EP4308530A1 - Process and system for preparing a target compound - Google Patents

Process and system for preparing a target compound

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Publication number
EP4308530A1
EP4308530A1 EP22715019.0A EP22715019A EP4308530A1 EP 4308530 A1 EP4308530 A1 EP 4308530A1 EP 22715019 A EP22715019 A EP 22715019A EP 4308530 A1 EP4308530 A1 EP 4308530A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
calcination
catalytically active
different
activity
Prior art date
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Pending
Application number
EP22715019.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mathieu Zellhuber
Martin Schubert
Andreas Meiswinkel
Wolfgang Müller
Gerhard Mestl
Klaus Wanninger
Peter Scheck
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.)
Clariant International Ltd
Linde GmbH
Original Assignee
Clariant International Ltd
Linde GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Clariant International Ltd, Linde GmbH filed Critical Clariant International Ltd
Publication of EP4308530A1 publication Critical patent/EP4308530A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • C07C5/42Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with a hydrogen acceptor
    • C07C5/48Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with a hydrogen acceptor with oxygen as an acceptor
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a plant for the production of a target compound according to the preambles of the corresponding independent patent claims.
  • the principle of the oxidative dehydrogenation (ODH) of paraffins having two to four carbon atoms is known.
  • ODH oxidative dehydrogenation
  • the paraffins mentioned are reacted with oxygen to form the respective olefins and water, among other things.
  • the present invention relates to the oxidative dehydrogenation of ethane to ethylene, also referred to below as ODHE.
  • ODH(E) may offer advantages over more established olefin production processes such as steam cracking or catalytic dehydrogenation. Due to the exothermic nature of the reactions involved and the practically irreversible formation of water, there is no thermodynamic equilibrium limitation.
  • the ODH(E) can be carried out at comparatively low reaction temperatures. In principle, the catalysts used do not need to be regenerated, since the presence of oxygen enables or causes in-situ regeneration. Finally, in contrast to steam cracking, smaller amounts of worthless by-products such as coke are formed.
  • ODH(E) For further details regarding the ODH(E), please refer to relevant literature, e.g. Ivars, F. and Lopez Nieto, JM, Light Alkanes Oxidation: Targets Reached and Current Challenges, in: Duprez, D. and Cavani, F. (eds.) , Handbook of Advanced Methods and Processes in Oxidation Catalysis: From Laboratory to Industry, London 2014: Imperial College Press, pages 767-834, or Gärtner, CA et al., Oxidative Dehydrogenation of Ethane: Common Principles and Mechanistic Aspects, ChemCatChem, Vol 5, No. 11, 2013, pages 3196 to 3217, and X. Li, E.
  • MoVNb-based catalyst system or a “MoVTeNb-based catalyst system” is mentioned here, this is understood to mean a catalyst system which has the elements mentioned as a mixed oxide, also expressed as MoVNbO x or MoVTeNbO x .
  • Te in parentheses stands for its optional presence. The invention is used in particular with such catalyst systems.
  • the ODH(E) is preferably carried out in fixed bed reactors, in particular in cooled tube bundle reactors, e.g. with molten salt cooling.
  • the use of a reactor bed with a plurality of zones is generally known for strongly exothermic reactions, ie in particular oxidative reactions, which also include ODH(E).
  • the basics are described, for example, in WO 2019/243480 A1 by the applicant. This document discloses the principle that different catalyst beds or corresponding reaction zones which have different catalyst loadings and/or catalyst activities per unit volume are used.
  • the measures mentioned serve in particular to enable temperature and selectivity control in an ODH(E) reactor for practical technical implementation.
  • the object of the present invention is to improve corresponding measures. Disclosure of Invention
  • WO 2019/243480 A1 discloses, as mentioned, the use of catalyst beds or corresponding reaction zones with different catalyst loadings and / or catalyst activities per unit space, layers with variable catalyst activity being used, which are provided by the fact that the proportion of inert material, for example in the catalyst particles, is changed.
  • the formulation of the active catalyst material itself is kept the same for all catalyst beds or reaction zones.
  • this recipe includes all steps of the manufacturing process, including steps such as drying and calcination, which are therefore carried out in a uniform manner and under the same conditions. In this way a catalytically active material with identical properties is obtained, diluted by the use of catalytically inactive material (binder, support...) in order to obtain an adjustment of the catalyst activity.
  • a preparation of an active catalyst material for use in the present invention comprises one or more first preparation steps, a calcination subsequent to these first preparation steps, and one or more second preparation steps following the calcination.
  • the basic recipe includes the first production steps in an identical or essentially identical form, but not necessarily a calcination that is carried out identically or essentially identically.
  • the term recipe is intended to identify identically or essentially identically carried out first production steps as well as identically or essentially identically carried out calcination.
  • materials with an identical basic recipe or recipe are produced from identical or essentially identical starting materials. Materials with an identical basic recipe or Recipe are characterized in particular by an identical composition of elements.
  • starting components in particular metals
  • metals can be provided in the same form, i.e. in particular in the form of the same soluble metal salts or in the form of the same metal oxides, and these - apart from any fluctuations that are unavoidable due to production or that are irrelevant with regard to the catalyst properties - in the Substantially be used in equal amounts or proportions.
  • the production process for example by hydrothermal synthesis, is identical or essentially identical here, apart from in particular the calcination conditions or other parameters influencing the activity, such as the temperature or duration of certain production steps.
  • substantially identical is understood here in particular to mean an identity within the technical tolerance limits of a corresponding method or that a certain effect or a certain result can be achieved within a certain tolerance by several method steps carried out "substantially identically”. Such a result can in particular be a conversion-selectivity behavior.
  • conversion-selectivity behavior in the language used here denotes a connection between a conversion of a starting compound, in the present case ethane, and a selectivity for the target compound, in the present case ethylene, which are each expressed as a percentage.
  • the conversion denotes the proportion of the starting compound which is converted into any other compound, and the selectivity denotes the proportion of the target compounds in all such compounds.
  • An “essentially identical” conversion-selectivity behavior is present in the terminology understood here if—with essentially the same conversions of the one starting compound, in particular conversions of the ethane—essentially the same selectivities for the respective target compounds are obtained.
  • Substantially the same conversions are present if the conversions of the different catalytically active materials are not more than 2 percentage points, preferably not more than 1.5 percentage points, particularly preferably not more than 1 percentage point, or not more than 6%, preferably by no more than 4%, particularly preferably by no more than 2.5% relative to one another.
  • Substantially the same selectivities for a target compound are present if the selectivities for the one target compound of the different catalytically active materials - with essentially the same conversions - by no more than 1 percentage point, preferably by no more than 0.7 percentage points, particularly preferably by by no more than 0.5 percentage points or by no more than 7%, preferably by no more than 5% and particularly preferably by no more than 3% relative to one another.
  • calcination means in particular heating a corresponding material to temperatures of at least 400 °C (“calcination temperature”) in an atmosphere essentially containing nitrogen or pure nitrogen for a predetermined period of time (“calcination time”).
  • the calcination time and calcination temperature define in particular the calcination intensity, with a lower calcination temperature possibly being offset or compensated for by a longer calcination time and vice versa.
  • calcination is also referred to synonymously as “activation”.
  • the catalytically inactive material can be, for example, silica (S1O2), alumina (AI2O3), silicon carbide (SiC) or graphite.
  • SiC silicon carbide
  • silicon carbide and graphite are very advantageous inert materials for (strongly) exothermic reactions such as the oxidation of alkanes, especially ODHE, since, in addition to the effect of dilution, they are particularly good thermal conductors and thus also contribute to effective heat management of the reaction.
  • Wax is also required to shape (tablet) the catalysts, but this is burned out once the shape has been completed.
  • the wax is therefore no longer present in the actual catalyst, but instead leaves behind corresponding pores that are important for the accessibility of the reactants to the catalytically active centers.
  • the inert materials mentioned above can be used for tableting or as framework materials for suitable shaped catalyst bodies of any type, or they can be other materials that are not catalytically active equipped bodies act.
  • a catalytically inactive material is also referred to below as “inert material”.
  • the catalyst beds or reaction zones produced according to embodiments of the invention offer advantages over such a prior art method, which include in particular an improved service life or durability of the catalyst, since it has a more homogeneous activity distribution.
  • a further unexpected advantage results from the initially supposedly disadvantageous lower activity of catalytic zones provided according to embodiments of the invention.
  • these areas are subject to very high local thermal stress with local temperature hotspots.
  • this leads to faster aging of the catalyst (comprising the catalytically active material and the catalytically inactive material), e.g. due to sintering or, in extreme cases, to a loss of mechanical stability of a shaped catalyst body due to the (very local) thermal stress.
  • the selectivity is negatively influenced, ie in particular the total oxidation of the starting material used, such as an alkane, in particular of ethane, is promoted at too high a temperature.
  • inert material is often limited, e.g. due to difficulties in shaping, stability and durability of the final shaped catalyst bodies.
  • the inert material is not catalytically active, it can also have a pore structure, which is then also subject to aging.
  • the changing internal diffusion can have different aging kinetics than the chemical aging of the catalytically active material and thus make uniform, predictable aging more difficult. This can make calculating the service life and predicting the end of life of the catalyst bed considerably more difficult.
  • a predetermination is necessary in practice in order to be able to plan maintenance intervals with catalyst changes in a large commercial plant in good time.
  • the catalytically inactive material occupies available reactor volume that could be filled with catalytically active material. With such a solution, one typically always loses reaction space and thus space-time productivity.
  • the present invention minimizes or avoids the use of inert material to dilute the active catalyst mass, i.e. the catalytically active material with catalytically inactive material, but typically a certain (but in particular constant) proportion of catalytically inactive material (to form of shaped bodies, ie tabletting) is used.
  • inert material to dilute the active catalyst mass
  • the catalytically active material with catalytically inactive material typically a certain (but in particular constant) proportion of catalytically inactive material (to form of shaped bodies, ie tabletting) is used.
  • it is proposed to produce tailor-made catalysts with a specifically adjusted conversion-selectivity behavior and a specifically adjusted activity per volume, which can be used in a particularly efficient process, in particular for the production of olefins by means of oxidative dehydrogenation of ethane.
  • a process for the preparation of a target compound in which an ethane-containing feed mixture is distributed over a large number of reaction tubes of a tube bundle reactor arranged in parallel and is subjected to an oxidative catalytic conversion of the ethane in the reaction tubes, the catalytic conversion being carried out by means of Reaction tubes of catalytic zones arranged one behind the other with different activities is carried out, and wherein one or more catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided in each of the catalytic zones.
  • the different activity of the catalytic zones is brought about according to the invention by providing the one or more catalytically active materials with an identical basic recipe and in particular an identical elemental composition.
  • the activity can increase from zone to zone, i.e. it can be more than 10%, 20% or 25% higher in a subsequent zone than in the respective preceding zone.
  • a proportion of the one or more catalytically inactive materials in the respective catalysis zones in a total filling of the respective catalysis zones differs in particular by no more than 25%, 20%, 15%, 10% or 5% between the catalysis zones.
  • the catalytic activity is adjusted exclusively or primarily by influencing the activity, in particular due to the different calcination conditions and in particular due to the different calcination intensity.
  • the one or at least one of the plurality of catalytically active materials has or have at least the metals molybdenum, vanadium, niobium and optionally tellurium.
  • the one or at least one of the plurality of catalytically active materials is or are also in particular at least partially produced from the oxides of the metals mentioned. This catalytically active material can thus be produced from precursors that are commercially available in large quantities and at low prices.
  • tellurium oxide can be used instead of telluric acid.
  • the catalytically active material can (entirely) be prepared using the oxides M0O3, V2O5, Nb 2 O 5 and TeO 2 .
  • a catalytically active material produced on the basis of the metal oxides can have a lower activity than a catalytically active material produced on the basis of the soluble precursors .
  • a higher selectivity to ethylene can be observed for a catalytically active material of the corresponding type produced on the basis of the metal oxides. The same is to be expected in the implementation of other alkanes.
  • this fact can result in a flatter temperature profile that can be determined when using a corresponding catalytically active material. This effect makes it possible to reduce the risk of thermal runaway of the catalyst bed or part of the catalyst bed or a reaction zone in a reactor. A higher catalyst bed inlet temperature can be used to achieve the same conversion.
  • one or at least one of the plurality of catalytically active materials is produced in particular using hydrothermal synthesis, as is also already known in principle from the aforementioned DE 102017 000861 A1.
  • a different activity of the one or at least one of the several catalytically active materials in the reaction zones is brought about within the scope of the present invention by different calcination intensities.
  • the one or more catalytically active materials are produced in the different reaction zones using the identical basic recipe but different calcination intensities. These therefore have different activities, as is utilized according to the invention, even without different inert fractions.
  • the basic recipe has a decisive influence on the conversion-selectivity behavior of a corresponding catalytically active material.
  • the activity of the catalytically active material can be adapted for a specific base recipe, as has been recognized according to the invention, by choosing suitable calcination conditions.
  • the calcination conditions include in particular the selection of the calcination process technology, i.e. continuous or discontinuous calcination, and the choice of the calcination intensity (the calcination intensity is defined in particular by a calcination temperature and/or a calcination time). Further details are also explained below with reference to a specific embodiment.
  • the calcination intensity (temperature and duration) alone represents a suitable parameter for bringing about the different activity of the one or at least one of the several catalytically active materials.
  • Other parameters can, but do not have to, be changed.
  • the present invention makes use of the fact that the activity of a specific catalyst material, and associated other parameters such as the light-off temperature, changes the production and in particular can be influenced by a single production step. It has been found, in particular for the MoVNb(Te)O 4 catalysts advantageously used according to the invention, that the calcination conditions and in particular the calcination intensity have a direct influence on their respective activity. Increased activity is also accompanied by a reduced starting temperature.
  • the composition of the catalytically active material remains the same and can in particular be taken from the same synthesis approach and (apart from calcination) the same synthesis and production processes, which corresponds to the basic recipe defined above.
  • a greater calcination intensity leads to a reduction in the BET surface area and - more significantly - to a reduction in the specific pore volume. Furthermore, it was surprisingly found that the relationship between the BET surface area and - more significantly - between the specific pore volume and the catalytic activity in the catalyst materials produced in this way (i.e. identical basic recipe, different calcination intensity) shows that the catalytic activity increases with increasing specific pore volume (or higher BET surface) increases.
  • the specific pore volume or the BET surface area is therefore suitable as a guide variable for the production of the catalyst materials.
  • a higher pore volume and/or a higher BET surface area is usually associated with a higher activity.
  • the BET surface area represents the mass specific surface area calculated from experimental data according to known methods and is usually given in units of square meters per gram (m 2 g -1 ).
  • the BET measurement is known to the competent person from relevant textbooks and standards, for example DIN ISO 9277:2003-05, "Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption according to the BET Process (ISO 9277:1995) ", known.
  • the specific pore volume of a catalyst can, for example, using nitrogen physisorption measurements, ie basically with the using the same measuring method that is also used to determine the BET surface area, whereby the part of the sorption isotherm at relative pressures of approx. 1 p/po is used to determine the specific pore volume.
