EP3999484A1 - Method and facility for producing a target compound - Google Patents

Method and facility for producing a target compound

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Publication number
EP3999484A1
EP3999484A1 EP20742712.1A EP20742712A EP3999484A1 EP 3999484 A1 EP3999484 A1 EP 3999484A1 EP 20742712 A EP20742712 A EP 20742712A EP 3999484 A1 EP3999484 A1 EP 3999484A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas mixture
hydrogen
carbon monoxide
methane
carbon number
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20742712.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Meiswinkel
Hans-Jörg ZANDER
Ernst Haidegger
Isabel KIENDL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP3999484A1 publication Critical patent/EP3999484A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C45/00Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds
    • C07C45/49Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by reaction with carbon monoxide
    • C07C45/50Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by reaction with carbon monoxide by oxo-reactions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/12Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • C01B3/16Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents by reaction of water vapour with carbon monoxide using catalysts
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    • C07C1/20Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon starting from organic compounds containing only oxygen atoms as heteroatoms
    • C07C1/24Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon starting from organic compounds containing only oxygen atoms as heteroatoms by elimination of water
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
    • C07C2/76Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen
    • C07C2/82Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen oxidative coupling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07C2/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
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    • C07C29/136Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group of >C=O containing groups, e.g. —COOH
    • C07C29/14Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group of >C=O containing groups, e.g. —COOH of a —CHO group
    • C07C29/141Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group of >C=O containing groups, e.g. —COOH of a —CHO group with hydrogen or hydrogen-containing gases
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    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C01B2203/0288Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step containing two CO-shift steps
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    • C01B2203/06Integration with other chemical processes
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    • C01B2203/062Hydrocarbon production, e.g. Fischer-Tropsch process

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a target compound, in particular propylene, and a corresponding plant according to the preambles of the independent claims.
  • propylene propene
  • steam cracking steam cracking
  • propylene gap An increasing demand for propylene is predicted for the future ("propylene gap"), which requires the provision of corresponding selective processes. At the same time, it is important to reduce or even prevent carbon dioxide emissions. As a potential
  • Feedstock on the other hand, has large quantities of methane available, which are currently only very limited for recycling and mostly incinerated.
  • the present invention has the object of providing a process for the production of propylene, which is improved in particular in view of these aspects, but also for the production of other organic target compounds, in particular of
  • Oxo compounds such as aldehydes and alcohols with a corresponding
  • the present invention proposes a method for
  • ODH oxidative dehydrogenation
  • PDH propane by dehydrogenation
  • This also applies to the production of propylene from ethylene by olefin metathesis. This process requires 2-butene as an additional starting material.
  • methane-to-olefin or methane-to-propylene processes in which synthesis gas is first produced from methane and the synthesis gas is then converted into olefins such as ethylene and propylene.
  • synthesis gas is first produced from methane and the synthesis gas is then converted into olefins such as ethylene and propylene.
  • olefins such as ethylene and propylene.
  • Corresponding processes can be based on methane, but also based on other hydrocarbons or carbonaceous
  • Raw materials such as coal or biomass are operated.
  • ethylene can also be produced by the oxidative coupling of methane (OCM). Since the oxidative coupling of methane is preferred
  • Embodiment of the present invention is used, it will first be explained in more detail below.
  • the oxidative coupling of methane is described in the literature, for example in JD Idol et al., “Natural Gas”, in: JA Kent (ed.), “Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology”, Volume 2, 12th edition, Springer , New York 2012.
  • Processing of other gas mixtures i.e.
  • oxidative coupling not provided by the oxidative coupling, is possible and advantageous if these gas mixtures contain one or more olefins in an appreciable amount, for example more than 10, 20, 30, 40 or 50 mol percent and up to 80 mol percent ( as individual or sum values) and carbon monoxide in the same quantity ranges. If the present invention is described below with specific reference to the oxidative coupling of methane and ethylene which is formed in the oxidative coupling, this is not intended to imply any restriction.
  • the oxidative coupling of methane comprises a catalyzed gas phase reaction of methane with oxygen, in the case of that of two
  • Methane molecules each split off one hydrogen atom. Oxygen and methane are activated on the catalyst surface. The emerging
  • Methyl radicals initially react to form an ethane molecule.
  • a water molecule is also formed during the reaction.
  • the ethane is then oxydehydrogenated to ethylene, a target compound in the oxidative coupling of methane. Another water molecule is formed here.
  • the oxygen used is typically completely converted in the reactions mentioned.
  • the reaction conditions for the oxidative coupling of methane typically include a temperature of 500 to 900 ° C., a pressure of 5 to 10 bar and high space velocities. More recent developments go in particular towards the use of lower temperatures.
  • the reaction can be carried out homogeneously or heterogeneously in a fixed bed or in a fluidized bed.
  • higher hydrocarbons with up to six or eight carbon atoms can also be formed, but the focus is on ethane or ethylene and possibly also propane or propylene.
  • Oxygen concentration in the mixture depends.
  • the formation of by-products is linked to the reaction temperature, since the total oxidation of methane, ethane and ethylene preferably takes place at high temperatures.
  • Carbon dioxide can partly be counteracted by the choice of optimized catalysts and adapted reaction conditions, a gas mixture formed during the oxidative coupling of methane contains mainly unconverted methane as well as carbon dioxide, carbon monoxide and water in addition to the target compounds such as ethylene and possibly propylene. Any non-catalytic cleavage reactions that may take place may also contain considerable amounts of hydrogen.
  • a gas mixture is also referred to as a “product mixture” of the oxidative coupling of methane, although it predominantly does not contain the desired products but also the unreacted starting material methane and the by-products just explained.
  • reactors can be used in which a catalytic zone is followed by a non-catalytic zone.
  • the gas mixture flowing out of the catalytic zone is transferred to the non-catalytic zone, where it is initially still at the comparatively high temperatures that are used in the catalytic zone.
  • the reaction conditions here are similar to those of conventional vapor cracking processes. Therefore ethane and higher paraffins can be converted into olefins here. Further paraffins can also be fed into the non-catalytic zone, so that the residual heat from the oxidative coupling of methane can be used in a particularly advantageous manner.
  • downstream non-catalytic zone is also referred to as "post bed cracking".
  • post-catalytic vapor splitting is also used for this in the following. Is it mentioned below that a used according to the invention Starting gas mixture is formed or provided "using” or “using” an oxidative coupling of methane, this information should not be understood in such a way that only the oxidative coupling itself has to be used in the provision. Rather, further method steps, in particular one, can also be made from the provision of the starting gas mixture
  • paraffins in particular ethane, which are separated from any material streams at a suitable point or can be contained in corresponding material streams, can be recycled alone or together with other components for post-catalytic vapor splitting.
  • the separation if carried out, takes place at a point suitable for separation technology, that is to say at a position at which the separation is particularly inexpensive and in particular non-cryogenic. If it is mentioned below that ethane or another paraffin apart from methane is "returned” to the process, this can in particular mean a return to the post-catalytic vapor splitting. In contrast, methane that is "fed back into the process" is used in particular for the oxidative coupling of methane.
  • recycling can also take place together and in particular together with carbon monoxide in the oxidative coupling as a whole.
  • Hydroformylation is another technology that is used in particular for the production of oxo compounds of the type mentioned at the beginning.
  • Propylene is typically converted in the hydroformylation, but it is also possible to use higher hydrocarbons, in particular hydrocarbons having six to eleven carbon atoms.
  • the conversion of hydrocarbons with four and five carbon atoms is basically also possible, but of less practical importance.
  • the hydroformylation, in which aldehydes can initially be formed, can be followed by a hydrogenation. Alcohols formed by such a hydrogenation can then be dehydrated to the respective olefins.
  • the hydroformylation reaction in the process just mentioned is carried out over a typical catalyst at 115 ° and 1 bar in an organic solvent.
  • the selectivity for the (undesired) by-product ethane is in the range from approx. 1% to 4%, whereas the selectivity for propanal should reach more than 95%, typically more than 98%.
  • the ethylene can in particular be formed from ethane.
  • the target product can also be propionic acid. Dehydration is also possible.
  • this publication also does not disclose any further integration and does not disclose any sensible use of the carbon dioxide formed.
  • hydrogen can also be converted with carbon dioxide to carbon monoxide and water (reversed water gas shift, RWGS).
  • RWGS reversed water gas shift
  • Chromium oxide catalysts are used, which are exposed to a feed gas at approx. 350 ° C. The temperature rises to 400 to 450 ° C. due to the exothermic nature of the shift reaction. In order to avoid excessively high outlet temperatures, the inlet temperature is limited accordingly.
  • the feed gas temperature is approximately 220 ° C and carbon dioxide removal is typically provided.
  • low-temperature processes use copper, zinc and aluminum mixed oxides with promoters (e.g. with traces of potassium).
  • a commercial catalyst for a high temperature process comprises
  • High temperature reactors used on an industrial scale operate in a range of
  • Low temperature process is 32 to 33% copper oxide, 34 to 53% zinc oxide, 15 to 33% dialuminum trioxide.
  • the active catalytic species is copper oxide and the function of zinc oxide is to prevent the poisoning of copper by sulfur.
  • the dialuminum trioxide prevents dispersion and pellet shrinkage.
  • the upper temperature limit for low-temperature processes results from the susceptibility of copper to thermal sintering. These lower temperatures also reduce the occurrence of side reactions.
  • high and low temperature processes can be used for the water gas shift. These are also based in particular on the amount of heat available or usable.
  • a large amount of heat from the product mixture formed at high temperatures can be used, for example, to preheat the insert in a high-temperature process.
  • the present invention proposes a method for
  • the first gas mixture represents a starting mixture which is processed further within the scope of the present invention to produce the target compound.
  • the first gas mixture can also contain water, depending on how it is provided.
  • Hydrogen can also be contained in the first gas mixture. However, the presence of hydrogen and other components is not
  • oxidative coupling can, for example, also be carried out without the presence or formation of hydrogen. As mentioned several times, it is not
  • the oxidative coupling of methane is a method known in principle from the prior art.
  • (essentially) pure methane or natural gas or gas can be used as the methane supplier for the oxidative coupling.
  • Coupling itself and higher hydrocarbons can preferably be fed into a post-catalytic steam cracking.
  • oxygen is particularly preferred. Air or oxygen-enriched air can in principle also be used, but lead to one
  • a diluting medium preferably steam, but also, for example, carbon dioxide
  • carbon dioxide can be used in the oxidative coupling, in particular to moderate the reaction temperatures.
  • Carbon dioxide can also (partially) serve as an oxidizing agent.
  • the oxidative coupling can be carried out in particular at an excess pressure of 0 to 30 bar, preferably 0.5 to 5 bar, and a temperature of 500 to 1100.degree. C., preferably 550 to 950.degree.
  • catalysts known from the specialist literature see, for example, Keller and Bhasin, J. Catal. 1982, 73, 9, Hinsen and Baerns, Chem. Ztg. 1983, 107, 223, Kondratenko et al., Catal. Be. Technol. 2017, 7, 366-381. Farrell et al., ACS Catalysis 6, 2016, 7, 4340, Labinger, Catal. Lett. 1, 1988, 371, and Wang et al., Catalysis Today 2017, 285, 147.
  • the conversion of methane in the oxidative coupling in the context of the present invention can be in particular more than 10%, preferably more than 20%, particularly preferably more than 30% and in particular up to 60% or 80%.
  • the particular advantage of the embodiments of the present invention in which an oxidative coupling is used is not primarily in the increased yield, but in the fact that, in addition to, in particular, a relatively high relative proportion of carbon monoxide in relation to ethylene in the product mixture of the oxidative coupling, that is, the first gas mixture used in the context of the present invention, can be used, and that this can be operated in a yield-optimized manner by using a water gas shift, as explained below.
  • Typical by-products of the oxidative coupling of methane are carbon monoxide and carbon dioxide, which are formed in the low to double-digit percentage range.
  • a typical product mixture of the oxidative coupling of methane within the meaning of the invention has, for example, the following mixture proportions:
  • the dry portion of the product mixture which can also contain water vapor in particular.
  • Further components such as higher hydrocarbons and aromatics can be present in concentrations of typically less than 5 mol percent, in particular less than 1 mol percent, oxygenates - i.e. aldehydes, ketones, ethers, etc. - can be present in traces, i.e. typically less than 0.5 mol percent, in particular less than 0.1 mol percent in the product mixture of the oxidative coupling.
  • the first gas mixture provided within the scope of the present invention can also be formed by other processes, or other processes can be involved in its formation.
  • the composition of the gas mixture can in particular be as described above for the product mixture of the oxidative coupling, but can also deviate therefrom.
  • a second gas mixture which is formed using at least part of the first gas mixture and contains at least the olefin with the first carbon number, hydrogen and carbon monoxide, is obtained with a third gas mixture which is a compound with a second carbon number and at least Contains carbon monoxide, one or more
  • Both the first and the second gas mixture can also
  • Carbon dioxide can be formed in particular with an oxidative coupling of methane, but it can also originate from and arise from other processes get into the first and / or second gas mixture in this way.
  • carbon dioxide is also formed in the water gas shift according to the invention. Forming the second gas mixture using at least a portion of the first
  • the gas mixture can in particular also include the separation of carbon dioxide from the first gas mixture or a part thereof, with the remainder being partially or completely used to form the second gas mixture.
  • a separation of carbon dioxide can also take place further downstream at a suitable point.
  • the formation of the second gas mixture always also includes the addition of hydrogen from a water gas shift used according to the invention.
  • the first gas mixture also contains unconverted methane and / or ethane and / or higher hydrocarbons, in particular paraffins. Hydrogen can also be included.
  • the third gas mixture can also contain other components, in particular secondary compounds that are present in one or more
  • Implementation steps are formed.
  • Compounds, for example paraffins such as methane and / or ethane can also get into the third gas mixture from the first gas mixture without conversion in the one or more conversion steps.
  • the second carbon number is one greater than the first due to the hydroformylation reaction that is part of the one or more reaction steps
  • the olefin with the first carbon number is ethylene and the compound with the second carbon number is in particular propanal, propanol and / or propylene.
  • Conversion steps comprising the hydroformylation and, subsequently, a hydrogenation and, if necessary, additionally a dehydration.
  • a compound with the second carbon number for example with three carbon atoms
  • an aldehyde for example propanal
  • the third gas mixture can therefore, when several conversion steps are used, a product mixture of each of these Be conversion steps, so a product mixture from the hydroformylation, a product mixture from the hydrogenation or a product mixture from the
  • Rh-based catalysts have typically been used in corresponding processes, as described in the literature cited below. Older processes also use Co-based catalysts.
  • Rh (I) -based catalysts with phosphine and / or phosphite ligands can be used. These can be monodentate or bidentate complexes. Be used for the production of propanal
  • reaction temperatures typically reaction temperatures of 80 to 150 ° C and corresponding
  • the hydroformylation typically works with a ratio of hydrogen to carbon monoxide of 1: 1. However, this ratio can in principle be in the range from 0.5: 1 to 10: 1.
  • the Rh-based catalysts used can have a Rh content of 0.01 to 1.00 percent by weight, the ligands being im
  • Hydroformylation can be carried out in an aqueous medium and the recovery of the catalyst is easily possible.
  • Transition metals which are capable of forming carbonyls, are used as potential hydroformulation catalysts, an activity according to this disclosure according to Rh> Co> Ir, Ru> Os> Pt> Pd> Fe> Ni being observed.
  • At least a portion of the third gas mixture is used to form a fourth gas mixture which is depleted in the compound with the second carbon number and enriched in carbon monoxide compared to the third gas mixture.
  • This formation of the fourth gas mixture can, in particular, result in a non-cryogenic separation of the
  • Composition of the third gas mixture, the fourth gas mixture can therefore in particular be hydrogen, possibly carbon dioxide, methane, ethane and possibly residues of ethylene exhibit.
  • Other lower-boiling compounds which are formed in the one or more reaction steps, for example as by-products, can also be included.
  • Carbon number remain in a corresponding residue if necessary further compounds with the second carbon number and higher-boiling compounds, if these are formed.
  • liquids or gases or corresponding mixtures are rich or poor in one or more components
  • “rich” is intended to mean a content of at least 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9 %, 99.99% or 99.999% and “poor” mean a content of no more than 10%, 5%, 1%, 0.1%, 0.01% or 0.001% on a molar, weight or volume basis.
  • the term “predominantly” denotes a content of at least 50%, 60%, 70%, 80% or 90% or corresponds to the term "rich”.
  • Liquids and gases or corresponding mixtures can also be enriched or depleted in one or more components in the language used here, these terms referring to a corresponding content in a starting mixture.
  • the liquid or the gas or the mixture is "enriched” if at least 1, 1-fold, 1, 5-fold, 2-fold, 5-fold, 10-fold, 100-fold or 1,000-fold content, "Depleted” if a maximum of 0.9, 0.5, 0.1, 0.01 or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting mixture, is present.
  • a (theoretically possible) complete separation represents a depletion to zero with respect to a component in one fraction of a starting mixture, which therefore passes completely into the other fraction and is present in enriched form. This is also included in the terms “enrichment” and "depletion”.
  • Carbonyl compounds are based on Ni, as also for example in the article
  • Hydrogenation catalysts are used here, Ni and certain noble metals such as Pt and Pd, typically in supported form.
  • Commonly used commercial catalysts include combinations of Cu, Zn, Ni and Cr supported on alumina or kieselguhr. Dipropyl ether, ethane and propyl propionate are mentioned as typical by-products that can be formed in traces.
  • the hydrogenation is preferably carried out only with stoichiometric amounts of hydrogen or only a small amount
  • Typical temperatures are in the range from 200 to 250 ° C for the dehydration of ethanol or at 30 0 to 400 ° C for the
  • carbon monoxide is subjected to a water gas shift in at least part of the fourth gas mixture with the formation of hydrogen and carbon dioxide.
  • a separation or enrichment can take place upstream of this water gas shift, as will also be explained below.
  • hydrogen formed in the water gas shift is at least partly used in the formation of the second gas mixture and is thus fed to the one or at least one of the several conversion steps.
  • the present invention thus proposes overall (at least) the coupling of a hydroformylation process and a water gas shift, the
  • Hydroformylation and, if applicable, subsequent process steps are or are fed with hydrogen which is formed in the water gas shift, the water gas shift carbon monoxide being supplied from downstream of the hydroformylation, i.e. from the third or via the fourth gas mixture.
  • One embodiment of the invention comprises the provision of the first gas mixture by means of an oxidative coupling of methane.
  • a particular advantage within the scope of the present invention is that components from the first or second gas mixture can be used in the hydroformylation and, if necessary, subsequent conversion steps without complex cryogenic separation steps.
  • any paraffins that have formed and / or present and any methane present can be extracted from the first or second
  • the gas mixture is carried along in the hydroformylation and can then be separated off more easily or hydrogen, which is optionally contained in the first or second gas mixture, can be used in addition to the hydrogen from the water gas shift for later hydrogenation steps.
  • paraffins and methane can simply be recycled and reused in a reaction feed, as already mentioned above with reference to the oxidative coupling and the
  • Gas mixture or a part thereof can be separated and obtained in any purity. As mentioned, there is also a separation further downstream, that is
  • target components from the third gas mixture or subsequent mixtures thereof can be easily separated from the lower-boiling compounds mentioned.
  • the present invention can also include that the carbon dioxide, which was separated from the first gas mixture or further downstream and which had previously been formed as a by-product in the oxidative coupling, is converted in any process step, for example also a dry reforming.
  • the corresponding carbon dioxide is at least partially converted with methane to obtain carbon monoxide and / or hydrogen.
  • the present invention enables precise adaptation of the respective hydrogen and / or carbon monoxide contents to the respective requirement for corresponding components in the hydroformylation or subsequent process steps, such as, for example, the hydrogenation.
  • the present invention enables an increase in the possible yield of products of value, for example the oxidative coupling, through the use of the
  • By-products are formed. If suitable, for example together with water of reaction, these can optionally be separated from a corresponding product mixture of the oxidative coupling and thus the first gas mixture by a condensation and / or water scrubbing.
  • Carbon dioxide can be suitable due to its high interaction with
  • Solvents or washing liquids can also be removed comparatively easily from the product mixture, with known methods for
  • Carbon dioxide removal in particular appropriate washes (for example amine washes) can be used.
  • a cryogenic separation is not necessary, so that the entire process of the present invention, at least including the hydroformylation, manages without cryogenic separation steps. Should subsequent steps require the absence or only a very low residual concentration of carbon dioxide (e.g. due to catalyst inhibition or poisoning), the residual carbon dioxide content after an amine wash can be further reduced by an optional caustic wash as fine cleaning, as required.
  • Gas mixtures can be subjected to drying at a suitable point in each case.
  • drying can take place downstream of the hydroformylation if, in one embodiment of the present invention, this takes place in the aqueous phase and the hydrogenation downstream of the hydroformylation requires a dry stream as the reaction feed. If this is not necessary for the subsequent process steps, drying does not have to take place until it is completely dry, but water contents can also remain in corresponding gas mixtures, if these are tolerable.
  • Different drying steps can also be provided at different points in the process and possibly with different degrees of drying.
  • non-cryogenic separation should be understood to mean a separation or a separation step which is in particular at a temperature level above 0 ° C, in particular at typical cooling water temperatures of 5 to 40 ° C, in particular 5 to 25 ° C , is carried out, if necessary also above
  • a non-cryogenic separation in the sense understood here represents a separation without the use of a C2 and / or C3 cooling circuit and it therefore takes place above -30 ° C, in particular above -20 ° C.
  • Boiling point or other polarity are formed, these can be comparatively simple and also non-cryogenic from the remaining lower-boiling ones
  • methane and ethane can or can be fed back into the process in embodiments of the invention, for example into the oxidative coupling that may be used at the points mentioned, or into other process steps.
  • Ethane does not necessarily need to be in a separate reactor section can be returned for post-catalytic steam splitting, but can also be returned to the oxidative coupling as a whole without being separated from the methane. Before this, however, there is in particular a separation into a carbon monoxide fraction and a fraction that contains methane and ethane or the one or more paraffins.
  • the fourth gas mixture contains in particular one or more paraffins, in a separation using at least part of the fourth
  • Carbon monoxide is enriched, the fifth gas mixture being at least partially fed to the water gas shift.
  • the fourth gas mixture can thus in particular contain methane and one or more further paraffins, the carbon monoxide in at least part of the fourth gas mixture being subjected to the water gas shift in that it is converted into a subsequent fraction and only this is subjected to the water gas shift.
  • the fourth gas mixture thus contains in particular methane and one or more further paraffins, in a separation using at least part of the fourth
  • a fifth gas mixture is formed which is depleted in methane and the at least one paraffin and enriched in carbon monoxide compared to the fourth gas mixture and the fifth gas mixture is at least partially fed to the water gas shift.
  • separation can also include the formation of corresponding fractions without complete separation.
