbon phase c2 can be fed directly or after further pressure increase of the ester formation stage D). The aqueous condensate stream d can be discharged from the process or fed into the ester cleavage stage (process part F)).
In einer Verfahrensstufe D) wird der Produktgasstrom b beziehungsweise - falls der Auftrennschritt in der Verfahrensstufe C) durchgeführt wird - die das Alkan (II) und dasIn a process stage D), the product gas stream b or - if the separation step in the process step C) is carried out - the alkane (II) and the
Alken (III) enthaltende Phase c2 und gegebenenfalls der Restgasstrom c3 oder, falls der Absorptionsschritt wie oben beschrieben mit der organischen Säure durchgeführt wird, die mit C3- beziehungsweise C4-KOh lenwasserstoffen beladene Alkansäure (IV) in einer Esterbildungszone mit der Alkansäure (IV) umgesetzt, wobei ein Produktgemisch d enthaltend den entsprechenden Alkylester (V) (Isopropylester beziehungsweise 2-Alkene (III) containing phase c2 and optionally the residual gas stream c3 or, if the absorption step is carried out as described above with the organic acid, the C3- or C 4 -Koh hydrocarbons laden alkanoic acid (IV) in an esterification zone with the alkanoic acid (IV ), where a product mixture d containing the corresponding alkyl ester (V) (isopropyl ester or 2-
Butylester) der Alkansäure (IV) und nicht umgesetztes Alkan (II) erhalten wird.Butyl ester) of the alkanoic acid (IV) and unreacted alkane (II).
Die Esterbildung kann in flüssiger Phase oder zweiphasig (bezüglich der Reaktanten) als Gas/Flüssig-Reaktion durchgeführt werden.The esterification can be carried out in liquid phase or two-phase (with respect to the reactants) as a gas / liquid reaction.
Die Esterbildung wird im Allgemeinen bei einem Druck von 10 bis 100 bar und bei einer Temperatur von 50 bis 2500C durchgeführt. Im Allgemeinen wird die Alkansäure (IV), bezogen auf Alken, in Mengen von 0,5 - 50 mol pro mol Alken, bevorzugt in stöchio- metrischem Überschuss, bevorzugt in Mengen von 1 ,1 - 6 , besonders bevorzugt 1 ,2 - 2,5 mol pro mol Alken, eingesetzt. Im Allgemeinen reagieren 50 bis 90 % des Alkens zum entsprechenden Alkylester. Daneben können in dem Produktgasstrom b beziehungsweise in dem Strom c2 enthaltene ungesättigte Nebenkomponenten zu Alkyl- estern reagieren. Diese können in den sich anschließenden Aufarbeitungsschritten ohne weiteres destillativ abgetrennt werden. Die im Strom b beziehungsweise c2 ent- haltenen Alkane reagieren naturgemäß in der Esterbildungsstufe D) nicht und ver-
lassen die Esterbildungsstufe D) gemeinsam mit in der Esterbildung nicht umgesetztem Alken (III) im Fall des Betriebs der Esterbildungsstufe D) in homogener flüssiger Phase im Strom d oder im Fall des Betriebs der Esterbildungsstufe D) in Gas-Flüssig- Fahrweise als zusätzlicher Strom d2). Dieser Strom kann neben Alkan und Alken noch geringe Mengen des gebildeten Esters sowie Wasser sowie die bereits in Strom c2 enthaltenen Leichtsieder enthalten.The esterification is generally carried out at a pressure of 10 to 100 bar and at a temperature of 50 to 250 0 C. In general, the alkanoic acid (IV), based on alkene, in amounts of 0.5 to 50 moles per mole of alkene, preferably in stoichiometric excess, preferably in amounts of 1, 1 to 6, particularly preferably 1, 2-2 , 5 moles per mole of alkene used. In general, 50 to 90% of the alkene reacts to the corresponding alkyl ester. In addition, unsaturated secondary components contained in the product gas stream b or in the stream c2 can react to alkyl esters. These can readily be removed by distillation in the subsequent work-up steps. The alkanes present in stream b or c2 do not naturally react in the ester formation stage D) and do not react. leave esterification step D) together with alkene (III) unreacted in the esterification in the case of operation of esterification step D) in homogeneous liquid phase in stream d or in case of operation of esterification step D) in gas-liquid mode as additional stream d2 ). In addition to alkane and alkene, this stream can still contain small amounts of the ester formed, as well as water and the low boilers already contained in stream c2.
Wird die Esterbildungsstufe D) in Gas-Flüssig-Fahrweise betrieben, kann sie zwei Zonen, eine Reaktionszone und eine Rückwaschzone, umfassen. Ziel der Reaktionszone ist ein möglichst hoher Umsatz der Alkansäure (IV) mit dem Alken (III). In der Rückwaschzone wird durch Zugabe von Wasser der Gasstrom d2 weitgehend von Säureresten befreit. Dadurch können Korrosionsprobleme in anderen Anlagenteilen bei der Rückführung des Stroms d2) vermieden werden.When operating in gas-liquid mode, esterification step D) may comprise two zones, a reaction zone and a backwash zone. The aim of the reaction zone is the highest possible conversion of the alkanoic acid (IV) with the alkene (III). In the backwashing zone, the gas stream d2 is largely freed from acid residues by the addition of water. This can be corrosion problems in other parts of the system in the return of the current d2) avoided.
Die Esterbildung kann in Festbettreaktoren in Rieselfahrweise oder in Wirbelschicht- Fahrweise durchgeführt werden. Prinzipiell können die organische Säure und der al- kenhaltige Strom im Gleich- oder Gegenstrom, aber auch im Kreuzstrom, geführt werden. Bevorzugt erfolgt eine Kaskadierung von mehreren Katalysatorbetten, gegebenenfalls mit Zwischeneinspeisung der Säure und/oder des alkenhaltigen Stromes. Be- vorzugt wird eine Kaskade von 2-5, besonders bevorzugt 2-3 verschiedenen Reaktionszonen verwendet. Die freiwerdende Reaktionswärme kann durch innenliegende Wärmetauscherflächen abgeführt werden. Auch eine Fahrweise mit einem externen Umwälzkreis, in dem ein Wärmetauscher zur Abfuhr der Reaktionswärme angebracht ist, ist möglich. Durch die Einstellung der Umwälzmenge kann das axiale Temperatur- profil im Reaktor nahezu beliebig eingestellt werden. Alternativ kann die Esterbildung auch in Blasensäulen oder Strahlschlaufenreaktoren durchgeführt werden. Eine besondere Ausführungsform ist der Rohrreaktor in Wirbelschichtfahrweise, der gezielt am Lockerungspunkt des Katalysators betrieben wird (so genannte Schwebebettfahrwei- se), mit externem Wärmetauscher und 2-facher Kaskadierung.The ester formation can be carried out in fixed-bed reactors in trickle-bed mode or in fluidized bed mode. In principle, the organic acid and the alkene-containing stream can be conducted in cocurrent or countercurrent, but also in crossflow. Preferably, a cascading of several catalyst beds takes place, optionally with intermediate introduction of the acid and / or the alkene-containing stream. Preferably, a cascade of 2-5, more preferably 2-3, different reaction zones is used. The released heat of reaction can be dissipated by internal heat exchanger surfaces. Also, a driving with an external circulation in which a heat exchanger is mounted to dissipate the heat of reaction is possible. By adjusting the circulation rate, the axial temperature profile in the reactor can be set almost arbitrarily. Alternatively, the esterification can also be carried out in bubble columns or jet loop reactors. A particular embodiment is the tubular reactor in fluidized bed mode, which is operated selectively at the loosening point of the catalyst (so-called floating bed method), with external heat exchanger and 2-fold cascading.
In der Rückwaschzone erfolgt durch Zugabe von Wasser eine Entfernung von Säureresten. Apparativ entspricht diese Zone einer Absorptionskolonne, die separat als eigener Apparat oder integriert in den Festbettreaktor ausgeführt sein kann. Als Einbauten können Böden, Packungen oder regellose Schüttungen verwendet werden. Die Menge des Waschwassers wird dabei so gewählt, dass die Säurerestmenge im Gastrom d2 < 50 ppm, bevorzugt << 10 ppm besonders bevorzugt << 1 ppm beträgt. Ein typisches Verhältnis Waschwassermenge : zu entfernende Säuremenge zur Erreichung von < 1 ppm Säure liegt im Bereich von 1 kg/kg bis 20 kg/kg. Das mit Säureresten beladene Waschwasser kann in der Verfahrensstufe F) zur Esterspaltung ein- gesetzt werden.