  • a pore volume and/or a BET surface area differ in at least two of the catalysis zones, with deviations of 15 to 60% being possible, i.e. the pore volume or the BET surface area of the catalyst material of the first catalysis zone by 15 to 60% less than the pore volume or BET surface area of the second catalytic zone (as stated above, the pore volume or BET surface area relates to the catalyst material after calcination before shaping).
  • the pore volume can be used in particular as a measure of the catalyst activity.
  • the one or at least one of the plurality of catalytically active materials in one of the catalysis zones can have a different calcination intensity that is more than 10% higher in activity than the one or at least one of the plurality of catalytically active materials in another of the catalysis zones .
  • the activity can also be, for example, 20%, 30%, or 40% higher.
  • At least two different layers of catalyst are advantageously used, each with (substantially) the same proportion of binder or support (ie catalytically inactive material), but with different activity of the catalytically active material.
  • a proportion of the one or more catalytically inactive materials in the different catalytic zones advantageously differs relative to one another by no more than 25%, 15%, 10% or 5%, and in particular only within the scope of dosing or manufacturing tolerances .
  • the present invention is used in connection with an ODH of ethane (ODHE), so that the feed mixture contains oxygen and ethane as paraffin and the oxidative reaction is carried out as an oxidative dehydrogenation of the ethane. In all cases in which an “oxidative reaction” is mentioned in connection with embodiments of the invention, this is therefore understood to mean an oxidative dehydrogenation of ethane.
  • the oxidative reaction is advantageously carried out at a catalyst temperature in a range between 240 and 500.degree. C., preferably between 280 and 450.degree. C., in particular between 300 and 400.degree.
  • the starting mixture is advantageously fed to the reactor at a pressure in a pressure range from 1 to 10 bar (absolute), in particular from 2 to 6 bar (absolute). It is therefore a process that works at comparatively low pressure and in which advantages of the invention arise in a special way.
  • a reduction in catalytically inactive material reduces the pressure loss in a corresponding reaction tube, which is particularly advantageous for corresponding “low-pressure” processes.
  • a water content in the feed mixture of between 5 and 95% by volume, in particular between 10 and 50% by volume and more particularly between 14 and 35% by volume.
  • at least one parameter can also be determined, for example, which indicates an activity of the or one of the catalysts, and on this basis a quantity of water in the reaction feed stream based on the at least one determined parameter to be set.
  • an embodiment can be advantageous in which the starting mixture contains ethane and in which the molar ratio of water to ethane in the starting mixture is at least 0.23.
  • the invention can be used independently of the routing of the cooling medium (ie co-current or counter-current).
  • a particular additional advantage can be achieved when the cooling medium - in particular a molten salt - is guided in countercurrent, since the heat of reaction from the catalysis zones can be partially utilized here, for example in a preheating zone.
  • different cooling circuits in combination with different catalyst layers are conceivable (as also specified in more detail in WO 2019/243480 A1).
  • the reactor is designed in such a way that the reactor is explicitly additionally cooled differently in certain areas, ie there is the possibility of a separate cooling circuit (with possibly even a different coolant flow direction).
  • these zones can also be explicitly “switched on” by means of a corresponding heat input or, if not needed or only slightly, “switched off” by specifically exceeding or falling below the light-off temperatures of the catalytically active materials.
  • the present invention proposes that the reaction tubes be cooled using one or more cooling media flowing around the reaction tubes.
  • Different pipe sections can be cooled with particular advantage using different cooling media, the same cooling medium in different cooling medium circuits, and/or the same or different cooling media in different or the same flow directions.
  • the invention also extends to a plant for the production of a target compound with a tube bundle reactor which has a multiplicity of reaction tubes arranged in parallel, the plant having means which are set up to distribute an ethane-containing feed mixture to the reaction tubes and in the reaction tubes to an oxidative subject to catalytic conversion of the ethane, being provided for the catalytic conversion in the reaction tubes arranged in series catalysis zones with different activities, and wherein one or more catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided in the catalysis zones.
  • the different activity of the catalytic zones is mitigated by providing the one or more catalytically active materials identical basic recipe (ie also with identical elemental composition), wherein the one or more catalytically active materials is or are produced using different calcination intensities.
  • the invention creates a method for the targeted production of tailor-made catalysts (in particular with regard to their selectivity).
  • a process for the production of catalytically active materials for use in the oxidative dehydrogenation of ethane can therefore also be the subject of the invention.
  • the method comprises providing catalyst components of the type explained above, in particular metals in the form of the metal oxides mentioned, and subjecting them to a catalyst synthesis, in particular a hydrothermal synthesis, after the preparation of aqueous solutions or slurries, and subjecting a raw material obtained in the process to calcination under different calcination conditions.
  • the different calcination conditions include, in particular, different calcination temperatures and/or calcination times.
  • the catalytically active materials obtained are introduced together with one or more catalytically inactive materials as supports or binders into catalytic zones of a reactor, the proportion of the one or more catalytically inactive materials being essentially the same in particular.
  • the invention includes an improved production procedure for the catalytically active component of the catalyst, ie the active material of a catalyst (shaped body), in the form of using the pure oxides as raw materials.
  • This leads to an increased selectivity, for example to ethylene, already in the catalytically active component of the catalyst.
  • a targeted gradation of the catalyst activity is achieved by different calcination intensities, so that different layers of different activity can be generated via different calcination intensities.
  • the use of significantly cheaper raw materials available in the required quantities allows, and ensures easy scalability of the catalyst production on an industrial scale.
  • the invention allows a significant intensification of the process by using the specifically tailored catalysts or catalytically active materials in a reactor system with a plurality of reaction zones.
  • FIG. 1A illustrates selectivities and conversions obtained with catalysts according to exemplary embodiments of the invention.
  • FIG. 1B illustrates temperature profiles obtained with catalysts according to embodiments of the invention.
  • FIG. 2 illustrates a plant according to an embodiment of the present invention in a simplified schematic representation.
  • FIG. 3 illustrates a reactor according to an embodiment of the present invention in a simplified schematic representation.
  • FIG. 4 illustrates the production of a catalytically active material according to one embodiment of the present invention in a simplified schematic representation.
  • the present invention minimizes or avoids the use of inert material (catalytically inactive material) to dilute the active catalyst mass (catalytically active material).
  • inert material catalytically inactive material
  • catalyst is used in particular for the catalytically active material
  • a specifically adjusted conversion selectivity behavior and a specifically adjusted activity per volume
  • the present invention makes use of the fact that the activity of a specific catalyst material can be influenced by the production.
  • the composition of the catalytically active material remains the same in principle and can in particular be taken from the same synthesis batch.
  • This surprising effect was found in a catalytic testing of MoVNb(Te)O ⁇ catalyst material of the same synthesis approach and thus the same stoichiometry (composition of elements), but different calcination temperatures.
  • an essential (and in particular the only necessary) influencing factor is the calcination intensity, which results from the calcination temperature and calcination time.
  • the specific pore volume and/or the BET surface area can serve as a characteristic feature for the catalytically active materials. As a rule, these variables depend on the parameters of the synthesis recipe, calcination intensity and composition.
  • An alternative newer synthesis method starts from the metal oxides of the respective metals instead of correspondingly soluble compounds of the respective metals.
  • the metal oxides are subjected to a hydrothermal synthesis in the presence of oxo ligands, as specified, for example, in DE 102017 000861 A1.
  • crucial parameters are the temperature and heating method of the autoclave synthesis and the crystallization time.
  • DE 102017000861 A1 describes crystallization in an autoclave with a heating jacket, while similar syntheses using other raw materials to give MoVNbTe catalysts with an M1 phase at 175° C. in microwave heating are described. (e.g. WO 2013/021034 A1).
  • the activity of the catalyst can be influenced by the length of the synthesis time in the autoclave. For example, maximum activity (but not maximum selectivity) can be achieved after a synthesis time of 3.5 hours (see D. Melzer et al., "Design and synthesis of highly active MoVTeNb-oxides for ethane oxidative dehydrogenation", Nature Commun. 10 , 2019, 4012, figure 11).
  • An economically producible catalyst should be able to be prepared from precursors that are commercially available in large quantities and at the lowest possible prices.
  • Mo, V, Nb and Te these are the metal oxides M0O3, V2O5, Nb 2 0s and TeC> 2 . Therefore, earlier production methods of MoVNbTeO ⁇ materials, which are based on the (water) soluble precursors of the metals such as ammonium heptamolybdate or vanadyl sulfate, are less advantageous. It is also advantageous to replace telluric acid, which is soluble but not commercially available in large quantities, so tellurium oxide is advantageously used, as described in DE 102017000848 A1 (example 2).
  • Example 2 of DE 102017000848 A1 3.3 L dist. Submitted water and heated to 80 ° C with stirring. Meanwhile, 725.58 g of ammonium heptamolybdate tetrahydrate was added and dissolved (hereinafter referred to as AHM solution). In two beakers, each with a volume of 5 L, 1.65 L dist. Water is also heated to 80 °C while stirring on a magnetic stirrer with temperature control.
  • V solution and Nb solution 405.10 g of vanadyl sulfate hydrate (V content: 21.2%) and 185.59 g of ammonium niobium oxalate (Nb content: 20.6%) were then added to these beakers and dissolved (hereinafter referred to as V solution and Nb solution). designated).
  • V solution and Nb solution 65.59 g Te0 2 were distilled in 200 g the day before 3 hours. Water ground using a ball mill and diluted with 1.45 L dist. Water transferred to a beaker (hereinafter referred to as Te suspension).
  • the V solution was pumped into the AHM solution one after the other, then the Te suspension ground the day before was added, stirring was continued for 1 h at 80 °C and finally the Nb solution was pumped into the AHM solution using a peristaltic pump.
  • the pumping time for the V solution was 5 min at 290 rpm (tube diameter: 8 ⁇ 5 mm) and for the Nb solution 5 min at 275 rpm (tube diameter: 8 ⁇ 5 mm).
  • the resulting suspension was then stirred for a further 10 min at 80° C., the speed of the stirrer during precipitation was 90 rpm.
  • a particularly advantageous base manufacturing process for a catalyst from the metal oxides is also already in the because of its economy mentioned DE 102017000861 A1 (Example 1). It leads to an exemplary catalyst with the stoichiometry MoVo , 3Nbo ,i Teo ,i O x .
  • the catalyst material can be produced in principle as described in the cited example of DE 102017 000861 A1.
  • the metal oxides that are suitable in each case can be subjected to a hydrothermal synthesis.
  • TeC>2 was suspended in 200 g of distilled water and ground in a planetary ball mill with balls 1 cm in diameter (ZrC>2). The portion containing 500 ml of distilled water was then transferred to a beaker. Nb 2 0s was slurried in 200 g distilled water and ground in the same ball mill. The portion containing 500 ml of distilled water was then transferred to a beaker. The next morning, the mixture was heated to 80° C., 107.8 g of oxalic acid dihydrate were added to the Nb 2 0s suspension and the mixture was stirred for about 1 hour.
  • the total amount of water in the autoclave was 8.25 L. It was then blanketed with nitrogen.
  • a hydrothermal synthesis was carried out in a 40 L autoclave at 190° C./48 h. After the synthesis, it was filtered off using a vacuum pump with a blue band filter, and the filter cake was washed with 5 L of distilled water.
  • Drying took place at 80° C. in a drying cabinet for 3 days and the product was then ground in an impact mill. A solids yield of 0.8 kg was achieved.
  • the subsequent precalcination took place at 280° C. for 4 h in air (heating rate 5° C./min air: 1 L/min).
  • the activation or calcination took place in a retort at 600° C. for 2 h (heating rate 5° C./min nitrogen: 0.5 L/min).
  • the activity can be increased, as described in WO2018/141652 A1 and by Melzer et al. (above) described. pilot plants
  • test reactor designed as a double tube (fixed bed, max. total length of the bed 0.9 m, inner diameter of the reaction space 10 mm) was used in the test plant designated "Test Plant 1".
  • the heating or cooling takes place with the aid of a thermal oil bath, the thermal oil being pumped through the exterior of the reactor and thus heating or simultaneously cooling the interior or the reaction zone (the reaction is an exothermic reaction).
  • Test Plant 2 comprises a tubular reactor with a usable length of 1 m and an internal diameter of 25 mm. The heating and at the same time also the cooling took place by means of a salt bath, in which the reactor is immersed. For technical reasons, air was used as the oxidizing agent instead of pure oxygen, and this experimental plant 2 could only be operated under atmospheric pressure.
  • the other test conditions included a catalyst amount of 337 g, a composition of the reaction feed from ethane to nitrogen to oxygen to water (vapor) of 11.1 to 46.7 to 6.8 to 35.4 (each mol%), GHSV of 412 (NLGas/h)/Lcatalyst. The test results are shown in Table 4.
  • Example 1 Influence of the basic recipe on the activity-selectivity behavior
  • Catalyst A was produced on the basis of the soluble precursors and TeÜ2 (basically as described in Example 2 of DE 102017000848 A1, see above).
  • Catalyst B was produced on the basis of the metal oxides (basically as in Example 1 of DE 102017 000861, see above).
  • Catalyst B showed an activity that was about 19% lower than catalyst A, i.e. there is a lower ethane conversion at the same catalyst bed inlet temperature or the same coolant temperature.
  • the activity test was carried out at the same coolant temperature (oil bath temperature) of 298° C. (see Table 1).
  • catalyst B based on the pure oxides compared to catalyst A based on the soluble precursors and TeO2 has an approximately 5 percentage point higher selectivity for ethylene with the same overall selectivity of over 96% for the commercial valuable products ethylene and acetic acid ( and correspondingly 5 percentage points lower selectivity for acetic acid), namely approx. 83% vs. approx. 78% selectivity for ethylene (catalyst B vs. catalyst A) and approx. 13% vs. approx. 18% selectivity for acetic acid ( Catalyst B vs. Catalyst A).
  • FIG. 1B This circumstance is illustrated in Figure 1B, in which for measuring points before (measuring point 1) and after (measuring point 8) a catalyst bed of approx. 60 cm and measuring points (measuring points 2 to 7) within the catalyst bed on the horizontal axis the corresponding temperatures in °C are plotted on the vertical axis.
  • the supposed disadvantage of a lower activity of a catalyst produced via the pure oxides in the context of the invention turns out to be particularly advantageous, since the reduced activity means that the process can or should/must be operated at slightly elevated temperatures in the sense of the explanation from WO 2019/243480 A1 (see above) then leads to an increased yield of particularly preferred product of value ethylene.
  • the basic recipe has a decisive influence on the conversion-selectivity behavior.
  • the activity of a catalyst can be adjusted within a basic recipe by choosing suitable calcination conditions (calcination intensity).
  • the calcination conditions include in particular the selection of the calcination process technology, ie continuous or discontinuous calcination, and the choice of the calcination intensity (determined in particular by the calcination temperature and calcination time).
  • the calcination intensity has a decisive influence on the activity of a catalyst.
  • the calcination intensity is determined in particular by the length of the heating, holding and cooling time.
  • the presence or absence of mixing of the calcined material and the layer thickness of the calcined material also play a role.
  • the calcination intensity is also significantly determined by the choice of calcination process technology, i.e. in a discontinuous manner, e.g. in a retort or a muffle furnace, or in a continuous manner, e.g. in a rotary kiln.
  • a discontinuous calcination the calcined product cannot usually be mixed.