  • a sixth gas mixture is advantageously also formed, which is enriched in the one or more paraffins and depleted in carbon monoxide compared to the fourth gas mixture, with at least a part of the sixth gas mixture in the
  • this sixth gas mixture can at least partially be subjected to the oxidative coupling of methane and / or to a further method step used to provide the first gas mixture, in particular the post-catalytic vapor splitting. If such a separation is used, if the sixth gas mixture contains methane, a first fraction containing methane and a second fraction containing one or more paraffins can be formed using at least part of the sixth gas mixture, the first fraction at least partially the oxidative coupling of methane and the second fraction is at least partially subjected to a post-catalytic vapor cracking step downstream of the oxidative coupling of methane.
  • the appropriate fractions are each
  • the present invention can include energy integration, that is to say a coupling of heat flows for endothermic and exothermic reactions.
  • Exothermic reactions are in particular the oxidative coupling, if used, and the hydroformylation.
  • the water gas shift is also an exothermic reaction.
  • reforming and dehydration which may be provided to provide additional hydrogen, are endothermic reactions.
  • an oxidative coupling is carried out, the use of the waste heat from this appears to be of particular advantage for other processes, since these are at a comparatively high level
  • the aldehyde formed in the hydroformylation can be the target compound, or in the context of the present invention this aldehyde can be converted further into an actually desired target compound.
  • the latter variant in particular represents a particularly preferred embodiment of the present invention.
  • the aldehyde can first be hydrogenated to an alcohol which has a carbon chain with the second carbon number, that is to say the same carbon number as the aldehyde.
  • a corresponding process variant is particularly advantageous because it can use hydrogen formed in the process itself, which is already present in a feed mixture upstream of the hydroformylation and can be passed through the hydroformylation.
  • hydrogen can be fed in at any suitable point, in particular upstream of the optionally provided hydrogenation. In this way, hydrogen is available for this hydrogenation.
  • the feed does not have to take place immediately upstream of the hydrogenation; Rather, hydrogen can also by upstream of the
  • Hydrogenation present or carried out process or separation steps are fed.
  • Hydrogen can, for example, already be contained in the first gas mixture, and at least part of this hydrogen can be used in the hydrogenation.
  • hydrogen can also be separated from a partial flow of a product flow of the water gas shift or formed as a corresponding partial flow, for example by separation steps known per se, such as pressure swing adsorption.
  • the alcohol formed by the hydrogenation is dehydrated to a further olefin (based on the earlier olefin contained in the starting gas mixture), the further olefin, in particular Propylene, one
  • Carbon chain with the mentioned second carbon number ie the carbon number of the previously formed aldehyde and of the alcohol formed therefrom.
  • the alcohol formed in the reaction of the aldehyde can be any alcohol formed in the reaction of the aldehyde.
  • the present invention allows the use of all components of natural gas.
  • Natural gas fractions or raw gas are used, as explained above for the oxidative coupling of methane.
  • a methane-containing natural gas fraction and an ethane-containing natural gas fraction can be formed, the methane-containing natural gas fraction being subjected to the oxidative coupling of methane and the ethane-containing natural gas fraction preferably being subjected to the post-catalytic steam cracking step.
  • the carbon dioxide can at least partially be separated non-cryogenically from the first gas mixture or downstream thereof and used in some other way and, for example, purified.
  • the carbon monoxide and the olefin in the remainder of the starting gas mixture and, if appropriate, further components in this, can at least in part be subjected to the hydroformylation without prior separation from one another. More generally speaking, the olefin with the first carbon number and the carbon monoxide from the first gas mixture can therefore be subjected to the hydroformylation in the second gas mixture at least partially unseparated from one another.
  • a complete non-cryogenic separation of gas mixtures obtained can in principle be achieved within the scope of the present invention. This does not necessarily apply to the aforementioned separation of natural gas into the methane fraction and the fraction with heavier hydrocarbons.
  • the starting gas mixture can in particular contain methane and a paraffin, with at least some of the methane and the paraffin being able to pass through the hydroformylation unconverted.
  • this part can be separated off and recycled downstream of the hydroformylation.
  • the separation can take place directly downstream of the hydroformylation, i.e. before each process step following the hydroformylation, or downstream of a process step following the hydroformylation, for example after a hydrogenation or dehydration, but also after any separation or processing steps.
  • an amount of hydrogen formed in the water gas shift can be adapted to a hydrogen requirement in the hydroformylation and / or hydrogenation. This is precisely where a particular advantage of the present invention lies.
  • the first gas mixture in particular after one when the first gas mixture
  • Gas mixture taking place condensate separation is compressed to a pressure level at which the hydroformylation is carried out and optionally the carbon dioxide is separated off. Between the possibly provided separation of carbon dioxide and the Hydroformylation can also be provided with additional intermediate steps.
  • the water gas shift is carried out at a lower pressure level, so that the pressure level of the hydroformylation and possibly the carbon dioxide removal represents the highest of the pressure levels. In this way, further compression can be dispensed with.
  • the first gas mixture is provided if oxidative coupling is used,
  • the present invention also extends to a system for establishing a target connection, with respect to which the corresponding independent
  • the system has a
  • Reactor assembly which is set up, the first gas mixture under
  • FIG. 1 illustrates a method according to an embodiment of the invention in the form of a schematic flow chart.
  • the invention is described below using the example of oxidative coupling for providing the first gas mixture. This requires a separation of carbon dioxide. As mentioned several times, the invention is not limited to this.
  • FIG. 1 a method according to a particularly preferred embodiment of the present invention is illustrated in the form of a schematic flow chart and is designated as a whole by 100.
  • Central method steps or components of method 100 are an oxidative coupling of methane, denoted here as a whole by 1, as well as a
  • the method 100 further comprises a water gas shift, denoted here as a whole by 3.
  • a methane stream A is fed to process 100 or the oxidative coupling of methane 1.
  • a raw gas stream B can also be provided.
  • raw gas stream B can be processed by means of any processing steps 101.
  • a correspondingly provided feed stream is labeled E for the sake of better distinguishability.
  • the water gas shift 3 provides a steam stream B1 and (optionally) a stream B2 containing water and / or carbon monoxide from an external source.
  • the feed stream E together with a substream, denoted here by F3, of a recycle stream F (or, as explained below, optionally also together with a recycle stream F2 having further components) is the oxidative
  • Coupling 1 supplied. Mixing with oxygen, which is provided in the form of a material flow C, and optionally with steam, which is provided in the form of a
  • Material flow G is provided, made.
  • the vapor of the material flow G serves, as well as nitrogen of an optionally provided nitrogen flow H as
  • Water can also make a contribution to ensuring the catalyst stability (long-term performance) and / or enabling the catalyst selectivity to be moderated.
  • a reactor used in the oxidative coupling 1 can provide an area for
  • a partial stream F4 of the recycle stream F containing ethane can optionally be fed into this area. Alternatively or additionally there is also one
  • a separately provided ethane stream I can be fed in. Also one
  • ethane stream I can be provided.
  • propane and heavier components can also be separated from raw gas, the remainder of which is then provided as methane stream A.
  • an aftercooler 102 Downstream of the oxidative coupling 1, an aftercooler 102 is provided, downstream of which there is in turn a condensate separator 103.
  • Condensate stream K formed from condensate separation 103, which predominantly or exclusively contains water and possibly further, heavier compounds, can be fed to a device 104 in which in particular a (purified) water stream M and a residual stream N can be formed.
  • the product mixture of the oxidative coupling 1 freed from condensate which is generally referred to here as the first gas mixture, is in the form of a stream L with a stream V from the water gas shift 3, which is rich in hydrogen and carbon dioxide and optionally carbon monoxide and not converted in the water gas shift / or contains water and possibly other components, and combined and then compressed in a compressor 105 and then fed to a total of 106 denoted carbon dioxide removal, which can be carried out, for example, using appropriate washes.
  • Regeneration column 106b for the amine-containing washing liquid loaded with carbon dioxide in washing column 106a is shown. Furthermore, an optional
  • Washing column 106c for fine cleaning, for example for washing with lye is shown.
  • the removal of carbon dioxide through appropriate washes is basically known. It is therefore not explained separately.
  • a carbon dioxide stream O formed in the carbon dioxide removal unit 106 can be
  • a component mixture remaining after the removal of carbon dioxide in the carbon dioxide removal unit 106 which is in the form of a material flow P and is generally referred to here as the second gas mixture, contains predominantly ethylene,
  • Ethane, hydrogen and carbon monoxide is optionally dried in a dryer 107 and then fed to the hydroformylation 2.
  • propanal is formed from the olefins and the carbon monoxide, which propanal is carried out together with the further components explained in the form of a stream Q from the hydroformylation 2.
  • unconverted ethane and other light compounds such as methane and carbon monoxide can optionally be separated off from material flow Q in a separation 108, and these can be transferred to recycle flow F.
  • separation 108 Alternatives to separation 108 are explained below.
  • the propanal in a hydrogenation 109, can be converted to propanol.
  • the alcohol stream becomes a further, alternative to the separation 108 optional
  • separation 1 10 supplied, where lower-boiling components can also be separated and transferred to the recycle stream F.
  • the hydrogenation 109 can be operated with hydrogen, which is contained in a product stream of the water gas shift 3 and which is carried along in the hydroformylation.
  • the required hydrogen can also be fed in separately in the form of a stream R, in particular from a separation of hydrogen in a pressure swing adsorption 11-1.
  • a product stream from the hydrogenation 109 or the optionally provided separation 110 is fed to a dehydration 112.
  • propylene is formed from the propanol.
  • a product stream S from the dehydration 1 12 is fed to a condensate separation 1 13 and there condensable compounds, especially water.
  • the water can be carried out of the process in the form of a water stream T.
  • the water flows N and T can, if necessary after a suitable treatment, also be fed back to the steam generation process. In this way, for example, at least part of the steam flow B1 can be provided.
  • the gaseous residue remaining after the condensate separation 1 13 is fed to a further separation 1 14, optionally provided as an alternative to the separations 108 and 110, where in particular also unconverted ethane and light
  • a product stream U formed in the separation 114 can be carried out from the process and further process steps can be used, for example for the production of plastics or other further compounds, as indicated here overall with 115.
  • Corresponding processes are known per se and include the use of propylene from process 100 as an intermediate product or starting product in the petrochemical value chain.
  • carbon dioxide is in the form of a material flow F
  • a separation 116 is provided in the embodiment illustrated here, in which a carbon monoxide containing or richer and
  • a further substream F2 formed in the separation 116 which can in particular contain methane and ethane, is fed into the oxidative coupling 1.
  • a separation 1 17 can optionally be provided in which the partial flows F3 and F4 can be formed, which have already been explained above.
  • methane and ethane can be separated from one another in this way, the methane in substream F3 in oxidative coupling 1 being able to be fed to the reactor inlet and the ethane in substream F4 being able to be fed to a reactor zone used for post-catalytic steam splitting.
  • a starting gas mixture was considered as it can in principle be provided by means of the oxidative coupling of methane, but which can also come from other sources.
  • carbon monoxide is typically in the same order of magnitude as the olefin
  • the hydrogen content is not sufficient to
  • a targeted and needs-based setting of the ratio of hydrogen to carbon monoxide is through the use of the inventively provided
  • a corresponding supply of additional additional hydrogen can also come from other sources, e.g. by means of classic reforming or from water electrolysis.
  • the demand for carbon monoxide n total (CO) and the demand for hydrogen n total (H 2 ) in the hydroformylation and hydrogenation reaction cascade are 1 mol of carbon monoxide per 1 mol of ethylene and 2 mol of hydrogen per 1 mol of ethylene.
  • the amount of ethylene in the product stream of the oxidative coupling is n OCM (C 2 H 4 ), the amount of
  • Carbon monoxide n OCM CO
  • P OCM H 2
  • any additional CO and H 2 demand that may be required is optionally covered by an external source, such as a reforming system.
  • the amount of substance from this external source is n external (H 2 ) for hydrogen and n external (CO) for carbon monoxide.
  • Equation VI n total (H 2 ) - n OCM (H 2 ) - n external (H 2 ) (VI)
  • n total (CO) n OCM (C 2 H 4 ) (VI II)
  • n total (H 2 ) 2 n OCM (C 2 H 4 ) (IX)
  • n OCM (C 2 H 4 ) n OCM (CO) + n OCM (H 2 ) + n external (H 2 ) + n external (CO) (X)
  • the OCM product gas ideally fulfills the following equation:
  • n OCM (C 2 H 4 ) n OCM (CO) + n OCM (H 2 ) (XI)

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Abstract

The invention relates to a method (100) for producing a target compound, wherein a first gas mixture is provided which contains at least one olefin with a first carbon number and carbon monoxide, and a second gas mixture, which is formed using at least part of the first gas mixture and contains at least the olefin with the first carbon number, hydrogen, and carbon monoxide, is subjected to one or more reaction steps, thereby obtaining a third gas mixture, which contains a compound with a second carbon number and at least carbon monoxide. The one or more reaction steps include a hydroformylation process (2), and the second carbon number is greater than the first carbon number by one. According to the invention, a carbon monoxide-enriched fourth gas mixture is formed using at least part of the third gas mixture, said fourth gas mixture being depleted of the compound with three carbon atoms in comparison to the third gas mixture; the carbon monoxide in at least one part of the fourth gas mixture is subjected to a water-gas shift reaction (3), thereby forming hydrogen and carbon dioxide; and the hydrogen formed in the water-gas shift reaction is used in the formation of the second gas mixture. The invention likewise relates to a corresponding facility.

Description

Beschreibung description
Verfahren und Anlage zur Herstellung einer Zielverbindung Method and system for establishing a target connection
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zielverbindung, insbesondere von Propylen, und eine entsprechende Anlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. The present invention relates to a method for producing a target compound, in particular propylene, and a corresponding plant according to the preambles of the independent claims.
Das Projekt, das zur vorliegenden Patentanmeldung geführt hat, wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 814557 des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert. The project that led to the present patent application was funded under grant agreement No. 814557 of the European Union's Horizon 2020 research and innovation program.
Stand der Technik State of the art
Die Herstellung von Propylen (Propen) ist in der Fachliteratur, beispielsweise in dem Artikel "Propylene" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Ausgabe 2012, beschrieben. Propylen wird herkömmlicherweise durch Dampfspalten (Steam The production of propylene (propene) is described in the specialist literature, for example in the article "Propylene" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012 edition. Propylene is conventionally produced by steam cracking (Steam
Cracking) von Kohlenwasserstoffeinsätzen und Umwandlungsverfahren im Zuge von Raffinerieprozessen hergestellt. In letzteren Verfahren wird Propylen nicht Cracking) of hydrocarbon feeds and conversion processes in the course of refinery processes. In the latter process, propylene is not used
notwendigerweise in der gewünschten Menge und nur als eine von mehreren necessarily in the desired amount and only as one of several
Komponenten in einem Gemisch mit weiteren Verbindungen gebildet. Andere Components formed in a mixture with other compounds. Other
Verfahren zur Herstellung von Propylen sind ebenfalls bekannt, aber nicht in allen Fällen, beispielsweise hinsichtlich Effizienz und Ausbeute, zufriedenstellend. Processes for the production of propylene are also known, but not in all cases, for example in terms of efficiency and yield, are satisfactory.
Für die Zukunft wird ein steigender Bedarf an Propylen prognostiziert ("Propylen-Gap"), der die Bereitstellung entsprechender selektiver Verfahren erfordert. Gleichzeitig gilt es Kohlendioxidemissionen zu reduzieren oder gar zu verhindern. Als potentieller An increasing demand for propylene is predicted for the future ("propylene gap"), which requires the provision of corresponding selective processes. At the same time, it is important to reduce or even prevent carbon dioxide emissions. As a potential
Feedstock stehen andererseits große Mengen an Methan bereit, die derzeit nur sehr begrenzt einer stofflichen Verwertung zugeführt und überwiegend verbrannt werden. Feedstock, on the other hand, has large quantities of methane available, which are currently only very limited for recycling and mostly incinerated.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein insbesondere in Anbetracht dieser Aspekte verbessertes Verfahren zur Herstellung von Propylen, jedoch auch zur Herstellung anderer organischer Zielverbindungen, insbesondere von The present invention has the object of providing a process for the production of propylene, which is improved in particular in view of these aspects, but also for the production of other organic target compounds, in particular of
Oxoverbindungen wie Aldehyden und Alkoholen mit einem entsprechenden Oxo compounds such as aldehydes and alcohols with a corresponding
Kohlenstoffgrundgerüst, bereitzustellen. Offenbarung der Erfindung Carbon backbone to provide. Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Against this background, the present invention proposes a method for
Herstellung einer Zielverbindung, insbesondere von Propylen, und eine entsprechende Anlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Production of a target compound, in particular propylene, and a corresponding system with the respective features of the independent claims.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Preferred embodiments of the present invention are the subject matter of the dependent claims and the description below.
Grundsätzlich existiert neben den zuvor erwähnten Dampfspaltverfahren eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen und verwandten Verbindungen ineinander, von denen nachfolgend einige exemplarisch genannt werden sollen. In addition to the steam cracking processes mentioned above, there are also a large number of different processes for converting hydrocarbons and related compounds into one another, some of which are to be named below as examples.
Beispielsweise ist die Umwandlung von Paraffinen zu kettenlängengleichen Olefinen durch die oxidative Dehydrierung (ODH, im Falle von Ethan auch als ODHE bezeichnet) bekannt. Die Herstellung von Propylen aus Propan durch Dehydrierung (PDH) ist ebenfalls bekannt und stellt ein kommerziell verfügbares und etabliertes Verfahren dar. Ebendies gilt für die Herstellung von Propylen aus Ethylen durch die Olefinmetathese. Dieses Verfahren erfordert 2-Buten als zusätzliches Edukt. For example, the conversion of paraffins to olefins of the same chain length by oxidative dehydrogenation (ODH, in the case of ethane also referred to as ODHE) is known. The production of propylene from propane by dehydrogenation (PDH) is also known and is a commercially available and established process. This also applies to the production of propylene from ethylene by olefin metathesis. This process requires 2-butene as an additional starting material.
Schließlich existieren sogenannte Methane-to-Olefin- bzw. Methane-to-Propylene- Verfahren (MTO, MTP), in denen aus Methan zunächst Synthesegas hergestellt wird und das Synthesegas anschließend zu Olefinen wie Ethylen und Propylen umgesetzt wird. Entsprechende Verfahren können auf Grundlage von Methan, jedoch auch auf Grundlage von anderen Kohlenwasserstoffen oder kohlenstoffhaltigen Finally, there are so-called methane-to-olefin or methane-to-propylene processes (MTO, MTP), in which synthesis gas is first produced from methane and the synthesis gas is then converted into olefins such as ethylene and propylene. Corresponding processes can be based on methane, but also based on other hydrocarbons or carbonaceous
Ausgangsmaterialien wie Kohle oder Biomasse betrieben werden. Raw materials such as coal or biomass are operated.
Ethylen kann aber auch durch oxidative Kopplung von Methan (OCM) hergestellt werden. Da die oxidative Kopplung von Methan wird in einer bevorzugten However, ethylene can also be produced by the oxidative coupling of methane (OCM). Since the oxidative coupling of methane is preferred
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wird sie nachfolgend zunächst näher erläutert. Die oxidative Kopplung von Methan ist in der Literatur beschrieben, beispielsweise bei J.D. Idol et al., "Natural Gas", in: J.A. Kent (Hrsg.), "Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology", Band 2, 12. Auflage, Springer, New York 2012. Grundsätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber auch eine Bearbeitung von anderen, d.h. nicht durch die oxidative Kopplung bereitgestellten, Gasgemischen möglich und vorteilhaft, wenn diese Gasgemische ein oder mehrere Olefine in einem nennenswerten Gehalt, beispielsweise zu mehr als 10, 20, 30, 40 oder 50 Molprozent und bis zu 80 Molprozent (als Einzel- oder Summenwert) und Kohlenmonoxid in ebensolchen Mengenbereichen enthalten. Wird die vorliegende Erfindung nachfolgend unter spezifischer Bezugnahme auf die oxidative Kopplung von Methan und Ethylen, das in der oxidativen Kopplung gebildet wird, beschrieben, soll hierdurch keine Einschränkung verbunden sein. Embodiment of the present invention is used, it will first be explained in more detail below. The oxidative coupling of methane is described in the literature, for example in JD Idol et al., “Natural Gas”, in: JA Kent (ed.), “Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology”, Volume 2, 12th edition, Springer , New York 2012. In principle, however, also within the scope of the present invention Processing of other gas mixtures, i.e. not provided by the oxidative coupling, is possible and advantageous if these gas mixtures contain one or more olefins in an appreciable amount, for example more than 10, 20, 30, 40 or 50 mol percent and up to 80 mol percent ( as individual or sum values) and carbon monoxide in the same quantity ranges. If the present invention is described below with specific reference to the oxidative coupling of methane and ethylene which is formed in the oxidative coupling, this is not intended to imply any restriction.
Die oxidative Kopplung von Methan umfasst nach derzeitigem Kenntnisstand eine katalysierte Gasphasenreaktion von Methan mit Sauerstoff, bei der von zwei According to the current state of knowledge, the oxidative coupling of methane comprises a catalyzed gas phase reaction of methane with oxygen, in the case of that of two
Methanmolekülen jeweils ein Wasserstoffatom abgespalten wird. Sauerstoff und Methan werden dabei an der Katalysatoroberfläche aktiviert. Die entstehenden Methane molecules each split off one hydrogen atom. Oxygen and methane are activated on the catalyst surface. The emerging
Methylradikale reagieren zunächst zu einem Ethanmolekül. Bei der Reaktion wird ferner ein Wassermolekül gebildet. Bei geeigneten Verhältnissen von Methan zu Sauerstoff, geeigneten Reaktionstemperaturen und der Wahl geeigneter Methyl radicals initially react to form an ethane molecule. A water molecule is also formed during the reaction. With suitable ratios of methane to oxygen, suitable reaction temperatures and the choice of suitable ones
Katalysebedingungen erfolgt anschließend eine Oxydehydrierung des Ethans zu Ethylen, einer Zielverbindung bei der oxidativen Kopplung von Methan. Hierbei wird ein weiteres Wassermolekül gebildet. Der eingesetzte Sauerstoff wird bei den genannten Reaktionen typischerweise vollständig umgesetzt. Under catalytic conditions, the ethane is then oxydehydrogenated to ethylene, a target compound in the oxidative coupling of methane. Another water molecule is formed here. The oxygen used is typically completely converted in the reactions mentioned.