Geeignete heterogene Esterbildungskatalysatoren sind saure lonentauscherharze, insbesondere solche aus sulfoniertem, mit Divinylbenzol vernetztem Polystyrol. Diese Katalysatoren können unterschiedliche Porenstrukturen aufweisen - man unterscheidet mikroporöse, gelartige und makroporöse Katalysatoren. Außerdem können an den aromatischen Ringen des Polystyrols elektronegative Reste, z.B. Chlor oder Fluor, gebunden sein. Geeignete Katalysatoren dieser Art sind beispielsweise Amberlyst 15, 16, 36, 39, 40, 46, 48, 70, 119, 139 Lewatit K1 131 , K1221 , K1461 , K2420, K2629, K2649, Purolite CT169, CT175, CT275, Diaion RCP145H. Besonders bevorzugt sind solche Katalysatoren, die einen hohen Gehalt saurer Gruppen enthalten wie z. B. Amberlyst 35, 36, 40, 49, 119, Lewatit K2649, Purolite CT275. Die hier genannten Katalysatoren sind üblicherweise in trockener oder in wasserhaltiger Form erhältlich. Beide Formen sind geeignet, bei den wasserhaltigen Katalysatoren wird das Wasser durch Waschen mit der organischen Säure oder mit einem Alkohol, vorzugsweise Isopropa- nol oder 2-Butanol, verdrängt. Eine den sauren lonenaustauscherharzen verwandte Gruppe von Katalysatoren leitet sich von sulfonierten polykondensierten Aromaten beziehungsweise graphitischem Kohlenstoff ab. Solche Materialien werden z. B. durch Sulfonierung polyzyklischer Aromaten, wie z.B. Naphthalin oder Anthracen, unter Bedingungen, die zu einer Kondensation der Aromaten führen, gebildet. Ein ähnliches Verfahren geht von der Verkohlung organischen Materials, z.B. von Zuckern, unter anaeroben Bedingungen aus. Die entsprechenden Rückstände werden anschließend sulfoniert. Eine weitere Gruppe organischer heterogener Katalysatoren leitet sich von ionischen Flüssigkeiten ab, die auf geeigneten Trägermaterialien adsorbiert werden. Neben den polymeren lonenaustauscherharzen eignen sich weiterhin auch eine Reihe anorganischer Katalysatoren wie saure Metalloxidkatalysatoren oder saure Zeolithe. Zu den sauren Metalloxidkatalysatoren sind insbesondere sulfatiertes Zirkoniumoxid und Zirkoniumwolframat- beziehungsweise Titanwolframat-Systeme zu rechnen. Weiterhin gehören zu dieser Gruppe von Katalysatoren die in Wasser unlöslichen sauren Salze der Heteropolysäuren, z.B. der Wolframato- oder Molybdatophosphorsäure oder der Wolframatokieselsäure. Solche unlöslichen Salze bilden sich aus diesen Säuren mit Metallkationen mit großen lonenradien, wie z.B. K+, Rb+, Cs+, NH4 + oder Ag+. In diesen Salzen werden üblicherweise 10 - 90 Mol-%, insbesondere 40 - 85 Mol-%, der sauren Zentren gegen Kationen ausgetauscht. Eine weitere Gruppe von Katalysatoren leitet sich von Heteropolysäuren oder deren Salzen ab, die auf einem inerten Trägermaterial wie z.B. Kieselgel, Aluminiumoxid oder Aktivkohle adsorbiert sind. Zu den geeigneten Zeolith-Katalysatoren gehören solche des Strukturtyps der Beta-Zeolithe, der Faujasite, der Mordenite und der ZSM-5-Zeolithe. Neben der Zeolithstruktur ist das Verhältnis der Si/Al-Atome (der Modul) im Zeolithgerüst für die katalytische Aktivität des Zeolithen ausschlaggebend. Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich solche Zeolithe, die einen Modul zwischen 2 und 500 besitzen, insbesondere zwischen 3 und 200 und
ganz besonders bevorzugt zwischen 5 und 100. Die hier beschriebenen anorganischen Katalysatoren werden üblicherweise thermisch aktiviert, d.h. die Materialien werden bei Temperaturen zwischen 50 und 9000C, vorzugsweise zwischen 90 und 5000C calci- niert.In the backwash zone, removal of acid residues occurs by the addition of water. Apparently, this zone corresponds to an absorption column, which can be designed separately as a separate apparatus or integrated into the fixed bed reactor. As internals soils, packs or random beds can be used. The amount of washing water is chosen so that the acid residue in the gas stream d2 <50 ppm, preferably << 10 ppm, more preferably << 1 ppm. A typical ratio of wash water volume: the amount of acid to be removed to reach <1 ppm acid is in the range of 1 kg / kg to 20 kg / kg. The wash water loaded with acid residues can be used for ester cleavage in process stage F). Suitable heterogeneous ester formation catalysts are acidic ion exchange resins, in particular those of sulfonated, crosslinked with divinylbenzene polystyrene. These catalysts can have different pore structures - one differentiates microporous, gel-like and macroporous catalysts. In addition, may be bound to the aromatic rings of polystyrene electronegative radicals, such as chlorine or fluorine. Suitable catalysts of this kind are, for example, Amberlyst 15, 16, 36, 39, 40, 46, 48, 70, 119, 139 Lewatit K1 131, K1221, K1461, K2420, K2629, K2649, Purolite CT169, CT175, CT275, Diaion RCP145H. Particularly preferred are those catalysts which contain a high content of acidic groups such as. Amberlyst 35, 36, 40, 49, 119, Lewatit K2649, Purolite CT275. The catalysts mentioned here are usually available in dry or hydrous form. Both forms are suitable; in the hydrous catalysts, the water is displaced by washing with the organic acid or with an alcohol, preferably isopropanol or 2-butanol. A group of catalysts related to acidic ion exchange resins is derived from sulfonated polycondensed aromatics or graphitic carbon, respectively. Such materials are z. Example by sulfonation of polycyclic aromatics, such as naphthalene or anthracene, under conditions that lead to a condensation of aromatics formed. A similar process is based on the charring of organic material, eg sugars, under anaerobic conditions. The corresponding residues are then sulfonated. Another group of organic heterogeneous catalysts is derived from ionic liquids which are adsorbed on suitable support materials. In addition to the polymeric ion exchange resins, a number of inorganic catalysts, such as acidic metal oxide catalysts or acidic zeolites, are also suitable. Sulfurized zirconium oxide and zirconium tungstate or titanium tungstate systems are to be expected in particular with regard to the acid metal oxide catalysts. Furthermore, this group of catalysts include the water-insoluble acidic salts of heteropolyacids, for example, tungstophosphoric or molybdophosphoric acid or tungstosilicic acid. Such insoluble salts form from these acids with metal cations with large ionic radii, such as K + , Rb + , Cs + , NH 4 + or Ag + . In these salts, usually 10-90 mol%, in particular 40-85 mol%, of the acidic sites are exchanged for cations. Another group of catalysts is derived from heteropolyacids or their salts, which are adsorbed on an inert support material such as silica gel, alumina or activated carbon. Suitable zeolite catalysts include those of the structural type beta zeolites, faujasites, mordenites, and ZSM-5 zeolites. In addition to the zeolite structure, the ratio of the Si / Al atoms (the modulus) in the zeolite framework is crucial for the catalytic activity of the zeolite. For the process according to the invention are those zeolites which have a modulus between 2 and 500, in particular between 3 and 200 and very particularly preferably between 5 and 100. The inorganic catalysts described herein are typically thermally activated, ie the materials are defined at temperatures from 50 to 900 0 C, preferably 90-500 0 C calcium.
Die Esterbildungsreaktion kann auch homogen katalysiert erfolgen. Hierfür eignen sich Mineralsäuren, insbesondere Schwefelsäure, Sulfonsäuren oder die freien Heteropoly- säuren sowie deren saure lösliche Salze oder saure ionische Flüssigkeiten.The esterification reaction can also be carried out homogeneously catalyzed. Mineral acids, in particular sulfuric acid, sulfonic acids or the free heteropoly acids and their acidic soluble salts or acidic ionic liquids are suitable for this purpose.
Bevorzugt erfolgt die Esterbildung in Gegenwart heterogener Katalysatoren. Bevorzugte heterogene Katalysatoren sind saure lonenaustauscherharze, die sauren Kalium-, Cäsium- oder Ammoniumsalze der Heteropolysäuren sowie Beta-Zeolithe und Faujasi- te. Besonders bevorzugt sind lonentauscherharze.The ester formation preferably takes place in the presence of heterogeneous catalysts. Preferred heterogeneous catalysts are acidic ion exchange resins, the acidic potassium, cesium or ammonium salts of the heteropolyacids, and also beta zeolites and faujasites. Particularly preferred are ion exchange resins.
Bevorzugte Alkansäuren (IV) sind unverzweigte oder verzweigte C4-Cio-Alkansäuren, besonders bevorzugt sind unverzweigte oder verzweigte C4-C6-Alkansäuren, insbesondere bevorzugt sind Buttersäure (Butansäure), Valeriansäure (Pentansäure) und Isovaleriansäure (3-Methylbutansäure). So reagiert Propen mit Buttersäure zu Isopro- pylbutyrat und mit Valeriansäure bzw. Isovaleriansäure zu Isopropylvaleriat bzw. Iso- propylisovaleriat. 1 -Buten und 2-Buten reagieren mit Buttersäure zu 2-Butylbutyrat und mit Valeriansäure bzw. Isovaleriansäure zu 2-Butylvalerat bzw. 2-Butylisovalerat.Preferred alkanoic acids (IV) are unbranched or branched C 4 -C 10 -alkanoic acids, particular preference is given to unbranched or branched C 4 -C 6 -alkanoic acids, particular preference to butyric acid (butanoic acid), valeric acid (pentanoic acid) and isovaleric acid (3-methylbutanoic acid). For example, propene reacts with butyric acid to form isopropylpyrrole and valeric acid or isovaleric acid to form isopropylvalerate or isopropylisovalerate. 1-Butene and 2-butene react with butyric acid to 2-butyl butyrate and with valeric acid or isovaleric acid to 2-butylvalerate or 2-butylisovalerate.