  • the heating, holding and cooling times are longer in batch calcination than in continuous calcination.
  • Continuous calcination is characterized by the fact that the material to be calcined is simultaneously mixed during calcination due to the forward transport of the material to be calcined through the tube rotating about its longitudinal axis, which means in particular a more uniform treatment of the material to be calcined.
  • the calcination time i.e. the overall heating, holding and cooling times, is much shorter in continuous calcination, especially in a rotary kiln:
  • the heating-up phase is very short and only takes place to a small extent at the beginning of the (rotary) kiln.
  • the holding time is mainly characterized by the kiln length and the transport speed (e.g.
  • Cooling time is minimal as the material exits the hot furnace directly into an ambient or room temperature receptacle.
  • the calcined material usually experiences a significantly higher calcination intensity during discontinuous calcination.
  • the calcination intensity should generally be selected in such a way that the calcined material can form correspondingly stable crystal phases.
  • An adapted calcination intensity (time and temperature), in particular the selection of the calcination temperature T (see examples below), thus contributes significantly to the properties of the catalytically active materials mentioned, with particular attention being paid to homogeneous calcination under inert gas. Homogeneous calcination in small quantities is also possible in a bowl in the furnace, but the calcination intensity is less homogeneous with large quantities and thick layers of powder. For large quantities, the material has to be moved, e.g. in a rotary kiln. It should be noted that a normal oven needs a certain amount of time to cool down before the material is removed.
  • the value marked with an asterisk * (the same also applies to the following tables) relates to the pure MoVNbTe oxide catalyst powder (before tableting).
  • silica and wax are added as tableting aids, with the wax being burned out, as mentioned.
  • the porosity of the silica also determines the porosity of the final shaped catalyst body, so that it differs.
  • the specific pore volume of the actual catalyst powder correlates with the activity.
  • catalysts E and F The behavior is the same for catalysts E and F. These catalyst samples were tested in test facility 2 described above.
  • the other test conditions for testing catalysts E and F in test facility 2 included a catalyst quantity of 337 g, a composition of the reaction feed from ethane to nitrogen to oxygen to water (vapour) from 11.1 to 46.7 to 6.8 to 35.4 (each mol%), GHSV of 412 (N Lcas/hy atayzer.
  • the test results are shown in Table 4 .
  • Catalyst E a catalyst produced via a discontinuous calcination
  • catalyst F a catalyst which was subjected to a higher calcination intensity
  • the lower activity of catalyst E compared to catalyst F can be seen from the fact that catalyst E required a 4 K higher reaction temperature to achieve the same ethane conversion.
  • the basic recipe has a decisive influence on the conversion-selectivity behavior.
  • the activity and thus also the light-off temperature of a catalyst can be adjusted within a basic recipe by choosing suitable calcination conditions.
  • the MoVTeNbOc materials were produced as described in DE 102017000861 (Example 2), except that the activation under inert gas was not carried out in a retort at 600° C., as in the section there [0049], but in a rotary kiln with a diameter of 10 cm one meter of heated length with a dwell time of 30 min, and an inlet temperature of 550° C. and with an outlet temperature which is given in Table 5 as the calcination temperature.
  • an Arrhenius plot i.e., a plot of the natural logarithm of the reaction rate constant versus the reciprocal of the reaction temperature (in Kelvin), can be prepared for each of the catalyst samples.
  • the person skilled in the art is generally familiar with the creation of an Arrhenius plot.
  • the Arrhenius plot provides a straight line with different parameters (slope and intercept) for each of the catalyst samples. With the help of the respective straight-line equation, the associated reaction rate constant for a given ethane conversion and the corresponding
  • Reaction temperature are determined.
  • the activity of the catalysts with a lower calcination temperature is at least within certain limits can be further increased as long as the temperature and duration of the calcination - i.e. the calcination intensity - is sufficient for a solid or crystal phase which is sufficiently stable for the catalysis to form.
  • Catalyst F has an ethane conversion of approx. 67% at a salt bath temperature of 322° C on.
  • Catalyst I only requires a salt bath temperature of 302° C. for a conversion of 64% and at this temperature still has a significantly higher conversion than catalyst F at a higher temperature of 310° C. (ethane conversion of catalyst F of 53%).
  • catalysts with a specific activity are used in a targeted manner, for example to achieve optimal activity of the catalyst bed and thus optimal balance between heat production by reaction and heat dissipation within a reactor or within a reaction zone of a reactor or reactor tube and thus to increase the productivity of a commercial reactor maximize or to use the reactor optimally.
  • Table 7 also underscores the above observations on the activity as a function of the different calcination intensity. According to what is described above, the grading of the calcination intensity in Table 7 is in descending order (from the highest to the lowest calcination intensity): calcination intensity catalyst C > calcination intensity catalyst D > calcination intensity catalyst G. Correspondingly, the activity increases in the reverse order, i.e.: activity catalyst C ⁇ activity of catalyst D ⁇ activity of catalyst G. This can be seen by comparing the conversions at the corresponding reaction temperatures: For a similar ethane conversion of approx. 34 to 35%, a reaction temperature which is 5 K higher than that for catalyst D is required for catalyst C.
  • Catalyst G is more active than catalyst D, because for an ethane conversion of approx. 40%, a reaction temperature that is 5 K lower than catalyst D is required for catalyst G.
  • the above-mentioned independence of the selectivity from the calcination intensity for catalysts of the same basic recipe is confirmed by almost the same selectivity values with comparable conversion levels of approx. 34 to 35% for catalysts C and D and approx. 40% for catalysts D and G. It should be mentioned here that deviations in the selectivities of up to 0.3 percentage points are not to be regarded as significantly different (error analysis based on 10 independent repeated measurements on catalyst G).
  • FIG. 2 a plant for the production of olefins according to one embodiment of the invention is illustrated in the form of a greatly simplified plant diagram and is denoted overall by 1.
  • the plant 1 is indicated only schematically.
  • the basic arrangement of the catalytic zones in a tube bundle reactor 100 is shown.
  • a system 1 for ODHE is described below, the present invention is also suitable, as mentioned, for Use in the ODH of higher hydrocarbons. In this case, the following explanations apply accordingly.
  • the plant 1 has a tube bundle reactor 100 to which, in the example shown, an ethane-containing feed mixture A obtained in any desired manner is fed.
  • the starting mixture A can contain, for example, hydrocarbons taken from a rectification unit (not shown).
  • the feed mixture A can also be preheated, for example, and processed in some other way.
  • the feed mixture A can already contain oxygen and, if appropriate, a reaction moderator such as steam, but corresponding media can also be added upstream or in the tube bundle reactor 100, as not shown separately.
  • a product mixture B is removed from the tube bundle reactor 100 .
  • the tube bundle reactor 100 which is shown in detail in FIG. 3, has a multiplicity of reaction tubes 10 arranged in parallel (only partially designated), which run through several reaction zones 110, 120, 130, three in the example shown.
  • a preheating zone 140 and a post-reaction zone 150 may be present upstream and downstream, respectively.
  • the reaction tubes 10 are surrounded by a jacket area 20 through which a coolant C of the type explained is guided in the example.
  • the representation is greatly simplified because, as mentioned, the reaction tubes 10 can optionally be cooled using a plurality of cooling media flowing around the reaction tubes 10 or different tube sections using different cooling media, the same cooling medium in different cooling medium circuits, and/or the same or different cooling media in same or different directions of flow can be cooled.
  • the starting mixture A is distributed over the reaction tubes 10 in a suitable manner at a temperature in a first temperature range.
  • the reaction tubes each have catalytic zones 11, 12 and 13, which are located in the reaction zones 110, 120 and 130.
  • a catalytic reaction takes place by means of the catalytic zones 11, 12 and 13 arranged one behind the other in the reaction tubes 10 with different activities, and in the catalytic zones 11, 12 and 13 one or more catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided.
  • the different activity of the catalytic zones 11, 12 and 13 is effected by providing the one or more catalytically active materials with identical elemental composition and different activity.
  • Figure 4 illustrates the production of a catalytically active material according to one embodiment of the present invention in a simplified schematic representation or in the form of a schematic flowchart of a corresponding method 400.
  • the method here includes in particular production steps 410, 420 and 430 previously referred to as “first production steps”, a subsequent calcination 440, and one or more subsequent production steps 450, previously referred to as “second production steps”.
  • Production step 410 represents in particular a suitable pretreatment of the starting materials used, which is followed by step 420 of a synthesis, for example an autoclave synthesis with crystallization (and optionally filtration).
  • step 430 can include drying.
  • Step 450 includes in particular shaping, including burning out the wax if necessary, as already explained above.
  • steps 410 to 440 up to and including the calcination 440 are therefore carried out identically or essentially identically.
  • a catalytically active material is created with exactly one defined element composition, exactly one set of physicochemical properties (e.g. BET surface area and/or nitrogen pore volume) and therefore a specific activity.
  • the process chain up to and including calcination 440 is therefore mainly the activity-determining factor for the finished shaped catalyst body (with the same proportion of binder).
  • basic recipe also defined above includes identical or essentially identical steps 410 to 430 up to and including drying, but not necessarily an identical or essentially identical calcination 440.
  • a precursor or basic material with a precisely defined element composition still has to be activated in the sense of calcination under nitrogen at temperatures of at least 400° C. so that the material is converted into the final catalytically active form.
  • Different calcination intensities can be used here.
  • An activity setting for the respective catalyst layers carried out in embodiments of the present invention can be influenced by a targeted choice of the calcination conditions or, more precisely, the calcination intensity.
  • the catalytically active materials formed can have the same chemical or elemental composition (“chemically identical”), they differ in terms of their physicochemical properties, namely at least in the form of the BET surface area and/or the nitrogen pore volume.
  • the calcination intensity therefore determines the physicochemical properties or the materials differ with regard to these properties.
  • an activity gradation can be made by adding different proportions of binder during shaping.
  • the various catalytic layers are then distinguished by different proportions of binder.
  • the elemental composition is different for each catalytic layer (although the relative amounts of the catalytically active metals to one another do not change, since they are the same for all layers).

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Abstract

The invention relates to a process for preparing a target compound, in which an ethane-containing feed mixture (A) is distributed across a plurality of parallel reaction tubes (10) of a tube reactor (100) and subjected to an oxidative catalytic conversion of the ethane in the reaction tubes (10), wherein the catalytic conversion is carried out by means of catalysis zones (11, 12, 13), having different activity, arranged one behind the other in the reaction tubes (10), and wherein in each case one or more catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided in the catalysis zones (11, 12, 13). The different activity of the catalysis zones (11, 12, 13) is brought about by providing the one or more catalytically active materials with an identical or substantially identical basic formulation, wherein the one or more catalytically active materials is or are prepared using different calcination intensities. The invention also relates to a corresponding system.

Description

Beschreibung description
Verfahren und Anlage zur Herstellung einer Zielverbindung Process and plant for the production of a target compound
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung einer Zielverbindung gemäß den Oberbegriffen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche. The present invention relates to a method and a plant for the production of a target compound according to the preambles of the corresponding independent patent claims.
Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
Die oxidative Dehydrierung (engl. Oxidative Dehydrogenation, ODH) von Paraffinen mit zwei bis vier Kohlenstoffatomen ist grundsätzlich bekannt. Bei der ODH werden die genannten Paraffine mit Sauerstoff unter anderem zu den jeweiligen Olefinen und zu Wasser umgesetzt. Die vorliegende Erfindung betrifft die oxidative Dehydrierung von Ethan zu Ethylen, nachfolgend auch als ODHE bezeichnet. The principle of the oxidative dehydrogenation (ODH) of paraffins having two to four carbon atoms is known. In the ODH, the paraffins mentioned are reacted with oxygen to form the respective olefins and water, among other things. The present invention relates to the oxidative dehydrogenation of ethane to ethylene, also referred to below as ODHE.
Die ODH(E) kann gegenüber etablierteren Verfahren zur Herstellung von Olefinen wie dem Steamcracken oder der katalytischen Dehydrierung vorteilhaft sein. So besteht aufgrund der Exothermie der beteiligten Reaktionen und der praktisch irreversiblen Wasserbildung keine thermodynamische Gleichgewichtslimitierung. Die ODH(E) kann bei vergleichsweise geringen Reaktionstemperaturen durchgeführt werden. Grundsätzlich ist keine Regenerierung der eingesetzten Katalysatoren erforderlich, da die Anwesenheit von Sauerstoff eine in-situ-Regenerierung ermöglicht bzw. bewirkt. Schließlich werden im Gegensatz zum Steamcracken geringere Mengen an wertlosen Nebenprodukten wie Koks gebildet. ODH(E) may offer advantages over more established olefin production processes such as steam cracking or catalytic dehydrogenation. Due to the exothermic nature of the reactions involved and the practically irreversible formation of water, there is no thermodynamic equilibrium limitation. The ODH(E) can be carried out at comparatively low reaction temperatures. In principle, the catalysts used do not need to be regenerated, since the presence of oxygen enables or causes in-situ regeneration. Finally, in contrast to steam cracking, smaller amounts of worthless by-products such as coke are formed.
Zu weiteren Details bezüglich der ODH(E) sei auf einschlägige Fachliteratur, beispielsweise Ivars, F. und Lopez Nieto, J. M., Light Alkanes Oxidation: Targets Reached and Current Challenges, in: Duprez, D. und Cavani, F. (Hrsg.), Handbook of Advanced Methods and Processes in Oxidation Catalysis: From Laboratory to Industry, London 2014: Imperial College Press, Seiten 767-834, oder Gärtner, C.A. et al., Oxidative Dehydrogenation of Ethane: Common Principles and Mechanistic Aspects, ChemCatChem, Bd. 5, Nr. 11, 2013, Seiten 3196 bis 3217, sowie X. Li, E. Iglesia, Kinetics and Mechanism of Ethane Oxidation to Acetic Acid on Catalysts Based on Mo- V-Nb Oxides, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 15001-15008, verwiesen. Insbesondere haben sich für die ODH(E) MoVNb-basierte Katalysatorsysteme als vielversprechend herausgestellt, wie beispielsweise bei F. Cavani et al. , "Oxidative dehydrogenation of ethane and propane: How far from commercial Implementation?", Catal. Today, 2007, 127, 113-131, erwähnt. Auch zusätzlich Te enthaltende Katalysatorsysteme können verwendet werden. Ist hier von einem "MoVNb-basierten Katalysatorsystem" oder einem "MoVTeNb-basierten Katalysatorsystem" die Rede, sei hierunter ein Katalysatorsystem verstanden, das die genannten Elemente als Mischoxid aufweist, auch ausgedrückt mit MoVNbOx bzw. MoVTeNbOx. Die Angabe von Te in Klammern steht für dessen optionale Anwesenheit. Die Erfindung kommt insbesondere mit solchen Katalysatorsystemen zum Einsatz. For further details regarding the ODH(E), please refer to relevant literature, e.g. Ivars, F. and Lopez Nieto, JM, Light Alkanes Oxidation: Targets Reached and Current Challenges, in: Duprez, D. and Cavani, F. (eds.) , Handbook of Advanced Methods and Processes in Oxidation Catalysis: From Laboratory to Industry, London 2014: Imperial College Press, pages 767-834, or Gärtner, CA et al., Oxidative Dehydrogenation of Ethane: Common Principles and Mechanistic Aspects, ChemCatChem, Vol 5, No. 11, 2013, pages 3196 to 3217, and X. Li, E. Iglesia, Kinetics and Mechanism of Ethane Oxidation to Acetic Acid on Catalysts Based on Mo-V-Nb Oxides, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 15001-15008. In particular, MoVNb-based catalyst systems have turned out to be promising for the ODH(E), as for example by F. Cavani et al. , "Oxidative dehydrogenation of ethane and propane: How far from commercial Implementation?", Catal. Today, 2007, 127, 113-131. Catalyst systems additionally containing Te can also be used. If a "MoVNb-based catalyst system" or a "MoVTeNb-based catalyst system" is mentioned here, this is understood to mean a catalyst system which has the elements mentioned as a mixed oxide, also expressed as MoVNbO x or MoVTeNbO x . The specification of Te in parentheses stands for its optional presence. The invention is used in particular with such catalyst systems.