Die Reaktionsbedingungen bei der oxidativen Kopplung von Methan umfassen klassischerweise eine Temperatur von 500 bis 900 °C , einen Druck von 5 bis 10 bar und hohe Raumgeschwindigkeiten. Jüngere Entwicklungen gehen insbesondere auch in Richtung der Verwendung tieferer Temperaturen. Die Reaktion kann homogen- und heterogenkatalytisch im Festbett oder in der Wirbelschicht erfolgen. Bei der oxidativen Kopplung von Methan können auch höhere Kohlenwasserstoffe mit bis zu sechs oder acht Kohlenstoffatomen gebildet werden, der Schwerpunkt liegt jedoch auf Ethan bzw. Ethylen und ggf. noch Propan bzw. Propylen. The reaction conditions for the oxidative coupling of methane typically include a temperature of 500 to 900 ° C., a pressure of 5 to 10 bar and high space velocities. More recent developments go in particular towards the use of lower temperatures. The reaction can be carried out homogeneously or heterogeneously in a fixed bed or in a fluidized bed. In the oxidative coupling of methane, higher hydrocarbons with up to six or eight carbon atoms can also be formed, but the focus is on ethane or ethylene and possibly also propane or propylene.
Insbesondere aufgrund der hohen Bindungsenergie zwischen Kohlenstoff und Especially due to the high binding energy between carbon and
Wasserstoff im Methanmolekül sind die Ausbeuten bei der oxidativen Kopplung von Methan vergleichsweise gering. Typischerweise werden nicht mehr als 10 bis 15% des eingesetzten Methans umgesetzt. Außerdem begünstigen die vergleichsweise harschen Reaktionsbedingungen und Temperaturen, die zur Spaltung dieser Bindungen erforderlich sind, auch die weitere Oxidation der Methylradikale und anderer Intermediate zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Insbesondere die Verwendung von Sauerstoff spielt hier eine Doppelrolle. So ist die Methankonversion von der Hydrogen in the methane molecule, the yields in the oxidative coupling of methane are comparatively low. Typically no more than 10 to 15% of the methane used is converted. In addition, the comparatively harsh reaction conditions and temperatures favor the cleavage of these Bonds are required, including the further oxidation of methyl radicals and other intermediates to carbon monoxide and carbon dioxide. The use of oxygen in particular plays a dual role here. So is the methane conversion from that
Sauerstoffkonzentration in der Mischung abhängig. Die Bildung von Nebenprodukten ist mit der Reaktionstemperatur gekoppelt, da die Totaloxidation von Methan, Ethan und Ethylen bevorzugt bei hohen Temperaturen erfolgt. Oxygen concentration in the mixture depends. The formation of by-products is linked to the reaction temperature, since the total oxidation of methane, ethane and ethylene preferably takes place at high temperatures.
Wenngleich den geringen Ausbeuten und der Bildung von Kohlenmonoxid und Although the low yields and the formation of carbon monoxide and
Kohlendioxid teilweise durch die Wahl optimierter Katalysatoren und angepasster Reaktionsbedingungen entgegengewirkt werden kann, enthält ein bei der oxidativen Kopplung von Methan gebildetes Gasgemisch neben den Zielverbindungen wie Ethylen und ggf. Propylen überwiegend nicht umgesetztes Methan sowie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser. Durch ggf. erfolgende nichtkatalytische Spaltreaktionen können auch beträchtliche Mengen an Wasserstoff enthalten sein. Ein derartiges Gasgemisch wird im hier verwendeten Sprachgebrauch auch als "Produktgemisch" der oxidativen Kopplung von Methan bezeichnet, obwohl es überwiegend nicht die gewünschten Produkte, sondern auch das nicht umgesetzte Edukt Methan und die soeben erläuterten Nebenprodukte enthält. Carbon dioxide can partly be counteracted by the choice of optimized catalysts and adapted reaction conditions, a gas mixture formed during the oxidative coupling of methane contains mainly unconverted methane as well as carbon dioxide, carbon monoxide and water in addition to the target compounds such as ethylene and possibly propylene. Any non-catalytic cleavage reactions that may take place may also contain considerable amounts of hydrogen. In the parlance used here, such a gas mixture is also referred to as a “product mixture” of the oxidative coupling of methane, although it predominantly does not contain the desired products but also the unreacted starting material methane and the by-products just explained.
Bei der oxidativen Kopplung von Methan können Reaktoren eingesetzt werden, in denen einer katalytischen Zone eine nichtkatalytische Zone nachgeschaltet ist. Das aus der katalytischen Zone ausströmende Gasgemisch wird in die nichtkatalytische Zone überführt, wo es zunächst noch bei den vergleichsweise hohen Temperaturen vorliegt, die in der katalytischen Zone eingesetzt werden. Insbesondere durch die Anwesenheit des bei der oxidativen Kopplung von Methan gebildeten Wassers ähneln die Reaktionsbedingungen hier jenen herkömmlicher Dampfspaltverfahren. Daher können hier Ethan und höhere Paraffine zu Olefinen umgesetzt werden. In die nichtkatalytische Zone können auch weitere Paraffine eingespeist werden, so dass die Restwärme der oxidativen Kopplung von Methan in besonders vorteilhafter weise ausgenutzt werden kann. In the oxidative coupling of methane, reactors can be used in which a catalytic zone is followed by a non-catalytic zone. The gas mixture flowing out of the catalytic zone is transferred to the non-catalytic zone, where it is initially still at the comparatively high temperatures that are used in the catalytic zone. In particular, due to the presence of the water formed during the oxidative coupling of methane, the reaction conditions here are similar to those of conventional vapor cracking processes. Therefore ethane and higher paraffins can be converted into olefins here. Further paraffins can also be fed into the non-catalytic zone, so that the residual heat from the oxidative coupling of methane can be used in a particularly advantageous manner.
Ein derartiges gezieltes Dampfspalten in einer der katalytischen Zone Such a targeted vapor splitting in one of the catalytic zones
nachgeschalteten nichtkatalytischen Zone wird auch als "Post Bed Cracking" bezeichnet. Nachfolgend wird hierfür auch der Begriff "postkatalytisches Dampfspalten" verwendet. Ist nachfolgend davon die Rede, dass ein erfindungsgemäß eingesetztes Ausgangsgasgemisch "unter Einsatz" oder "unter Verwendung" einer oxidativen Kopplung von Methan gebildet oder bereitgestellt wird, soll diese Angabe nicht derart verstanden werden, dass bei der Bereitstellung ausschließlich die oxidative Kopplung selbst zum Einsatz kommen muss. Vielmehr können von der Bereitstellung des Ausgangsgasgemischs auch weitere Verfahrensschritte, insbesondere ein downstream non-catalytic zone is also referred to as "post bed cracking". The term “post-catalytic vapor splitting” is also used for this in the following. Is it mentioned below that a used according to the invention Starting gas mixture is formed or provided "using" or "using" an oxidative coupling of methane, this information should not be understood in such a way that only the oxidative coupling itself has to be used in the provision. Rather, further method steps, in particular one, can also be made from the provision of the starting gas mixture
postkatalytisches Dampfspalten, umfasst sein. post-catalytic vapor cracking.
Gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können Paraffine, insbesondere Ethan, die aus beliebigen Stoffströmen an geeigneter Stelle abgetrennt werden oder in entsprechenden Stoffströmen enthalten sein können, alleine oder zusammen mit weiteren Komponenten zum postkatalytischen Dampfspalten zu rückgeführt werden. Die Abtrennung, falls vorgenommen, erfolgt dabei an trenntechnisch geeigneter Stelle, also an einer Position, an der die Abtrennung besonders unaufwendig und insbesondere nichtkryogen möglich ist. Ist nachfolgend davon die Rede, dass Ethan oder ein anderes Paraffin außer Methan "in das Verfahren zurückgeführt" wird, kann hiermit insbesondere eine Rückführung ins postkatalytische Dampfspalten gemeint sein. Methan, das "in das Verfahren zurückgeführt" wird, wird dagegen insbesondere der oxidativen Kopplung von Methan als Einsatz zugeführt.According to particularly preferred embodiments of the present invention, paraffins, in particular ethane, which are separated from any material streams at a suitable point or can be contained in corresponding material streams, can be recycled alone or together with other components for post-catalytic vapor splitting. The separation, if carried out, takes place at a point suitable for separation technology, that is to say at a position at which the separation is particularly inexpensive and in particular non-cryogenic. If it is mentioned below that ethane or another paraffin apart from methane is "returned" to the process, this can in particular mean a return to the post-catalytic vapor splitting. In contrast, methane that is "fed back into the process" is used in particular for the oxidative coupling of methane.
Eine Rückführung kann aber auch gemeinsam und insbesondere zusammen mit Kohlenmonoxid in die oxidative Kopplung insgesamt erfolgen. However, recycling can also take place together and in particular together with carbon monoxide in the oxidative coupling as a whole.
Die Hydroformylierung stellt eine weitere Technologie dar, die insbesondere zur Herstellung von Oxoverbindungen der eingangs genannten Art genutzt wird. Hydroformylation is another technology that is used in particular for the production of oxo compounds of the type mentioned at the beginning.
Typischerweise wird in der Hydroformylierung Propylen umgesetzt, es können jedoch auch höhere Kohlenwasserstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe mit sechs bis elf Kohlenstoffatomen, eingesetzt werden. Die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit vier und fünf Kohlenstoffatomen ist grundsätzlich ebenfalls möglich, aber von geringerer praktischer Bedeutung. Der Hydroformylierung, in der zunächst Aldehyde gebildet werden können, kann sich eine Hydrierung anschließen. Durch eine derartige Hydrierung gebildete Alkohole können anschließend zu den jeweiligen Olefinen dehydratisiert werden. Propylene is typically converted in the hydroformylation, but it is also possible to use higher hydrocarbons, in particular hydrocarbons having six to eleven carbon atoms. The conversion of hydrocarbons with four and five carbon atoms is basically also possible, but of less practical importance. The hydroformylation, in which aldehydes can initially be formed, can be followed by a hydrogenation. Alcohols formed by such a hydrogenation can then be dehydrated to the respective olefins.
Bei Green et al., Catal. Lett. 1992, 13, 341 , ist ein Verfahren zur Herstellung von Propanal aus Methan und Luft beschrieben. Bei dem vorgestellten Verfahren sind grundsätzlich niedrige Ausbeuten bezogen auf Methan zu verzeichnen. Bei dem Verfahren werden eine oxidative Kopplung von Methan (OCM) und eine partielle Oxidation von Methan (POX) zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid vorgenommen, auf die dann eine Hydroformylierung folgt. Das Zielprodukt ist das erwähnte Propanal, welches als solches isoliert werden muss. Eine Limitierung ergibt sich aus der oxidativen Kopplung von Methan zu Ethylen, für die derzeit typischerweise nur geringere Umsätze und begrenzte Selektivitäten erreicht werden. Unterschiede des bei Green et al. beschriebenen Verfahrens zur vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile unten erläutert. In Green et al., Catal. Lett. 1992, 13, 341, a process for the production of propanal from methane and air is described. In the process presented, basically low yields based on methane are recorded. In which In the process, an oxidative coupling of methane (OCM) and a partial oxidation of methane (POX) to hydrogen and carbon monoxide are carried out, which is then followed by hydroformylation. The target product is the mentioned propanal, which has to be isolated as such. One limitation arises from the oxidative coupling of methane to ethylene, for which only lower conversions and limited selectivities are typically achieved at present. Differences in the Green et al. described method for the present invention are explained below with reference to the advantages achievable according to the invention.
Die Hydroformylierungsreaktion in dem soeben erwähnten Verfahren wird an einem typischen Katalysator bei 1 15 0 und 1 bar in einem organischen Lösungsmittel durchgeführt. Die Selektivität zum (unerwünschten) Nebenprodukt Ethan liegt im Bereich von ca. 1 % bis 4%, wohingegen die Selektivität zu Propanal mehr als 95%, typischerweise mehr als 98%, erreichen soll. Eine weitgehende Integration von The hydroformylation reaction in the process just mentioned is carried out over a typical catalyst at 115 ° and 1 bar in an organic solvent. The selectivity for the (undesired) by-product ethane is in the range from approx. 1% to 4%, whereas the selectivity for propanal should reach more than 95%, typically more than 98%. Extensive integration of
Prozessschritten oder die Verwendung des insbesondere bei der oxidativen Kopplung von Methan in großen Mengen als Nebenprodukt gebildeten Kohlendioxids wird hier nicht weiter beschrieben, so dass damit Nachteile gegenüber klassischen Verfahren bestehen. Weil in dem Verfahren die partielle Oxidation als nachgeschalteter Schritt zur oxidativen Kopplung verwendet wird, also eine sequentielle Verschaltung vorliegt, müssen in der partiellen Oxidation große Mengen an nicht umgesetztem Methan aus der oxidativen Kopplung bewältigt oder aufwendig abgetrennt werden. Process steps or the use of carbon dioxide, which is formed in large quantities as a by-product in the oxidative coupling of methane in particular, is not described further here, so that there are disadvantages compared to conventional processes. Because partial oxidation is used as a subsequent step for oxidative coupling in the process, i.e. there is a sequential interconnection, large amounts of unconverted methane from oxidative coupling have to be dealt with in the partial oxidation or separated in a costly manner.
In der US 6,049,01 1 A ist ein Verfahren zur Hydroformylierung von Ethylen No. 6,049.01 1 A describes a process for the hydroformylation of ethylene
beschrieben. Das Ethylen kann insbesondere aus Ethan gebildet werden. Als described. The ethylene can in particular be formed from ethane. When
Zielprodukt kann neben Propanal auch Propionsäure hergestellt werden. Auch eine Dehydratisierung ist möglich. Auch diese Druckschrift offenbart jedoch keine weitergehende Integration und offenbart keine sinnvolle Nutzung des gebildeten Kohlendioxids. In addition to propanal, the target product can also be propionic acid. Dehydration is also possible. However, this publication also does not disclose any further integration and does not disclose any sensible use of the carbon dioxide formed.
Bei der Wassergasshift (engl. Water Gas Shift Reaction, WGSR) wird Kohlenmonoxid mit Wasserdampf unter Bildung von Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt. Es handelt sich um eine exotherme Gleichgewichtsreaktion, wobei bei Bedarf in In the water gas shift reaction (WGSR), carbon monoxide is reacted with water vapor to form carbon dioxide and hydrogen. It is an exothermic equilibrium reaction, with in
Gegenrichtung auch Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Wasser umgesetzt werden kann (engl. Reversed Water Gas Shift, RWGS). Details können beispielsweise den Artikeln "Hydrogen, 2. Production" und "Synthesis Gas" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry entnommen werden. Man unterscheidet bei der Wassergasshift insbesondere zwischen Nieder- und Hochtemperaturverfahren (engl. Low Temperature Shift, LTS, und High Temperature Shift, HTS). In the opposite direction, hydrogen can also be converted with carbon dioxide to carbon monoxide and water (reversed water gas shift, RWGS). Details can be found, for example, in the articles "Hydrogen, 2. Production" and "Synthesis Gas" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. With water gas shift, a distinction is made in particular between low and high temperature processes (Low Temperature Shift, LTS, and High Temperature Shift, HTS).
Für Hochtemperaturverfahren können insbesondere Eisen- oder For high temperature processes, in particular iron or
Chromoxidkatalysatoren eingesetzt werden, die mit einem Einsatzgas mit ca. 350 °C beaufschlagt werden. Es ergibt sich ein Temperaturanstieg auf 400 bis 450 °C aufgrund der Exothermie der Shiftreaktion. Um zu hohe Austrittstemperaturen zu vermeiden, wird die Eintrittstemperatur entsprchend limitiert. Bei Chromium oxide catalysts are used, which are exposed to a feed gas at approx. 350 ° C. The temperature rises to 400 to 450 ° C. due to the exothermic nature of the shift reaction. In order to avoid excessively high outlet temperatures, the inlet temperature is limited accordingly. At
Niedertemperaturverfahren liegt die Einsatzgastemperatur bei ca. 220 °C, und es ist typischerweise eine Kohlendioxidentfernung vorgesehen. Für In low temperature processes, the feed gas temperature is approximately 220 ° C and carbon dioxide removal is typically provided. For
Niedertemperaturverfahren werden typischerweise Kupfer-, Zink- und Aluminium- Mischoxide with Promotoren (z.B. mit Spuren von Kalium) eingesetzt. Typically, low-temperature processes use copper, zinc and aluminum mixed oxides with promoters (e.g. with traces of potassium).
Ein handelsüblicher Katalysator für ein Hochtemperaturverfahren umfasst A commercial catalyst for a high temperature process comprises
beispielsweise ca. 74,2% Dieisentrioxid, 10,0% Dichromtrioxid, 0,2% Magnesiumoxid und flüchtige Komponenten im verbleibenden Rest. Das Chromoxid wirkt zur for example about 74.2% diiron trioxide, 10.0% dichromium trioxide, 0.2% magnesium oxide and volatile components in the remainder. The chromium oxide acts to
Stabilisierung des Eisenoxids und verhindert das Sintern. Im industriellen Maßstab eingesetzte Hochtemperaturreaktoren arbeiten in einem Bereich von Stabilizes the iron oxide and prevents sintering. High temperature reactors used on an industrial scale operate in a range of
Atmosphärendruck bis ca. 8 MPa. Atmospheric pressure up to approx. 8 MPa.
Die typische Zusammensetzung eines kommerziellen Katalysators für ein The typical composition of a commercial catalyst for a
Niedertemperaturverfahren ist 32 bis 33% Kupferoxid, 34 bis 53% Zinkoxid, 15 bis 33% Dialuminiumtrioxid. Die aktive katalytische Spezies ist dabei Kupferoxid und die Funktion des Zinkoxids umfasst die Verhinderung der Vergiftung von Kupfer durch Schwefel. Das Dialuminiumtrioxid verhindert Dispersion und Pelletschrumpfung. Die obere Temperaturgrenze bei Niedertemperaturverfahren ergibt sich aus der Anfälligkeit von Kupfer für thermisches Sintern. Diese niedrigeren Temperaturen reduzieren auch das Auftreten von Nebenreaktionen. Low temperature process is 32 to 33% copper oxide, 34 to 53% zinc oxide, 15 to 33% dialuminum trioxide. The active catalytic species is copper oxide and the function of zinc oxide is to prevent the poisoning of copper by sulfur. The dialuminum trioxide prevents dispersion and pellet shrinkage. The upper temperature limit for low-temperature processes results from the susceptibility of copper to thermal sintering. These lower temperatures also reduce the occurrence of side reactions.
Grundsätzlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung für die Wassergasshift Hoch- und Niedertemperaturverfahren zum Einsatz kommen. Diese richten sich insbesondere auch nach der vorhandenen bzw. nutzbaren Wärmemengen. In principle, in the context of the present invention, high and low temperature processes can be used for the water gas shift. These are also based in particular on the amount of heat available or usable.
Beispielsweise kann in der optional eingesetzten oxidativen Kopplung eine große Menge Wärme des bei hohen Temperaturen gebildeten Produktgemischs beispielsweise zur Vorwärmung des Einsatzes in einem Hochtemperaturverfahren genutzt werden. For example, in the optionally used oxidative coupling, a large amount of heat from the product mixture formed at high temperatures can be used, for example, to preheat the insert in a high-temperature process.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Against this background, the present invention proposes a method for
Herstellung einer Zielverbindung, insbesondere von Propylen, vor, bei dem ein erstes Gasgemisch bereitgestellt wird, das zumindest ein Olefin mit einer ersten Production of a target compound, in particular of propylene, in which a first gas mixture is provided, the at least one olefin with a first
Kohlenstoffzahl und Kohlenmonoxid enthält. Es kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere vorgesehen sein, dass Methan mit Sauerstoff unter Erhalt von Ethylen und von weiteren Komponenten, darunter das genannte Kohlenmonoxid, aber auch ggf. nicht umgesetztes Methan sowie Ethan und Kohlendioxid, einer oxidativen Kopplung unterworfen wird. Das erste Gasgemisch stellt ein Ausgangsgemisch dar, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Herstellung der Zielverbindung weiter bearbeitet wird. Das erste Gasgemisch kann je nach der Art seiner Bereitstellung auch Wasser enthalten. Auch Wasserstoff kann in dem ersten Gasgemisch enthalten sein. Die Anwesenheit von Wasserstoff und anderen Komponenten ist jedoch keine Contains carbon number and carbon monoxide. In the context of the present invention, it can be provided in particular that methane is subjected to oxidative coupling with oxygen to obtain ethylene and other components, including the carbon monoxide mentioned, but also possibly unconverted methane and ethane and carbon dioxide. The first gas mixture represents a starting mixture which is processed further within the scope of the present invention to produce the target compound. The first gas mixture can also contain water, depending on how it is provided. Hydrogen can also be contained in the first gas mixture. However, the presence of hydrogen and other components is not
Voraussetzung, auch wenn nachfolgend ein entsprechendes erstes Gasgemisch als wasserstoffhaltig oder weitere Komponenten enthaltend beschrieben werden sollte. Die oxidative Kopplung kann beispielsweise auch ohne Anwesenheit oder Bildung von Wasserstoff durchgeführt werden. Sie ist, wie mehrfach erwähnt, nicht Prerequisite, even if a corresponding first gas mixture should be described below as containing hydrogen or containing further components. The oxidative coupling can, for example, also be carried out without the presence or formation of hydrogen. As mentioned several times, it is not
notwendigerweise Gegenstand der Erfindung, aber in einer Ausgestaltung vorgesehen. necessarily the subject of the invention, but provided in one embodiment.
Die oxidative Kopplung von Methan ist, wie bereits eingangs erwähnt, ein grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann für die oxidative Kopplung von Methan auf bekannte As already mentioned at the beginning, the oxidative coupling of methane is a method known in principle from the prior art. In the context of the present invention, for the oxidative coupling of methane on known
Verfahrenskonzepte zurückgegriffen werden. Process concepts are used.
Als Methanlieferant für die oxidative Kopplung können in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung (im Wesentlichen) reines Methan oder Erdgas- bzw. In embodiments of the present invention, (essentially) pure methane or natural gas or gas can be used as the methane supplier for the oxidative coupling.
Begleitgasfraktionen unterschiedlicher Aufreinigungsstufen bis hin zu entsprechendem Rohgas verwendet werden. Beispielsweise kann Erdgas auch fraktioniert werden, wobei, wenn eine oxdiative Kopplung eingesetzt wird, Methan in die oxidative Accompanying gas fractions of different purification stages up to the corresponding raw gas can be used. For example, natural gas can also be fractionated, with methane being converted into the oxidative coupling if an oxidative coupling is used
Kopplung selbst und höhere Kohlenwasserstoffe vorzugsweise in ein postkatalytisches Dampfspalten geführt werden können. Als Oxidationsmittel in einem entsprechenden Verfahren wird Sauerstoff besonders bevorzugt. Luft oder sauerstoffangereicherte Luft können grundsätzlich ebenfalls verwendet werden, führen jedoch zu einem Coupling itself and higher hydrocarbons can preferably be fed into a post-catalytic steam cracking. As an oxidizing agent in a corresponding Process, oxygen is particularly preferred. Air or oxygen-enriched air can in principle also be used, but lead to one
Stickstoffeintrag ins System. Eine Abtrennung an geeigneter Stelle im Prozess wäre wiederum vergleichsweise aufwendig und müsste kryogen durchgeführt werden. Entry of nitrogen into the system. A separation at a suitable point in the process would in turn be comparatively expensive and would have to be carried out cryogenically.