In der Verfahrensstufe E) wird von dem Produktgemisch d der Esterbildung ein das nicht umgesetzte Alkan (II) (Propan beziehungsweise n-Butan) enthaltender Gasstrom e1 abgetrennt, der gegebenenfalls in die Dehydrierzone zurückgeführt wird. Hierzu wird im Allgemeinen das Produktgemisch d der Esterbildung entspannt, wobei ein Propan beziehungsweise n-Butan enthaltender Gasstrom e1 abgetrennt und ein den Alkyl- ester (V) enthaltendes Produktgemisch e2 erhalten wird. Der Gasstrom e1 kann mit dem Gasstrom d2 der Rückwaschzone im Verfahrensteil D vereint und gemeinsam der Dehydrierzone B zugeführt werden.In process stage E), a gas stream e1 containing the unconverted alkane (II) (propane or n-butane), which is optionally recycled to the dehydrogenation zone, is separated from the product mixture d of the ester formation. For this purpose, the product mixture d of the ester formation is generally expanded, a gas stream e1 containing propane or n-butane being separated off, and a product mixture e2 containing the alkyl ester (V) being obtained. The gas stream e1 can be combined with the gas stream d2 of the backwashing zone in the process part D and fed together to the dehydrogenation zone B.
Im Allgemeinen wird das Produktgemisch d von einem Druck im Bereich von 20 bis 60 bar auf einen Druck im Bereich von 2 bis 10 bar entspannt. Mit dem Propan beziehungsweise n-Butan werden dabei gegebenenfalls in dem Produktgemisch d enthalte- ne Leichtsieder wie Ethan, Ethen, Methan, Kohlenstoffoxide und Inertgase mit abgetrennt. Der das Alkan (II) enthaltende Gasstrom e1 wird vorzugsweise in die Alkan- Dehydrierung zurückgeführt.In general, the product mixture d is depressurized from a pressure in the range of 20 to 60 bar to a pressure in the range of 2 to 10 bar. With the propane or n-butane, if appropriate, low boilers such as ethane, ethene, methane, carbon oxides and inert gases contained in the product mixture are also removed. The gas stream e1 containing the alkane (II) is preferably recycled to the alkane dehydrogenation.
Der das Alkan (II) enthaltende Gasstrom e1 kann noch Leichtsieder wie Ethan, Ethen, Methan, Kohlenstoffoxide und Inertgase sowie Wasserstoff enthalten. Im Allgemeinen
enthält er Leichtsieder und gegebenenfalls Wasserstoff, wenn nicht bereits in Schritt C) die vorstehend beschriebene (optionale) Abtrennung von Leichtsiedern und Wasserstoff (Restgasstrom c3) erfolgt ist. Von dem Gasstrom e1 kann ein Teilstrom abgetrennt und aus dem Prozess ausgeschleust werden, um eine Anreicherung von Ne- benkomponenten zu vermeiden. Dieser Teilstrom kann verbrannt werden oder einer Verfahrensstufe zur Rückgewinnung von in diesem enthaltenen Alkan/Alken zugeführt werden. Die Rückgewinnung kann als Ab- oder Adsorption, als Membrantrennung oder Rektifikation durchgeführt werden. In dem Strom enthaltener Wasserstoff kann beispielsweise durch Druckwechseladsorption wieder gewonnen werden. Sowohl das wieder gewonnene Alkan/Alken als auch der wieder gewonnene Wasserstoff können in die Dehydrierung zurückgeführt werden. Es kann auch der gesamte Strom e1 aus dem Verfahren ausgeschleust oder der Verfahrensstufe zur Rückgewinnung von in diesem enthaltenen Alkan/Alken bzw. Wasserstoff zugeführt werden.The gas stream e1 containing the alkane (II) may still contain low-boiling components such as ethane, ethene, methane, carbon oxides and inert gases as well as hydrogen. In general it contains low boilers and optionally hydrogen, if not already in step C) the above-described (optional) separation of low boilers and hydrogen (residual gas stream c3) is carried out. From the gas stream e1, a partial stream can be separated and discharged from the process in order to avoid an accumulation of secondary components. This partial stream can be incinerated or fed to a process stage for the recovery of alkane / alkene contained therein. The recovery can be carried out as adsorption or adsorption, as membrane separation or rectification. Hydrogen contained in the stream can be recovered, for example, by pressure swing adsorption. Both the recovered alkane / alkene and the recovered hydrogen can be recycled to the dehydrogenation. It is also possible to remove the entire stream e1 from the process or to feed it to the process stage for the recovery of alkane / alkene or hydrogen contained therein.
Um bessere Stofftrennung zwischen Alken/Alkan einerseits und dem Ester/Säuregemisch andererseits als bei der reinen Entspannung zu erreichen, kann zusätzlich eine Destillation beziehungsweise Rektifikation durchgeführt werden. Typischerweise sind für eine solche Trennung bei einem Rücklaufverhältnis zwischen 0,2 und 1 ,5 zwischen 10 und 20 theoretische Trennstufen erforderlich. Hier können sowohl Bodenkolonnen, z.B. Glockenbodenkolonnen als auch Packungskolonnen oder Füllkörperkolonnen eingesetzt werden.In order to achieve better material separation between alkene / alkane on the one hand and the ester / acid mixture on the other hand than in the case of pure relaxation, distillation or rectification can additionally be carried out. Typically, for such a separation at a reflux ratio between 0.2 and 1.5, between 10 and 20 theoretical plates are required. Here, both tray columns, e.g. Bell bottom columns as well as packed columns or packed columns can be used.
Das Produktgemisch d kann auch von einem Druck im Bereich von 20 bis 60 bar auf einen Druck von im Allgemeinen 2 bis 45 bar, beispielsweise 10 bis 40 bar, oder, in einer speziellen Variante, 25 bis 32 bar entspannt werden. Die nach der Entspannung vorliegenden Ströme e1 und e2 können wie nachstehend beschrieben unter Verwendung von zwei Kolonnen K1 und K2 aufgearbeitet werden.The product mixture d can also be expanded from a pressure in the range of 20 to 60 bar to a pressure of generally 2 to 45 bar, for example 10 to 40 bar, or, in a special variant, 25 to 32 bar. The post-expansion streams e1 and e2 may be worked up as described below using two columns K1 and K2.
Es können mehrere Varianten dieser Aufarbeitung durchgeführt werden. Die Varianten I zeichnen sich dadurch aus, dass die C3-Komponenten (Propan und Propen) „scharf" abgetrennt werden, wobei nur sehr wenig Propan und Propen im Sumpfaustrag (entspricht Strom e2) enthalten sind (beispielsweise ca. 100 - 1000 Massen-ppm). Vorteil dieser Varianten ist, dass überhaupt keine oder nur sehr wenig C3-Kohlenwasserstoffe in die nachfolgenden Stufen F) und G) gelangen. Werden die C3-Komponenten nicht scharf abgetrennt, wie es der weiter unten beschriebenen Variante Il entspricht, so kann dies in den Stufen F) und G) einen höheren verfahrenstechnischen Aufwand mit sich bringen.Several variants of this work-up can be carried out. Variants I are distinguished by the fact that the C3 components (propane and propene) are separated "sharply", with very little propane and propene in the bottom discharge (corresponding to stream e2) (for example about 100-1000 ppm by mass) The advantage of these variants is that no or only very little C3-hydrocarbons get into the subsequent stages F) and G). If the C3-components are not separated sharply, as it corresponds to the variant II described below, then this can in stages F) and G) bring a higher procedural effort with it.
Gemäß einer Variante Ia wird der nach der Entspannung vorliegende Gasstrom e1 einer ersten Kolonne K1 zugeführt. Der Druck in dieser Kolonne ist gleich oder nur we-
nig geringer als der Druck des Zulaufstroms. Die Kolonne K1 ist bevorzugt der reine Verstärkungsteil einer herkömmlichen Kolonne, d.h. diese besitzt keinen Verdampfer, aber einen Kondensator, und der Zulauf befindet sich bevorzugt unten an der Kolonne. Der nach der Entspannung vorliegende Flüssigstrom e2 wird der zweiten Kolonne K2 zugeführt. Der Druck der Kolonne K2 liegt deutlich unterhalb des Drucks der Kolonne K1. Typische Drücke betragen beispielsweise für K1 = 30 bar (alle Drücke absolut) und für K2 = 1 ,5 bar. Im Allgemeinen beträgt der Druck in K1 10 bis 40 bar, bevorzugt 25 bis 32 bar, und in K2 1 bis 5 bar, bevorzugt 1 ,3 bis 2 bar. Der Sumpfabzug der Kolonne K1 wird ebenfalls der Kolonne K2 zugeführt. Die beiden Kopfabzugsströme der Ko- lonnen K1 und K2 entsprechen dem Strom e1 und können wie oben beschrieben weiterverwendet bzw. weiter aufgearbeitet werden. Dabei wird der Kopfabzug der zweiten Kolonne K2 bevorzugt direkt in die Dehydrierung zurückgeführt, wobei gegebenenfalls ein Verdichter eingesetzt wird.According to a variant Ia, the gas stream e1 present after the expansion is fed to a first column K1. The pressure in this column is the same or only weak. less than the pressure of the feed stream. The column K1 is preferably the pure enrichment part of a conventional column, ie it has no evaporator, but a condenser, and the feed is preferably at the bottom of the column. The liquid stream e2 present after the expansion is fed to the second column K2. The pressure of the column K2 is well below the pressure of the column K1. Typical pressures are, for example, for K1 = 30 bar (all pressures absolute) and for K2 = 1.5 bar. In general, the pressure in K1 is 10 to 40 bar, preferably 25 to 32 bar, and in K2 1 to 5 bar, preferably 1, 3 to 2 bar. The bottom draw of the column K1 is also fed to the column K2. The two top takeoff streams of the columns K1 and K2 correspond to the stream e1 and can be reused or further worked up as described above. In this case, the top outlet of the second column K2 is preferably recycled directly into the dehydrogenation, optionally using a compressor.