Bei der ODH werden insbesondere bei Verwendung von MoVNb(Te)0^basierten Katalysatoren unter industriell relevanten Reaktionsbedingungen signifikante Mengen der jeweiligen Carbonsäuren der eingesetzten Paraffine, im Falle der ODHE insbesondere Essigsäure, als Nebenprodukte gebildet. Für einen wirtschaftlichen Anlagenbetrieb ist daher eine Koppelproduktion von Olefinen und der Carbonsäuren bei Verwendung des beschriebenen Katalysatortyps in der Regel unvermeidlich, eine bevorzugte Bildung von Olefinen ist allerdings wünschenswert. Significant amounts of the respective carboxylic acids of the paraffins used, in particular acetic acid in the case of ODHE, are formed as by-products in the ODH, particularly when using MoVNb(Te)0^-based catalysts under industrially relevant reaction conditions. Coproduction of olefins and the carboxylic acids when using the type of catalyst described is therefore generally unavoidable for economical plant operation, but preferential formation of olefins is desirable.
Gemäß Stand der Technik erfolgt die ODH(E) vorzugsweise in Festbettreaktoren, insbesondere in gekühlten Rohrbündelreaktoren, z.B. mit Salzschmelzekühlung. Für stark exotherme Reaktionen, also insbesondere oxidative Reaktionen, wozu auch die ODH(E) zählt, ist dabei allgemein die Verwendung eines Reaktorbettes mit mehreren Zonen bekannt. Grundlagen sind z.B. in WO 2019/243480 A1 der Anmelderin beschrieben. Diese Schrift offenbart dabei das Prinzip, dass verschiedene Katalysatorbetten bzw. entsprechende Reaktionszonen, die unterschiedliche Katalysatorbeladungen und/oder Katalysatoraktivitäten pro Raumeinheit aufweisen, zum Einsatz kommen. According to the prior art, the ODH(E) is preferably carried out in fixed bed reactors, in particular in cooled tube bundle reactors, e.g. with molten salt cooling. The use of a reactor bed with a plurality of zones is generally known for strongly exothermic reactions, ie in particular oxidative reactions, which also include ODH(E). The basics are described, for example, in WO 2019/243480 A1 by the applicant. This document discloses the principle that different catalyst beds or corresponding reaction zones which have different catalyst loadings and/or catalyst activities per unit volume are used.
Die genannten Maßnahmen dienen insbesondere dazu, eine Temperatur- und Selektivitätskontrolle in einem ODH(E)-Reaktor für die praktische technische Umsetzung zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, entsprechende Maßnahmen zu verbessern. Offenbarung der Erfindung The measures mentioned serve in particular to enable temperature and selectivity control in an ODH(E) reactor for practical technical implementation. The object of the present invention is to improve corresponding measures. Disclosure of Invention
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung einer Zielverbindung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung. The aforementioned object is achieved by a method and a system for producing a target compound with the features of the respective independent patent claims. Preferred configurations are the subject matter of the dependent patent claims and the following description.
Die WO 2019/243480 A1 offenbart, wie erwähnt, die Verwendung von Katalysatorbetten bzw. entsprechender Reaktionszonen mit unterschiedlichen Katalysatorbeladungen und/oder Katalysatoraktivitäten pro Raumeinheit, wobei Schichten mit variabler Katalysatoraktivität verwendet werden, die dadurch bereitgestellt werden, dass der Anteil an inertem Material, beispielsweise in den Katalysatorpartikeln, verändert wird. Die Rezeptur des aktiven Katalysatormaterials selbst wird dabei aber für alle Katalysatorbetten bzw. Reaktionszonen gleich gehalten. Diese Rezeptur umfasst dabei insbesondere alle Schritte des Herstellungsverfahrens, schließt also auch Schritte wie Trocknung und Kalzinierung ein, die also in einheitlicher Weise und unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden. Auf diese Weise wird ein katalytisch aktives Material mit identischen Eigenschaften erhalten, das durch die Verwendung von katalytisch inaktivem Material (Binder, Träger ...) verdünnt wird, um eine Anpassung der Katalysatoraktivität zu erzielen. WO 2019/243480 A1 discloses, as mentioned, the use of catalyst beds or corresponding reaction zones with different catalyst loadings and / or catalyst activities per unit space, layers with variable catalyst activity being used, which are provided by the fact that the proportion of inert material, for example in the catalyst particles, is changed. However, the formulation of the active catalyst material itself is kept the same for all catalyst beds or reaction zones. In particular, this recipe includes all steps of the manufacturing process, including steps such as drying and calcination, which are therefore carried out in a uniform manner and under the same conditions. In this way a catalytically active material with identical properties is obtained, diluted by the use of catalytically inactive material (binder, support...) in order to obtain an adjustment of the catalyst activity.
Bezüglich der Begriffe „Grundrezeptur“ und „Rezeptur“ sei auch auf die Erläuterungen zu Figur 4 verwiesen. Eine Herstellung eines aktiven Katalysatormaterials zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung umfasst einen oder mehrere erste Herstellungsschritte, eine sich an diese ersten Herstellungsschritte anschließende Kalzinierung, und einen oder mehrere der Kalzinierung nachfolgende zweite Herstellungsschritte. Die Grundrezeptur umfasst dabei die ersten Herstellungsschritte in einer identischen oder im Wesentlichen identischen Form, aber nicht notwendigerweise eine identisch oder im Wesentlichen identisch durchgeführte Kalzinierung. Dagegen soll der Begriff Rezeptur identisch oder im Wesentlichen identisch durchgeführte erste Herstellungsschritte sowie auch eine identisch oder im Wesentlichen identisch durchgeführte Kalzinierung kennzeichnen. Materialien mit identischer Grundrezeptur bzw. Rezeptur sind dabei im hier verwendeten Sprachgebrauch aus identischen oder im Wesentlichen identischen Ausgangsmaterialien hergestellt. Materialien mit identischer Grundrezeptur bzw. Rezeptur zeichnen sich insbesondere durch eine identische Elementzusammensetzung aus. With regard to the terms “basic recipe” and “recipe”, reference is also made to the explanations for FIG. A preparation of an active catalyst material for use in the present invention comprises one or more first preparation steps, a calcination subsequent to these first preparation steps, and one or more second preparation steps following the calcination. The basic recipe includes the first production steps in an identical or essentially identical form, but not necessarily a calcination that is carried out identically or essentially identically. In contrast, the term recipe is intended to identify identically or essentially identically carried out first production steps as well as identically or essentially identically carried out calcination. In the terminology used here, materials with an identical basic recipe or recipe are produced from identical or essentially identical starting materials. Materials with an identical basic recipe or Recipe are characterized in particular by an identical composition of elements.
Beispielsweise können für eine „identische Grundrezeptur“ Ausgangskomponenten, insbesondere Metalle, in gleicher Form, d.h. insbesondere in Form derselben löslichen Metallsalze oder in Form derselben Metalloxide bereitgestellt werden und diese - bis auf etwaige, beispielsweise herstellungsbedingt unvermeidliche bzw. bezüglich der Katalysatoreigenschaften unerhebliche Schwankungen - im Wesentlichen in gleichen Mengen oder Mengenanteilen eingesetzt werden. Ferner ist hier das Herstellungsverfahren, beispielsweise durch eine Hydrothermalsynthese, bis auf insbesondere die Kalzinierbedingungen oder andere, die Aktivität beeinflussende Parameter wie die Temperatur oder Dauer bestimmter Herstellungsschritte, identisch oder im Wesentlichen identisch. For example, for an "identical basic recipe", starting components, in particular metals, can be provided in the same form, i.e. in particular in the form of the same soluble metal salts or in the form of the same metal oxides, and these - apart from any fluctuations that are unavoidable due to production or that are irrelevant with regard to the catalyst properties - in the Substantially be used in equal amounts or proportions. Furthermore, the production process, for example by hydrothermal synthesis, is identical or essentially identical here, apart from in particular the calcination conditions or other parameters influencing the activity, such as the temperature or duration of certain production steps.
Unter dem Begriff „im Wesentlichen identisch“ wird hier insbesondere eine innerhalb der technischen Toleranzgrenzen eines entsprechenden Verfahrens liegende Identität verstanden bzw. dass durch mehrere „im Wesentlichen identisch“ durchgeführte Verfahrensschritte eine bestimmte Wirkung oder ein bestimmtes Ergebnis innerhalb einer gewissen Toleranz erzielt werden kann. Bei einem derartigen Ergebnis kann es sich insbesondere um ein Umsatz-Selektivitäts-Verhalten handeln. The term "substantially identical" is understood here in particular to mean an identity within the technical tolerance limits of a corresponding method or that a certain effect or a certain result can be achieved within a certain tolerance by several method steps carried out "substantially identically". Such a result can in particular be a conversion-selectivity behavior.
Das „Umsatz-Selektivitäts-Verhalten“ bezeichnet im hier verstandenen Sprachgebrauch einen Zusammenhang zwischen einem Umsatz einer Ausgangsverbindung, vorliegend Ethan, und einer Selektivität zu der Zielverbindung, im vorliegenden Fall Ethylen, die jeweils in Prozent ausgedrückt sind. Der Umsatz bezeichnet den Anteil der Ausgangsverbindung, der zu irgendeiner anderen Verbindung umgesetzt wird, die Selektivität den Anteil der Zielverbindungen an allen solchen Verbindungen. Ein „im Wesentlichen identisches“ Umsatz-Selektivitäts- Verhalten liegt dabei im hier verstandenen Sprachgebrauch vor, wenn die - bei im Wesentlichen gleichen Umsätzen der einen Ausgangsverbindung, insbesondere Umsätzen des Ethans - im Wesentlichen gleiche Selektivitäten zu den jeweiligen Zielverbindungen erhalten werden. Im Wesentlichen gleiche Umsätze liegen dabei vor, wenn die Umsätze der unterschiedlichen katalytisch aktiven Materialien um nicht mehr als 2 Prozentpunkte, bevorzugt um nicht mehr als 1,5 Prozentpunkte, besonders bevorzugt um nicht mehr als 1 Prozentpunkt, beziehungsweise um nicht mehr als 6 %, bevorzugt um nicht mehr 4 %, besonders bevorzugt um nicht mehr als 2,5 % relativ zueinander abweichen. Im Wesentlichen gleiche Selektivitäten zu einer Zielverbindung liegen dabei vor, wenn die Selektivitäten zu der einen Zielverbindung der unterschiedlichen katalytisch aktiven Materialien - bei im Wesentlichen gleichen Umsätzen - um nicht mehr als 1 Prozentpunkt, bevorzugt um nicht mehr als 0,7 Prozentpunkte, besonders bevorzugt um nicht mehr als 0,5 Prozentpunkte beziehungsweise um nicht mehr als 7 %, bevorzugt um nicht mehr als 5 % und besonders bevorzugt um nicht mehr als 3 % relativ zueinander abweichen. The “conversion-selectivity behavior” in the language used here denotes a connection between a conversion of a starting compound, in the present case ethane, and a selectivity for the target compound, in the present case ethylene, which are each expressed as a percentage. The conversion denotes the proportion of the starting compound which is converted into any other compound, and the selectivity denotes the proportion of the target compounds in all such compounds. An “essentially identical” conversion-selectivity behavior is present in the terminology understood here if—with essentially the same conversions of the one starting compound, in particular conversions of the ethane—essentially the same selectivities for the respective target compounds are obtained. Substantially the same conversions are present if the conversions of the different catalytically active materials are not more than 2 percentage points, preferably not more than 1.5 percentage points, particularly preferably not more than 1 percentage point, or not more than 6%, preferably by no more than 4%, particularly preferably by no more than 2.5% relative to one another. Substantially the same selectivities for a target compound are present if the selectivities for the one target compound of the different catalytically active materials - with essentially the same conversions - by no more than 1 percentage point, preferably by no more than 0.7 percentage points, particularly preferably by by no more than 0.5 percentage points or by no more than 7%, preferably by no more than 5% and particularly preferably by no more than 3% relative to one another.
Eine „Kalzinierung“ stellt im hier verwendeten Sprachgebrauch insbesondere ein Erwärmen eines entsprechenden Materials auf Temperaturen von mindestens 400 °C („Kalziniertemperatur“) in einer im Wesentlichen Stickstoff enthaltenden Atmosphäre oder reinem Stickstoff für eine vorbestimmte Dauer („Kalzinierdauer“) dar. Die Kalzinierdauer und Kalziniertemperatur definieren insbesondere die Kalzinierintensität, wobei ggf. eine geringere Kalziniertemperatur ggf. durch eine höhere Kalzinierdauer aufgehoben bzw. kompensiert werden kann und umgekehrt. Insbesondere im Rahmen der unten beschriebenen Ausführungsbeispiele wird die Kalzinierung synonym auch als „Aktivierung“ bezeichnet. In the language used here, “calcination” means in particular heating a corresponding material to temperatures of at least 400 °C (“calcination temperature”) in an atmosphere essentially containing nitrogen or pure nitrogen for a predetermined period of time (“calcination time”). The calcination time and calcination temperature define in particular the calcination intensity, with a lower calcination temperature possibly being offset or compensated for by a longer calcination time and vice versa. In particular in the context of the exemplary embodiments described below, calcination is also referred to synonymously as “activation”.