In der oxidativen Kopplung kann in den Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, in denen sie eingesetzt wird, ein Verdünnungsmedium, bevorzugt Dampf, aber auch beispielsweise Kohlendioxid, zum Einsatz kommen, insbesondere zur Moderation der Reaktionstemperaturen. Kohlendioxid kann dabei auch (partiell) als Oxidationsmittel dienen. Grundsätzlich ebenfalls als Verdünnungsmittel geeignete Verbindungen wie Stickstoff, Argon und Helium erfordern wiederum eine aufwendige Abtrennung. Beim derzeitigen Stand der Technologie dient aber insbesondere rückgeführtes Methan als Verdünnungsmittel, das nur zu einem vergleichsweise geringen Anteil umgesetzt wird. In the embodiments of the present invention in which it is used, a diluting medium, preferably steam, but also, for example, carbon dioxide, can be used in the oxidative coupling, in particular to moderate the reaction temperatures. Carbon dioxide can also (partially) serve as an oxidizing agent. In principle, compounds that are likewise suitable as diluents, such as nitrogen, argon and helium, again require expensive separation. With the current state of technology, however, recycled methane in particular serves as a diluent, which is only converted to a comparatively small proportion.
In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die oxidative Kopplung insbesondere bei einem Überdruck von 0 bis 30 bar, bevorzugt 0,5 bis 5 bar, und einer Temperatur von 500 bis 1 100 °C, bevorzugt 550 bis 9 50 °C, durchgeführt werden. Grundsätzlich kann auf aus der Fachliteratur bekannte Katalysatoren zurückgegriffen werden, siehe beispielsweise Keller und Bhasin, J. Catal. 1982, 73, 9, Hinsen und Baerns, Chem. Ztg. 1983, 107, 223, Kondratenko et al., Catal. Sei. Technol. 2017, 7, 366-381 . Farrell et al., ACS Catalysis 6, 2016, 7, 4340, Labinger, Catal. Lett. 1 , 1988, 371 , sowie Wang et al., Catalysis Today 2017, 285, 147. In embodiments of the present invention, the oxidative coupling can be carried out in particular at an excess pressure of 0 to 30 bar, preferably 0.5 to 5 bar, and a temperature of 500 to 1100.degree. C., preferably 550 to 950.degree. In principle, it is possible to fall back on catalysts known from the specialist literature, see, for example, Keller and Bhasin, J. Catal. 1982, 73, 9, Hinsen and Baerns, Chem. Ztg. 1983, 107, 223, Kondratenko et al., Catal. Be. Technol. 2017, 7, 366-381. Farrell et al., ACS Catalysis 6, 2016, 7, 4340, Labinger, Catal. Lett. 1, 1988, 371, and Wang et al., Catalysis Today 2017, 285, 147.
Der Umsatz von Methan in der oxidativen Kopplung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bei mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 20%, besonders bevorzugt mehr als 30% und insbesondere bis zu 60% oder 80% liegen. Der besondere Vorteil der Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, in der eine oxidative Kopplung eingesetzt wird, liegt jedoch nicht primär in der erhöhten Ausbeute, sondern darin, dass neben insbesondere auch ein relativ hoher Relativanteil von Kohlenmonoxid in Bezug zu Ethylen in dem Produktgemisch der oxidativen Kopplung, also dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten ersten Gasgemisch, ausgenutzt werden kann, und dass diese durch den Einsatz einer Wassergasshift ausbeuteoptimiert betrieben werden kann, wie unten erläutert. Typische Nebenprodukte der oxidativen Kopplung von Methan sind Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, die im niedrigen bis zweistelligen Prozentbereich gebildet werden. Ein typisches Produktgemisch der oxidativen Kopplung von Methan im Sinne der Erfindung weist beispielsweise folgende Gemischanteile auf: The conversion of methane in the oxidative coupling in the context of the present invention can be in particular more than 10%, preferably more than 20%, particularly preferably more than 30% and in particular up to 60% or 80%. The particular advantage of the embodiments of the present invention in which an oxidative coupling is used, however, is not primarily in the increased yield, but in the fact that, in addition to, in particular, a relatively high relative proportion of carbon monoxide in relation to ethylene in the product mixture of the oxidative coupling, that is, the first gas mixture used in the context of the present invention, can be used, and that this can be operated in a yield-optimized manner by using a water gas shift, as explained below. Typical by-products of the oxidative coupling of methane are carbon monoxide and carbon dioxide, which are formed in the low to double-digit percentage range. A typical product mixture of the oxidative coupling of methane within the meaning of the invention has, for example, the following mixture proportions:
Wasserstoff 0,1 bis 10 Molprozent Hydrogen 0.1 to 10 mole percent
Methan 20 bis 90 Molprozent Methane 20 to 90 mole percent
Ethan 0,5 bis 30 Molprozent Ethane 0.5 to 30 mole percent
Ethylen 5 bis 50 Molprozent Ethylene 5 to 50 mole percent
Kohlenmonoxid 5 bis 50 Molprozent Carbon monoxide 5 to 50 mole percent
Kohlendioxid 0,5 bis 30 Molprozent Carbon dioxide 0.5 to 30 mole percent
Diese Angaben beziehen sich auf den trockenen Anteil des Produktgemischs, das auch insbesondere Wasserdampf aufweisen kann. Weitere Komponenten wie höhere Kohlenwasserstoffe und Aromaten können in Konzentrationen von typischerweise weniger als 5 Molprozent, insbesondere weniger als 1 Molprozent vorhanden sein, Oxigenate - also Aldehyde, Ketone, Ether etc. - können in Spuren, d.h. typischerweise zu weniger als 0,5 Molprozent, insbesondere zu weniger als 0,1 Molprozent, in dem Produktgemisch der oxidativen Kopplung enthalten sein. These details relate to the dry portion of the product mixture, which can also contain water vapor in particular. Further components such as higher hydrocarbons and aromatics can be present in concentrations of typically less than 5 mol percent, in particular less than 1 mol percent, oxygenates - i.e. aldehydes, ketones, ethers, etc. - can be present in traces, i.e. typically less than 0.5 mol percent, in particular less than 0.1 mol percent in the product mixture of the oxidative coupling.
Wie bereits mehrfach erwähnt, kann das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitgestellte erste Gasgemisch auch durch andere Verfahren gebildet werden, bzw. können andere Verfahren an dessen Bildung beteiligt sein. Die Zusammensetzung des Gasgemischs kann dabei insbesondere wie zuvor für das Produktgemisch der oxidativen Kopplung beschrieben sein, aber auch hiervon abweichen. As already mentioned several times, the first gas mixture provided within the scope of the present invention can also be formed by other processes, or other processes can be involved in its formation. The composition of the gas mixture can in particular be as described above for the product mixture of the oxidative coupling, but can also deviate therefrom.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein zweites Gasgemisch, das unter Verwendung zumindest eines Teils des ersten Gasgemischs gebildet wird und zumindest das Olefin mit der ersten Kohlenstoffzahl, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, unter Erhalt eines dritten Gasgemischs, das eine Verbindung mit einer zweiten Kohlenstoffzahl und zumindest Kohlenmonoxid enthält, einem oder mehreren In the context of the present invention, a second gas mixture, which is formed using at least part of the first gas mixture and contains at least the olefin with the first carbon number, hydrogen and carbon monoxide, is obtained with a third gas mixture which is a compound with a second carbon number and at least Contains carbon monoxide, one or more
Umsetzungsschritten, der oder die eine Hydroformylierung umfasst oder umfassen, unterworfen. Sowohl das erste als auch das zweite Gasgemisch können auch Reaction steps which comprise or comprise a hydroformylation are subjected. Both the first and the second gas mixture can also
Kohlendioxid enthalten. Kohlendioxid kann insbesondere bei einer oxidativen Kopplung von Methan gebildet werden, aber aber auch aus anderen Verfahren stammen und auf diese Weise in das erste und/oder zweite Gasgemisch gelangen. Beispielsweise wird auch in der erfindungsgemäßen Wassergasshift Kohlendioxid gebildet. Die Bildung des zweiten Gasgemischs unter Verwendung zumindest eines Teils des ersten Contain carbon dioxide. Carbon dioxide can be formed in particular with an oxidative coupling of methane, but it can also originate from and arise from other processes get into the first and / or second gas mixture in this way. For example, carbon dioxide is also formed in the water gas shift according to the invention. Forming the second gas mixture using at least a portion of the first
Gasgemischs kann insbesondere auch die Abtrennung von Kohlendioxid aus dem ersten Gasgemisch oder einem Teil hiervon umfassen, wobei der verbleibende Rest teilweise oder vollständig zur Bildung des zweiten Gasgemischs verwendet wird. Eine Abtrennung von Kohlendioxid kann auch an geeigneter Stelle weiter stromab erfolgen. Die Bildung des zweiten Gasgemischs umfasst, wie unten erläutert, stets auch die Zugabe von Wasserstoff aus einer erfindungsgemäß eingesetzten Wassergasshift. The gas mixture can in particular also include the separation of carbon dioxide from the first gas mixture or a part thereof, with the remainder being partially or completely used to form the second gas mixture. A separation of carbon dioxide can also take place further downstream at a suitable point. As explained below, the formation of the second gas mixture always also includes the addition of hydrogen from a water gas shift used according to the invention.
Falls die oxidative Kopplung eingesetzt wird, aber auch in anderen Fällen, enthält das erste Gasgemisch ferner nicht umgesetztes Methan und/oder Ethan und/oder höhere Kohlenwasserstoffe, insbesondere Paraffine. Auch Wasserstoff kann enthalten sein. Das dritte Gasgemisch kann neben dem Kohlenmonoxid auch weitere Komponenten, insbesondere Nebenverbindungen, die in dem einen oder den mehreren If the oxidative coupling is used, but also in other cases, the first gas mixture also contains unconverted methane and / or ethane and / or higher hydrocarbons, in particular paraffins. Hydrogen can also be included. In addition to the carbon monoxide, the third gas mixture can also contain other components, in particular secondary compounds that are present in one or more
Umsetzungsschritten gebildet werden, enthalten. Auch aus dem ersten Gasgemisch können Verbindungen, beispielsweise Paraffine wie Methan und/oder Ethan, ohne Umsetzung in dem einen oder den mehreren Umsetzungsschritten in das dritte Gasgemisch gelangen. Implementation steps are formed. Compounds, for example paraffins such as methane and / or ethane, can also get into the third gas mixture from the first gas mixture without conversion in the one or more conversion steps.
Die zweite Kohlenstoffzahl ist durch die Hydroformylierungsreaktion, die Teil des einen oder der mehreren Umsetzungsschritte ist, um eins größer als die erste The second carbon number is one greater than the first due to the hydroformylation reaction that is part of the one or more reaction steps
Kohlenstoffzahl. Wird beispielsweise die oxidative Kopplung eingesetzt, handelt es sich bei dem Olefin mit der ersten Kohlenstoffzahl um Ethylen und bei der Verbindung mit der zweiten Kohlenstoffzahl insbesondere um Propanal, Propanol und/oder Propylen. Carbon number. If, for example, the oxidative coupling is used, the olefin with the first carbon number is ethylene and the compound with the second carbon number is in particular propanal, propanol and / or propylene.
Wie nachfolgend erläutert, können insgesamt zwei, drei (oder mehr) As explained below, a total of two, three (or more)
Umsetzungsschritte vorgesehen sein, umfassend die Hydroformylierung und nachfolgend dazu eine Hydrierung und ggf. zusätzlich eine Dehydratisierung. In jedem dieser Schritte wird eine Verbindung mit der zweiten Kohlenstoffzahl (beispielsweise mit drei Kohlenstoffatomen) gebildet, und zwar in der Hydroformylierung in Form eines Aldehyds (beispielsweise Propanal), in der Hydrierung in Form eines Alkohols Conversion steps can be provided, comprising the hydroformylation and, subsequently, a hydrogenation and, if necessary, additionally a dehydration. In each of these steps a compound with the second carbon number (for example with three carbon atoms) is formed, namely in the hydroformylation in the form of an aldehyde (for example propanal), in the hydrogenation in the form of an alcohol
(beispielsweise Propanol) aus dem Aldehyd, und in der Dehydratisierung in Form eines Olefins (beispielsweise Propylen) aus dem Alkohol. Das dritte Gasgemisch kann also bei Verwendung mehrerer Umsetzungsschritte ein Produktgemisch jedes dieser Umsetzungsschritte sein, also ein Produktgemisch aus der Hydroformylierung, ein Produktgemisch aus der Hydrierung oder ein Produktgemisch aus der (e.g. propanol) from the aldehyde, and in the dehydration in the form of an olefin (e.g. propylene) from the alcohol. The third gas mixture can therefore, when several conversion steps are used, a product mixture of each of these Be conversion steps, so a product mixture from the hydroformylation, a product mixture from the hydrogenation or a product mixture from the
Dehydratisierung. Es ist jeweils nicht ausgeschlossen, dass anschließend an die Bildung des dritten Produktgemischs noch weitere der Umsetzungsschritte Dehydration. It is not excluded in each case that further of the conversion steps following the formation of the third product mixture
vorgenommen werden bzw. dass lediglich die genannten Umsetzungsschritte und nicht noch weitere Umsetzungsschritte oder andere Bearbeitungsschritte wie eine are carried out or that only the implementation steps mentioned and not further implementation steps or other processing steps such as a
Reinigung, Trennung, Trocknung oder dergleichen durchgeführt werden. Cleaning, separation, drying or the like can be carried out.
Auch Verfahren zur Hydroformylierung sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Neuerdings kommen bei entsprechenden Verfahren, wie in der nachfolgend zitierten Literatur beschrieben, typischerweise Rh-basierte Katalysatoren zum Einsatz. Ältere Verfahren setzen zudem Co-basierte Katalysatoren ein. Processes for hydroformylation are also known in principle from the prior art. Recently, Rh-based catalysts have typically been used in corresponding processes, as described in the literature cited below. Older processes also use Co-based catalysts.
Beispielsweise können homogene, Rh(l)-basierte Katalysatoren mit Phosphin- und/oder Phosphitliganden verwendet werden. Es kann sich dabei um monodentate oder bidentate Komplexe handeln. Für die Produktion von Propanal werden For example, homogeneous, Rh (I) -based catalysts with phosphine and / or phosphite ligands can be used. These can be monodentate or bidentate complexes. Be used for the production of propanal
typischerweise Reaktionstemperaturen von 80 bis 150 °C und entsprechende typically reaction temperatures of 80 to 150 ° C and corresponding
Katalysatoren verwendet. Sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen. Catalysts used. All of the methods known from the prior art can also be used within the scope of the present invention.
Die Hydroformylierung arbeitet typischerweise mit einem Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid von 1 :1. Dieses Verhältnis kann jedoch grundsätzlich im Bereich von 0,5:1 bis 10:1 liegen. Die eingesetzten Rh-basierten Katalysatoren können einen Rh- Gehalt von 0,01 bis 1 ,00 Gewichtsprozent aufweisen, wobei die Liganden im The hydroformylation typically works with a ratio of hydrogen to carbon monoxide of 1: 1. However, this ratio can in principle be in the range from 0.5: 1 to 10: 1. The Rh-based catalysts used can have a Rh content of 0.01 to 1.00 percent by weight, the ligands being im
Überschuß vorliegen können. Weitere Details sind in dem Artikel "Propanal" in Excess may be present. Further details are in the article "Propanal" in
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Ausgabe 2012, beschrieben. Die Erfindung ist durch die genannten Verfahrensbedingungen nicht beschränkt. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012 edition. The invention is not restricted by the process conditions mentioned.
In einem weiteren Verfahren, wie es beispielsweise im Kapitel "Hydroformylation" bei Moulijn, Makee & van Diepen, Chemical Process Technology, 2012, 235, beschrieben ist, wird bei einem Rh-basierten Katalysator ein Druck von 20 bis 50 bar und bei einem Co-basierten Katalysator ein Druck von 70 bis 200 bar eingesetzt. Co scheint auch in metallischer Form für die Hydroformylierung relevant zu sein. Andere Metalle sind mehr oder weniger unbedeutend, insbesondere Ru, Mn und Fe. Der in dem genannten Verfahren eingesetzte Temperaturbereich liegt zwischen 370 K bis 440 K. In dem im Kapitel "Synthesis involving Carbon Monoxide" in Weissermel & Arpe, Industrial Organic Chemistry 2003, 135, offenbarten Verfahren werden hauptsächlich Co- und Rh-Phosphinkomplexe eingesetzt. Mit spezifischen Liganden kann die In a further process, as described, for example, in the "Hydroformylation" chapter in Moulijn, Makee & van Diepen, Chemical Process Technology, 2012, 235, a pressure of 20 to 50 bar for a Rh-based catalyst and a pressure of 20 to 50 bar for a Co -based catalyst, a pressure of 70 to 200 bar is used. Co also appears to be relevant for hydroformylation in metallic form. Other metals are more or less insignificant, especially Ru, Mn and Fe. The temperature range used in the process mentioned is between 370 K and 440 K. In the process disclosed in the chapter "Synthesis involving Carbon Monoxide" in Weissermel & Arpe, Industrial Organic Chemistry 2003, 135, mainly Co- and Rh-phosphine complexes are used. With specific ligands, the
Hydroformylierung im wässrigen Medium durchgeführt werden und die Rückgewinnung des Katalysators ist einfach möglich. Hydroformylation can be carried out in an aqueous medium and the recovery of the catalyst is easily possible.
Gemäß Navid et al., Appl. Catal. A 2014, 469, 357, können im Grundsatz alle According to Navid et al., Appl. Catal. A 2014, 469, 357, in principle everyone can
Übergangsmetalle, die zur Bildung von Carbonylen in der Lage sind, als potentielle Hydroformulierungskatalysatoren eingesetzt werden, wobei eine Aktivität nach dieser Veröffenlichung gemäß Rh > Co > Ir, Ru > Os > Pt > Pd > Fe > Ni zu beobachten ist. Transition metals, which are capable of forming carbonyls, are used as potential hydroformulation catalysts, an activity according to this disclosure according to Rh> Co> Ir, Ru> Os> Pt> Pd> Fe> Ni being observed.
Nebenprodukte bei der Hydroformylierung entstehen insbesondere durch die By-products in the hydroformylation arise in particular through the
Hydrierung des Olefins zum korrespondierenden Paraffin, also z.B. von Ethylen zu Ethan, bzw. die Hydrierung des Aldehyds zum Alkohol, also von Propanal zu Propanol. Gemäß dem Artikel "Propanols" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Ausgabe 2012, kann durch die Hydroformylierung gebildetes Propanal als Hauptquelle für 1 -Propanol in der Industrie verwendet werden. In einem zweiten Schritt kann Propanal zu 1 -Propanol hydriert werden. Hydrogenation of the olefin to the corresponding paraffin, e.g. from ethylene to ethane, or the hydrogenation of the aldehyde to alcohol, i.e. from propanal to propanol. According to the article "Propanols" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012 edition, propanal formed by hydroformylation can be used as the main source of 1-propanol in industry. In a second step, propanal can be hydrogenated to 1-propanol.
Allgemein wird, ungeachtet der spezifischen Art, Reihenfolge und Anzahl der genannten Umsetzungsschritte im Rahmen der vorliegenden Erfindung, zumindest unter Verwendung zumindest eines Teils des dritten Gasgemischs ein gegenüber dem dritten Gasgemisch an der Verbindung mit der zweiten Kohlenstoffzahl abgereichertes und an Kohlenmonoxid angereichertes viertes Gasgemisch gebildet. Diese Bildung des vierten Gasgemisches kann insbesondere eine nichtkryogene Abtrennung der In general, regardless of the specific type, sequence and number of the implementation steps mentioned within the scope of the present invention, at least a portion of the third gas mixture is used to form a fourth gas mixture which is depleted in the compound with the second carbon number and enriched in carbon monoxide compared to the third gas mixture. This formation of the fourth gas mixture can, in particular, result in a non-cryogenic separation of the
Verbindung mit der zweiten Kohlenstoffzahl umfassen, so dass leichter siedende Verbindungen in dem vierten Gasgemisch verbleiben. Eine derartige Abtrennung ist insbesondere im Falle der Herstellung eines Aldehyds oder Alkohols als Verbindung mit der zweiten Kohlenstoffzahl aufgrund des vergleichsweise hohen Siedepunkts besonders einfach. Die Abtrennung eines entsprechenden Olefins mit der zweiten Kohlenstoffzahl, beispielsweise von Propylen, von leichter siedenden Verbindungen gestaltet sich trenntechnisch ebenfalls vergleichsweise einfach. Je nach der Include compound with the second carbon number, so that lighter-boiling compounds remain in the fourth gas mixture. Such a separation is particularly simple in the case of the production of an aldehyde or alcohol as a compound with the second carbon number because of the comparatively high boiling point. The separation of a corresponding olefin with the second carbon number, for example propylene, from lower-boiling compounds is likewise comparatively simple in terms of separation technology. Depending on the
Zusammensetzung des dritten Gasgemischs kann das vierte Gasgemisch daher insbesondere Wasserstoff, ggf. Kohlendioxid, Methan, Ethan und ggf. Reste an Ethylen aufweisen. Auch weitere leichter siedende Verbindungen, die in dem einen oder den mehreren Umsetzungsschritten, beispielsweise als Nebenprodukte, gebildet werden, können ebenfalls enthalten sein. Neben der Verbindung mit der zweiten Composition of the third gas mixture, the fourth gas mixture can therefore in particular be hydrogen, possibly carbon dioxide, methane, ethane and possibly residues of ethylene exhibit. Other lower-boiling compounds which are formed in the one or more reaction steps, for example as by-products, can also be included. In addition to connecting with the second
Kohlenstoffzahl verbleiben in einem entsprechenden Rest ggf. weitere Verbindungen mit der zweiten Kohlenstoffzahl und schwerer siedende Verbindungen, falls diese gebildet werden. Carbon number remain in a corresponding residue if necessary further compounds with the second carbon number and higher-boiling compounds, if these are formed.