Gemäß einer weiteren Variante Ib wird wie unter Variante Ia beschrieben gearbeitet, nur liegt hier der Druck der Kolonne K2 höher (typische Werte beispielsweise K1 = 30 bar, K2 = 5 bar). Im Allgemeinen beträgt der Druck in K1 10 bis 40 bar, bevorzugt 25 bis 32 bar, und in K2 2,5 bis 7 bar, bevorzugt 4 bis 6 bar. Diese Variante hat den Vorteil, dass kein Verdichter benötigt wird.According to a further variant Ib is carried out as described under variant Ia, except that the pressure of the column K2 is higher here (typical values, for example, K1 = 30 bar, K2 = 5 bar). In general, the pressure in K1 is 10 to 40 bar, preferably 25 to 32 bar, and in K2 2.5 to 7 bar, preferably 4 to 6 bar. This variant has the advantage that no compressor is needed.
Gemäß einer weiteren Variante Ic wird wie unter Variante Ia beschrieben gearbeitet, mit dem Unterschied, dass die Kondensatortemperatur der Kolonne K2 höher liegt (beispielsweise ca. 400C). Im Allgemeinen beträgt diese Temperatur 30 bis 500C, bevorzugt 37 bis 45°C. Dadurch enthält der Kopfabzugsstrom der Kolonne K2 noch große Anteile an Alkylester und kann folglich nicht direkt zur Dehydrierung zurückgeführt werden. Deshalb wird dieser Strom auf den Druck der Kolonne K1 komprimiert und der Kolonne K1 zugeführt. Bei dieser Variante entspricht allein der Kopfabzugsstrom der Kolonnen K1 dem Strom e1 und kann wie oben beschrieben weiter verwendet bzw. weiter aufgearbeitet werden. Im Allgemeinen beträgt der Druck in K1 10 bis 40 bar, bevorzugt 25 bis 32 bar, und in K2 1 bis 5 bar, bevorzugt 1 ,3 bis 2 bar.According to a further variant Ic is carried out as described under variant Ia, with the difference that the condenser temperature of the column K2 is higher (for example, about 40 0 C). In general, this temperature is 30 to 50 0 C, preferably 37 to 45 ° C. As a result, the top draw stream of the column K2 still contains large amounts of alkyl ester and consequently can not be recycled directly to the dehydrogenation. Therefore, this stream is compressed to the pressure of the column K1 and fed to the column K1. In this variant, only the top draw stream of the columns K1 corresponds to the stream e1 and can be used further as described above or further worked up. In general, the pressure in K1 is 10 to 40 bar, preferably 25 to 32 bar, and in K2 1 to 5 bar, preferably 1, 3 to 2 bar.
Gemäß einer weiteren Variante Il wird wie unter Variante Ib beschrieben gearbeitet, jedoch werden größerer Mengen an C3-Komponenten (Propan und Propen) im Sumpfaustrag der Kolonne K2 (beispielsweise ca. 1- 2 Massen-%) zugelassen, so dass die Sumpftemperatur auf ca. 100-1100C begrenzt wird und erhöhte Werkstoffanforderungen an Verdampfer und Sumpfteil der Kolonne K2 nicht resultieren. Der Druck in der Kolonne K1 beträgt im Allgemeinen 10 bis 40 bar, bevorzugt 25 bis 35 bar, der Druck in der Kolonne K2 beträgt im Allgemeinen 2,5 bis 7 bar, bevorzugt 4 bis 6 bar.
In gleicher Weise kann optional auch der Rückführstrom d2 behandelt werden, falls dieser noch größere Mengen an Alkylester (V) enthält. Auch hier ist eine destillative Reinigung des Stromes bevorzugt. Diese kann in einer separaten Kolonne erfolgen, oder alternativ gemeinsam mit der Behandlung des Stromes d in einer gemeinsamen Kolonne. Es kann sich eine Feinreinigung durch Adsorption, Absorption, Gaswäsche oder katalytische Reinigungsstufen anschließen.According to a further variant Il, the procedure is as described under variant Ib, however, larger amounts of C3 components (propane and propene) in the bottom discharge of the column K2 (for example about 1- 2% by mass) are allowed, so that the sump temperature is reduced to approx 100-110 0 C is limited and increased material requirements for evaporator and bottom part of the column K2 not result. The pressure in the column K1 is generally 10 to 40 bar, preferably 25 to 35 bar, the pressure in the column K2 is generally 2.5 to 7 bar, preferably 4 to 6 bar. In the same way, optionally, the recycle stream d2 can be treated if it contains even larger amounts of alkyl ester (V). Again, a distillative purification of the stream is preferred. This can be done in a separate column, or alternatively together with the treatment of the stream d in a common column. It may be followed by a fine cleaning by adsorption, absorption, gas scrubbing or catalytic purification stages.
Das den Alkylester (V) enthaltende Produktgemisch e2 (bestehend im Wesentlichen aus dem Alkylester (V) und der Alkansäure (IV), beispielsweise bestehend aus Isopro- pylisovalerat und Isovaleriansäure) kann weiter aufgearbeitet werden, bevor der Strom e2 in die Verfahrensstufe F) geführt wird. Dabei kann in einer Destillationskolonne die Alkansäure (IV), beispielsweise Isovaleriansäure, vom Alkylester (V), beispielsweise Isopropylisovalerat, abgetrennt werden. Die Alkansäure (IV), beispielsweise Isovaleriansäure, kann als Sumpfprodukt gewonnen und in die Esterbildungsstufe zurückge- führt werden. Der Alkylester (V), beispielsweise Isopropylisovalerat, kann als Kopfprodukt gewonnen werden und wird weiter in die Verfahrensstufe F) geführt. Beispiele für geeignete Prozessparameter im Falle der Trennung von Isovaleriansäure und Isopropylisovalerat sind ein Druck von bis zu 1 ,5 bar (alle Drücke absolut) und ein Rücklaufverhältnis von 0 bis 3. Durch die Abtrennung der Alkansäure (IV) wird das Reakti- onsgleichgewichts im Hydrolysereaktor der Verfahrensstufe G) positiv beeinflusst. Dadurch kann ein höherer Hydrolyseumsatz ermöglicht werden mit der zusätzlichen Folge, dass die Rückführströme (Wasser = Strom k1 ; Isopropylisovalerat = Strom h2) stark reduziert werden. Infolge der deutlich kleineren Rückführströme verringern sich Investitions- und Energiebedarf beispielsweise der nachfolgend beschriebenen Appa- rate (1 ), (2), (3) und (4). Durch die beschriebene Abtrennung der Alkansäure (IV) vor Durchführung der Hydrolysestufe F) werden Additionsstufe D) und Hydrolysestufe F) zusätzlich entkoppelt.The alkyl ester (V) containing product mixture e2 (consisting essentially of the alkyl ester (V) and the alkanoic acid (IV), for example consisting of Isopro- pylisovalerat and isovaleric acid) can be further worked up before the stream e2 in the process step F) out becomes. In this case, in a distillation column, the alkanoic acid (IV), for example isovaleric acid, from the alkyl ester (V), for example Isopropylisovalerat be separated. The alkanoic acid (IV), for example isovaleric acid, can be obtained as the bottom product and recycled to the esterification stage. The alkyl ester (V), for example isopropyl isovalerate, can be obtained as top product and is further passed into process stage F). Examples of suitable process parameters in the case of the separation of isovaleric acid and isopropyl isovalerate are a pressure of up to 1, 5 bar (all pressures absolute) and a reflux ratio of 0 to 3. The separation of the alkanoic acid (IV) becomes the reaction equilibrium in the hydrolysis reactor the process step G) positively influenced. This allows a higher hydrolysis conversion, with the additional consequence that the recycle streams (water = stream k1, isopropyl isovalerate = stream h2) are greatly reduced. As a result of the much smaller return flows, the investment and energy requirements of, for example, the apparatus (1), (2), (3) and (4) described below are reduced. As a result of the described separation of the alkanoic acid (IV) before carrying out the hydrolysis stage F), addition stage D) and hydrolysis stage F) are additionally decoupled.
In einer Verfahrensstufe F) wird das den Alkylester (V) enthaltende Produktgemisch e2 in einer Esterspaltungszone mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend das Alkanol (I) (Isopropanol beziehungsweise 2-Butanol) und die Alkansäure (IV) umgesetzt. In einer Verfahrensstufe G) wird aus dem Produktgemisch f das Alkanol (I) abgetrennt und die Alkansäure (IV) zurückgewonnen. Die Alkansäure (IV) wird im Allgemeinen in die Esterbildungsstufe D) zurückgeführt oder sie wird als Absorptionsmittel in die Absorptionsstufe zur Abtrennung von Alken und Alkan aus der Gasphase c3 geführt.In a process stage F), the product mixture e2 containing the alkyl ester (V) is reacted with water in an ester cleavage zone to give a product mixture f containing the alkanol (I) (isopropanol or 2-butanol) and the alkanoic acid (IV). In a process stage G), the alkanol (I) is separated off from the product mixture f and the alkanoic acid (IV) is recovered. The alkanoic acid (IV) is generally recycled to the esterification stage D) or it is fed as an absorbent into the absorption stage for the separation of alkene and alkane from the gas phase c3.