Nachfolgend wird aus Klarheitsgründen stets zwischen einem "katalytisch aktiven Material", dem eigentlichen Katalysator, und einem "katalytisch inaktiven Material", das selbst nicht katalytisch wirkt, aber zusammen mit dem Katalysator bereitgestellt ist, unterschieden. Das katalytisch inaktive Material kann beispielsweise Silika (S1O2), Aluminiumoxid (AI2O3), Siliziumcarbid (SiC) oder Graphit sein. Insbesondere Siliziumcarbid und Graphit sind für (stark) exotherme Reaktionen wie der Oxidation von Alkanen, insbesondere der ODHE, sehr vorteilhafte inerte Materialien, da diese neben dem Effekt der Verdünnung besonders gut wärmeleitend sind und so auch zu einem effektiven Wärmemanagement der Reaktion beitragen. Für eine Formgebung (Tablettierung) der Katalysatoren wird zusätzlich Wachs benötigt, das aber nach erfolgter Formgebung ausgebrannt wird. Das Wachs ist somit im eigentlichen Katalysator nicht mehr vorhanden, hinterlässt aber stattdessen entsprechende Poren, die für die Zugänglichkeit der Reaktanden zu den katalytisch aktiven Zentren wichtig sind. Oben erwähnte Inertmaterialien können für eine Tablettierung oder als Gerüstmaterialien für geeignete Katalysatorformkörper beliebiger Art verwendet werden oder es kann sich um weitere, nicht mit katalytisch aktivem Material ausgestattete Körper handeln. Ein katalytisch inaktives Material wird nachfolgend auch als "Inertmaterial" bezeichnet. For reasons of clarity, a distinction is always made below between a "catalytically active material", the actual catalyst, and a "catalytically inactive material", which itself does not have a catalytic effect but is provided together with the catalyst. The catalytically inactive material can be, for example, silica (S1O2), alumina (AI2O3), silicon carbide (SiC) or graphite. In particular, silicon carbide and graphite are very advantageous inert materials for (strongly) exothermic reactions such as the oxidation of alkanes, especially ODHE, since, in addition to the effect of dilution, they are particularly good thermal conductors and thus also contribute to effective heat management of the reaction. Wax is also required to shape (tablet) the catalysts, but this is burned out once the shape has been completed. The wax is therefore no longer present in the actual catalyst, but instead leaves behind corresponding pores that are important for the accessibility of the reactants to the catalytically active centers. The inert materials mentioned above can be used for tableting or as framework materials for suitable shaped catalyst bodies of any type, or they can be other materials that are not catalytically active equipped bodies act. A catalytically inactive material is also referred to below as “inert material”.
Wie nachfolgend erläutert, bieten die gemäß Ausgestaltungen der Erfindung hergestellten Katalysatorbetten bzw. Reaktionszonen gegenüber einem solchen Verfahren des Standes der Technik Vorteile, die insbesondere eine verbesserte Standdauer bzw. Haltbarkeit des Katalysators umfassen, da dieser eine homogenere Aktivitätsverteilung aufweist. Zudem ergibt sich ein weiterer unerwarteter Vorteil aus der zunächst vermeintlich nachteiligen geringeren Aktivität gemäß Ausgestaltungen der Erfindung bereitgestellter Katalysezonen. As explained below, the catalyst beds or reaction zones produced according to embodiments of the invention offer advantages over such a prior art method, which include in particular an improved service life or durability of the catalyst, since it has a more homogeneous activity distribution. In addition, a further unexpected advantage results from the initially supposedly disadvantageous lower activity of catalytic zones provided according to embodiments of the invention.
Wenn unterschiedliche Aktivitätsabstufungen in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise, d.h. durch (i) Verdünnung durch physikalische Mischung von aktiven Vollkatalysatorformkörpern und inerten Formkörpern innerhalb einer Schicht oder (ii) durch Katalysatorformkörper, die bereits den verdünnenden Inertanteil im Formkörper selbst enthalten, hergestellt werden, kann sich hieraus ein entscheidender Nachteil ergeben: Solche Schichten (i) oder Schichten solcher verdünnten Formkörper (ii) bestehen immer einerseits aus mehr oder weniger großen Bereichen, die entweder inert und damit für die Reaktion inaktiv sind, und andererseits aus Bereichen, die eine maximale (volle) katalytische Aktivität aufweisen. Die katalytische Aktivität ist also nicht homogen verteilt. Ausschließlich in diesen voll aktiven Bereichen findet also die Reaktion statt. Somit unterliegen diese Bereiche einer sehr hohen lokalen thermischen Beanspruchung mit lokalen Temperaturhotspots. Dies führt zum einen zu einer schnelleren Alterung des Katalysators (umfassend das katalytisch aktive Material und das katalytisch inaktive Material) z.B. durch Sintern oder im Extremfall auch Verlust an mechanischer Stabilität eines Katalysatorformkörpers aufgrund der (sehr lokalen) thermischen Beanspruchung. Andererseits wird die Selektivität negativ beeinflusst, also insbesondere die Totaloxidation des eingesetzten Edukts, wie beispielsweise eines Alkans, insbesondere von Ethan, bei zu hoher Temperatur begünstigt. Diese Effekte werden verstärkt, je größer die Bereiche solcher Inhomogenitäten hinsichtlich der Verteilung der Katalysatoraktivität ist (Verdünnung mit Inertpartikeln ggü. Verdünnung innerhalb eines Katalysatorpartikels). If different activity levels are produced in the manner known from the prior art, i.e. by (i) dilution by physical mixing of active unsupported shaped catalyst bodies and inert shaped bodies within a layer or (ii) by shaped catalyst bodies which already contain the diluting inert fraction in the shaped body itself , this can result in a decisive disadvantage: Such layers (i) or layers of such diluted shaped bodies (ii) always consist on the one hand of more or less large areas that are either inert and therefore inactive for the reaction, and on the other hand of areas that have maximum (full) catalytic activity. The catalytic activity is therefore not distributed homogeneously. The reaction therefore takes place exclusively in these fully active areas. Thus, these areas are subject to very high local thermal stress with local temperature hotspots. On the one hand, this leads to faster aging of the catalyst (comprising the catalytically active material and the catalytically inactive material), e.g. due to sintering or, in extreme cases, to a loss of mechanical stability of a shaped catalyst body due to the (very local) thermal stress. On the other hand, the selectivity is negatively influenced, ie in particular the total oxidation of the starting material used, such as an alkane, in particular of ethane, is promoted at too high a temperature. These effects are amplified the larger the range of such inhomogeneities in the distribution of catalyst activity (dilution with inert particles versus dilution within a catalyst particle).
Auch wenn sich durch die im Stand der Technik vorgeschlagenen Maßnahmen zunächst eine einfache und scheinbar relativ günstige Herstellungsmethode realisieren lässt, die auf die gleiche Rezeptur (also mit identischen oder im Wesentlichen identischen Kalzinierbedingungen) zurückgreift, verbleiben die genannten und nachfolgend genannte weitere Nachteile: Even if the measures proposed in the prior art initially result in a simple and apparently relatively inexpensive production method that uses the same recipe (i.e. with identical or essentially identical calcination conditions), the further disadvantages mentioned and those mentioned below remain:
1. Am aktiven Partikel herrscht trotzdem eine sehr hohe Aktivität und damit lokale Belastung und Temperatursteigerung vor. Diese führt zu entsprechenden Selektivitätsverlusten und ggf. auch beschleunigter Katalysatoralterung. 1. Nevertheless, there is a very high level of activity on the active particle and thus local stress and temperature increase. This leads to corresponding losses in selectivity and possibly also to accelerated aging of the catalyst.
2. Die Einbringung von Inertmaterial ist oftmals limitiert, z.B. durch Schwierigkeiten in der Formgebung, Stabilität und Haltbarkeit der finalen Katalysatorformkörper. 2. The introduction of inert material is often limited, e.g. due to difficulties in shaping, stability and durability of the final shaped catalyst bodies.
3. Das Inertmaterial ist zwar nicht katalytisch aktiv, kann aber ebenfalls eine Porenstruktur aufweisen, die dann ebenfalls einer Alterung unterliegt. Die sich ändernde innere Diffusion kann eine andere Alterungskinetik haben als die chemische Alterung des katalytisch aktiven Materials und somit eine gleichförmige berechenbare Alterung erschweren. Dies kann die Berechnung der Standzeit und die Vorausbestimmung des Lebensendes der Katalysatorschüttung erheblich erschweren. Eine solche Vorausbestimmung ist aber in der Praxis notwendig, um Wartungsintervalle mit Katalysatorwechsel in einer großen kommerziellen Anlage rechtzeitig planen zu können. 3. Although the inert material is not catalytically active, it can also have a pore structure, which is then also subject to aging. The changing internal diffusion can have different aging kinetics than the chemical aging of the catalytically active material and thus make uniform, predictable aging more difficult. This can make calculating the service life and predicting the end of life of the catalyst bed considerably more difficult. However, such a predetermination is necessary in practice in order to be able to plan maintenance intervals with catalyst changes in a large commercial plant in good time.
4. Darüber hinaus belegt das katalytisch inaktive Material zur Verfügung stehendes Reaktorvolumen, das mit katalytisch aktivem Material gefüllt werden könnte. Somit verliert man bei einer solchen Lösung typischerweise stets Reaktionsraum und damit Raum-Zeit-Produktivität. 4. In addition, the catalytically inactive material occupies available reactor volume that could be filled with catalytically active material. With such a solution, one typically always loses reaction space and thus space-time productivity.
5. Aufgrund der vorgenannten unterschiedlichen Alterungscharakteristik kann es insbesondere auch zu einer Alterung des Inertmaterials kommen, die einen Katalysatorwechsel notwendig macht, obwohl das eigentliche katalytisch aktive Material noch ausreichend aktiv und selektiv wirkt. 5. Due to the aforementioned different aging characteristics, aging of the inert material can also occur, which makes it necessary to change the catalyst, although the actual catalytically active material is still sufficiently active and selective.
Die vorliegende Erfindung minimiert oder vermeidet die Verwendung von Inertmaterial zur Verdünnung der aktiven Katalysatormasse, also des katalytisch aktiven Materials mit katalytisch inaktivem Material, wobei aber typischerweise ein bestimmter (aber insbesondere gleichbleibender) Anteil an katalytisch inaktivem Material (zur Bildung von Formkörpern, d.h. Tablettierung) eingesetzt wird. Im Rahmen dieser Erfindung wird vorgeschlagen, eine Herstellung maßgeschneiderter Katalysatoren mit einem gezielt eingestellten Umsatz-Selektivitätsverhalten und einer gezielt eingestellten Aktivität pro Rauminhalt vorzunehmen, die in einem besonders leistungsfähigen Verfahren insbesondere für die Olefinherstellung mittels oxidativer Dehydrierung von Ethan genutzt werden können. The present invention minimizes or avoids the use of inert material to dilute the active catalyst mass, i.e. the catalytically active material with catalytically inactive material, but typically a certain (but in particular constant) proportion of catalytically inactive material (to form of shaped bodies, ie tabletting) is used. In the context of this invention, it is proposed to produce tailor-made catalysts with a specifically adjusted conversion-selectivity behavior and a specifically adjusted activity per volume, which can be used in a particularly efficient process, in particular for the production of olefins by means of oxidative dehydrogenation of ethane.
Insgesamt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zielverbindung vorgeschlagen, bei dem ein Ethan enthaltendes Einsatzgemisch auf eine Vielzahl parallel angeordneter Reaktionsrohre eines Rohrbündelreaktors verteilt und in den Reaktionsrohren einer oxidativen katalytischen Umsetzung des Ethans unterworfen wird, wobei die katalytische Umsetzung mittels in den Reaktionsrohren hintereinander angeordneter Katalysezonen mit unterschiedlicher Aktivität durchgeführt wird, und wobei in den Katalysezonen jeweils ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien und ein oder mehrere katalytisch inaktive Materialien bereitgestellt sind. Die unterschiedliche Aktivität der Katalysezonen wird erfindungsgemäß durch Bereitstellen des einen oder der mehreren, katalytisch aktiven Materialien mit identischer Grundrezeptur und insbesondere identischer elementarer Zusammensetzung bewirkt. Insbesondere kann die Aktivität von Zone zu Zone zunehmen, d.h. in einer nachfolgenden Zone insbesondere um mehr als 10 %, 20 % oder 25 % höher als in der jeweils vorhergehenden Zone liegen. Ein Anteil des einen oder der mehreren, katalytisch inaktiven Materialien in den jeweiligen Katalysezonen an einer gesamten Füllung der jeweiligen Katalysezonen unterscheidet sich dabei insbesondere um nicht mehr als 25 %, 20 %, 15 %, 10 % oder 5 % zwischen den Katalysezonen. Die Einstellung der katalytischen Aktivität erfolgt in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung also ausschließlich oder primär durch die Aktivitätsbeeinflussung, insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Kalzinierbedingungen und insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Kalzinierintensität. Overall, within the scope of the present invention, a process for the preparation of a target compound is proposed in which an ethane-containing feed mixture is distributed over a large number of reaction tubes of a tube bundle reactor arranged in parallel and is subjected to an oxidative catalytic conversion of the ethane in the reaction tubes, the catalytic conversion being carried out by means of Reaction tubes of catalytic zones arranged one behind the other with different activities is carried out, and wherein one or more catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided in each of the catalytic zones. The different activity of the catalytic zones is brought about according to the invention by providing the one or more catalytically active materials with an identical basic recipe and in particular an identical elemental composition. In particular, the activity can increase from zone to zone, i.e. it can be more than 10%, 20% or 25% higher in a subsequent zone than in the respective preceding zone. A proportion of the one or more catalytically inactive materials in the respective catalysis zones in a total filling of the respective catalysis zones differs in particular by no more than 25%, 20%, 15%, 10% or 5% between the catalysis zones. In embodiments of the present invention, the catalytic activity is adjusted exclusively or primarily by influencing the activity, in particular due to the different calcination conditions and in particular due to the different calcination intensity.
Mit anderen Worten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung abweichend vom Stand der Technik weder (ausschließlich) die Verwendung elementar unterschiedlich zusammengesetzter Katalysatormaterialien noch (ausschließlich) die Verwendung unterschiedlich verdünnter Katalysatormaterialien vorgesehen. Dies führt zu den bereits zuvor ausführlich dargelegten Vorteilen. Das eine oder zumindest eines der mehreren, katalytisch aktiven Materialien weist bzw. weisen zumindest die Metalle Molybdän, Vanadium, Niob und optional Tellur auf. Das eine oder das zumindest eine der mehreren, katalytisch aktiven Materialien ist bzw. sind ferner insbesondere zumindest teilweise aus den Oxiden der genannten Metalle hergestellt. Dieses katalytisch aktive Material ist damit aus kommerziell in großen Mengen und zu günstigen Preisen erhältlichen Vorstufen herstellbar. Die Nachteile der Herstellung aus (wasser-) löslichen Vorstufen der Metalle, wie z.B. Ammoniumheptamolybdat oder Vanadylsulfat, kann auf diese Weise vermieden werden. Anstelle von Tellursäure kann Telluroxid verwendet werden. Insbesondere kann das katalytisch aktive Material (vollständig) unter Verwendung der Oxide M0O3, V2O5, Nb205 und Te02 hergestellt werden. In other words, within the scope of the present invention, in contrast to the prior art, neither (exclusively) the use of catalyst materials with different elemental compositions nor (exclusively) the use of differently diluted catalyst materials is provided. This leads to the advantages already explained in detail above. The one or at least one of the plurality of catalytically active materials has or have at least the metals molybdenum, vanadium, niobium and optionally tellurium. The one or at least one of the plurality of catalytically active materials is or are also in particular at least partially produced from the oxides of the metals mentioned. This catalytically active material can thus be produced from precursors that are commercially available in large quantities and at low prices. The disadvantages of production from (water) soluble precursors of the metals, such as ammonium heptamolybdate or vanadyl sulfate, can be avoided in this way. Instead of telluric acid, tellurium oxide can be used. In particular, the catalytically active material can (entirely) be prepared using the oxides M0O3, V2O5, Nb 2 O 5 and TeO 2 .