Ist hier davon die Rede, dass Flüssigkeiten oder Gase bzw. entsprechende Gemische reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sind, soll "reich" für einen Gehalt von wenigstens 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9%, 99,99% oder 99,999% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 10%, 5%, 1%, 0,1%, 0,01% oder 0,001% auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis stehen. Der Begriff "überwiegend" bezeichnet einen Gehalt von wenigstens 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% oder entspricht dem Begriff "reich". Flüssigkeiten und Gase bzw. entsprechende Gemische können im hier verwendeten Sprachgebrauch ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen entsprechenden Gehalt in einem Ausgangsgemisch beziehen. Die Flüssigkeit oder das Gas bzw. das Gemisch ist "angereichert", wenn zumindest der 1 ,1 -fache, 1 ,5-fache, 2-fache, 5-fache, 10-fache, 100-fache oder 1.000-fache Gehalt, "abgereichert", wenn höchstens der 0,9- fache, 0,5-fache, 0,1 -fache, 0,01 -fache oder 0,001 -fache Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf das Ausgangsgemisch, vorliegt. Eine (theoretisch mögliche) vollständige Trennung stellt in diesem Sinne eine Abreicherung auf Null bezüglich einer Komponente in einer Fraktion eines Ausgangsgemischs dar, die daher vollständig in die andere Fraktion übergeht und dort angereichert vorliegt. Auch dies sei von den Begriffen "Anreichern" und "Abreichern" umfasst. If it is mentioned here that liquids or gases or corresponding mixtures are rich or poor in one or more components, "rich" is intended to mean a content of at least 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9 %, 99.99% or 99.999% and "poor" mean a content of no more than 10%, 5%, 1%, 0.1%, 0.01% or 0.001% on a molar, weight or volume basis. The term "predominantly" denotes a content of at least 50%, 60%, 70%, 80% or 90% or corresponds to the term "rich". Liquids and gases or corresponding mixtures can also be enriched or depleted in one or more components in the language used here, these terms referring to a corresponding content in a starting mixture. The liquid or the gas or the mixture is "enriched" if at least 1, 1-fold, 1, 5-fold, 2-fold, 5-fold, 10-fold, 100-fold or 1,000-fold content, "Depleted" if a maximum of 0.9, 0.5, 0.1, 0.01 or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting mixture, is present. In this sense, a (theoretically possible) complete separation represents a depletion to zero with respect to a component in one fraction of a starting mixture, which therefore passes completely into the other fraction and is present in enriched form. This is also included in the terms "enrichment" and "depletion".
Ist hier davon die Rede, dass eine Trennung erfolgt, kann hierbei jederzeit auch eine bloße Anreicherung bestimmter Stoffströme an entsprechenden Komponenten bzw. eine Abreicherung an anderen Komponenten erfolgen. Hierbei können sämtliche dem Fachmann bekannte Technologien verwendet werden, beispielsweise absorptive oder adsorptive Verfahren, Membranverfahren und auf metallorganischen Frameworks basierende Anreicherungs- oder Trennschritte. If it is said here that a separation takes place, a mere enrichment of certain material flows in corresponding components or a depletion in other components can take place at any time. All technologies known to the person skilled in the art can be used here, for example absorptive or adsorptive processes, membrane processes and enrichment or separation steps based on organometallic frameworks.
Wie erwähnt, kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung auch eine As mentioned, in embodiments of the present invention, a
Flydrierung und wahlweise eine Dehydratisierung und/oder weitere Umsetzungsschritte der in der Hydroformylierung gebildeten Komponenten, hier des Aldehyds, zur Flydration and optionally a dehydration and / or further conversion steps of the components formed in the hydroformylation, here the aldehyde, for
Herstellung weiterer Produkte erfolgen. Jedes dieser Produkte kann eine Production of further products take place. Each of these products can have a
Zielverbindung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens darstellen. Represent the target compound of the method proposed according to the invention.
Die Hydrierung von unterschiedlichen ungesättigten Komponenten ist eine bekannte und etablierte Technologie für die Umwandlung von Komponenten mit einer The hydrogenation of different unsaturated components is a well-known and established technology for the conversion of components with a
Doppelbindung in die entsprechenden gesättigten Verbindungen. Typischerweise können dabei sehr hohe oder vollständige Umsetzungen mit Selektivitäten von weit über 90% erreicht werden. Typische Katalysatoren zur Hydrierung von Double bond in the corresponding saturated compounds. Typically, very high or complete conversions with selectivities of well over 90% can be achieved. Typical catalysts for the hydrogenation of
Carbonylverbindungen basieren auf Ni, wie auch beispielsweise im Artikel Carbonyl compounds are based on Ni, as also for example in the article
"Hydrogenation and Dehydrogenation" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial "Hydrogenation and Dehydrogenation" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial
Chemistry, Ausgabe 2012, beschrieben. Speziell für olefinische Komponenten können auch Edelmetallkatalysatoren eingesetzt werden. Hydrierungen gehören zu den Standardreaktionen der technischen Chemie, wie auch beispielsweise bei M. Baerns et al., "Beispiel 1 1 .6.1 : Hydrierung von Doppelbindungen", Technische Chemie 2006,Chemistry, 2012 edition. Noble metal catalysts can also be used especially for olefinic components. Hydrogenations belong to the standard reactions of technical chemistry, as also, for example, in M. Baerns et al., "Example 11.6.1: Hydrogenation of double bonds", Technische Chemie 2006,
439, dargestellt. Die Autoren nennen neben ungesättigten Verbindungen (gemeint sind hier insbesondere Olefine) auch andere Stoffgruppen, wie beispielsweise insbesondere Aldehyde und Ketone als Substrate für eine Hydrierung. Niedrig siedende Stoffe wie Butyraldehyd aus der Hydroformylierung werden in der Gasphase hydriert. Als 439. In addition to unsaturated compounds (meaning olefins in particular), the authors also name other groups of substances, such as, for example, in particular aldehydes and ketones as substrates for a hydrogenation. Low-boiling substances such as butyraldehyde from hydroformylation are hydrogenated in the gas phase. When
Hydrierkatalysatoren kommen hier Ni und bestimmte Edelmetalle wie Pt und Pd, typischerweise in geträgerter Form, zum Einsatz. Hydrogenation catalysts are used here, Ni and certain noble metals such as Pt and Pd, typically in supported form.
Beispielsweise im Artikel "Propanols" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial For example in the article "Propanols" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial
Chemistry, Ausgabe 2012, ist ein heterogener Gasphasenprozess beschrieben, der bei 1 10 bis 1500 und einem Druck von 0,14 bis 1 ,0 MPa bei einem Verhältnis von Wasserstoff zu Propanal von 20:1 durchgeführt wird. Eine Reduktion erfolgt bei überschüssigem Wasserstoff und die Wärme der Reaktion wird durch Umwälzen der Gasphasen durch externe Wärmetauscher oder durch Kühlen des Reaktors im Inneren abgeführt. Der Wirkungsgrad bezogen auf Wasserstoff liegt bei mehr als 90%, die Umwandlung des Aldehyds erfolgt bis zu 99,9% und es ergeben sich Chemistry, 2012 edition, describes a heterogeneous gas phase process that is carried out at 110 to 1500 and a pressure of 0.14 to 1.0 MPa with a ratio of hydrogen to propanal of 20: 1. A reduction takes place with excess hydrogen and the heat of the reaction is dissipated by circulating the gas phases through external heat exchangers or by cooling the reactor inside. The efficiency based on hydrogen is more than 90%, the conversion of the aldehyde takes place up to 99.9% and it results
Alkoholausbeuten von mehr als 99%. Häufig verwendete kommerzielle Katalysatoren beinhalten Kombinationen von Cu, Zn, Ni und Cr, die auf Aluminiumoxid oder Kieselgur geträgert werden. Dipropylether, Ethan und Propylpropionat werden als typische Nebenprodukte, die in Spuren entstehen können, erwähnt. Nach allgemeinem Stand der Technik erfolgt die Hydrierung vorzugsweise insbesondere nur mit stöchiometrischen Mengen Wasserstoff bzw. nur einem geringen Alcohol yields greater than 99%. Commonly used commercial catalysts include combinations of Cu, Zn, Ni and Cr supported on alumina or kieselguhr. Dipropyl ether, ethane and propyl propionate are mentioned as typical by-products that can be formed in traces. According to the general prior art, the hydrogenation is preferably carried out only with stoichiometric amounts of hydrogen or only a small amount
Wasserstoffüberschuss. Excess hydrogen.
Auch Details für entsprechende Flüssigphasenprozesse sind in der Literatur angegeben. Diese werden beispielsweise bei einer Temperatur von 95 bis 1200 und einem Druck von 3,5 MPa durchgeführt. Als Katalysatoren werden typischerweise Ni, Cu, Raney-Ni oder geträgerte Ni-Katalysatoren, die mit Mo, Mn und Na verstärkt sind, bevorzugt. 1 -Propanol kann beispielsweise mit 99,9% Reinheit hergestellt werden. Das Hauptproblem bei der Reinigung von 1 -Propanol ist die Entfernung von Wasser aus dem Produkt. Wird, wie in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, Propanol zu Propylen dehydratisiert, stellt auch in diesem Schritt Wasser eines der Details for corresponding liquid phase processes are also given in the literature. These are carried out, for example, at a temperature of 95 to 1200 and a pressure of 3.5 MPa. Typically Ni, Cu, Raney Ni or supported Ni catalysts which are reinforced with Mo, Mn and Na are preferred as catalysts. For example, 1-propanol can be produced with a purity of 99.9%. The main problem with purifying 1-propanol is removing water from the product. If, as in one embodiment of the present invention, propanol is dehydrated to propylene, water is one of the factors in this step too
Reaktionsprodukte dar, so dass vorab keine Wasserabtrennung erfolgen muss. Die Trennung von Propylen und Wasser gestaltet sich somit einfach. Are reaction products, so that no water has to be separated off beforehand. The separation of propylene and water is therefore easy.
Die Dehydratisierung von Alkoholen an geeigneten Katalysatoren zur Herstellung der entsprechenden Olefine ist ebenfalls bekannt. Insbesondere die Herstellung von Ethylen (aus Ethanol) ist gängig und gewinnt im Zusammenhang mit den The dehydration of alcohols over suitable catalysts to produce the corresponding olefins is also known. In particular, the production of ethylene (from ethanol) is common and gains in connection with the
zunehmenden Produktionsmengen an (Bio-)Ethanol an Bedeutung. Die kommerzielle Anwendung ist durch unterschiedliche Firmen realisiert worden. Beispielsweise sei auf den bereits erwähnten Artikel "Propanols" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry sowie Intratec Solutions, "Ethylene Production via Ethanol Dehydration", Chemical Engineering 120, 2013, 29 verwiesen. Die Dehydratisierung von 1 - oder 2- Propanol zu Propen hat danach bislang keinen praktischen Wert. Dennoch ist die Dehydratisierung von 2-Propanol in Gegenwart von Mineralsäurekatalysatoren bei Raumtemperatur oder darüber sehr leicht zu durchzuführen. Die Reaktion selbst ist endotherm und gleichgewichtslimitiert. Hohe Konversionen werden durch niedrige Drücke und hohe Temperaturen begühstigt. Typischerweise werden heterogene Katalysatoren basierend auf Al2O3 oder SiO2 verwendet. In allgemein sind mehrere Arten von sauren Katalysatoren geeignet und auch z.B. Molekularsiebe und Zeolithe können verwendet werden. Typische Temperaturen liegen im Bereich von 200 bis 250 °C für die Dehydratisierung von Ethanol oder bei 30 0 bis 400 °C für die increasing production quantities of (bio) ethanol in importance. The commercial application has been realized by different companies. For example, reference is made to the already mentioned article “Propanols” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry and Intratec Solutions, “Ethylene Production via Ethanol Dehydration”, Chemical Engineering 120, 2013, 29. The dehydration of 1- or 2-propanol to propene has so far not been of any practical value. Nevertheless, the dehydration of 2-propanol in the presence of mineral acid catalysts can be carried out very easily at room temperature or above. The reaction itself is endothermic and equilibrium limited. High conversions are favored by low pressures and high temperatures. Typically, heterogeneous catalysts based on Al 2 O 3 or SiO 2 are used. In general, several types of acidic catalysts are suitable, and molecular sieves and zeolites, for example, can also be used. Typical temperatures are in the range from 200 to 250 ° C for the dehydration of ethanol or at 30 0 to 400 ° C for the
Dehydratisierung von 2-Propanol oder Butanol. Aufgrund der Dehydration of 2-propanol or butanol. Due to the
Gleichgewichtslimitierung, wird typischerweise der Produktstrom abgetrennt Equilibrium limitation, the product stream is typically separated off
(Abtrennung des Olefinprodukts und auch zumindest teilweise des Wassers durch z.B. Destillation) und der Strom, der unkonvertierten Alkohol enthält, wird zum Reaktoreintritt zurückgeführt. Auf diese Weise können insgesamt sehr hohe (Separation of the olefin product and also at least partially of the water by, for example, distillation) and the stream, which contains unconverted alcohol, is used for Recirculated reactor inlet. This can be very high overall
Selektivitäten und Ausbeuten erzielt werden. Selectivities and yields can be achieved.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Kohlenmonoxid in zumindest einem Teil des vierten Gasgemischs unter Bildung von Wasserstoff und Kohlendioxid einer Wassergasshift unterworfen. Hierbei kann eine Abtrennung bzw. Anreicherung stromauf dieser Wassergasshift erfolgen, wie auch nachfolgend noch erläutert. In der Wassergasshift gebildeter Wasserstoff wird erfindungsgemäß zumindest zum Teil bei der Bildung des zweiten Gasgemischs verwendet und damit dem einen oder zumindest einem der mehreren Umsetzungsschritte zugeführt. In the context of the present invention, carbon monoxide is subjected to a water gas shift in at least part of the fourth gas mixture with the formation of hydrogen and carbon dioxide. Here, a separation or enrichment can take place upstream of this water gas shift, as will also be explained below. According to the invention, hydrogen formed in the water gas shift is at least partly used in the formation of the second gas mixture and is thus fed to the one or at least one of the several conversion steps.
Die vorliegende Erfindung schlägt damit insgesamt (zumindest) die Kopplung eines Hydroformylierungsverfahrens und einer Wassergasshift vor, wobei die The present invention thus proposes overall (at least) the coupling of a hydroformylation process and a water gas shift, the
Hydroformylierung und ggf. anschließende Verfahrensschritte mit Wasserstoff gespeist wird oder werden, der in der Wassergasshift gebildet wird, wobei der Wassergasshift Kohlenmonoxid von stromab der Hydroformylierung, d.h. aus dem dritten bzw. über das vierte Gasgemisch, zugeführt wird. Eine Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bereitstellung des ersten Gasgemischs durch eine oxidative Kopplung von Methan. Hydroformylation and, if applicable, subsequent process steps are or are fed with hydrogen which is formed in the water gas shift, the water gas shift carbon monoxide being supplied from downstream of the hydroformylation, i.e. from the third or via the fourth gas mixture. One embodiment of the invention comprises the provision of the first gas mixture by means of an oxidative coupling of methane.
Besondere Vorteile ergeben sich dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung daraus, dass durch die Wassergasshift mit dem Kohlenmonoxid aus dem dritten bzw. vierten Gasgemisch als Ausgangsmaterial Wasserstoff bedarfsgerecht bereitgestellt werden kann. Hierin besteht ein Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung In der oxidativen Kopplung von Methan, in der Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zwangsläufig als Nebenprodukte gebildet werden, braucht aufgrund der durch die Wassergasshift vorhandenen Einsteilbarkeit dieser Komponenten auf deren Bildung keine Rücksicht genommen werden, sondern die oxidative Kopplung kann unter ausbeuteoptimierten Bedingungen betrieben werden. Daher ist eine entsprechende Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft. In the context of the present invention, particular advantages result from the fact that the water gas shift with the carbon monoxide from the third or fourth gas mixture as the starting material can provide hydrogen as required. This is a main aspect of the present invention.In the oxidative coupling of methane, in which carbon monoxide and carbon dioxide are inevitably formed as by-products, no consideration needs to be given to the formation of these components due to the divisibility of these components due to the water gas shift, but the oxidative coupling can be yield-optimized Conditions are operated. A corresponding embodiment of the present invention is therefore particularly advantageous.
Generell besteht ein besonderer Vorteil im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch darin, dass sich Komponenten aus dem ersten oder zweiten Gasgemisch ohne aufwendige kryogene Trennschritte in der Hydroformylierung und ggf. anschließenden Umsetzungsschritten nutzen lassen. Insbesondere können ggf. gebildete und/oder vorhandene Paraffine und ggf. vorhandenes Methan aus dem ersten oder zweiten Gasgemisch in der Hydroformylierung mitgeführt und anschließend daran einfacher abgetrennt werden bzw. kann Wasserstoff, der optional in dem ersten oder zweiten Gasgemisch enthalten ist, zusätzlich zu dem Wasserstoff aus der Wassergasshift für spätere Hydrierungsschritte genutzt werden. Paraffine und Methan können auf diese Weise einfach zurückgeführt und erneut in einem Reaktionseinsatz verwendet werden, wie bereits zuvor unter Bezugnahme auf die oxidative Kopplung und das In general, a particular advantage within the scope of the present invention is that components from the first or second gas mixture can be used in the hydroformylation and, if necessary, subsequent conversion steps without complex cryogenic separation steps. In particular, any paraffins that have formed and / or present and any methane present can be extracted from the first or second The gas mixture is carried along in the hydroformylation and can then be separated off more easily or hydrogen, which is optionally contained in the first or second gas mixture, can be used in addition to the hydrogen from the water gas shift for later hydrogenation steps. In this way, paraffins and methane can simply be recycled and reused in a reaction feed, as already mentioned above with reference to the oxidative coupling and the
postkatalytische Dampfspalten erläutert. Kohlendioxid kann aus dem ersten post-catalytic vapor cracks explained. Carbon dioxide can come off the first
Gasgemisch oder einem Teil hiervon abgetrennt und in beliebiger Reinheit gewonnen werden. Wie erwähnt, ist aber auch eine Abtrennung weiter stromab, also Gas mixture or a part thereof can be separated and obtained in any purity. As mentioned, there is also a separation further downstream, that is
beispielsweise aus dem zweiten oder dritten Gasgemisch oder jeweils einem Teil davon, möglich. Zielkomponenten aus dem dritten Gasgemisch bzw. Folgegemischen hiervon lassen sich umgekehrt aufgrund der vergleichsweise hohen Siedepunkte einfach von den genannten leichter siedenden Verbindungen abtrennen. for example from the second or third gas mixture or a part thereof in each case. Conversely, due to the comparatively high boiling points, target components from the third gas mixture or subsequent mixtures thereof can be easily separated from the lower-boiling compounds mentioned.
Die vorliegende Erfindung kann in einer Ausgestaltung auch umfassen, dass das Kohlendioxid, das aus dem ersten Gasgemisch oder weiter stromab abgetrennt wurde und zuvor bei der oxidativen Kopplung als Nebenprodukt gebildet worden war, in einem beliebigen Verfahrensschritt, beispielsweise auch einer Trockenreformierung, umgesetzt wird. Bei der Trockenreformierung wird entsprechendes Kohlendioxid zumindest zum Teil mit Methan unter Erhalt von Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff umgesetzt. In one embodiment, the present invention can also include that the carbon dioxide, which was separated from the first gas mixture or further downstream and which had previously been formed as a by-product in the oxidative coupling, is converted in any process step, for example also a dry reforming. In the case of dry reforming, the corresponding carbon dioxide is at least partially converted with methane to obtain carbon monoxide and / or hydrogen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch den Einsatz der Wassergasshift eine präzise Anpassung der jeweiligen Wasserstoff- und/oder Kohlenmonoxidgehalte an den jeweiligen Bedarf an entsprechenden Komponenten in der Hydroformylierung bzw. nachgeschalteter Verfahrensschritte, wie beispielsweise der Hydrierung. By using the water gas shift, the present invention enables precise adaptation of the respective hydrogen and / or carbon monoxide contents to the respective requirement for corresponding components in the hydroformylation or subsequent process steps, such as, for example, the hydrogenation.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Erhöhung der möglichen Ausbeute an Wertprodukten beispielsweise der oxidativen Kopplung durch die Nutzung des The present invention enables an increase in the possible yield of products of value, for example the oxidative coupling, through the use of the
Kohlenmonoxids als Reaktionspartner in der Hydroformylierung und in der Carbon monoxide as a reactant in hydroformylation and in
Wassergasshift. Gleichzeitig wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Aufwand in der Produktaufreinigung und -Zerlegung, insbesondere durch die Vermeidung kryogener Trennschritte, reduziert. Die Trennung insbesondere von C2- und C3- Komponenten kann bei vergleichsweise moderaten Temperaturen und ggf. unter Vermeidung einer Trocknung erfolgen. Insgesamt wird die Energieeffizienz verbessert und es werden großen Kreisläufe, die herkömmlicherweise aufgrund der begrenzten Umsätze in der oxidativen Kopplung erforderlich sind, vermieden bzw. minimiert. Nicht wertschöpfende Schritte wie beispielsweise eine Methanisierung werden dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung vermieden, ebenso wie die Bildung von Neben- und Koppelprodukten wie in anderen Prozessen zur Herstellung von Zielprodukten wie beispielsweise Propylen. Water gas shift. At the same time, within the scope of the present invention, the effort involved in product purification and breakdown, in particular by avoiding cryogenic separation steps, is reduced. The separation of C2 and C3 components in particular can take place at comparatively moderate temperatures and, if necessary, avoiding drying. Overall, the energy efficiency is improved and large cycles, which are conventionally required due to the limited conversions in the oxidative coupling, are avoided or minimized. Steps that do not add value, such as methanation, are avoided within the scope of the present invention, as is the formation of by-products and by-products as in other processes for the production of target products such as propylene.
In dem zuvor erwähnten Artikel von Green et al. ist bereits die Synthese von Propanal aus Methan und Luft beschrieben, wobei eine insgesamt niedrige Ausbeute bezogen auf Methan berichtet wird. In diesem Verfahren kommt eine Verknüpfung von oxidativer Methankopplung und partiellen Oxidation zum Einsatz, gefolgt eben von einer In the aforementioned article by Green et al. the synthesis of propanal from methane and air has already been described, with an overall low yield based on methane being reported. In this process, a combination of oxidative methane coupling and partial oxidation is used, followed by one
Hydroformylierung. Zielprodukt ist Propanal, das als solches isoliert werden muss. Limitierungen sind hier die oxidative Kopplung von Methan zu Ethylen, für die auch heutzutage nur geringe Umsätze und begrenzte Selektivitäten erreicht werden. Eine weitergehende Integration von Prozessschritten ist bei Green et al. nicht beschrieben. Damit sind die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile hier nicht gegeben. Ein bei Green et al. angeführtes Schema führt die partielle Oxidation als nachgeschaltete Einheit zur oxidativen Kopplung auf. Aufgrund dieser sequentiellen Verschaltung müssen daher in der partiellen Oxidation große Methanmengen zu bewältigen, die in der oxidativen Kopplung nicht umgesetzt werden. Die vorliegende Erfindung überwindet durch die vorgeschlagenen Maßnahmen entsprechende Nachteile. Hydroformylation. The target product is propanal, which must be isolated as such. Limitations here are the oxidative coupling of methane to ethylene, for which only low conversions and limited selectivities are achieved nowadays. A more extensive integration of process steps is in Green et al. not described. The advantages that can be achieved according to the invention are therefore not given here. One in Green et al. The scheme listed shows the partial oxidation as a downstream unit for oxidative coupling. Because of this sequential interconnection, large quantities of methane have to be dealt with in the partial oxidation, which are not converted in the oxidative coupling. The present invention overcomes corresponding disadvantages by the proposed measures.