Das Produktgemisch f kann dabei in einen Strom gl enthaltend die Alkansäure (IV) und den Alkylester (V) sowie Wasser und einen Strom g2 im Wesentlichen bestehend aus dem Alkanol (I) und Wasser aufgetrennt werden. Der Strom gl wird destillativ in die Alkansäure (IV) und in ein Gemisch aus Alkylester (V) und Wasser aufgetrennt. Die
Alkansäure (IV) wird in die Esterbildungsstufe D oder in die Adsorptionsstufe zur Abtrennung von Alken und Alkan aus der Gasphase c3 zurückgeführt, während das Gemisch aus Alkylester (V) und Wasser in die Esterspaltungszone F rückgeführt wird. Die Abtrennung des g2 bestehend aus Alkanol(l)/Wasser kann in Abhängigkeit der Pha- sengleichgewichte durch einfache Destillation oder durch Azeotrop-Rektifikation unter Einsatz von Schleppmitteln (z. B. Benzol, Cyclohexan oder Diisopropylether im Falle von Isopropanol), durch Extraktivdestillation unter Einsatz eines Extraktionsmittels (z. B. von ionischen Flüssigkeiten oder Essigsäure) sowie durch Membranverfahren (Per- vaporation oder Dampfpermeation) erfolgen.The product mixture f can be separated into a stream gl containing the alkanoic acid (IV) and the alkyl ester (V) and water and a stream g2 essentially consisting of the alkanol (I) and water. The stream gl is separated by distillation into the alkanoic acid (IV) and into a mixture of alkyl ester (V) and water. The Alkanoic acid (IV) is recycled to the esterification stage D or to the adsorption stage to separate the alkene and alkane from the gas phase c3, while the mixture of alkyl ester (V) and water is recycled to the ester cleavage zone F. The separation of the g2 consisting of alkanol (I) / water can, depending on the phase equilibria by simple distillation or by azeotropic rectification using entrainers (eg., Benzene, cyclohexane or diisopropyl ether in the case of isopropanol), by extractive distillation under Use of an extractant (eg of ionic liquids or acetic acid) as well as by membrane processes (pervaporation or vapor permeation) take place.
Die Esterspaltung kann sowohl homogen als auch heterogen katalysiert durchgeführt werden. Für die Esterspaltung durch Hydrolyse eignen sich grundsätzlich die oben beschriebenen Katalysatoren, die auch bei der Esterbildungsreaktion eingesetzt werden. Bevorzugte heterogene Katalysatoren sind lonenaustauscherharze. Bevorzugte homogene Katalysatoren sind Schwefelsäure oder Heteropolysäuren.The ester cleavage can be carried out both homogeneously and heterogeneously catalyzed. For the ester cleavage by hydrolysis, in principle, the catalysts described above, which are also used in the ester formation reaction are suitable. Preferred heterogeneous catalysts are ion exchange resins. Preferred homogeneous catalysts are sulfuric acid or heteropolyacids.
Die Esterspaltungszone kann als Reaktor oder als Reaktivdestillationskolonne ausgestaltet sein. Auch eine Kombination aus Reaktor und Reaktivdestillationskolonne ist möglich.The ester cleavage zone can be configured as a reactor or as a reactive distillation column. A combination of reactor and reactive distillation column is possible.
Esterspaltung und Destillation können in getrennten Verfahrensschritten durchgeführt werden. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das den Alkylester (V) enthaltende Gemisch e2 in einem Esterspaltungsreaktor mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend das Alkanol (I), die Alkansäure (IV), den Alkylester (V) und Wasser umgesetzt und dieses Gemisch anschließend in mindestens 2 hintereinander geschalteten Destillationskolonnen, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Trennwandkolonne, aufgetrenntEster cleavage and distillation can be carried out in separate process steps. In a variant of the process according to the invention, the mixture e2 containing the alkyl ester (V) is reacted with water in an ester cleavage reactor to give a product mixture f containing the alkanol (I), the alkanoic acid (IV), the alkyl ester (V) and water, and then this mixture in at least two distillation columns connected in series, optionally in conjunction with a dividing wall column, separated
Der Esterspaltungsreaktor kann im Falle der heterogen katalysierten Esterspaltung als Festbett-, Rieselbett-, Wirbelschicht- oder Suspensionsreaktor ausgestaltet sein. Im Fall des Wirbelschichtreaktors kann der Katalysator gezielt am Lockerungspunkt betrieben werden (so genannte Schwebebettfahrweise). Im Falle der homogen katalysierten Esterspaltung kann der Reaktor zum Beispiel als Rührkesselreaktor oder Rohrreaktor ausgestaltet sein. Wird die Esterspaltung homogen durchgeführt, so wird der Kata- lysator im Allgemeinen mit der Alkansäure im Verfahrensschritt G) abgetrennt, im Allgemeinen über den Sumpfabzugsstrom der zweiten Destillationskolonne. In diesem Fall kann vor der Rückführung der Alkansäure in die Esterbildungsstufe D) der Katalysator abgetrennt werden, und der abgetrennte Katalysator in den Esterspaltungsreaktor zurückgeführt werden. Die Abtrennung des Katalysators kann thermisch in einem Verdampfer oder in einer mehrstufigen Destillationskolonne sowie in einem Phasen-
scheider oder aber durch Kombination von Phasenseparation und thermischer Trennung erfolgen. Wird für die Esterspaltung der gleiche homogene Katalysator wie für die Esterbildung eingesetzt, so kann auf eine gesonderte Abtrennung des Katalysators verzichtet werden. Für diese Verfahrensvariante sind Heteropolysäuren oder Schwe- feisäure besonders geeignet.In the case of heterogeneously catalyzed ester cleavage, the ester cleavage reactor can be designed as a fixed bed, trickle bed, fluidized bed or slurry reactor. In the case of the fluidized bed reactor, the catalyst can be operated selectively at the loosening point (so-called floating bed mode). In the case of homogeneously catalyzed ester cleavage, the reactor can be designed, for example, as a stirred tank reactor or tubular reactor. If the ester cleavage is carried out homogeneously, the catalyst is generally separated off with the alkanoic acid in process step G), generally via the bottom draw stream of the second distillation column. In this case, before recycling the alkanoic acid to the esterification step D), the catalyst may be separated and the separated catalyst recycled to the ester cleavage reactor. The separation of the catalyst can be carried out thermally in an evaporator or in a multistage distillation column and in a phase separator or by a combination of phase separation and thermal separation. Is used for the ester cleavage of the same homogeneous catalyst as for the ester formation, it can be dispensed with a separate separation of the catalyst. Heteropolyacids or sulfuric acid are particularly suitable for this process variant.
Beispielsweise wird in einer ersten speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Alkansäure (IV) Isovaleriansäure eingesetzt und ein Isopropylisova- lerat enthaltendes Produktgemisch e2 erhalten, wobeiFor example, in a first specific embodiment of the process according to the invention, isovaleric acid is used as the alkanoic acid (IV) and a product mixture e2 containing isopropyl isovalerate is obtained, where
in Schritt F) das Isopropylisovalerat enthaltende Produktgemisch e2 in einem Esterspaltungsreaktor mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend Isopropanol, Isovaleriansäure, Isopropylisovalerat und Wasser umgesetzt wird, undin step F) the isopropyl isovalerate-containing product mixture e2 is reacted in an ester cleavage reactor with water to give a product mixture f comprising isopropanol, isovaleric acid, isopropyl isovalerate and water, and
in Schritt G) das Produktgemisch f in einer ersten Destillationskolonne (1 ) in einen Strom gl im Wesentlichen bestehend aus Isovaleriansäure, Isopropylisovalerat und Wasser und einen Strom g2 im Wesentlichen bestehend aus Isopropanol und Wasser aufgetrennt wird. Der Strom gl wird in einer zweiten Destillationskolonne (2) in einen Strom h1 (der im Allgemeinen als Sumpfabzugsstrom gewonnen wird) im Wesentlichen bestehend aus Isovaleriansäure und einen Strom h2 (der im Allgemeinen als Kopfabzugsstrom gewonnen wird) im Wesentlichen bestehend aus Isopropylisovalerat und Wasser aufgetrennt. Der Strom h1 kann in die Esterbildungszone oder in die gegebenenfalls vorhandene Adsorptionsstufe zur Abtrennung des Alkan/Alken-Gemischs zurückgeführt werden. Der Strom h2 wird direkt in den Hydrolysereaktor zurückgeführt. Diese Variante ist in Figur 1 dargestellt.in step G), the product mixture f in a first distillation column (1) into a stream gl consisting essentially of isovaleric acid, isopropyl isovalerate and water and a stream g2 consisting essentially of isopropanol and water is separated. The stream gl is separated in a second distillation column (2) into a stream h1 (which is generally obtained as a bottom draw stream) consisting essentially of isovaleric acid and a stream h2 (which is generally obtained as a top draw stream) consisting essentially of isopropyl isovalerate and water , The stream h1 can be recycled to the esterification zone or to the optional adsorption step to separate the alkane / alkene mixture. The stream h2 is returned directly to the hydrolysis reactor. This variant is shown in FIG.