Wie weiter unten unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, kann ein auf Basis der Metalloxide hergestelltes katalytisch aktives Material (wie beispielsweise in Beispiel 1 der DE 102017000 861 A1 beschrieben) eine geringere Aktivität als ein auf Basis der löslichen Präkursoren hergestelltes katalytisch aktives Material aufweisen. Allerdings ist, bei der Umsetzung von Ethan mit vergleichbarer Gesamtselektivität zu den kommerziellen Wertprodukten Ethylen und Essigsäure, für ein auf Basis der Metalloxide hergestelltes katalytisch aktives Material entsprechender Art eine höhere Selektivität zu Ethylen feststellbar. Entsprechendes ist bei der Umsetzung anderer Alkane zu erwarten. As explained below with reference to specific exemplary embodiments of the invention, a catalytically active material produced on the basis of the metal oxides (as described, for example, in example 1 of DE 102017000 861 A1) can have a lower activity than a catalytically active material produced on the basis of the soluble precursors . However, in the conversion of ethane with a comparable overall selectivity to the commercial valuable products ethylene and acetic acid, a higher selectivity to ethylene can be observed for a catalytically active material of the corresponding type produced on the basis of the metal oxides. The same is to be expected in the implementation of other alkanes.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein, kann sich aus dieser Tatsache, wie in Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen erläutert, ein beim Einsatz eines entsprechenden katalytisch aktiven Materials feststellbares, flacheres Temperaturprofil ergeben. Durch diesen Effekt kann eine Verringerung der Gefahr des thermischen Durchgehens des Katalysatorbetts oder eines Teils des Katalysatorbetts bzw. einer Reaktionszone in einem Reaktor erreicht werden. Zur Erzielung desselben Umsatzes kann eine höhere Katalysatorbetteintrittstemperatur verwendet werden. Without being bound to theory, this fact, as explained in connection with the exemplary embodiments, can result in a flatter temperature profile that can be determined when using a corresponding catalytically active material. This effect makes it possible to reduce the risk of thermal runaway of the catalyst bed or part of the catalyst bed or a reaction zone in a reactor. A higher catalyst bed inlet temperature can be used to achieve the same conversion.
Überraschenderweise stellt sich also der vermeintliche Nachteil einer geringeren Aktivität insbesondere eines über die reinen Oxide hergestellten Katalysators im Sinne der Erfindung als besonders vorteilhaft heraus, da die verringerte Aktivität dazu führt, dass der Prozess bei etwas erhöhten Temperaturen betrieben werden kann bzw. sollte. Dies wiederum führt im Ergebnis dann zu einer erhöhten Ausbeute an dem besonders bevorzugtem Wertprodukt Ethylen. Surprisingly, the alleged disadvantage of a lower activity, in particular of a catalyst produced using the pure oxides, turns out to be particularly advantageous in the sense of the invention, since the reduced activity means that the process can be operated at slightly higher temperatures or should. This in turn leads to an increased yield of the particularly preferred product of value ethylene.
In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird das eine oder das zumindest eine der mehreren, katalytisch aktiven Materialien insbesondere unter Verwendung einer Hydrothermalsynthese hergestellt, wie sie ebenfalls bereits grundsätzlich aus der erwähnten DE 102017 000861 A1 bekannt ist. In the method proposed according to the invention, one or at least one of the plurality of catalytically active materials is produced in particular using hydrothermal synthesis, as is also already known in principle from the aforementioned DE 102017 000861 A1.
Eine unterschiedliche Aktivität des einen oder des zumindest einen der mehreren, katalytisch aktiven Materialien in den Reaktionszonen wird - im Gegensatz zur WO 2019/243480 A1 - im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch unterschiedliche Kalzinierintensitäten bewirkt. Mit anderen Worten ist das eine oder sind die mehreren, katalytisch aktiven Materialien in den unterschiedlichen Reaktionszonen unter Verwendung der identischen Grundrezeptur aber unterschiedlicher Kalzinierintensitäten hergestellt. Diese weisen daher, wie erfindungsgemäß ausgenutzt wird, auch ohne unterschiedliche Inertanteile, unterschiedliche Aktivitäten auf. In contrast to WO 2019/243480 A1, a different activity of the one or at least one of the several catalytically active materials in the reaction zones is brought about within the scope of the present invention by different calcination intensities. In other words, the one or more catalytically active materials are produced in the different reaction zones using the identical basic recipe but different calcination intensities. These therefore have different activities, as is utilized according to the invention, even without different inert fractions.
Die Grundrezeptur beeinflusst entscheidend das Umsatz-Selektivitätsverhalten eines entsprechenden katalytisch aktiven Materials. Die Aktivität des katalytisch aktiven Materials kann dabei für eine bestimmte Grundrezeptur, wie erfindungsgemäß erkannt wurde, durch die Wahl geeigneter Kalzinierbedingungen angepasst werden. Die Kalzinierbedingungen umfassen dabei insbesondere die Auswahl der Kalzinierverfahrenstechnik, d.h. kontinuierliche oder diskontinuierliche Kalzinierung, und die Wahl der Kalzinierintensität (die Kalzinierintensität ist insbesondere definiert durch eine Kalziniertemperatur und/oder eine Kalzinierzeit). Weitere Details sind ebenfalls unten unter Bezugnahme auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel erläutert. Wie erfindungsgemäß erkannt wurde und durch die Ausführungsbeispiele belegt ist, stellt insbesondere die Kalzinierungsintensität (Temperatur und Dauer) alleine einen geeigneten Parameter dar, um die unterschiedliche Aktivität des einen oder des zumindest einen der mehreren, katalytisch aktiven Materialien zu bewirken. Andere Parameter können, müssen aber nicht geändert werden. The basic recipe has a decisive influence on the conversion-selectivity behavior of a corresponding catalytically active material. The activity of the catalytically active material can be adapted for a specific base recipe, as has been recognized according to the invention, by choosing suitable calcination conditions. The calcination conditions include in particular the selection of the calcination process technology, i.e. continuous or discontinuous calcination, and the choice of the calcination intensity (the calcination intensity is defined in particular by a calcination temperature and/or a calcination time). Further details are also explained below with reference to a specific embodiment. As was recognized according to the invention and is proven by the exemplary embodiments, in particular the calcination intensity (temperature and duration) alone represents a suitable parameter for bringing about the different activity of the one or at least one of the several catalytically active materials. Other parameters can, but do not have to, be changed.
Die vorliegende Erfindung macht sich, mit anderen Worten, in einer Ausgestaltung die Tatsache zunutze, dass sich die Aktivität eines bestimmten Katalysatormaterials, und damit zusammenhängend auch weitere Parameter wie die Anspringtemperatur, durch die Herstellung und insbesondere durch einen einzigen Herstellungsschritt beeinflussen lässt. Es wurde insbesondere für die erfindungsgemäß vorteilhafterweise eingesetzten MoVNb(Te)O^Katalysatoren gefunden, dass die Kalzinierbedingungen und insbesondere die Kalzinierintensität einen unmittelbaren Einfluss auf deren jeweilige Aktivität haben. Mit einer erhöhten Aktivität geht dabei auch eine verringerte Anspringtemperatur einher. Das katalytisch aktive Material an sich bleibt dabei von der Zusammensetzung her prinzipiell das gleiche und kann insbesondere aus dem gleichen Syntheseansatz und (bis auf die Kalzinierung) gleichen Synthese- und Herstellverfahren entnommen werden, was der oben definierten Grundrezeptur entspricht. In other words, in one embodiment, the present invention makes use of the fact that the activity of a specific catalyst material, and associated other parameters such as the light-off temperature, changes the production and in particular can be influenced by a single production step. It has been found, in particular for the MoVNb(Te)O 4 catalysts advantageously used according to the invention, that the calcination conditions and in particular the calcination intensity have a direct influence on their respective activity. Increased activity is also accompanied by a reduced starting temperature. In principle, the composition of the catalytically active material remains the same and can in particular be taken from the same synthesis approach and (apart from calcination) the same synthesis and production processes, which corresponds to the basic recipe defined above.
Im Rahmen der Erfindung wurde überraschender weise festgestellt, dass sich bei Katalysatormaterialien, die mit der identischen Grundrezeptur hergestellt wurden, durch die Wahl der Kalzinierbedingungen und insbesondere durch die Wahl der Kalzinierintensität die physiko-chemischen Eigenschaften, insbesondere in Form der BET-Oberfläche und/oder des spezifischen Porenvolumens, beeinflussen lassen.In the context of the invention, it was surprisingly found that the physicochemical properties, in particular in the form of the BET surface area and/or the specific pore volume.
Dabei führt eine größere Kalzinierintensität zu einer Verkleinerung der BET-Oberfläche und - mehr signifikant - zu einer Verkleinerung des spezifischen Porenvolumens. Ferner wurde überraschender Weise bei den so hergestellten Katalysatormaterialien (d.h. identische Grundrezeptur, unterschiedliche Kalzinierintensität) zwischen der BET- Oberfläche und - mehr signifikant - zwischen dem spezifischen Porenvolumen und der katalytischen Aktivität der Zusammenhang gefunden, dass die katalytische Aktivität mit steigendem spezifischen Porenvolumen (bzw. höherer BET-Oberfläche) zunimmt.A greater calcination intensity leads to a reduction in the BET surface area and - more significantly - to a reduction in the specific pore volume. Furthermore, it was surprisingly found that the relationship between the BET surface area and - more significantly - between the specific pore volume and the catalytic activity in the catalyst materials produced in this way (i.e. identical basic recipe, different calcination intensity) shows that the catalytic activity increases with increasing specific pore volume (or higher BET surface) increases.
Somit eignet sich das spezifische Porenvolumen bzw. die BET-Oberfläche als Leitgröße für die Herstellung der Katalysatormaterialien. The specific pore volume or the BET surface area is therefore suitable as a guide variable for the production of the catalyst materials.
Wie soeben ausgeführt geht ein höheres Porenvolumen und/oder eine höhere BET- Oberfläche dabei üblicherweise mit einer höheren Aktivität einher. Wie in den Ausführungsbeispielen verdeutlicht, ist dabei das Porenvolumen bzw. die BET- Oberfläche des Katalysatormaterials vor der Formgebung, d.h. nach der Kalzinierung, gemeint. Die BET-Oberfläche stellt die massenbezogene spezifische Oberfläche dar, die gemäß bekannten Verfahren aus experimentellen Daten errechnet und üblicherweise in der Einheit Quadratmeter pro Gramm (m2 g~1) angegeben wird. Die BET-Messung ist der fachkundigen Person aus einschlägigen Lehrbüchern und Normwerken, beispielsweise der DIN ISO 9277:2003-05, "Bestimmung der spezifischen Oberfläche von Feststoffen durch Gasadsorption nach dem BET- Verfahren (ISO 9277:1995)", bekannt. Dies ist aber keine notwendige zwingende Voraussetzung für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung, sondern betrifft eine mögliche Ausgestaltung. Das spezifische Porenvolumen eines Katalysators kann z.B. mit Hilfe von Stickstoff-Physisorptionsmessungen, d.h. also grundsätzlich mit der gleichen Messmethode, die auch zur Bestimmung der BET-Oberfläche verwendet wird, ermittelt werden, wobei für die Ermittelung des spezifischen Porenvolumens der Teil der Sorptionsisotherme bei relativen Drücken von ca. 1 p/po herangezogen wird. As just explained, a higher pore volume and/or a higher BET surface area is usually associated with a higher activity. As illustrated in the exemplary embodiments, what is meant here is the pore volume or the BET surface area of the catalyst material before shaping, ie after calcination. The BET surface area represents the mass specific surface area calculated from experimental data according to known methods and is usually given in units of square meters per gram (m 2 g -1 ). The BET measurement is known to the competent person from relevant textbooks and standards, for example DIN ISO 9277:2003-05, "Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption according to the BET Process (ISO 9277:1995) ", known. But this is not a necessary mandatory requirement for the implementation of the present invention, but relates to a possible embodiment. The specific pore volume of a catalyst can, for example, using nitrogen physisorption measurements, ie basically with the using the same measuring method that is also used to determine the BET surface area, whereby the part of the sorption isotherm at relative pressures of approx. 1 p/po is used to determine the specific pore volume.
In einer entsprechenden Ausgestaltung unterscheiden sich damit ein Porenvolumen und/oder eine BET- Oberfläche in zumindest zwei der Katalysezonen, wobei insbesondere Abweichungen von 15 bis 60% auftreten können, d.h. das Porenvolumen bzw. die BET-Oberfläche des Katalysatormaterials der ersten Katalysezone um 15 bis 60% kleiner sein kann als das Porenvolumen bzw. die BET-Oberfläche der zweiten Katalysezone (wie oben ausgeführt bezieht sich das Porenvolumen bzw. die BET- Oberfläche auf das Katalysatormaterial nach der Kalzinierung vor der Formgebung). Wie soeben ausgeführt kann das Porenvolumen insbesondere als Maß für die Katalysatoraktivität verwendet werden. In a corresponding embodiment, a pore volume and/or a BET surface area differ in at least two of the catalysis zones, with deviations of 15 to 60% being possible, i.e. the pore volume or the BET surface area of the catalyst material of the first catalysis zone by 15 to 60% less than the pore volume or BET surface area of the second catalytic zone (as stated above, the pore volume or BET surface area relates to the catalyst material after calcination before shaping). As just stated, the pore volume can be used in particular as a measure of the catalyst activity.
Vorteilhafterweise kann das eine oder zumindest eines der mehreren, katalytisch aktiven Materialien in einer der Katalysezonen eine durch eine unterschiedliche Kalzinierintensität bedingte, um mehr als 10% höhere Aktivität aufweisen als das eine oder das zumindest eine der mehreren, katalytisch aktiven Materialien in einer anderen der Katalysezonen. Die Aktivität kann auch beispielsweise um 20 %, 30 %, oder 40 % höher liegen. Advantageously, the one or at least one of the plurality of catalytically active materials in one of the catalysis zones can have a different calcination intensity that is more than 10% higher in activity than the one or at least one of the plurality of catalytically active materials in another of the catalysis zones . The activity can also be, for example, 20%, 30%, or 40% higher.
In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, werden vorteilhafterweise mindestens zwei verschiedene Lagen Katalysator mit jeweils (im Wesentlichen) gleichem Anteil an Binder oder Träger (also katalytisch inaktivem Material), aber mit unterschiedlicher Aktivität des katalytisch aktiven Materials verwendet. Mit anderen Worten unterscheidet sich ein Anteil des einen oder der mehreren, katalytisch inaktiven Materialien in den unterschiedlichen Katalysezonen sich vorteilhafterweise relativ zueinander um nicht mehr als 25 %, 15 %, 10 % oder 5 %, und insbesondere lediglich im Rahmen von Dosier- oder Fertigungstoleranzen. Wie erwähnt, kommt die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer ODH von Ethan (ODHE) zum Einsatz, so dass das Einsatzgemisch Sauerstoff und als Paraffin Ethan enthält und die oxidative Umsetzung als oxidative Dehydrierung des Ethans durchgeführt wird. In allen Fällen, in denen im Zusammenhang mit Ausgestaltungen der Erfindung von einer „oxidativen Umsetzung“ die Rede ist, sei daher hierunter eine oxidative Dehydrierung von Ethan verstanden. In the method proposed according to the invention, at least two different layers of catalyst are advantageously used, each with (substantially) the same proportion of binder or support (ie catalytically inactive material), but with different activity of the catalytically active material. In other words, a proportion of the one or more catalytically inactive materials in the different catalytic zones advantageously differs relative to one another by no more than 25%, 15%, 10% or 5%, and in particular only within the scope of dosing or manufacturing tolerances . As mentioned, the present invention is used in connection with an ODH of ethane (ODHE), so that the feed mixture contains oxygen and ethane as paraffin and the oxidative reaction is carried out as an oxidative dehydrogenation of the ethane. In all cases in which an “oxidative reaction” is mentioned in connection with embodiments of the invention, this is therefore understood to mean an oxidative dehydrogenation of ethane.