Bei Green et al. ist an keiner Stelle eine Wassergasshift erwähnt, sondern lediglich eine Rückführung von Kohlendioxid in einem Gesamtrecycle zur partiellen Oxidation wird angedeutet. Dabei wird vorgeschlagen, Ethylen, Kohlendioxid und Wasser kryogen aus einem Produktstrom abzutrennen, so dass ein Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltender Rest verbleibt. Dies ist in der Praxis nicht umsetzbar, da es bei einer kryogenen Abtrennung von Kohlendioxid und/oder Wasser zu einer sehr raschen Verlegung durch festes Kohlendioxid bzw. Eis kommen wird. In Green et al. A water gas shift is not mentioned at any point, but merely a return of carbon dioxide in a total recycling for partial oxidation is indicated. It is proposed that ethylene, carbon dioxide and water be cryogenically separated from a product stream so that a residue containing methane, carbon monoxide and hydrogen remains. This cannot be implemented in practice, since a cryogenic separation of carbon dioxide and / or water will result in very rapid relocation through solid carbon dioxide or ice.
Neben fehlenden Ausführungen zu einer Wassergasshift finden sich Ausführungen zu einem entsprechenden Kohlenmonoxidrecycle bei Green et al. ebenfalls nicht. Es wird lediglich ein Kohlenmonoxidrecycle über eine Partialoxidation in den Eintritt der Hydroformylierung skizziert. Wie erwähnt, können in einem Verfahren zur Bereitstellung des In addition to the lack of information on a water gas shift, information on a corresponding carbon monoxide recycling can be found in Green et al. not either. All that is outlined is a carbon monoxide recycling via a partial oxidation in the hydroformylation inlet. As mentioned, in a method for providing the
Ausgangsgasgemischs, beispielsweise in der oxidativen Kopplung, weitere Starting gas mixture, for example in the oxidative coupling, more
Nebenprodukte gebildet werden. Diese können bei entsprechender Eignung, beispielsweise zusammen mit Reaktionswasser, ggf. durch eine Kondensation und/oder eine Wasserwäsche aus einem entsprechenden Produktgemisch der oxidativen Kopplung und damit dem ersten Gasgemisch abgetrennt werden. By-products are formed. If suitable, for example together with water of reaction, these can optionally be separated from a corresponding product mixture of the oxidative coupling and thus the first gas mixture by a condensation and / or water scrubbing.
Kohlendioxid kann aufgrund seiner hohen Wechselwirkung mit geeigneten Carbon dioxide can be suitable due to its high interaction with
Lösungsmitteln bzw. Waschflüssigkeiten ebenso vergleichsweise einfach aus dem Produktgemisch entfernt werden, wobei bekannte Verfahren zur Solvents or washing liquids can also be removed comparatively easily from the product mixture, with known methods for
Kohlendioxidentfernung, insbesondere entsprechende Wäschen (beispielsweise Aminwäschen) zum Einsatz kommen können. Eine kryogene Abtrennung ist nicht erforderlich, so dass das gesamte Verfahren der vorliegenden Erfindung, zumindest einschließlich der Hydroformylierung, ohne kryogene Trennschritte auskommt. Sollten Folgeschritte die Abwesenheit oder nur eine sehr geringe Restkonzentration von Kohlendioxid erfordern (z.B. aufgrund einer Katalysatorinhibierung oder -Vergiftung), kann der Restgehalt an Kohlendioxid nach einer Aminwäsche durch eine optionale Laugewäsche als Feinreinigung anforderungsgemäß weiter reduziert werden. Carbon dioxide removal, in particular appropriate washes (for example amine washes) can be used. A cryogenic separation is not necessary, so that the entire process of the present invention, at least including the hydroformylation, manages without cryogenic separation steps. Should subsequent steps require the absence or only a very low residual concentration of carbon dioxide (e.g. due to catalyst inhibition or poisoning), the residual carbon dioxide content after an amine wash can be further reduced by an optional caustic wash as fine cleaning, as required.
Beliebige im Rahmen der vorliegenden Erfindung anfallende, wasserhaltige Any water-containing products obtained in the context of the present invention
Gasgemische können an jeweils geeigneter Stelle einer Trocknung unterworfen werden. Beispielsweise kann eine Trocknung stromab der Hydroformylierung erfolgen, wenn diese in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in der wässrigen Phase erfolgt und die Hydrierung stromab der Hydroformylierung einen trockenen Strom als Reaktionseinsatz benötigt. Die Trocknung muss, falls dies für die nachfolgenden Verfahrensschritte nicht erforderlich ist, nicht bis zur vollständigen Trockne erfolgen, sondern es können ggf. auch Wassergehalte in entsprechenden Gasgemischen verbleiben, soweit diese tolerabel sind. Auch unterschiedliche Trocknungsschritte können an unterschiedlichen Stellen des Verfahrens und ggf. mit unterschiedlichen Trocknungsgraden vorgesehen werden. Gas mixtures can be subjected to drying at a suitable point in each case. For example, drying can take place downstream of the hydroformylation if, in one embodiment of the present invention, this takes place in the aqueous phase and the hydrogenation downstream of the hydroformylation requires a dry stream as the reaction feed. If this is not necessary for the subsequent process steps, drying does not have to take place until it is completely dry, but water contents can also remain in corresponding gas mixtures, if these are tolerable. Different drying steps can also be provided at different points in the process and possibly with different degrees of drying.
Die Abtrennung der soeben genannten Nebenprodukte erfolgt dabei in vorteilhafter Weise vollständig nichtkryogen und gestaltet sich daher apparativ und hinsichtlich des Energieaufwands ausgesprochen einfach. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber Verfahren gemäß dem Stand der Technik dar, die typischerweise eine aufwendige Abtrennung von in nachfolgenden Verfahrensschritten unerwünschten Komponenten erfordern. The byproducts just mentioned are advantageously separated off completely non-cryogenically and are therefore extremely simple in terms of apparatus and energy consumption. This represents a significant advantage of the present invention over methods according to the prior art, which typically require laborious separation of undesired components in subsequent process steps.
Unter einer "nichtkryogenen" Trennung soll dabei eine Trennung bzw. ein Trennschritt verstanden werden, die bzw. der insbesondere auf einem Temperaturniveau oberhalb von 0 °C, insbesondere bei typischen Kühlwassertemp eraturen von 5 bis 40 °C, insbesondere von 5 bis 25°C, durchgeführt wird, gg f. auch oberhalb von A “non-cryogenic” separation should be understood to mean a separation or a separation step which is in particular at a temperature level above 0 ° C, in particular at typical cooling water temperatures of 5 to 40 ° C, in particular 5 to 25 ° C , is carried out, if necessary also above
Umgebungstemperatur. Insbesondere stellt eine nichtkryogene Trennung im hier verstandenen Sinn aber eine Trennung ohne die Verwendung eines C2- und/oder C3- Kühlkreislaufes dar und sie erfolgt daher oberhalb von -30°C, insbesondere oberhalb von -20°C. Ambient temperature. In particular, a non-cryogenic separation in the sense understood here represents a separation without the use of a C2 and / or C3 cooling circuit and it therefore takes place above -30 ° C, in particular above -20 ° C.
Als Komponenten liegen in einem entsprechenden ersten Gasgemisch, wenn es aus einer oxidativen Kopplung stammt, typischerweise neben dem Olefin nicht If it comes from an oxidative coupling, there are typically no components in a corresponding first gas mixture in addition to the olefin
umgesetztes Methan, Ethan und Kohlenmonoxid vor. Entsprechende Komponenten können aber auch aus anderen Verfahren stammen, wie erwähnt. Diese Verbindungen können ohne Probleme in die nachfolgende Hydroformylierung überführt werden. Paraffine wie Methan und Ethan werden typischerweise in der Hydroformylierung nicht umgesetzt. Da in der Hydroformylierung schwerere Verbindungen mit höherem converted methane, ethane and carbon monoxide. However, corresponding components can also come from other processes, as mentioned. These compounds can be converted into the subsequent hydroformylation without problems. Paraffins such as methane and ethane are typically not converted in the hydroformylation. Since in the hydroformylation heavier compounds with higher
Siedepunkt bzw. anderer Polarität gebildet werden, können diese vergleichsweise einfach, und ebenfalls nichtkryogen von den verbleibenden leichter siedenden Boiling point or other polarity are formed, these can be comparatively simple and also non-cryogenic from the remaining lower-boiling ones
Komponenten abgetrennt werden. Anstelle einer vollständigen Abtrennung kann auch eine Anreicherung bestimmter Stoffströme an entsprechenden Komponenten bzw. eine Abreicherung an anderen Komponenten erfolgen. Hierbei können sämtliche dem Fachmann bekannte Technologien verwendet werden, beispielsweise absorptive oder adsorptive Verfahren, Membranverfahren und auf metallorganischen Frameworks basierende Anreicherungs- oder Trennschritte. Wie erwähnt, wird davon zumindest das Kohlenmonoxid in der Wassergasshift umgesetzt und gebildeter Wasserstoff kann der Hydroformylierung bzw. nachfolgenden Umsetzungsschritten wie der Hydrierung zugeführt werden. Components are separated. Instead of a complete separation, it is also possible for certain material flows to be enriched in corresponding components or in other components to be enriched. All technologies known to the person skilled in the art can be used here, for example absorptive or adsorptive processes, membrane processes and enrichment or separation steps based on organometallic frameworks. As mentioned, at least the carbon monoxide of this is converted in the water gas shift and the hydrogen formed can be fed to the hydroformylation or subsequent conversion steps such as the hydrogenation.
Insbesondere Methan und Ethan, bzw. allgemeiner ein oder mehrere Paraffine, kann oder können in Ausgestaltungen der Erfindung in das Verfahren zurückgeführt werden, beispielsweise in die ggf. verwendete oxidative Kopplung an den genannten Stellen, oder auch in andere Verfahrensschritte. Ethan dabei braucht nicht notwendigerweise in einen separaten Reaktorabschnitt zum postkatalytischen Dampfspalten zurückgeführt werden, sondern kann auch ungetrennt von dem Methan in die oxidative Kopplung insgesamt zurückgeführt werden. Zuvor erfolgt jedoch insbesondere eine T rennung in eine Kohlenmonoxidfraktion und eine Fraktion, die Methan und Ethan bzw. das eine oder die mehreren Paraffine enthält. In particular methane and ethane, or more generally one or more paraffins, can or can be fed back into the process in embodiments of the invention, for example into the oxidative coupling that may be used at the points mentioned, or into other process steps. Ethane does not necessarily need to be in a separate reactor section can be returned for post-catalytic steam splitting, but can also be returned to the oxidative coupling as a whole without being separated from the methane. Before this, however, there is in particular a separation into a carbon monoxide fraction and a fraction that contains methane and ethane or the one or more paraffins.
Allgemein enthält das vierte Gasgemisch insbesondere ein oder mehrere Paraffine, wobei in einer Trennung unter Verwendung zumindest eines Teils des vierten In general, the fourth gas mixture contains in particular one or more paraffins, in a separation using at least part of the fourth
Gasgemischs ein fünftes Gasgemisch gebildet wird, das gegenüber dem vierten Gasgemisch an dem einen oder den mehreren Paraffinen abgereichert und an Gas mixture, a fifth gas mixture is formed which, compared to the fourth gas mixture, is depleted in the one or more paraffins
Kohlenmonoxid angereichert ist, wobei das fünfte Gasgemisch zumindest zum Teil der Wassergasshift zugeführt wird. Carbon monoxide is enriched, the fifth gas mixture being at least partially fed to the water gas shift.
Im Detail kann das vierte Gasgemisch also insbesondere Methan und ein oder mehrere weitere Paraffine enhalten, wobei das Kohlenmonoxid in zumindest einem Teil des vierten Gasgemisch dadurch der Wassergasshift unterworfen wird, dass es in eine Folgefraktion überführt und erst diese der Wassergasshift unterworfen wird. So enthält das vierte Gasgemisch insbesondere Methan und ein oder mehrere weitere Paraffine, wobei in einer Trennung unter Verwendung zumindest eines Teils des vierten In detail, the fourth gas mixture can thus in particular contain methane and one or more further paraffins, the carbon monoxide in at least part of the fourth gas mixture being subjected to the water gas shift in that it is converted into a subsequent fraction and only this is subjected to the water gas shift. The fourth gas mixture thus contains in particular methane and one or more further paraffins, in a separation using at least part of the fourth
Gasgemischs ein fünftes Gasgemisch gebildet wird, das gegenüber dem vierten Gasgemisch an Methan und dem wenigstens einen Paraffin abgereichert und an Kohlenmonoxid angereichert ist und das fünfte Gasgemisch zumindest zum Teil der Wassergasshift zugeführt wird. Wie erwähnt, kann der Begriff der "Trennung" auch eine Bildung entsprechender Fraktionen ohne vollständige Trennung umfassen. Gas mixture, a fifth gas mixture is formed which is depleted in methane and the at least one paraffin and enriched in carbon monoxide compared to the fourth gas mixture and the fifth gas mixture is at least partially fed to the water gas shift. As mentioned, the term “separation” can also include the formation of corresponding fractions without complete separation.
In der Trennung, in der das fünfte Gasgemisch gebildet wird, wird vorteilhafterweise auch ein sechstes Gasgemisch gebildet, das gegenüber dem vierten Gasgemisch an dem einen oder den mehreren Paraffinen angereichert und an Kohlenmonoxid abgereichert ist, wobei zumindest ein Teil des sechsten Gasgemischs bei der In the separation in which the fifth gas mixture is formed, a sixth gas mixture is advantageously also formed, which is enriched in the one or more paraffins and depleted in carbon monoxide compared to the fourth gas mixture, with at least a part of the sixth gas mixture in the
Bereitstellung des ersten Gasgemischs verwendet wird. Beispielsweise kann dieses sechste Gasgemisch zumindest teilweise der oxidativen Kopplung von Methan und/oder einem weiteren zur Bereitstellung des ersten Gasgemischs verwendeten Verfahrensschritt, insbesondere dem postkatalytischen Dampfspalten, unterworfen werden. Bei Einsatz einer derartigen Trennung kann, wenn das sechste Gasgemisch Methan enthält, unter Verwendung zumindest eines Teils des sechsten Gasgemischs eine erste, Methan enthaltende Fraktion und eine zweite, das eine oder die mehreren Paraffine enthaltende Fraktion gebildet werden, wobei die erste Fraktion zumindest zum Teil der oxidativen Kopplung von Methan und die zweite Fraktion zumindest zum Teil einem postkatalytischen Dampfspaltschritt stromab der oxidativen Kopplung von Methan unterworfen wird. Die entsprechenden Fraktionen sind jeweils Provision of the first gas mixture is used. For example, this sixth gas mixture can at least partially be subjected to the oxidative coupling of methane and / or to a further method step used to provide the first gas mixture, in particular the post-catalytic vapor splitting. If such a separation is used, if the sixth gas mixture contains methane, a first fraction containing methane and a second fraction containing one or more paraffins can be formed using at least part of the sixth gas mixture, the first fraction at least partially the oxidative coupling of methane and the second fraction is at least partially subjected to a post-catalytic vapor cracking step downstream of the oxidative coupling of methane. The appropriate fractions are each
vorteilhafterweise im Wesentlichen frei von den anderen Verbindungen. advantageously essentially free of the other compounds.
Die vorliegende Erfindung kann in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung eine Energieintegration, also eine Kopplung von Wärmeströmen für endo- und exotherme Reaktionen umfassen. Exotherme Reaktionen sind dabei insbesondere die oxidative Kopplung, falls verwendet, und die Hydroformylierung. Auch bei der Wassergasshift handelt es sich um eine exotherme Reaktion. Eine zur Bereitstellung zusätzlichen Wasserstoffs ggf. vorgesehene Reformierung und die Dehydratisierung sind dagegen endotherme Reaktionen. In der vorliegenden Erfindung, in der eine oxidative Kopplung vorgenommen wird, erscheint insbesondere die Nutzung der Abwärme hieraus für andere Verfahren von Vorteil, da diese auf einem vergleichsweise hohen In a particularly advantageous development, the present invention can include energy integration, that is to say a coupling of heat flows for endothermic and exothermic reactions. Exothermic reactions are in particular the oxidative coupling, if used, and the hydroformylation. The water gas shift is also an exothermic reaction. On the other hand, reforming and dehydration, which may be provided to provide additional hydrogen, are endothermic reactions. In the present invention, in which an oxidative coupling is carried out, the use of the waste heat from this appears to be of particular advantage for other processes, since these are at a comparatively high level
Temperaturniveau von typischerweise mehr als 800 °C erfolgt. Temperature level of typically more than 800 ° C takes place.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der in der Hydroformylierung gebildete Aldehyd die Zielverbindung darstellen, oder dieser Aldehyd kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiter zu einer eigentlich gewünschten Zielverbindung umgesetzt werden. Insbesondere die letztere Variante stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In the context of the present invention, the aldehyde formed in the hydroformylation can be the target compound, or in the context of the present invention this aldehyde can be converted further into an actually desired target compound. The latter variant in particular represents a particularly preferred embodiment of the present invention.
Insbesondere kann bei der Umsetzung des Aldehyds zu der Zielverbindung dabei zunächst der Aldehyd zu einem Alkohol hydriert werden, der eine Kohlenstoffkette mit der zweiten Kohlenstoffzahl, also derselben Kohlenstoffanzahl wie der Aldehyd, aufweist. Eine entsprechende Verfahrensvariante ist besonders vorteilhaft, weil für diese in dem Verfahren selbst gebildeter Wasserstoff verwendet werden kann, der bereits stromauf der Hydroformylierung in einem Einsatzgemisch vorliegen und durch die Hydroformylierung geführt werden kann. An beliebiger geeigneter Stelle kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Ausgestaltungen eine Einspeisung von Wasserstoff erfolgen, insbesondere stromauf der optional vorgesehenen Hydrierung. Wasserstoff steht auf diese Weise für diese Hydrierung zur Verfügung. Die Einspeisung braucht nicht unmittelbar stromauf der Hydrierung zu erfolgen; vielmehr kann Wasserstoff auch durch stromauf der In particular, during the conversion of the aldehyde to the target compound, the aldehyde can first be hydrogenated to an alcohol which has a carbon chain with the second carbon number, that is to say the same carbon number as the aldehyde. A corresponding process variant is particularly advantageous because it can use hydrogen formed in the process itself, which is already present in a feed mixture upstream of the hydroformylation and can be passed through the hydroformylation. In the process according to the invention and its embodiments, hydrogen can be fed in at any suitable point, in particular upstream of the optionally provided hydrogenation. In this way, hydrogen is available for this hydrogenation. The feed does not have to take place immediately upstream of the hydrogenation; Rather, hydrogen can also by upstream of the
Hydrierung vorliegende bzw. durchgeführte Verfahrens- bzw. Trennschritte zugespeist werden. Wasserstoff kann beispielsweise auch bereits in dem ersten Gasgemisch enthalten sein, und zumindest ein Teil dieses Wasserstoffs kann in der Hydrierung verwendet werden. Wasserstoff kann desweiteren aber auch aus einem Teilstrom eines Produktstroms der Wassergasshift abgetrennt bzw. als ein entsprechender Teilstrom gebildet werden, beispielsweise durch an sich bekannte Trennschritte wie Druckwechseladsorption. Hydrogenation present or carried out process or separation steps are fed. Hydrogen can, for example, already be contained in the first gas mixture, and at least part of this hydrogen can be used in the hydrogenation. Furthermore, hydrogen can also be separated from a partial flow of a product flow of the water gas shift or formed as a corresponding partial flow, for example by separation steps known per se, such as pressure swing adsorption.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt bei der Umsetzung des Aldehyds zur eigentlichen Zielverbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Dehydratisierung des durch die Hydrierung gebildeten Alkohols zu einem weiteren Olefin (bezogen auf das frühere, in dem Ausgangsgasgemisch enthaltene Olefin), wobei das weitere Olefin, insbesondere Propylen, eine According to a further embodiment of the present invention, during the conversion of the aldehyde to the actual target compound of the process according to the invention, the alcohol formed by the hydrogenation is dehydrated to a further olefin (based on the earlier olefin contained in the starting gas mixture), the further olefin, in particular Propylene, one
Kohlenstoffkette mit der erwähnten zweiten Kohlenstoffzahl, also der Kohlenstoffzahl des zuvor gebildeten Aldehyds und des hieraus gebildeten Alkohols, aufweist. Carbon chain with the mentioned second carbon number, ie the carbon number of the previously formed aldehyde and of the alcohol formed therefrom.
Insbesondere der bei der Umsetzung des Aldehyds gebildete Alkohol kann In particular, the alcohol formed in the reaction of the aldehyde can
vergleichsweise einfach von nicht umgesetztem Paraffin abgetrennt werden. Auf diese Weise kann auch hier nichtkryogen ein Rückführstrom des Paraffins gebildet und beispielsweise in die oxidative Kopplung zurückgeführt werden. can be separated comparatively easily from unreacted paraffin. In this way, a return flow of the paraffin can also be formed here non-cryogenically and, for example, returned to the oxidative coupling.