Beispielsweise wird in einer zweiten speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Alkansäure (IV) n-Valeriansäure eingesetzt und ein Isopropylvale- rat enthaltendes Produktgemisch e2 erhalten, wobeiFor example, in a second specific embodiment of the process according to the invention, n-valeric acid is used as the alkanoic acid (IV) and a product mixture e2 containing isopropyl valency is obtained, where
in Schritt F) das Isopropylvalerat enthaltende Produktgemisch e2 in einem Esterspaltungsreaktor mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend Isopropanol, Valerian- säure, Isopropylvalerat und Wasser umgesetzt wird, undin step F) the isopropyl valerate-containing product mixture e2 is reacted in an ester cleavage reactor with water to give a product mixture f comprising isopropanol, valeric acid, isopropyl valerate and water, and
in Schritt G) das Produktgemisch f in einer ersten Destillationskolonne (1 ) in einen Strom gl im Wesentlichen bestehend aus Valeriansäure, Isopropylvalerat und Wasser und einen Strom g2 im Wesentlichen bestehend aus Isopropanol und Wasser aufgetrennt wird. Der Strom gl wird in einer zweiten Destillationskolonne (2) in einen Strom h1 (der im Allgemeinen als Sumpfabzugsstrom gewonnen wird) im Wesentlichen be- stehend aus Valeriansäure und einen Strom h2 (der im Allgemeinen als Kopfabzugs-
ström gewonnen wird) im Wesentlichen bestehend aus Isopropylvalerat und Wasser aufgetrennt. Der Strom h1 kann in die Esterbildungszone oder in die gegebenenfalls vorhandene Adsorptionsstufe zur Abtrennung des Alkan/Alken-Gemischs zurückgeführt werden. Der Strom h2 wird direkt in den Hydrolysereaktor zurückgeführt.in step G), the product mixture f in a first distillation column (1) is separated into a stream gl consisting essentially of valeric acid, isopropyl valerate and water and a stream g2 essentially consisting of isopropanol and water. In a second distillation column (2), the stream g1 is converted into a stream h1 (which is generally obtained as a bottom draw stream) essentially consisting of valeric acid and a stream h2 (which is generally used as topcoat stream). ström) is essentially separated consisting of isopropyl valerate and water. The stream h1 can be recycled to the esterification zone or to the optional adsorption step to separate the alkane / alkene mixture. The stream h2 is returned directly to the hydrolysis reactor.
Beispielsweise wird in einer dritten speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Alkansäure (IV) Buttersäure eingesetzt und ein Isopropylbutyrat enthaltendes Produktgemisch e2 erhalten, wobeiFor example, in a third specific embodiment of the process according to the invention, the acid used as alkanoic acid (IV) is butyric acid, and a product mixture e2 containing isopropyl butyrate is obtained, where
in Schritt F) das Isopropylbutyrat enthaltende Produktgemisch e2 in einem Esterspaltungsreaktor mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend Isopropanol, Buttersäure, Isopropylbutyrat und Wasser umgesetzt wird, undin step F) the isopropyl butyrate-containing product mixture e2 is reacted in an ester cleavage reactor with water to give a product mixture f containing isopropanol, butyric acid, isopropyl butyrate and water, and
in Schritt G) das Produktgemisch f in einer ersten Destillationskolonne (1 ) in einen Strom gl im Wesentlichen bestehend aus Buttersäure, Isopropylbutyrat und Wasser und einen Strom g2 im Wesentlichen bestehend aus Isopropanol und Wasser aufgetrennt wird. Der Strom gl wird in einer zweiten Destillationskolonne (2) in einen Strom h1 (der im Allgemeinen als Sumpfabzugsstrom gewonnen wird) im Wesentlichen bestehend aus Buttersäure und einen Strom h2 (der im Allgemeinen als Kopfabzugs- ström gewonnen wird) im Wesentlichen bestehend aus Isopropylbutyrat und Wasser aufgetrennt. Der Strom h1 kann in die Esterbildungszone oder in die gegebenenfalls vorhandene Adsorptionsstufe zur Abtrennung des Alkan/Alken-Gemischs zurückgeführt werden. Der Strom h2 wird direkt in den Hydrolysereaktor zurückgeführt.in step G), the product mixture f in a first distillation column (1) is separated into a stream gl consisting essentially of butyric acid, isopropyl butyrate and water and a stream g2 consisting essentially of isopropanol and water. The stream gl is converted in a second distillation column (2) into a stream h1 (which is generally obtained as a bottom draw stream) consisting essentially of butyric acid and a stream h2 (which is generally obtained as a top draw stream) consisting essentially of isopropyl butyrate and Water separated. The stream h1 can be recycled to the esterification zone or to the optional adsorption step to separate the alkane / alkene mixture. The stream h2 is returned directly to the hydrolysis reactor.
Das in Strom g2 enthaltene Wasser kann durch Azeotropdestillation unter Verwendung eines Schleppmittels wie Benzol, Cyclohexan oder Diisopropylether mittels einer Azeo- tropdestillationskolonne (3), einem Phasenscheider (5) und der Wasser- Abtrennkolonne (4) abgetrennt und als Strom k1 in den Esterspaltungsreaktor zurückgeführt werden. Sofern bei der Esterspaltung Diisopropylether als Nebenprodukt anfällt wird als Schleppmittel bevorzugt Diisopropylether eingesetzt. Als Sumpfabzugsstrom i1 der Azeotropdestillationskolonne (3) lässt sich reines Isopropanol gewinnen.The water contained in stream g2 can be separated off by azeotropic distillation using an entraining agent such as benzene, cyclohexane or diisopropyl ether using an azeotrope distillation column (3), a phase separator (5) and the water separation column (4) and recycled as stream k1 into the ester cleavage reactor become. If diisopropyl ether is obtained as a by-product in the ester cleavage, preference is given to using diisopropyl ether as the entraining agent. The bottom draw stream i1 of the azeotropic distillation column (3) is pure isopropanol.
Gegenüber der Verwendung von Ameisen- und Essigsäure als Carbonsäuren im Esterbildungsschritt D) bietet die erfindungsgemäße Verwendung höherer Alkansäuren mit 3 oder mehr C-Atomen, beispielsweise die Verwendung von Isovaleriansäure, wesentliche Vorteile. So wird kein Alkylester/Isopropanol-Azeotrop und auch kein Alkyl- ester/lsopropanol/Wasser-Azeotrop gebildet. Der Alkylester kann dadurch einfach und „scharf" von Isopropanol destillativ abgetrennt werden. Außerdem kann ein Großteil des in dem Produktgemisch f aus der Esterspaltungszone enthaltenen Wassers ge- meinsam mit dem Alkylester mittels der ersten und der zweiten Destillationskolonne (1 )
und (2) abgetrennt und in die Esterspaltungszone zurückgeführt werden. Dadurch wird die Wasserlast der nachgeschalteten Azeotropdestillation zur Auftrennung des Alka- nol/Wasser-Gemischs deutlich verringert.Compared with the use of formic and acetic acids as carboxylic acids in the esterification step D), the inventive use of higher alkanoic acids having 3 or more carbon atoms, for example the use of isovaleric acid, offers significant advantages. Thus, no alkyl ester / isopropanol azeotrope and no alkyl ester / isopropanol / water azeotrope is formed. The alkyl ester can be separated from isopropanol by a simple and "sharp" method, and most of the water contained in the product mixture f from the ester cleavage zone can be mixed with the alkyl ester by means of the first and the second distillation column (1). and (2) separated and recycled to the ester cleavage zone. As a result, the water load of the downstream azeotropic distillation for separating the alkanol / water mixture is significantly reduced.
Die Esterspaltung wird im Allgemeinen bei einem Druck von 1 bis 20 bar, bevorzugt 2 bis 5 bar, und einer Temperatur von im Allgemeinen 50 bis 150 0C, bevorzugt 80 bis 120 0C, durchgeführt. Bevorzugt wird dabei in Gegenwart eines sauren Ionenaustauschers als Katalysator gearbeitet. Wasser kann in stöchiometrischem Unterschuss oder im Überschuss eingesetzt werden, im Allgemeinen wird es in stöchiometrischem Unterschuss, bezogen auf Alkylester (V), eingesetzt. Beispielsweise wird es in Mengen von 0,5 bis 0,9 mol pro mol Isopropylisovalerat eingesetzt. Die Esterspaltungsreaktion kann in einem Wirbelschichtreaktor in Schwebebettfahrweise oder in einem Festbettreaktor durchgeführt werden.The ester cleavage is generally carried out at a pressure of 1 to 20 bar, preferably 2 to 5 bar, and a temperature of generally 50 to 150 0 C, preferably 80 to 120 0 C, performed. Preference is given to working in the presence of an acidic ion exchanger as a catalyst. Water can be used in stoichiometric excess or in excess, generally in stoichiometric excess based on alkyl ester (V). For example, it is used in amounts of from 0.5 to 0.9 mol per mole of isopropyl isovalerate. The ester cleavage reaction can be carried out in a fluidized bed reactor in suspended bed mode or in a fixed bed reactor.