Die oxidative Umsetzung erfolgt vorteilhafterweise bei einer Temperatur des Katalysators in einem Bereich zwischen 240 und 500°C, bevorzugt zwischen 280 und 450 °C, insbesondere zwischen 300 und 400 °C. The oxidative reaction is advantageously carried out at a catalyst temperature in a range between 240 and 500.degree. C., preferably between 280 and 450.degree. C., in particular between 300 and 400.degree.
Das Einsatzgemisch wird vorteilhafterweise auf einem Druck in einem Druckbereich von 1 bis 10 bar (abs.), insbesondere von 2 bis 6 bar (abs.) dem Reaktor zugeführt. Es handelt sich also um ein mit vergleichsweise niedrigem Druck arbeitendes Verfahren, bei dem sich Vorteile der Erfindung in besonderer Weise ergeben. Durch eine Reduzierung von katalytisch inaktivem Material reduziert sich der Druckverlust in einem entsprechenden Reaktionsrohr, was insbesondere für entsprechende "Niederdruck'-Verfahren besonders vorteilhaft ist. The starting mixture is advantageously fed to the reactor at a pressure in a pressure range from 1 to 10 bar (absolute), in particular from 2 to 6 bar (absolute). It is therefore a process that works at comparatively low pressure and in which advantages of the invention arise in a special way. A reduction in catalytically inactive material reduces the pressure loss in a corresponding reaction tube, which is particularly advantageous for corresponding “low-pressure” processes.
Mit besonderem Vorteil kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Wasseranteil in dem Einsatzgemisch eingestellt werden, der zwischen 5 und 95 Vol.-%, insbesondere zwischen 10 und 50 Vol.-% und weiter insbesondere zwischen 14 und 35 Vol.-% liegen kann. Wie auch beispielsweise in der EP 3 558910 B1 der Anmelderin offenbart, kann auch beispielsweise zumindest eine Kenngröße ermittelt werden, welche eine Aktivität des oder eines der Katalysatoren anzeigt, und auf dieser Grundlage eine Menge des Wassers in dem Reaktionseinsatzstrom auf Grundlage der zumindest einen ermittelten Kenngröße eingestellt werden. Within the scope of the present invention, it is particularly advantageous to set a water content in the feed mixture of between 5 and 95% by volume, in particular between 10 and 50% by volume and more particularly between 14 and 35% by volume. As also disclosed, for example, in the applicant's EP 3 558910 B1, at least one parameter can also be determined, for example, which indicates an activity of the or one of the catalysts, and on this basis a quantity of water in the reaction feed stream based on the at least one determined parameter to be set.
Insbesondere kann eine Ausgestaltung vorteilhaft sein, in der das Einsatzgemisch Ethan enthält und in der der das molare Verhältnis von Wasser zu Ethan in dem Einsatzgemisch mindestens 0,23 beträgt. In particular, an embodiment can be advantageous in which the starting mixture contains ethane and in which the molar ratio of water to ethane in the starting mixture is at least 0.23.
Die Erfindung kann unabhängig von der Führung des Kühlmediums (d.h. Gleich- oder Gegenstrom) angewandt werden. Bei Führung des Kühlmediums - insbesondere einer Salzschmelze - im Gegenstrom lässt sich ein besonderer zusätzlicher Vorteil erzielen, da hier die Reaktionswärme aus den Katalysezonen beispielsweise in einer Vorwärmzone teilweise mit ausgenutzt werden kann. Ebenso sind unterschiedliche Kühlkreisläufe in Kombination mit unterschiedlichen Katalysatorlagen denkbar (wie auch genauer noch in der WO 2019/243480 A1 angegeben). The invention can be used independently of the routing of the cooling medium (ie co-current or counter-current). A particular additional advantage can be achieved when the cooling medium - in particular a molten salt - is guided in countercurrent, since the heat of reaction from the catalysis zones can be partially utilized here, for example in a preheating zone. Likewise, different cooling circuits in combination with different catalyst layers are conceivable (as also specified in more detail in WO 2019/243480 A1).
Es ergibt sich ein besonderer Vorteil, wenn der Reaktor so ausgeführt ist, dass der Reaktor explizit in bestimmten Bereichen zusätzlich anders gekühlt wird, also dort die Möglichkeit eines separaten Kühlkreislaufs (mit ggf. sogar auch unterschiedlicher Kühlmittelflussrichtung) besteht. Daraus ergibt sich als Vorteil eine gezielte Temperatur- und somit Aktivitätsanpassung in bestimmten Zonen. Hierdurch können diese Zonen auch beispielsweise durch einen entsprechenden Wärmeeintrag explizit "zugeschaltet" oder, falls nicht oder nur wenig benötigt, "abgeschaltet" werden, indem die Anspringtemperaturen der katalytisch aktiven Materialien gezielt über- oder unterschritten werden. There is a particular advantage if the reactor is designed in such a way that the reactor is explicitly additionally cooled differently in certain areas, ie there is the possibility of a separate cooling circuit (with possibly even a different coolant flow direction). This results in the advantage of a targeted temperature and thus activity adjustment in certain zones. As a result, these zones can also be explicitly “switched on” by means of a corresponding heat input or, if not needed or only slightly, “switched off” by specifically exceeding or falling below the light-off temperatures of the catalytically active materials.
Mit anderen Worten schlägt die vorliegende Erfindung in einer Ausgestaltung vor, dass die Reaktionsrohre unter Verwendung eines oder mehrerer, die Reaktionsrohre umfließender Kühlmedien gekühlt werden. Unterschiedliche Rohrabschnitte können dabei mit besonderem Vorteil unter Verwendung unterschiedlicher Kühlmedien, desselben Kühlmediums in unterschiedlichen Kühlmedienkreisläufen, und/oder desselben oder unterschiedlicher Kühlmedien in unterschiedlichen oder gleichen Strömungsrichtungen gekühlt werden. In other words, in one embodiment, the present invention proposes that the reaction tubes be cooled using one or more cooling media flowing around the reaction tubes. Different pipe sections can be cooled with particular advantage using different cooling media, the same cooling medium in different cooling medium circuits, and/or the same or different cooling media in different or the same flow directions.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anlage zur Herstellung einer Zielverbindung mit einem Rohrbündelreaktor, der eine Vielzahl parallel angeordneter Reaktionsrohre aufweist, wobei die Anlage Mittel aufweist, die dazu eingerichtet sind, ein Ethan enthaltendes Einsatzgemisch auf die Reaktionsrohre zu verteilen und in den Reaktionsrohren einer oxidativen katalytischen Umsetzung des Ethans zu unterwerfen, wobei für die katalytische Umsetzung in den Reaktionsrohren hintereinander angeordnete Katalysezonen mit unterschiedlicher Aktivität bereitgestellt sind, und wobei in den Katalysezonen jeweils ein oder mehrere, katalytisch aktive Materialien und ein oder mehrere, katalytisch inaktive Materialien bereitgestellt sind. The invention also extends to a plant for the production of a target compound with a tube bundle reactor which has a multiplicity of reaction tubes arranged in parallel, the plant having means which are set up to distribute an ethane-containing feed mixture to the reaction tubes and in the reaction tubes to an oxidative subject to catalytic conversion of the ethane, being provided for the catalytic conversion in the reaction tubes arranged in series catalysis zones with different activities, and wherein one or more catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided in the catalysis zones.
Erfindungsgemäß ist die unterschiedliche Aktivität der Katalysezonen durch Bereitstellen des einen oder der mehreren, katalytisch aktiven Materialien mit identischer Grundrezeptur (d.h. auch mit identischer elementarer Zusammensetzung) bewirkt, wobei das eine oder die mehreren katalytisch aktiven Materialien unter Verwendung unterschiedlicher Kalzinierintensitäten hergestellt ist oder sind. According to the invention, the different activity of the catalytic zones is mitigated by providing the one or more catalytically active materials identical basic recipe (ie also with identical elemental composition), wherein the one or more catalytically active materials is or are produced using different calcination intensities.
Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anlage sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen. Die Anlage ist dabei in entsprechenden Ausgestaltungen insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es, ebenfalls in unterschiedlichen Ausgestaltungen, bereits oben erläutert wurde. Die Erläuterungen gelten entsprechend. With regard to further features and advantages of the system proposed according to the invention, reference is expressly made to the above explanations. In corresponding configurations, the system is set up in particular for carrying out a method as has already been explained above, likewise in different configurations. The explanations apply accordingly.
Insgesamt schafft die Erfindung, wie erwähnt, ein Verfahren zur gezielten Herstellung maßgeschneiderter Katalysatoren (insbesondere hinsichtlich ihrer Selektivität). Ein Verfahren zur Herstellung von katalytisch aktiven Materialien zum Einsatz in der oxidativen Dehydrierung von Ethan kann daher ebenfalls Gegenstand der Erfindung sein. Das Verfahren umfasst, Katalysatorkomponenten der oben erläuterten Art, insbesondere Metalle in Form der erwähnten Metalloxide, bereitzustellen und nach Herstellung wässriger Lösungen oder Aufschlämmungen einer Katalysatorsynthese, insbesondere einer Hydrothermalsynthese, zu unterwerfen, und ein dabei erhaltenes Rohmaterial einer Kalzinierung unter unterschiedlichen Kalzinierungsbedingungen zu unterwerfen. Die unterschiedlichen Kalzinierungsbedingungen umfassen insbesondere unterschiedliche Kalzinierungstemperaturen und/oder Kalzinierungsdauern. Die erhaltenen katalytisch aktiven Materialien werden zusammen mit einem oder mehreren, katalytisch inaktiven Materialien als Träger oder Binder in Katalysezonen eines Reaktors eingebracht, wobei der Anteil des einen oder der mehreren, katalytisch inaktiven Materialien insbesondere im Wesentlichen gleich ist. Overall, as mentioned, the invention creates a method for the targeted production of tailor-made catalysts (in particular with regard to their selectivity). A process for the production of catalytically active materials for use in the oxidative dehydrogenation of ethane can therefore also be the subject of the invention. The method comprises providing catalyst components of the type explained above, in particular metals in the form of the metal oxides mentioned, and subjecting them to a catalyst synthesis, in particular a hydrothermal synthesis, after the preparation of aqueous solutions or slurries, and subjecting a raw material obtained in the process to calcination under different calcination conditions. The different calcination conditions include, in particular, different calcination temperatures and/or calcination times. The catalytically active materials obtained are introduced together with one or more catalytically inactive materials as supports or binders into catalytic zones of a reactor, the proportion of the one or more catalytically inactive materials being essentially the same in particular.
Die Erfindung umfasst dabei eine verbesserte Herstellprozedur der katalytischen Aktivkomponente des Katalysators, d.h. dem aktiven Material eines Katalysator(formkörpers), in Form der Verwendung der reinen Oxide als Rohstoffe. Dies führt zu einer erhöhten Selektivität, beispielsweise zu Ethylen, bereits in der katalytischen Aktivkomponente des Katalysators. Ferner wird eine gezielte Abstufung der Katalysatoraktivität durch verschiedene Kalzinierintensitäten erzielt, so dass über verschiedene Kalzinierintensitäten verschiedene Lagen verschiedener Aktivität generiert werden können. Insgesamt wird auf diese Weise die Verwendung von deutlich kostengünstigeren und in benötigten Mengen verfügbaren Rohstoffen ermöglicht, sowie eine einfache Skalierbarkeit der Katalysatorherstellung im technischen Maßstab gewährleistet. The invention includes an improved production procedure for the catalytically active component of the catalyst, ie the active material of a catalyst (shaped body), in the form of using the pure oxides as raw materials. This leads to an increased selectivity, for example to ethylene, already in the catalytically active component of the catalyst. Furthermore, a targeted gradation of the catalyst activity is achieved by different calcination intensities, so that different layers of different activity can be generated via different calcination intensities. Overall, in this way, the use of significantly cheaper raw materials available in the required quantities allows, and ensures easy scalability of the catalyst production on an industrial scale.
Die Kombination der so hergestellten Katalysatoren, insbesondere in einem ODH(E)- Verfahren mit einem Reaktorsystem mit mehreren Reaktionszonen, führt zu einer signifikanten Steigerung der Katalysatorstandzeiten sowie verbesserten Selektivitäten bzw. Produktausbeuten gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten Reaktorsystem mit mehreren Reaktionszonen, bei dem die Reaktionszonen durch Verdünnung der Lagen mit Inertmaterial bzw. Verdünnung der Katalysatorformkörper selbst mit Inertanteilen entstehen. The combination of the catalysts produced in this way, in particular in an ODH(E) process with a reactor system having a plurality of reaction zones, leads to a significant increase in the catalyst life and improved selectivities or product yields compared to a reactor system known from the prior art having a plurality of reaction zones in which the reaction zones are created by diluting the layers with inert material or diluting the shaped catalyst bodies themselves with inert components.
Insgesamt lässt die Erfindung eine deutliche Prozessintensivierung durch Verwendung der gezielt maßgeschneiderten Katalysatoren bzw. katalytisch aktiven Materialien in einem Reaktorsystem mit mehreren Reaktionszonen zu. Overall, the invention allows a significant intensification of the process by using the specifically tailored catalysts or catalytically active materials in a reactor system with a plurality of reaction zones.
Ausführungsbeispiele exemplary embodiments
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen, die Ausgestaltungen der Erfindung entsprechen, und nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispielen sowie zugehörigen Figuren und Tabellen weiter erläutert. The invention is explained in more detail below using examples that correspond to configurations of the invention and comparative examples that are not according to the invention, as well as associated figures and tables.
Figur 1A veranschaulicht Selektivitäten und Umsätze, die mit Katalysatoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung erhalten wurden. FIG. 1A illustrates selectivities and conversions obtained with catalysts according to exemplary embodiments of the invention.
Figur 1B veranschaulicht Temperaturprofile, die mit Katalysatoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung erhalten wurden. FIG. 1B illustrates temperature profiles obtained with catalysts according to embodiments of the invention.
Figur 2 veranschaulicht eine Anlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung. FIG. 2 illustrates a plant according to an embodiment of the present invention in a simplified schematic representation.
Figur 3 veranschaulicht einen Reaktor gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung. FIG. 3 illustrates a reactor according to an embodiment of the present invention in a simplified schematic representation.