Die vorliegende Erfindung erlaubt in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung die Nutzung sämtlicher Komponenten von Erdgas. Hierzu können beliebige In a particularly preferred embodiment, the present invention allows the use of all components of natural gas. Any
Erdgasfraktionen oder Roherdgas verwendet werden, wie bereits zuvor zur oxidativen Kopplung von Methan erläutert. So können unter Verwendung von Erdgas eine Methan enthaltende Erdgasfraktion und eine Ethan enthaltende Erdgasfraktion gebildet werden, wobei die Methan enthaltende Erdgasfraktion der oxidativen Kopplung von Methan und die Ethan enthaltende Erdgasfraktion vorzugsweise dem postkatalytischen Dampf spaltschritt unterworfen werden. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung wurden ebenfalls grundsätzlich bereits erwähnt. Insbesondere kann das Kohlendioxid zumindest zum Teil nichtkryogen aus dem ersten Gasgemisch oder stromab hiervon abgetrennt und anderweitig verwendet und beispielswseise aufgereinigt werden. Das Kohlenmonoxid und das Olefin in dem verbleibenden Rest des Ausgangsgasgemisch und ggf. weitere Komponenten in diesem, können zumindest zum Teil ohne eine vorherige Trennung voneinander der Hydroformylierung unterworfen werden. Allgemeiner gesprochen können also das Olefin mit der ersten Kohlenstoffzahl und das Kohlenmonoxid aus dem ersten Gasgemisch zumindest teilweise ungetrennt voneinander in dem zweiten Gasgemisch der Hydroformylierung unterworfen werden. Wie erwähnt, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine vollständige nichtkryogene Trennung erhaltener Gasgemische erzielt werden. Dies gilt nicht notwendigerweise für die zuvor erwähnte Trennung von Erdgas in die Methanfraktion und die Fraktion mit schwereren Kohlenwasserstoffen. Natural gas fractions or raw gas are used, as explained above for the oxidative coupling of methane. Thus, using natural gas, a methane-containing natural gas fraction and an ethane-containing natural gas fraction can be formed, the methane-containing natural gas fraction being subjected to the oxidative coupling of methane and the ethane-containing natural gas fraction preferably being subjected to the post-catalytic steam cracking step. Further aspects of the present invention have also already been mentioned in principle. In particular, the carbon dioxide can at least partially be separated non-cryogenically from the first gas mixture or downstream thereof and used in some other way and, for example, purified. The carbon monoxide and the olefin in the remainder of the starting gas mixture and, if appropriate, further components in this, can at least in part be subjected to the hydroformylation without prior separation from one another. More generally speaking, the olefin with the first carbon number and the carbon monoxide from the first gas mixture can therefore be subjected to the hydroformylation in the second gas mixture at least partially unseparated from one another. As mentioned, a complete non-cryogenic separation of gas mixtures obtained can in principle be achieved within the scope of the present invention. This does not necessarily apply to the aforementioned separation of natural gas into the methane fraction and the fraction with heavier hydrocarbons.
Wie bereits erwähnt, kann das Ausgangsgasgemisch insbesondere Methan und ein Paraffin enthalten, wobei zumindest ein Teil des Methans und des Paraffins die Hydroformylierung unumgesetzt durchlaufen können. Dieser Teil kann, wie zuvor im Detail erwähnt, stromab der Hydroformylierung abgetrennt und zurückgeführt werden. Die Abtrennung kann je nach Zweckmäßigkeit direkt stromab der Hydroformylierung, d.h. vor jedem der Hydroformylierung nachfolgenden Verfahrensschritt, oder stromab eines der Hydroformylierung nachfolgenden Verfahrensschritts, beispielsweisweise nach einer Hydrierung oder Dehydratisierung, aber auch nach beliebigen Trenn- oder Aufbereitungsschritten, erfolgen. As already mentioned, the starting gas mixture can in particular contain methane and a paraffin, with at least some of the methane and the paraffin being able to pass through the hydroformylation unconverted. As mentioned in detail above, this part can be separated off and recycled downstream of the hydroformylation. Depending on the expediency, the separation can take place directly downstream of the hydroformylation, i.e. before each process step following the hydroformylation, or downstream of a process step following the hydroformylation, for example after a hydrogenation or dehydration, but also after any separation or processing steps.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, wie bereits erwähnt, eine in der Wassergasshift gebildete Wasserstoffmenge an einen Wasserstoffbedarf in der Hydroformylierung und/oder Hydrierung angepasst werden. Gerade darin liegt ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung. In the context of the present invention, as already mentioned, an amount of hydrogen formed in the water gas shift can be adapted to a hydrogen requirement in the hydroformylation and / or hydrogenation. This is precisely where a particular advantage of the present invention lies.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das erste Gasgemisch, insbesondere nach einer bei der Bereitstellung des ersten In a particularly preferred embodiment of the present invention, the first gas mixture, in particular after one when the first
Gasgemischs erfolgenden Kondensatabtrennung auf ein Druckniveau verdichtet, auf dem die Hydroformylierung durchgeführt und ggf. das Kohlendioxid abgetrennt wird. Zwischen der ggf. vorgesehenen Abtrennung von Kohlendioxid und der Hydroformylierung können auch zusätzliche Zwischenschritte vorgesehen sein. Die Wassergasshift wird in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindug auf einem geringeren Druckniveau durchgeführt, so dass das Druckniveau der Hydroformylierung und ggf. der Kohlendioxidentfernung das höchste der Druckniveaus darstellt. Auf diese Weise kann auf eine weitere Verdichtung verzichtet werden. Die Bereitstellung des ersten Gasgemischs erfolgt, falls die oxidative Kopplung eingesetzt wird, Gas mixture taking place condensate separation is compressed to a pressure level at which the hydroformylation is carried out and optionally the carbon dioxide is separated off. Between the possibly provided separation of carbon dioxide and the Hydroformylation can also be provided with additional intermediate steps. In one embodiment of the present invention, the water gas shift is carried out at a lower pressure level, so that the pressure level of the hydroformylation and possibly the carbon dioxide removal represents the highest of the pressure levels. In this way, further compression can be dispensed with. The first gas mixture is provided if oxidative coupling is used,
vorteilhafterweise auf dem zuvor zur oxidativen Kopplung von Methan angegebenen Druckniveau und die Hydroformylierung wird vorteilhafterweise auf einem Druckniveau von 15 bis 100 bar, insbesondere von 20 bis 50 bar, durchgeführt. advantageously at the pressure level specified above for the oxidative coupling of methane and the hydroformylation is advantageously carried out at a pressure level of 15 to 100 bar, in particular 20 to 50 bar.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anlage zur Herstellung einer Zielverbindung, bezüglich derer auf den entsprechenden unabhängigen The present invention also extends to a system for establishing a target connection, with respect to which the corresponding independent
Patentanspruch ausdrücklich verwiesen wird. Eine entsprechende Anlage, die vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde, profitiert von den zuvor bereits erwähnten Vorteilen in gleicher Weise. Claim is expressly referenced. A corresponding system, which is preferably set up to carry out a method, as previously explained in different configurations, benefits in the same way from the advantages already mentioned above.
Die Anlage weist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eine In a particularly preferred embodiment, the system has a
Reaktoranordnung auf, die dafür eingerichtet ist, das erste Gasgemisch unter Reactor assembly, which is set up, the first gas mixture under
Verwendung einer oxidativen Kopplung von Methan bereitzustellen. Use of an oxidative coupling of methane to provide.
Die Erfindung wird nachfolgend zunächst unter Bezugnahme auf die beigeführte Zeichnung näher erläutert, welche eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Daran anschließend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das insbesondere unter Verwendung des in der Zeichnung veranschaulichten Verfahrens durchgeführt wird. The invention is first explained in more detail below with reference to the accompanying drawing, which illustrates a preferred embodiment of the present invention. An exemplary embodiment of the invention will then be explained in more detail, which is carried out in particular using the method illustrated in the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans. FIG. 1 illustrates a method according to an embodiment of the invention in the form of a schematic flow chart.
Ist nachfolgend von Verfahrensschritten wie der oxidativen Kopplung von Methan, der Wassergasshift oder der Hydroformylierung die Rede, sollen hierunter auch die jeweils für diese Verfahrensschritte verwendeten Apparate (insbesondere z.B. Reaktoren, Kolonnen, Wascheinrichtungen usw.) verstanden werden, auch wenn hierauf nicht ausdrücklich Bezug genommen wird. Allgemein gelten die das Verfahren betreffenden Erläuterungen für eine entsprechende Anlage jeweils in gleicher Weise. If process steps such as the oxidative coupling of methane, water gas shift or hydroformylation are mentioned below, this should also include the apparatus used for these process steps (in particular reactors, columns, washing devices, etc.), even if they are not is expressly referred to. In general, the explanations relating to the method apply in the same way to a corresponding installation.
Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel der oxidativen Kopplung zur Bereitstellung des ersten Gasgemischs beschrieben. Dies bedingt eine Kohlendioxidabtrennung. Wie mehrfach erwähnt, ist die Erfindung hierauf aber nicht beschränkt. The invention is described below using the example of oxidative coupling for providing the first gas mixture. This requires a separation of carbon dioxide. As mentioned several times, the invention is not limited to this.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
In Figur 1 ist ein Verfahren gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. In FIG. 1, a method according to a particularly preferred embodiment of the present invention is illustrated in the form of a schematic flow chart and is designated as a whole by 100.
Zentrale Verfahrensschritte bzw. Komponenten des Verfahrens 100 sind eine oxidative Kopplung von Methan, die hier insgesamt mit 1 bezeichnet ist, sowie eine Central method steps or components of method 100 are an oxidative coupling of methane, denoted here as a whole by 1, as well as a
Flydroformylierung, die hier insgesamt mit 2 bezeichnet ist. Ferner umfasst das Verfahren 100 eine Wassergasshift, hier insgesamt mit 3 bezeichnet. Flydroformylation, denoted overall by 2 here. The method 100 further comprises a water gas shift, denoted here as a whole by 3.
Dem Verfahren 100 bzw. der oxidativen Kopplung von Methan 1 wird im dargestellten Beispiel ein Methanstrom A zugeführt. Anstelle des Methanstroms A oder zusätzlich hierzu können jedoch auch ein Roherdgasstrom B bereitgestellt werden. Der In the example shown, a methane stream A is fed to process 100 or the oxidative coupling of methane 1. Instead of the methane stream A or in addition to this, however, a raw gas stream B can also be provided. The
Roherdgasstrom B kann bei Bedarf mittels beliebiger Aufbereitungsschritte 101 aufbereitet werden. Ein entsprechend bereitgestellter Einsatzstrom ist der besseren Unterscheidbarkeit halber mit E bezeichnet. Ferner werden im hier veranschaulichten Beispiel der Wassergasshift 3 ein Dampfstrom B1 und (optional) ein Wasser und/oder Kohlenmonoxid enthaltender Stoffstrom B2 aus einer externen Quelle bereitgestellt. If necessary, raw gas stream B can be processed by means of any processing steps 101. A correspondingly provided feed stream is labeled E for the sake of better distinguishability. Furthermore, in the example illustrated here, the water gas shift 3 provides a steam stream B1 and (optionally) a stream B2 containing water and / or carbon monoxide from an external source.
Der Einsatzstrom E wird zusammen mit einem hier mit F3 bezeichneten Teilstrom eines Rückführstroms F (oder, wie nachfolgend erläutert, ggf. auch zusammen mit einem weitere Komponenten aufweisenden Rückführstrom F2) der oxidativen The feed stream E, together with a substream, denoted here by F3, of a recycle stream F (or, as explained below, optionally also together with a recycle stream F2 having further components) is the oxidative
Kopplung 1 zugeführt. Hierbei wird eine Vermischung mit Sauerstoff, der in Form eines Stoffstroms C bereitgestellt wird, sowie optional mit Dampf, der in Form eines Coupling 1 supplied. Mixing with oxygen, which is provided in the form of a material flow C, and optionally with steam, which is provided in the form of a
Stoffstroms G bereitgestellt wird, vorgenommen. Der Dampf des Stoffstroms G dient, ebenso wie Stickstoff eines optional bereitgestellten Stickstoffstroms H als Material flow G is provided, made. The vapor of the material flow G serves, as well as nitrogen of an optionally provided nitrogen flow H as
Verdünnungsmittel bzw. Moderator und verhindert auf diese Weise insbesondere ein thermisches Durchgehen in der oxidativen Kopplung 1. Wasser kann darüber hinaus auch einen Beitrag leisten, um die Katalysatorstabilität (Langzeitperformance) zu gewährleisten und/oder eine Moderierung der Katalysatorselektivität zu ermöglichen. Diluent or moderator and in this way prevents in particular one thermal runaway in the oxidative coupling 1. Water can also make a contribution to ensuring the catalyst stability (long-term performance) and / or enabling the catalyst selectivity to be moderated.
Ein in der oxidativen Kopplung 1 eingesetzter Reaktor kann einen Bereich zur A reactor used in the oxidative coupling 1 can provide an area for
Durchführung eines postkatalytischen Dampfspaltens aufweisen, wie es eingangs erläutert wurde. In diesen Bereich kann ggf. ein Ethan enthaltender Teilstrom F4 des Rückführstroms F eingespeist werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Have implementation of a post-catalytic vapor splitting, as explained at the beginning. A partial stream F4 of the recycle stream F containing ethane can optionally be fed into this area. Alternatively or additionally there is also one
Einspeisung eines separat bereitgestellten Ethanstroms I möglich. Auch eine A separately provided ethane stream I can be fed in. Also one
Einspeisung von Propan kann grundsätzlich vorgesehen sein. Der Ethanstrom I und ggf. Propan und schwerere Komponenten können auch aus Roherdgas abgetrennt werden, dessen Rest dann als Methanstrom A bereitgestellt wird. In principle, supply of propane can be provided. The ethane stream I and possibly propane and heavier components can also be separated from raw gas, the remainder of which is then provided as methane stream A.
Stromab der oxidativen Kopplung 1 ist ein Nachkühler 102 vorgesehen, stromab dessen sich wiederum eine Kondensatabtrennung 103 befindet. Ein in der Downstream of the oxidative coupling 1, an aftercooler 102 is provided, downstream of which there is in turn a condensate separator 103. An Indian
Kondensatabtrennung 103 gebildeter Kondensatstrom K, der überwiegend oder ausschließlich Wasser und ggf. weiterere, schwerere Verbindungen enthält, kann einer Einrichtung 104 zugeführt werden, in welcher insbesondere ein (aufgereinigter) Wasserstrom M und ein Reststrom N gebildet werden können. Condensate stream K formed from condensate separation 103, which predominantly or exclusively contains water and possibly further, heavier compounds, can be fed to a device 104 in which in particular a (purified) water stream M and a residual stream N can be formed.
Das von Kondensat befreite Produktgemisch der oxidativen Kopplung 1 , das hier allgemein als erstes Gasgemisch bezeichnet wird, wird in Form eines Stoffstroms L mit einem Strom V aus der Wassergasshift 3, welcher reich an Wasserstoff ist sowie Kohlendioxid und optional nicht in der Wassergasshift umgesetztes Kohlenmonoxid und/oder Wasser sowie ggf. weitere Komponenten enthält, und vereinigt und anschließend in einem Verdichter 105 verdichtet und anschließend einer insgesamt mit 106 bezeichneten Kohlendioxidentfernung, die beispielsweise unter Verwendung von entsprechenden Wäschen durchgeführt werden kann, zugeführt. In der hier gezeigten Ausgestaltung sind eine Waschkolonne 106a für eine Aminwäsche und die The product mixture of the oxidative coupling 1 freed from condensate, which is generally referred to here as the first gas mixture, is in the form of a stream L with a stream V from the water gas shift 3, which is rich in hydrogen and carbon dioxide and optionally carbon monoxide and not converted in the water gas shift / or contains water and possibly other components, and combined and then compressed in a compressor 105 and then fed to a total of 106 denoted carbon dioxide removal, which can be carried out, for example, using appropriate washes. In the embodiment shown here, a wash column 106a for an amine wash and the
Regenerationskolonne 106b für die in der Waschkolonne 106a mit Kohlendioxid beladene aminhaltige Waschflüssigkeit dargestellt. Ferner ist eine optionale Regeneration column 106b for the amine-containing washing liquid loaded with carbon dioxide in washing column 106a is shown. Furthermore, an optional
Waschkolonne 106c zur Feinreinigung, z.B. für eine Laugenwäsche, dargestellt. Wie erwähnt, ist die Kohlendioxidentfernung durch entsprechende Wäschen grundsätzlich bekannt. Sie wird daher nicht gesondert erläutert. Ein in der Kohlendioxidentfernung 106 gebildeter Kohlendioxidstrom O kann Washing column 106c for fine cleaning, for example for washing with lye, is shown. As mentioned, the removal of carbon dioxide through appropriate washes is basically known. It is therefore not explained separately. A carbon dioxide stream O formed in the carbon dioxide removal unit 106 can
insbesondere in aufgereinigter Form einem beliebigen Verwendungszweck zugeführt werden. Er ist für eine anschließende Verwendung in weiterverarbeitenden Verfahren besonders geeignet, da er eine vergleichsweise hohe Konzentration an Kohlendioxid und eine hohe Reinheit aufweist. can be used in particular in purified form for any purpose. It is particularly suitable for subsequent use in further processing, since it has a comparatively high concentration of carbon dioxide and a high degree of purity.
Ein nach der Entfernung von Kohlendioxid in der Kohlendioxidentfernung 106 verbleibendes Komponentengemisch, das in Form eines Stoffstroms P vorliegt und hier allgemein als zweites Gasgemisch bezeichnet wird, enthält überwiegend Ethylen,A component mixture remaining after the removal of carbon dioxide in the carbon dioxide removal unit 106, which is in the form of a material flow P and is generally referred to here as the second gas mixture, contains predominantly ethylene,
Ethan, Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Es wird optional in einem Trockner 107 getrocknet und anschließend der Hydroformylierung 2 zugeführt. Ethane, hydrogen and carbon monoxide. It is optionally dried in a dryer 107 and then fed to the hydroformylation 2.
In der Hydroformylierung 2 wird dabei aus den Olefinen und dem Kohlenmonoxid Propanal gebildet, welches zusammen mit den erläuterten weiteren Komponenten in Form eines Stoffstroms Q aus der Hydroformylierung 2 ausgeführt wird. Aus dem Stoffstrom Q können dabei optional in einer Trennung 108 insbesondere nicht umgesetztes Ethan und weitere leichte Verbindungen wie Methan und Kohlenmonoxid abgetrennt werden, die in den Rückführstrom F überführt werden können. Alternativen zur Trennung 108 sind weiter unten erläutert. In the hydroformylation 2, propanal is formed from the olefins and the carbon monoxide, which propanal is carried out together with the further components explained in the form of a stream Q from the hydroformylation 2. In particular, unconverted ethane and other light compounds such as methane and carbon monoxide can optionally be separated off from material flow Q in a separation 108, and these can be transferred to recycle flow F. Alternatives to separation 108 are explained below.
In einer einer Hydrierung 109 kann das Propanal zu Propanol umgesetzt werden. Der Alkoholstrom wird einer weiteren, alternativ zu der Trennung 108 optional In a hydrogenation 109, the propanal can be converted to propanol. The alcohol stream becomes a further, alternative to the separation 108 optional
vorgesehenen Trennung 1 10 zugeführt, wo ebenfalls leichter siedende Komponenten abgetrennt und in den Rückführstrom F überführt werden können. provided separation 1 10 supplied, where lower-boiling components can also be separated and transferred to the recycle stream F.
Die Hydrierung 109 kann mit Wasserstoff betrieben werden, der in einem Produktstrom der Wassergasshift 3 enthalten ist und in der Hydroformylierung mitgeführt werden. Alternativ ist auch die separate Einspeisung von benötigtem Wasserstoff in Form eines Stoffstroms R möglich, insbesondere aus einer Abtrennung von Wasserstoff in einer Druckwechseladsorption 1 1 1. The hydrogenation 109 can be operated with hydrogen, which is contained in a product stream of the water gas shift 3 and which is carried along in the hydroformylation. Alternatively, the required hydrogen can also be fed in separately in the form of a stream R, in particular from a separation of hydrogen in a pressure swing adsorption 11-1.
Ein Produktstrom aus der Hydrierung 109 bzw. der optional vorgesehenen Trennung 1 10 wird einer Dehydratisierung 1 12 zugeführt. In dieser wird aus dem Propanol Propylen gebildet. Ein Produktstrom S aus der Dehydratisierung 1 12 wird einer Kondensatabtrennung 1 13 zugeführt und dort von kondensierbaren Verbindungen, insbesondere Wasser, befreit. Das Wasser kann in Form eines Wasserstroms T aus dem Verfahren ausgeführt werden. Die Wasserströme N und T können, ggf. nach einer geeigneten Aufbereitung, auch wieder dem Prozess zur Dampferzeugung zugeführt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise zumindest ein Teil des Damfpstrom B1 bereitgestellt werden. A product stream from the hydrogenation 109 or the optionally provided separation 110 is fed to a dehydration 112. In this propylene is formed from the propanol. A product stream S from the dehydration 1 12 is fed to a condensate separation 1 13 and there condensable compounds, especially water. The water can be carried out of the process in the form of a water stream T. The water flows N and T can, if necessary after a suitable treatment, also be fed back to the steam generation process. In this way, for example, at least part of the steam flow B1 can be provided.
Der nach der Kondensatabtrennung 1 13 verbleibende gasförmige Rest wird einer weiteren, alternativ zu den Trennungen 108 und 1 10 optional vorgesehenen Trennung 1 14 zugeführt wo insbesondere ebenfalls nicht umgesetztes Ethan und leichte The gaseous residue remaining after the condensate separation 1 13 is fed to a further separation 1 14, optionally provided as an alternative to the separations 108 and 110, where in particular also unconverted ethane and light
Verbindungen abgetrennt und in den Rückführstrom F überführt werden kann. Ein in der Trennung 1 14 gebildeter Produktstrom U kann aus dem Verfahren ausgeführt und weiteren Verfahrensschritten, beispielsweise zur Fierstellung von Kunststoffen oder anderen weiteren Verbindungen genutzt werden, wie hier insgesamt mit 1 15 angegeben. Entsprechende Verfahren sind an sich bekannt und umfassen die Nutzung des Propylens aus dem Verfahren 100 als Zwischenprodukt bzw. Ausgangsprodukt in der petrochemischen Wertschöpfungskette. Compounds can be separated and transferred into the recycle stream F. A product stream U formed in the separation 114 can be carried out from the process and further process steps can be used, for example for the production of plastics or other further compounds, as indicated here overall with 115. Corresponding processes are known per se and include the use of propylene from process 100 as an intermediate product or starting product in the petrochemical value chain.
Nicht umgesetztes Ethan und andere leichte Verbindungen wie Methan und Unreacted ethane and other light compounds like methane and
Kohlendioxid werden, wie mehrfach erwähnt, in Form eines Stoffstroms F As mentioned several times, carbon dioxide is in the form of a material flow F
zurückgeführt. Hierzu ist in der hier veranschaulichten Ausgestaltung eine Trennung 1 16 vorgesehen, in der ein Kohlenmonoxid enthaltender oder reicher und returned. For this purpose, a separation 116 is provided in the embodiment illustrated here, in which a carbon monoxide containing or richer and
insbesondere an sonstigen Komponenten armer oder freier Teilstrom F1 gebildet wird. Kohlenmonoxid in diesem Stoffstrom kann in der Wassergasshift 3 unter Bildung von weiterem Wasserstoff umgesetzt werden. Der resultierende Strom V wird wie oben beschrieben an geeigneter Stelle vor der Hydroformylierung eingespeist. is formed in particular on other components poor or free partial flow F1. Carbon monoxide in this stream can be converted in the water gas shift 3 with the formation of further hydrogen. The resulting stream V is fed in, as described above, at a suitable point before the hydroformylation.