Das in der Esterspaltungsreaktion erhaltene Produktgemisch f enthält beispielsweise 5 bis 15 Gew.-% Isopropanol, 10 bis 40 Gew.-% Isovaleriansäure (bzw. Valeriansäure oder Buttersäure), 45 bis 80 Gew.-% Isopropylisovalerat (bzw. Isopropylvalerat oder Isopropylbutyrat) und 1 bis 10 Gew.-% Wasser. Der Strom gl , der im Allgemeinen als Sumpfabzugsstrom der ersten Kolonne (1 ) gewonnen wird, enthält beispielsweise 32 Gew.-% Isovaleriansäure (bzw. Valeriansäure oder Buttersäure) und 64 Gew.-% I- sopropylisovalerat (bzw. Isopropylvalerat oder Isopropylbutyrat) sowie 4 Gew.-% Wasser. Der Strom g2, der im Allgemeinen als Kopfabzugsstrom der ersten Kolonne (1 ) gewonnen wird, enthält beispielsweise 85 Gew.-% Isopropanol und 15 Gew.-% Wasser. Der Strom h1 , der im Allgemeinen als Sumpfabzugsstrom der zweiten Kolonne (2) gewonnen wird, enthält 99 Gew.-% Isovaleriansäure (bzw. Valeriansäure oder Buttersäure) und 1 Gew.-% Isopropylisovalerat (bzw. Isopropylvalerat oder Isopropylbutyrat) und der Strom h2, der im Allgemeinen als Kopfabzugsstrom der zweiten Kolonne (2) gewonnen wird, enthält beispielsweise 93 Gew.-% Isopropylisovalerat (bzw. Isopropylvalerat oder Isopropylbutyrat), 2 Gew.-% Isovaleriansäure (bzw. Valeriansäure oder Buttersäure) und 5 Gew.-% Wasser.The product mixture f obtained in the ester cleavage reaction contains, for example, 5 to 15% by weight of isopropanol, 10 to 40% by weight of isovaleric acid (or valeric acid or butyric acid), 45 to 80% by weight of isopropyl isovalerate (or isopropyl valerate or isopropyl butyrate) and 1 to 10 wt .-% water. The stream gl, which is generally obtained as the bottom draw stream of the first column (1), contains, for example, 32% by weight of isovaleric acid (or valeric acid or butyric acid) and 64% by weight of isopropyl isovalerate (or isopropyl valerate or isopropyl butyrate) and 4% by weight of water. The stream g2, which is generally obtained as the top draw stream of the first column (1), contains, for example, 85% by weight of isopropanol and 15% by weight of water. The stream h1, which is generally obtained as the bottom draw stream of the second column (2), contains 99% by weight of isovaleric acid (or valeric acid or butyric acid) and 1% by weight of isopropyl isovalerate (or isopropyl valerate or isopropyl butyrate) and the stream h2 which is generally obtained as a top draw stream of the second column (2) contains, for example, 93% by weight of isopropyl isovalerate (or isopropyl valerate or isopropyl butyrate), 2% by weight of isovaleric acid (or valeric acid or butyric acid) and 5% by weight Water.
Der Strom i1 , der im Allgemeinen als Sumpfabzugsstrom der dritten Kolonne (3) gewonnen wird, enthält vorzugsweise mindestens 98 Gew.-% Isopropanol. Der Strom i2, der im Allgemeinen als Kopfabzugsstrom der dritten Kolonne (3) erhalten wird, enthält beispielsweise 25 Gew.-% Isopropanol, 7 Gew.-% Wasser und 68 Gew.-% des Schleppmittels, beispielsweise Cyclohexan.The stream i1, which is generally obtained as the bottom draw stream of the third column (3), preferably contains at least 98% by weight of isopropanol. The stream i2, which is generally obtained as the top draw stream of the third column (3), contains, for example, 25% by weight of isopropanol, 7% by weight of water and 68% by weight of the entraining agent, for example cyclohexane.
In dem Phasenscheider (5) wird der Strom i2 unter Zugabe eines Schleppmittels, beispielsweise Cyclohexan, in eine wässrige und eine organische Phase getrennt. Die wässrige Phase wird als Rücklauf auf die vierte Kolonne (4) gegeben und enthält vor-
zugsweise mindestens 60 Gew.-% Wasser, bis zu 40 Gew.-% Isopropanol und geringe Mengen des Schleppmittels. Die organische Phase wird als Rücklauf auf die dritte Kolonne (3) gegeben und enthält vorzugsweise 20 bis 50 Gew.-% Isopropanol, weniger als 10 Gew.-% Wasser und 50 bis 80 Gew.-% des Schleppmittels. Der Sumpfabzugs- ström k1 der vierten Kolonne (4) enthält vorzugsweise mehr als 98 Gew.-% Wasser und wird in die Esterspaltungszone zurückgeführt.In the phase separator (5), the current i2 is separated by adding an entrainer, for example cyclohexane, into an aqueous and an organic phase. The aqueous phase is added as reflux to the fourth column (4) and contains preferably at least 60% by weight of water, up to 40% by weight of isopropanol and small amounts of the entraining agent. The organic phase is added as reflux to the third column (3) and preferably contains 20 to 50% by weight of isopropanol, less than 10% by weight of water and 50 to 80% by weight of the entraining agent. The bottom draw stream k1 of the fourth column (4) preferably contains more than 98% by weight of water and is recycled to the ester cleavage zone.
Die erste Kolonne (1 ) weist im Allgemeinen 20 bis 40 theoretische Böden auf und wird bei einem Druck von 0,5 bis 2 bar betrieben. Die zweite Kolonne (2) weist im Allgemei- nen 15 bis 35 theoretische Böden auf und wird bei einem Druck von 0,5 bis 1 ,5 bar betrieben. Die dritte Kolonne (3) weist im Allgemeinen 10 bis 30 theoretische Böden auf und wird bei einem Druck von 0,5 bis 4 bar betrieben. Die vierte Kolonne (4) weist im Allgemeinen 1 bis 15 theoretische Böden auf und wird bei einem Druck von 0,5 bis 2 bar betrieben.The first column (1) generally has 20 to 40 theoretical plates and is operated at a pressure of 0.5 to 2 bar. The second column (2) generally has 15 to 35 theoretical plates and is operated at a pressure of 0.5 to 1.5 bar. The third column (3) generally has 10 to 30 theoretical plates and is operated at a pressure of 0.5 to 4 bar. The fourth column (4) generally has 1 to 15 theoretical plates and is operated at a pressure of 0.5 to 2 bar.
Esterspaltung und Destillation können aber auch - zumindest teilweise - simultan in ein- und demselben Verfahrensschritt durchgeführt werden, wobei das durch Esterspaltung gebildete Gemisch zumindest teilweise destillativ aufgetrennt und die Alkansäure (IV), gegebenenfalls zusammen mit dem Homogenkatalysator, zurück gewonnen wird. Der Reaktivdestillationskolonne kann ein Vorreaktor vorgeschaltet sein.However, ester cleavage and distillation can also be carried out-at least in part-simultaneously in one and the same process step, wherein the mixture formed by ester cleavage is at least partially separated by distillation and the alkanoic acid (IV), optionally together with the homogeneous catalyst, is recovered. The reactive distillation column may be preceded by a pre-reactor.
Diese Reaktivdestillation kann homogen oder heterogen katalysiert durchgeführt werden. Die Reaktivdestillationskolonne kann übliche Einbauten wie Packungen, Füllkörper und Böden enthalten. Heterogenkatalysatoren können in Form katalytischer Ein- bauten, beispielsweise als Katalysatorpackungen oder Katalysator-Füllkörper, oder in Form einer Katalysatorsuspension vorliegen.This reactive distillation can be carried out homogeneously or heterogeneously catalyzed. The reactive distillation column may contain conventional internals such as packings, packing and trays. Heterogeneous catalysts can be present in the form of catalytic units, for example as catalyst packings or catalyst packings, or in the form of a catalyst suspension.
Die Erfindung wird durch die nachstehende Beispiele näher erläutert.The invention is further illustrated by the following examples.
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Mit Hilfe des kommerziellen Simulationsprogramms AspenPlus wurde beispielhaft ein integriertes Gesamtverfahren zur Produktion von Isopropanol aus Propan berechnet. Das Verfahren umfasst in diesem Beispiel die Stufen (1 ) bis (5) wie oben beschrieben. Diese sind in Figur 1 mit den zugehörigen Stoffströmen dargestellt. Als Alkansäure wird Isovaleriansäure eingesetzt. Die berechneten Zusammensetzungen der einzelnen Stoffströme können der Tabelle 1 entnommen werden. Die Simulationsrechnung ba-
siert auf einem thermodynamischen Modell auf Basis von Messungen von Dampf- Flüssig- und Flüssig-Flüssig-Phasengleichgewichten.Using the commercial simulation program AspenPlus, an integrated overall process for the production of isopropanol from propane was calculated by way of example. The method in this example comprises steps (1) to (5) as described above. These are shown in Figure 1 with the associated streams. Isovaleric acid is used as the alkanoic acid. The calculated compositions of the individual streams can be found in Table 1. The simulation calculation based on a thermodynamic model based on measurements of vapor-liquid and liquid-liquid phase equilibria.
Beispiel 2Example 2
Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wurde simuliert, jedoch wurde an Stelle von Isovaleri- ansäure Buttersäure als Alkansäure (IV) angenommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
The procedure according to Example 1 was simulated, but instead of isovaleric acid, butyric acid was assumed to be alkanoic acid (IV). The results are summarized in Table 2.