Ein in der Trennung 1 16 gebildeter weiterer Teilstrom F2, der insbesondere Methan und Ethan enthalten kann, wird in die oxidative Kopplung 1 geführt. Dabei kann optional eine Trennung 1 17 vorgesehen sein, in der die Teilströme F3 und F4 gebildet werden können, die bereits oben erläutert wurden. Insbesondere können auf diese Weise Methan und Ethan voneinander getrennt werden, wobei das Methan in dem Teilstrom F3 in der oxidativen Kopplung 1 zum Reaktoreintritt und das Ethan in dem Teilstrom F4 zu einer für das postkatalytische Dampfspalten verwendeten Reaktorzone geführt werden kann. Auch eine Einspeisung des Stoffstroms F2 zum Reaktoreintritt ohne Trennung 1 17 ist jedoch grundsätzlich möglich. Ausführungsbeispiel A further substream F2 formed in the separation 116, which can in particular contain methane and ethane, is fed into the oxidative coupling 1. In this case, a separation 1 17 can optionally be provided in which the partial flows F3 and F4 can be formed, which have already been explained above. In particular, methane and ethane can be separated from one another in this way, the methane in substream F3 in oxidative coupling 1 being able to be fed to the reactor inlet and the ethane in substream F4 being able to be fed to a reactor zone used for post-catalytic steam splitting. In principle, however, it is also possible to feed the stream F2 to the reactor inlet without separation 117. Embodiment
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde ein Ausgangsgasgemisch betrachtet, wie es grundsätzlich mittels der oxidativen Kopplung von Methan bereitgestellt werden kann, das aber auch aus anderen Quellen stammen kann. Typischerweise ist dabei erfindungsgemäß Kohlenmonoxid in einer Größenordnung wie das Olefin In the context of the present invention, a starting gas mixture was considered as it can in principle be provided by means of the oxidative coupling of methane, but which can also come from other sources. According to the invention, carbon monoxide is typically in the same order of magnitude as the olefin
(beispielsweise Ethylen) oder sogar in stöchiometrischem Überschuss vorhanden. Der Wasserstoffanteil ist erfindungsgemäß jedoch nicht ausreichend, um den (e.g. ethylene) or even in a stoichiometric excess. According to the invention, however, the hydrogen content is not sufficient to
stöchiometrischen Bedarf für die Hydroformylierung und einer evtl. nachfolgenden weiteren Umsetzung - wie im hier beschriebenen Fall einer Hydrierung - zu decken. To cover stoichiometric demand for the hydroformylation and any subsequent further reaction - as in the case of a hydrogenation described here.
Für eine ideale Gesamtreaktion des gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen integrierten Prozesses stromab der Bereitstellung des Ausgangsgasgemischs (Hydroformylierung, Hydrierung und Dehydratisierung) ergibt sich folgende Bruttogleichung: For an ideal overall reaction of the integrated process proposed according to one embodiment of the present invention downstream of the provision of the starting gas mixture (hydroformylation, hydrogenation and dehydration), the following gross equation results:
C2H4 + 2 H2 + CO C3H6 + H2O (I) C 2 H 4 + 2 H 2 + CO C 3 H 6 + H 2 O (I)
Eine gezielte und bedarfsgerechte Einstellung des Verhältnisses von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid ist durch den Einsatz der erfindungsgemäß vorgesehenen A targeted and needs-based setting of the ratio of hydrogen to carbon monoxide is through the use of the inventively provided
Wassergasshift möglich gemäß: Water gas shift possible according to:
CO + H2O H2 + CO2 (II) CO + H 2 OH 2 + CO 2 (II)
Andere Ausführungen der oxidativen Kopplung können insbesondere auch zu einem niedrigen oder sehr niedrigen Wasserstoffanteil im Produktgas der oxidativen Kopplung führen. Entsprechend kann auch in einem anderen Gasgemisch ein entsprechendes Missverhältnis vorliegen. Auch hier ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die zusätzliche Bereitstellung von Wasserstoff einerseits eben durch die o.g. Other versions of the oxidative coupling can in particular also lead to a low or very low hydrogen content in the product gas of the oxidative coupling. Correspondingly, there can also be a corresponding disparity in another gas mixture. Here, too, within the scope of the present invention, the additional provision of hydrogen is on the one hand by the above-mentioned
Wassergasshift-Reaktion möglich. Eine entsprechende Bereitstellung von weiterem zusätzlichem Wasserstoff kann darüber hinaus aus anderen Quellen, z.B. mittels klassischer Reformierung oder aus der Wasserelektrolyse, erfolgen. Water gas shift reaction possible. A corresponding supply of additional additional hydrogen can also come from other sources, e.g. by means of classic reforming or from water electrolysis.
Nachfolgend wird zum Beleg der gemäß der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile ein auf der oxidativen Kopplung beruhendes Rechenbeispiel angegeben, bei dem insbesondere die für ein Ausgangsgasgemisch erforderlichen bzw. vorteilhaften Komponentenanteile ermittelt werden. In the following, a calculation example based on oxidative coupling is given to demonstrate the advantages that can be achieved according to the present invention which in particular the necessary or advantageous component proportions for a starting gas mixture are determined.
Für eine ideale Gesamtreaktion des integrierten Prozesses nach der oxidativen Kopplung (Hydroformylierung, Hydrierung und Dehydratisierung) ergibt sich die oben angegebene Bruttogleichung I. For an ideal overall reaction of the integrated process after the oxidative coupling (hydroformylation, hydrogenation and dehydration), the gross equation I.
Der Bedarf an Kohlenmonoxid ntotal(CO) und der Bedarf an Wasserstoff ntotal(H2) der Reaktionskaskade Hydroformylierung und Hydrierung betragen 1 mol Kohlenmonoxid pro 1 mol Ethylen und 2 mol Wasserstoff pro 1 mol Ethylen. Die Menge an Ethylen im Produktstrom der oxidativen Kopplung beträgt nOCM(C2H4), die Menge an The demand for carbon monoxide n total (CO) and the demand for hydrogen n total (H 2 ) in the hydroformylation and hydrogenation reaction cascade are 1 mol of carbon monoxide per 1 mol of ethylene and 2 mol of hydrogen per 1 mol of ethylene. The amount of ethylene in the product stream of the oxidative coupling is n OCM (C 2 H 4 ), the amount of
Kohlenmonoxid nOCM(CO) und die Menge an Wasserstoff POCM(H2) . Carbon monoxide n OCM (CO) and the amount of hydrogen P OCM (H 2 ).
Vorzugsweise beinhaltet das Prozessgas nach der oxidativen Kopplung einen hohen Anteil an Kohlenmonoxid und einen gewissen Anteil an Wasserstoff. Wird nun durch eine Shiftreaktion nach der obigen Gleichung II das Verhältnis von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff entsprechend dem stöchiometrischen Bedarf der Gleichung I eingestellt, werden dabei die Menge an Wasserstoff nShift(H2) gebildet und gleichzeitig die gleiche Menge an Kohlenmonoxid nShift(CO) verbraucht: nShift(H2) = nShift(CO) (I II) After the oxidative coupling, the process gas preferably contains a high proportion of carbon monoxide and a certain proportion of hydrogen. If the ratio of carbon monoxide to hydrogen is set according to the stoichiometric requirement of equation I by a shift reaction according to equation II above, the amount of hydrogen n shift (H 2 ) is formed and at the same time the same amount of carbon monoxide n shift (CO) consumed: n Shift (H 2 ) = n Shift (CO) (I II)
Ein ggf. erforderlicher Zusatzbedarf an CO und H2 wird optional aus einer externen Quelle, wie z.B. einer Reformierung gedeckt. Die Stoffmengen aus dieser externen Quelle betragen für Wasserstoff nextern(H2) und für Kohlenmonoxid nextern(CO). Any additional CO and H 2 demand that may be required is optionally covered by an external source, such as a reforming system. The amount of substance from this external source is n external (H 2 ) for hydrogen and n external (CO) for carbon monoxide.
Also werden CO und Wasserstoffbedarf der Bruttogleichung I wie folgt gedeckt: ntotal(CO) nOCM(CO) - nShift(CO) + nextern(CO) (IV) ntotal(H2) = nOCM(H2) + nShift(H2) + nextern(H2) (V) So CO and hydrogen demand of the gross equation I are covered as follows: n total (CO) n OCM (CO) - n shift (CO) + n external (CO) (IV) n total (H 2 ) = n OCM (H 2 ) + n Shift (H 2 ) + n external (H 2 ) (V)
In der Shiftrekation ist also folgende Menge an Wasserstoff bereitzustellen: nShift(H2) = ntotal(H2) - nOCM(H2) - nextern(H2) (VI) Durch Einsetzen von Gleichung VI in Gleichung IV unter Berücksichtigung von The following amount of hydrogen must therefore be provided in the shift reaction: n shift (H 2 ) = n total (H 2 ) - n OCM (H 2 ) - n external (H 2 ) (VI) Substituting Equation VI into Equation IV, taking into account
Gleichung III ergibt sich der CO-Bedarf ntotal(CO) wie folgt: ntotal(CO) = OCM(CO) [ ntotal(H2) - OCM(H2) - nextern( H2) ] + nextern(CO) (VI I) Equation III gives the CO demand n total (CO) as follows: n total (CO) = OCM (CO) [n total (H 2 ) - OCM (H 2 ) - n external (H 2 )] + n external (CO) (VI I)
Gemäß der Stöchiometrie der Bruttogleichung I gilt unter idealen Bedingungen: ntotal(CO) = nOCM(C2H4) (VI I I) ntotal(H2) = 2 nOCM(C2H4) ( IX) According to the stoichiometry of the gross equation I, under ideal conditions: n total (CO) = n OCM (C 2 H 4 ) (VI II) n total (H 2 ) = 2 n OCM (C 2 H 4 ) (IX)
Einsetzen von Gleichung VIII und IX in Gleichung VII ergibt nach Umstellen: Inserting equations VIII and IX into equation VII results after rearranging:
3 nOCM(C2H4) = nOCM(CO) + nOCM(H2) + nextern(H2) + nextern(CO) (X) 3 n OCM (C 2 H 4 ) = n OCM (CO) + n OCM (H 2 ) + n external (H 2 ) + n external (CO) (X)
Um eine externe Zufuhr von CO und/oder H2 zu vermeiden (nextern(H2) = nextern(CO) = 0) erfüllt das Produktgas der OCM also idealerweise folgende Gleichung: In order to avoid an external supply of CO and / or H 2 (n external (H 2 ) = n external (CO) = 0), the OCM product gas ideally fulfills the following equation:
3 nOCM(C2H4) = nOCM(CO) + nOCM(H2) (XI) 3 n OCM (C 2 H 4 ) = n OCM (CO) + n OCM (H 2 ) (XI)
Dabei stellt die Shiftreaktion nach Gleichung II das bedarfsgerechte Verhältnis zwischen CO und H2 sicher. The shift reaction according to equation II ensures the needs-based ratio between CO and H 2 .
Ein Import von CO und/oder H2 wird also erforderlich, falls gilt: An import of CO and / or H 2 is therefore necessary if:
3 nOCM(C2H4) > nOCM(CO) + nOCM(H2) (XII) 3 n OCM (C 2 H 4 )> n OCM (CO) + n OCM (H 2 ) (XII)
Ein Überschuss von CO und/oder H2 liegt hingegen vor, falls gilt: On the other hand, there is an excess of CO and / or H 2 if:
3 nOCM(C2H4) < nOCM(CO) + nOCM(H2) (XI I I) 3 n OCM (C 2 H 4 ) <n OCM (CO) + n OCM (H 2 ) (XI II)
Diese Betrachtungen beruhen auf idealisierten Annahmen, können aber helfen einen bevorzugten Bereich für Gaszusammensetzungen abzuleiten. Durch die gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Integration der Wassergasshift kann dabei das Verhältnis von Kohlenmonoxid und Wasserstoff bedarfsgerecht und flexibel eingestellt werden. These considerations are based on idealized assumptions, but can help to derive a preferred range for gas compositions. As a result of the integration of the water gas shift provided according to one embodiment of the invention, the ratio of carbon monoxide and hydrogen can be flexibly adjusted as required.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren (100) zur Herstellung einer Zielverbindung, bei dem ein erstes 1. A method (100) for producing a target compound, in which a first
Gasgemisch bereitgestellt wird, das zumindest ein Olefin mit einer ersten Gas mixture is provided, the at least one olefin with a first
Kohlenstoffzahl und Kohlenmonoxid enthält, bei dem ein zweites Gasgemisch, das unter Verwendung zumindest eines Teils des ersten Gasgemischs gebildet wird und zumindest das Olefin mit der ersten Kohlenstoffzahl, Wasserstoff und Contains carbon number and carbon monoxide, in which a second gas mixture that is formed using at least a portion of the first gas mixture and at least the olefin with the first carbon number, hydrogen and
Kohlenmonoxid enthält, unter Erhalt eines dritten Gasgemischs, das eine Contains carbon monoxide to obtain a third gas mixture, the one
Verbindung mit einer zweiten Kohlenstoffzahl und zumindest Kohlenmonoxid enthält, einem oder mehreren Umsetzungsschritten unterworfen wird, wobei der eine oder die mehreren Umsetzungsschritte eine Hydroformylierung (2) umfasst oder umfassen, und wobei die zweite Kohlenstoffzahl um eins größer als die erste Kohlenstoffzahl ist, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung zumindest eines Teils des dritten Gasgemischs ein gegenüber dem dritten Gasgemisch an der Verbindung mit der zweiten Kohlenstoffzahl abgereichertes und an Compound having a second carbon number and containing at least carbon monoxide, is subjected to one or more reaction steps, wherein the one or more reaction steps comprises or comprise a hydroformylation (2), and wherein the second carbon number is one greater than the first carbon number, characterized in that, that, using at least a portion of the third gas mixture, a compound with the second carbon number is depleted in relation to the third gas mixture
Kohlenmonoxid angereichertes viertes Gasgemisch gebildet wird, dass das Kohlenmonoxid in zumindest einem Teil des vierten Gasgemischs unter Bildung von Wasserstoff und Kohlendioxid einer Wassergasshift (3) unterworfen wird, und dass der in der Wassergasshift gebildete Wasserstoff zumindest zum Teil zur Bildung des zweiten Gasgemischs verwendet wird. Carbon monoxide-enriched fourth gas mixture is formed, that the carbon monoxide in at least part of the fourth gas mixture is subjected to a water gas shift (3) with the formation of hydrogen and carbon dioxide, and that the hydrogen formed in the water gas shift is at least partially used to form the second gas mixture.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das erste Gasgemisch unter Verwendung einer oxidativen Kopplung von Methan (1 ) bereitgestellt wird und zumindest Ethylen als das Olefin mit der ersten Kohlenstoffzahl und zusätzlich zumindest Methan, Ethan und Kohlendioxid enthält, wobei das Kohlendioxid unter Verbleib des zweiten Gasgemischs zumindest teilweise aus dem ersten Gasgemisch oder einem Teil hiervon abgetrennt wird. 2. The method according to claim 1, wherein the first gas mixture is provided using an oxidative coupling of methane (1) and at least ethylene as the olefin with the first carbon number and additionally at least methane, ethane and carbon dioxide, the carbon dioxide remaining the second gas mixture is at least partially separated from the first gas mixture or a part thereof.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das vierte Gasgemisch ein oder mehrere Paraffine enthält, wobei in einer Trennung (1 16) unter Verwendung zumindest eines Teils des vierten Gasgemischs ein fünftes Gasgemisch gebildet wird, das gegenüber dem vierten Gasgemisch an dem einen oder den mehreren Paraffinen abgereichert und an Kohlenmonoxid angereichert ist, wobei das fünfte 3. The method of claim 1, wherein the fourth gas mixture contains one or more paraffins, wherein in a separation (1 16) using at least a portion of the fourth gas mixture, a fifth gas mixture is formed, which compared to the fourth gas mixture at the one or the several paraffins is depleted and enriched in carbon monoxide, the fifth being
Gasgemisch zumindest zum Teil der Wassergasshift (3) zugeführt wird. Gas mixture is at least partially fed to the water gas shift (3).
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in der Trennung (1 16) in der das fünfte Gasgemisch gebildet wird, ferner ein sechstes Gasgemisch gebildet wird, das gegenüber dem vierten Gasgemisch dem einen oder den mehreren Paraffinen angereichert und an Kohlenmonoxid abgereichert ist, wobei zumindest ein Teil des sechsten Gasgemischs bei der Bereitstellung des ersten Gasgemischs verwendet wird. 4. The method of claim 3, wherein in the separation (1 16) in which the fifth gas mixture is formed, a sixth gas mixture is also formed which is enriched in relation to the fourth gas mixture to the one or more paraffins and depleted in carbon monoxide, wherein at least part of the sixth gas mixture is used in the preparation of the first gas mixture.
5. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die 5. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the
Umsetzungsschritte neben der Hydroformylierung (2) einen oder mehrere weitere Umsetzungsschritte umfassen, bei dem die eine oder die mehreren Verbindungen mit der zweiten Kohlenstoffzahl einen in der Hydroformylierung (2) gebildeten Aldehyd und eine oder mehrere weitere, in dem einen oder in den mehreren weiteren Folgeschritten gebildete Verbindungen umfassen. Reaction steps in addition to the hydroformylation (2) include one or more further reaction steps in which the one or more compounds with the second carbon number include an aldehyde formed in the hydroformylation (2) and one or more others in the one or more further subsequent steps formed connections include.
6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, bei dem die Bildung des vierten Gasgemischs stromab des einen oder der mehreren weiteren Folgeschritte vorgenommen wird. 6. The method (100) according to claim 5, in which the formation of the fourth gas mixture is carried out downstream of the one or more further subsequent steps.
7. Verfahren (100) nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der eine oder die mehreren weiteren Folgeschritte eine Hydrierung, in der der Aldehyd mit Wasserstoff zu einem Alkohol umgesetzt wird, umfasst oder umfassen. 7. The method (100) according to claim 5 or 6, wherein the one or more further subsequent steps comprise or comprise a hydrogenation in which the aldehyde is reacted with hydrogen to form an alcohol.
8. Verfahren (100) nach Anspruch 7, bei dem das erste Gasgemisch Wasserstoff enthält und bei dem zumindest ein Teil dieses Wasserstoffs in der Hydrierung verwendet wird. 8. The method (100) according to claim 7, in which the first gas mixture contains hydrogen and in which at least some of this hydrogen is used in the hydrogenation.
9. Verfahren (100) nacheinem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der eine oder die 9. The method (100) according to any one of claims 5 to 8, wherein the one or the
mehreren Folgeschritte eine Dehydratisierung, in der der Alkohol zu einem Olefin umgesetzt wird, umfasst oder umfassen. several subsequent steps a dehydration, in which the alcohol is converted to an olefin, comprises or comprise.
10. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem eine in der 10. The method (100) according to any one of claims 5 to 9, wherein one in the
Wassergasshift (3) gebildete Wasserstoffmenge an einen Wasserstoffbedarf in der Hydroformylierung und/oder Hydrierung angepasst wird. Water gas shift (3) the amount of hydrogen formed is adapted to a hydrogen requirement in the hydroformylation and / or hydrogenation.
1 1. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Olefin mit der ersten Kohlenstoffzahl und das Kohlenmonoxid aus dem ersten Gasgemisch zumindest teilweise ungetrennt voneinander in dem zweiten Gasgemisch der Hydroformylierung (2) zugeführt werden. 1 1. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the olefin with the first carbon number and the carbon monoxide from the first gas mixture are fed at least partially unseparated from one another in the second gas mixture to the hydroformylation (2).
12. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste 12. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the first
Gasgemisch auf ein erstes Druckniveau verdichtet wird, bei dem die Gas mixture is compressed to a first pressure level at which the
Hydroformylierung (2) auf einem zweiten Druckniveau durchgeführt wird, und bei dem die Wassergasshift (3) auf einem dritten Druckniveau durchgeführt wird, wobei das zweite Druckniveau das höchste der Druckniveaus darstellt. Hydroformylation (2) is carried out at a second pressure level, and in which the water gas shift (3) is carried out at a third pressure level, the second pressure level being the highest of the pressure levels.
13. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das stromab der 13. The method (100) according to any one of the preceding claims, downstream of the
Bereitstellung des Ausgangsgasgemischs und der Wassergasshift (3) vollständig nichtkryogen durchgeführt wird. Provision of the starting gas mixture and the water gas shift (3) is carried out completely non-cryogenically.
14. Anlage zur Herstellung einer Zielverbindung, die dafür eingerichtet ist, ein erstes Gasgemisch bereitzustellen, das zumindest ein Olefin mit einer ersten 14. Plant for the production of a target compound, which is set up to provide a first gas mixture containing at least one olefin with a first
Kohlenstoffzahl und Kohlenmonoxid enthält, ein zweites Gasgemisch, das unter Verwendung zumindest eines Teils des ersten Gasgemischs gebildet wird und zumindest das Olefin mit der ersten Kohlenstoffzahl, Wasserstoff und Contains carbon number and carbon monoxide, a second gas mixture which is formed using at least a portion of the first gas mixture and at least the olefin having the first carbon number, hydrogen and
Kohlenmonoxid enthält, unter Erhalt eines dritten Gasgemischs, das eine Contains carbon monoxide to obtain a third gas mixture, the one
Verbindung mit einer zweiten Kohlenstoffzahl und zumindest Kohlenmonoxid enthält, einem oder mehreren Umsetzungsschritten zu unterwerfen, wobei der eine oder die mehreren Umsetzungsschritte eine Hydroformylierung (2) umfasst oder umfassen, und wobei die zweite Kohlenstoffzahl um eins größer als die erste Kohlenstoffzahl ist, gekennzeichnet durch Mittel, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung zumindest eines Teils des dritten Gasgemischs ein gegenüber dem dritten Gasgemisch an der Verbindung mit der zweiten Kohlenstoffzahl abgereichertes und an Kohlenmonoxid angereichertes viertes Gasgemisch zu bilden, das Kohlenmonoxid in zumindest einem Teil des vierten Gasgemischs unter Bildung von Wasserstoff und Kohlendioxid einer Wassergasshift (3) zu unterwerfen, und den in der Wassergasshift gebildeten Wasserstoff zumindest zum Teil bei der Bildung des zweiten Gasgemischs zu verwenden. Compound having a second carbon number and at least carbon monoxide contains, subject to one or more reaction steps, wherein the one or more reaction steps comprises or comprise a hydroformylation (2), and wherein the second carbon number is one greater than the first carbon number, characterized by means which are set up to use at least a portion of the third gas mixture to form a fourth gas mixture that is depleted in the compound with the second carbon number and enriched in carbon monoxide, the carbon monoxide in at least a portion of the fourth gas mixture to form hydrogen and To subject carbon dioxide to a water gas shift (3) and to use the hydrogen formed in the water gas shift at least in part in the formation of the second gas mixture.
15. Anlage nach Anspruch 14, die eine Reaktoranordnung aufweist, die dafür 15. Plant according to claim 14, which has a reactor arrangement for
eingerichtet ist, das erste Gasgemisch unter Verwendung einer oxidativen is set up, the first gas mixture using an oxidative
Kopplung von Methan (1 ) bereitzustellen. To provide coupling of methane (1).
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