Tabelle 1Table 1
OO
Tabelle 2Table 2
10
10
Claims
1 . Verfahren zur Herstellung von Alkanolen (I), ausgewählt aus der Gruppe beste- hend aus Isopropanol und 2-Butanol, aus den entsprechenden Alkanen (II), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Propan und n-Butan, mit den Schritten:1 . Process for the preparation of alkanols (I) selected from the group consisting of isopropanol and 2-butanol, from the corresponding alkanes (II) selected from the group consisting of propane and n-butane, comprising the steps of:
A) ein das Alkan (II) enthaltender Einsatzgasstrom a wird bereitgestellt;A) a feed gas stream a containing the alkane (II) is provided;
B) der das Alkan (II) enthaltende Einsatzgasstrom a wird in eine Dehydrierzo- ne eingespeist und das Alkan (II) wird einer Dehydrierung zum Alken (III) unterworfen, wobei ein Produktgasstrom b enthaltend das Alken (III), nicht umgesetztes Alkan (II), gegebenenfalls Hochsieder, Wasserdampf, Wasserstoff und Leichtsieder erhalten wird;B) the feed gas stream a containing the alkane (II) is fed into a dehydrogenation zone and the alkane (II) is subjected to dehydrogenation to the alkene (III), a product gas stream b comprising the alkene (III), unreacted alkane (II ), optionally high boilers, water vapor, hydrogen and low boilers is obtained;
C) der Produktgasstrom b wird zumindest komprimiert, optional wird der Pro- duktgasstrom b in eine wässrige Phase c1 , eine das Alken (III), das AlkanC) the product gas stream b is at least compressed, optionally the product gas stream b into an aqueous phase c1, one alkene (III), the alkane
(II) und gegebenenfalls Hochsieder enthaltende Phase c2 und eine Gasphase c3 enthaltend Wasserstoff und Leichtsieder aufgetrennt;(II) and optionally high boilers containing phase c2 and a gas phase c3 containing hydrogen and low boilers separated;
D) der Produktgasstrom b beziehungsweise die das Alken (III) und das Alkan (II) enthaltende Phase c2 wird in einer Esterbildungszone mit einer Alkan- säure (IV) mit 3 oder mehr Kohlenstoffatomen umgesetzt, wobei ein Produktgemisch d enthaltend den entsprechenden Alkylester (V) der Alkansäure (IV) und das nicht umgesetzte Alkan (II) erhalten wird;D) the product gas stream b or the alkene (III) and the alkane (II) containing phase c2 is reacted in an esterification zone with an alkanoic acid (IV) having 3 or more carbon atoms, wherein a product mixture d comprising the corresponding alkyl ester (V ) of the alkanoic acid (IV) and the unreacted alkane (II) is obtained;
E) von dem Produktgemisch d wird ein Alkan (II) enthaltender Gasstrom e1 abgetrennt, der gegebenenfalls in die Dehydrierzone zurückgeführt wird, und ein den Alkylester (V) enthaltendes Produktgemisch e2 gewonnen;E) the product mixture d is used to separate an alkane (II) -containing gas stream e1, which is optionally recycled to the dehydrogenation zone, and a product mixture e2 containing the alkyl ester (V) is obtained;
F) das den Alkylester (V) enthaltende Produktgemisch e2 wird in einer Esterspaltungszone mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend das Al- kanol (I) und die Alkansäure (IV) umgesetzt;F) the product mixture e2 containing the alkyl ester (V) is reacted with water in an ester cleavage zone to give a product mixture f containing the alkanol (I) and the alkanoic acid (IV);
G) aus dem Produktgemisch f werden das Alkanol (I) und die Alkansäure (IV) abgetrennt, und die Alkansäure (IV) wird gegebenenfalls in die Esterbildungszone zurückgeführt.G) from the product mixture f, the alkanol (I) and the alkanoic acid (IV) are separated, and the alkanoic acid (IV) is optionally recycled to the esterification zone.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydrierung in Schritt B) in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the dehydrogenation in step B) is carried out in the presence of oxygen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydrierung in Gegenwart von Wasserdampf durchgeführt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the dehydrogenation is carried out in the presence of water vapor.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Schritt F) in einer Reaktivdestillationskolonne durchgeführt wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that step F) is carried out in a reactive distillation column.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Schritt F) zumindest teilweise in einem Esterspaltungs-Vorreaktor und zumindest teilweise in einer Reaktivdestillationskolonne durchgeführt wird.5. The method according to claim 1, characterized in that step F) is carried out at least partially in an ester cleavage pre-reactor and at least partially in a reactive distillation column.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Alkan (II) Propan eingesetzt wird, wobei in Schritt E) ein Isopropylester enthaltendes Produktgemisch e2 erhalten wird, und6. The method according to claim 1, characterized in that as alkane (II) propane is used, wherein in step E) an isopropyl ester-containing product mixture e2 is obtained, and
in Schritt F) das den Isopropylester enthaltende Produktgemisch e2 in einem Esterspaltungsreaktor mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend Iso- propanol, Alkansäure (IV), Isopropylester und Wasser umgesetzt wird, undin step F) the isopropyl ester-containing product mixture e2 is reacted in an ester cleavage reactor with water to give a product mixture f containing isopropanol, alkanoic acid (IV), isopropyl ester and water, and
in Schritt G) das Produktgemisch f in einer ersten Destillationskolonne in einen Strom gl im Wesentlichen bestehend aus Alkansäure (IV), Isopropylester undin step G) the product mixture f in a first distillation column into a stream gl consisting essentially of alkanoic acid (IV), isopropyl ester and
Wasser und einen Strom g2 im Wesentlichen bestehend aus Isopropanol und Wasser aufgetrennt wird, der Strom gl in einer zweiten Destillationskolonne in einen Strom h1 im Wesentlichen bestehend aus Alkansäure (IV) und einen Strom h2 im Wesentlichen bestehend aus Isopropylester und Wasser aufgetrennt wird, das in Strom g2 enthaltene Wasser durch Azeotropdestillation unter Verwendung eines Schleppmittels mittels einer Azeotropdestillationskolonne, einem Phasen- scheider und einer Wasser-Abtrennkolonne abgetrennt wird, und im Wesentlichen reines Isopropanol als Sumpfabzugsstrom i1 der Azeotropdestillationskolonne gewonnen wird.Water and a stream g2 essentially consisting of isopropanol and water is separated, the stream gl is separated in a second distillation column into a stream h1 consisting essentially of alkanoic acid (IV) and a stream h2 essentially consisting of isopropyl ester and water, the in Stream g2 contained water is separated by azeotropic distillation using an entraining agent by means of an azeotropic distillation, a phase separator and a water separation column, and substantially pure isopropanol is recovered as the bottom draw stream i1 of the azeotropic distillation.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Alkansäure (IV) Buttersäure, Valeriansäure oder Isovaleriansäure eingesetzt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that as alkanoic acid (IV) butyric acid, valeric acid or isovaleric acid is used.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Alkansäure (IV) Isovaleriansäure eingesetzt wird, wobei ein Isopropylisovalerat enthaltendes Produktgemisch e2 erhalten wird,8. The method according to claim 7, characterized in that as alkanoic acid (IV) isovaleric acid is used, wherein a isopropyl isovalerate containing product mixture e2 is obtained,
in Schritt F) das Isopropylisovalerat enthaltende Produktgemisch e2 in einem Es- terspaltungsreaktor mit Wasser zu einem Produktgemisch f enthaltend Isopropanol, Isovaleriansäure, Isopropylisovalerat und Wasser umgesetzt wird, undin step F) the isopropyl isovalerate-containing product mixture e2 is reacted in an ester-cleavage reactor with water to give a product mixture f comprising isopropanol, isovaleric acid, isopropyl isovalerate and water, and
in Schritt G) das Produktgemisch f in einer ersten Destillationskolonne in einenin step G) the product mixture f in a first distillation column into a
Strom gl im Wesentlichen bestehend aus Isovaleriansäure, Isopropylisovalerat und Wasser und einen Strom g2 im Wesentlichen bestehend aus Isopropanol und Wasser aufgetrennt wird, der Strom gl in einer zweiten Destillationskolonne in einen Strom h1 im Wesentlichen bestehend aus Isovaleriansäure und einen Strom h2 im Wesentlichen bestehend aus Isopropylisovalerat und Wasser aufgetrennt wird, das in Strom g2 enthaltene Wasser durch Azeotropdestillation unter Verwendung eines Schleppmittels mittels einer Azeotropdestillationskolonne, einem Phasenscheider und einer Wasser-Abtrennkolonne abgetrennt wird, und im Wesentlichen reines Isopropanol als Sumpfabzugsstrom i1 der Azeotropdestillationskolonne gewonnen wird. Stream gl consisting essentially of isovaleric acid, isopropyl isovalerate and water and a stream g2 essentially consisting of isopropanol and water is separated, the stream gl is separated in a second distillation column into a stream h1 consisting essentially of isovaleric acid and a stream h2 consisting essentially of isopropyl isovalerate and water, the water contained in stream g2 by azeotropic distillation using an entraining agent by means of an azeotropic distillation , a phase separator and a water separation column is separated, and substantially pure isopropanol is recovered as the bottom draw stream i1 of the azeotropic distillation.
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