Figur 4 veranschaulicht die Herstellung eines katalytisch aktiven Materials gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung. Die vorliegende Erfindung minimiert oder vermeidet die Verwendung von Inertmaterial (katalytisch inaktivem Material) zur Verdünnung der aktiven Katalysatormasse (katalytisch aktivem Material). Wie nachfolgend erläutert und belegt, ist eine Herstellung maßgeschneiderter Katalysatoren (nachfolgend wird der Begriff "Katalysator" insbesondere für das katalytisch aktive Material verwendet) mit einem gezielt eingestellten Umsatz-Selektivitätsverhalten und einer gezielt eingestellten Aktivität pro Rauminhalt möglich, so dass diese in einem besonders leistungsfähigen Verfahren, insbesondere für die Olefinherstellung mittels oxidativer Dehydrierung von Alkanen, insbesondere von Ethan, genutzt werden können. FIG. 4 illustrates the production of a catalytically active material according to one embodiment of the present invention in a simplified schematic representation. The present invention minimizes or avoids the use of inert material (catalytically inactive material) to dilute the active catalyst mass (catalytically active material). As explained and documented below, it is possible to produce tailor-made catalysts (hereinafter the term "catalyst" is used in particular for the catalytically active material) with a specifically adjusted conversion selectivity behavior and a specifically adjusted activity per volume, so that these can be used in a particularly efficient Methods, in particular for the production of olefins by means of oxidative dehydrogenation of alkanes, in particular of ethane, can be used.
Die vorliegende Erfindung macht sich, wie erwähnt, die Tatsache zunutze, dass sich die Aktivität eines bestimmten Katalysatormaterials durch die Herstellung beeinflussen lässt. Das katalytisch aktive Material an sich bleibt dabei von der Zusammensetzung her prinzipiell das gleiche und kann insbesondere aus dem gleichen Syntheseansatz entnommen werden. Dieser überraschende Effekt wurde bei einer katalytischen Testung von MoVNb(Te)O^Katalysatormaterial des gleichen Syntheseansatzes und somit der gleichen Stöchiometrie (Elementzusammensetzung), jedoch unterschiedlichen Kalziniertemperaturen gefunden. Wie nachfolgend erläutert, ist dabei ein wesentlicher (und insbesondere der einzig notwendige) Einflussfaktor die Kalzinierintensität, die sich aus Kalziniertemperatur und Kalzinierdauer ergibt. As mentioned, the present invention makes use of the fact that the activity of a specific catalyst material can be influenced by the production. The composition of the catalytically active material remains the same in principle and can in particular be taken from the same synthesis batch. This surprising effect was found in a catalytic testing of MoVNb(Te)O ^ catalyst material of the same synthesis approach and thus the same stoichiometry (composition of elements), but different calcination temperatures. As explained below, an essential (and in particular the only necessary) influencing factor is the calcination intensity, which results from the calcination temperature and calcination time.
Als ein charakteristisches Merkmal für die katalytisch aktiven Materialien kann das spezifische Porenvolumen und/oder die BET-Oberfläche dienen. Diese Größen sind in aller Regel abhängig von den Parametern Syntheserezeptur, Kalzinierintensität und Zusammensetzung. The specific pore volume and/or the BET surface area can serve as a characteristic feature for the catalytically active materials. As a rule, these variables depend on the parameters of the synthesis recipe, calcination intensity and composition.
Rohstoffe und Syntheseverfahren Raw materials and synthesis processes
Grundsätzlich könnten unterschiedliche Syntheserezepturen, unterschiedliche Kalzinierverfahren, unterschiedliche Kalzinierintensitäten und unterschiedliche Tellurgehalte (jeweils einzeln oder in definierter Kombination) zur Einstellung unterschiedlicher Aktivitäten erfindungsgemäß einsetzbarer, katalytisch aktiver Materialien führen. Für die Herstellung entsprechender katalytisch aktiver Materialien sind unterschiedliche Syntheserezepturen bekannt. Eine Synthese von MoVNbTe-Mischoxidkatalysatoren durch Vereinigung von Lösungen und Sprühtrocknen und Kalzinieren ist beispielsweise in der JP H07-053414 A beschrieben. Deutlich verbesserte Synthesen mit sehr hohem Gehalt an der katalytisch aktiven M1 -Phase und damit höherer Selektivität und Aktivität wurden in der Folge durch hydrothermale Synthese im Autoklaven aus den löslichen Vorstufen beschrieben (siehe z.B. A. Celaya Sanfiz et al. , " Preparation of Phase-Pure M1 MoVTeNb Oxide Catalysts by Hydrothermal Synthesis-Influence of Reaction Parameters on Structure and Morphology", Top. Catal. 50, 2008, 1 -32). In principle, different synthesis recipes, different calcination methods, different calcination intensities and different tellurium contents (each individually or in a defined combination) could lead to the establishment of different activities of catalytically active materials that can be used according to the invention. Various synthesis recipes are known for the production of corresponding catalytically active materials. A synthesis of MoVNbTe mixed oxide catalysts by combining solutions and spray drying and calcining is described in JP H07-053414 A, for example. Significantly improved syntheses with a very high content of the catalytically active M1 phase and thus higher selectivity and activity were subsequently described by hydrothermal synthesis in an autoclave from the soluble precursors (see, for example, A. Celaya Sanfiz et al., "Preparation of Phase- Pure M1 MoVTeNb Oxide Catalysts by Hydrothermal Synthesis-Influence of Reaction Parameters on Structure and Morphology", Top. Catal. 50, 2008, 1 -32).
Eine alternative neuere Synthesemethode geht von den Metalloxiden der jeweiligen Metalle aus anstatt von entsprechend löslichen Verbindungen der jeweiligen Metalle. Dabei werden die Metalloxide in Gegenwart von Oxoliganden einer Hydrothermalsynthese unterworfen, wie beispielsweise in der DE 102017 000861 A1 angegeben. In dieser Synthese sind entscheidende Parameter die Temperatur und Heizmethode der Autoklavensynthese und die Kristallisationsdauer. So wird in DE 102017000861 A1 die Kristallisation in einem Autoklaven mit Heizmantel beschrieben, während ähnliche Synthesen mit anderen Rohstoffen zu MoVNbTe- Katalysatoren mit M1 -Phase bei 175°C in Mikrowellenheizung beschrieben sind. (z.B. WO 2013/021034 A1). Auch ist beschrieben, dass durch die Länge der Synthesezeit im Autoklaven die Aktivität des Katalysators mitbeeinflusst werden kann. So kann beispielsweise eine maximale Aktivität (aber nicht die maximale Selektivität) nach 3,5 Stunden Synthesezeit erreicht werden (siehe D. Melzer et al., "Design and synthesis of highly active MoVTeNb-oxides for ethane oxidative dehydrogenation", Nature Commun. 10, 2019, 4012, Figur 11). An alternative newer synthesis method starts from the metal oxides of the respective metals instead of correspondingly soluble compounds of the respective metals. The metal oxides are subjected to a hydrothermal synthesis in the presence of oxo ligands, as specified, for example, in DE 102017 000861 A1. In this synthesis, crucial parameters are the temperature and heating method of the autoclave synthesis and the crystallization time. For example, DE 102017000861 A1 describes crystallization in an autoclave with a heating jacket, while similar syntheses using other raw materials to give MoVNbTe catalysts with an M1 phase at 175° C. in microwave heating are described. (e.g. WO 2013/021034 A1). It is also described that the activity of the catalyst can be influenced by the length of the synthesis time in the autoclave. For example, maximum activity (but not maximum selectivity) can be achieved after a synthesis time of 3.5 hours (see D. Melzer et al., "Design and synthesis of highly active MoVTeNb-oxides for ethane oxidative dehydrogenation", Nature Commun. 10 , 2019, 4012, figure 11).
Ein wirtschaftlich produzierbarer Katalysator sollte aus kommerziell in großen Mengen und zu möglichst günstigen Preisen erhältlichen Vorstufen herstellbar sein. Für die Elemente Mo, V, Nb und Te sind dies die Metalloxide M0O3, V2O5, Nb20s und TeC>2. Daher sind frühere Herstellvorschriften von MoVNbTeO^Materialien, die auf den (wasser-)löslichen Vorstufen der Metalle wie z.B. Ammoniumheptamolybdat oder Vanadylsulfat beruhen, weniger vorteilhaft. Ferner ist es von Vorteil, die zwar lösliche, aber kommerziell nicht in größeren Mengen verfügbare Tellursäure zu ersetzen, so wird vorteilhafterweise auf Telluroxid zurückgegriffen, wie in der DE 102017000848 A1 (Beispiel 2) beschrieben. In Beispiel 2 der DE 102017000848 A1 wurden in einem Autoklaven (40 L) 3,3 L dest. Wasser vorgelegt und unter Rühren auf 80 °C erhitzt. Währenddessen wurden 725,58 g Ammoniumheptamolybdat-Tetrahydrat zugegeben und gelöst (nachfolgend als AHM-Lösung bezeichnet). In zwei Bechergläsern mit einem Volumen von jeweils 5 L wurden jeweils 1 ,65 L dest. Wasser unter Rühren auf einem Magnetrührer mit Temperaturregelung ebenfalls auf 80 °C erhitzt. In diese Bechergläser wurden dann jeweils 405,10 g Vanadylsulfathydrat (V-Gehalt: 21,2%) und 185,59 g Ammoniumnioboxalat (Nb-Gehalt: 20,6%) zugegeben und gelöst (nachfolgend als V- Lösung und Nb-Lösung bezeichnet). 65,59 g Te02 wurden am Vortag 3 h in 200 g dest. Wasser unter Verwendung einer Kugelmühle gemahlen und mit 1,45 L dest. Wasser in ein Becherglas überführt (nachfolgend als Te-Suspension bezeichnet). Es wurden nacheinander die V-Lösung in die AHM-Lösung hineingepumpt, dann die am Vortag gemahlene Te-Suspension zugegeben, 1 h bei 80 °C weitergerührt und zum Schluss die Nb-Lösung in die AHM-Lösung mittels einer Schlauchpumpe gepumpt. Die Pumpzeit betrug für die V-Lösung 5 min mit 290 rpm (Schlauchdurchmesser 8 x 5 mm) und für die Nb-Lösung 5 min mit 275 rpm (Schlauchdurchmesser: 8 x 5 mm). Die entstandene Suspension wurde nun 10 min bei 80 °C weitergerührt, die Geschwindigkeit des Rührers bei der Fällung betrug 90 rpm. Anschließend wurde mit Stickstoff überlagert, indem im Autoklaven mit Stickstoff ein Druck bis ca. 6 bar aufgebaut und das Ablassventil so weit geöffnet wurde, dass der Autoklav unter Druck mit Stickstoff durchströmt wurde (5 min). Am Ende wurde der Druck, über das Entlüftungsventil, bis auf 1 bar Restdruck wieder abgelassen. Die Hydrothermalsynthese im Autoklaven wurde bei 175 °C für 20 h (Aufheizzeit 3 h) mit einem Ankerrührer, bei einer Rührergeschwindigkeit von 90 rpm durchgeführt. Nach der Synthese wurde mit Hilfe einer Vakuumpumpe mit Blaubandfilter abfiltriert und der Filterkuchen mit 5 L dest. Wasser gewaschen. Die Trocknung erfolgte bei 80 °C im Trockenschrank für 3 Tage und anschließend wurde in einer Schlagmühle gemahlen, wobei eine Feststoff-Ausbeute von 0,8 kg erreicht wurde. Die Kalzinierung erfolgte bei 280 °C für 4 h im Luftstrom (Heizrate 5 °C/min, Luftmenge 1 L/min). Die Aktivierung erfolgte in der Retorte bei 600 °C für 2 h im Stickstoffstrom (Heizrate 5 °C/min, Stickstoffmenge 0,5 L/min). An economically producible catalyst should be able to be prepared from precursors that are commercially available in large quantities and at the lowest possible prices. For the elements Mo, V, Nb and Te these are the metal oxides M0O3, V2O5, Nb 2 0s and TeC> 2 . Therefore, earlier production methods of MoVNbTeO^ materials, which are based on the (water) soluble precursors of the metals such as ammonium heptamolybdate or vanadyl sulfate, are less advantageous. It is also advantageous to replace telluric acid, which is soluble but not commercially available in large quantities, so tellurium oxide is advantageously used, as described in DE 102017000848 A1 (example 2). In Example 2 of DE 102017000848 A1, 3.3 L dist. Submitted water and heated to 80 ° C with stirring. Meanwhile, 725.58 g of ammonium heptamolybdate tetrahydrate was added and dissolved (hereinafter referred to as AHM solution). In two beakers, each with a volume of 5 L, 1.65 L dist. Water is also heated to 80 °C while stirring on a magnetic stirrer with temperature control. 405.10 g of vanadyl sulfate hydrate (V content: 21.2%) and 185.59 g of ammonium niobium oxalate (Nb content: 20.6%) were then added to these beakers and dissolved (hereinafter referred to as V solution and Nb solution). designated). 65.59 g Te0 2 were distilled in 200 g the day before 3 hours. Water ground using a ball mill and diluted with 1.45 L dist. Water transferred to a beaker (hereinafter referred to as Te suspension). The V solution was pumped into the AHM solution one after the other, then the Te suspension ground the day before was added, stirring was continued for 1 h at 80 °C and finally the Nb solution was pumped into the AHM solution using a peristaltic pump. The pumping time for the V solution was 5 min at 290 rpm (tube diameter: 8×5 mm) and for the Nb solution 5 min at 275 rpm (tube diameter: 8×5 mm). The resulting suspension was then stirred for a further 10 min at 80° C., the speed of the stirrer during precipitation was 90 rpm. It was then blanketed with nitrogen by building up a pressure of up to about 6 bar with nitrogen in the autoclave and opening the drain valve to this extent that the autoclave was flowed through with nitrogen under pressure (5 min). At the end, the pressure was released via the vent valve to a residual pressure of 1 bar. The hydrothermal synthesis in the autoclave was carried out at 175° C. for 20 h (heating time 3 h) using an anchor stirrer at a stirrer speed of 90 rpm. After the synthesis, it was filtered using a vacuum pump with a blue band filter and the filter cake was diluted with 5 L dist. water washed. Drying took place at 80° C. in a drying cabinet for 3 days and was then ground in an impact mill, with a solids yield of 0.8 kg being achieved. The calcination took place at 280° C. for 4 h in a stream of air (heating rate 5° C./min, air volume 1 L/min). The activation took place in the retort at 600 °C for 2 h in a stream of nitrogen (heating rate 5 °C/min, amount of nitrogen 0.5 L/min).
Ein besonders vorteilhaftes Basis-Herstellungsverfahren für einen Katalysator aus den Metalloxiden ist aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit das in der ebenfalls bereits erwähnten DE 102017000861 A1 (Beispiel 1) Beschriebene. Es führt zu einem exemplarischen Katalysator mit der Stöchiometrie MoVo,3Nbo,iTeo,iOx. Die Herstellung des Katalysatormaterials kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich wie in dem genannten Beispiel der DE 102017 000861 A1 beschrieben erfolgen. Hierbei können die jeweils geeigneten Metalloxide einer Hydrothermalsynthese unterworfen werden. A particularly advantageous base manufacturing process for a catalyst from the metal oxides is also already in the because of its economy mentioned DE 102017000861 A1 (Example 1). It leads to an exemplary catalyst with the stoichiometry MoVo , 3Nbo ,i Teo ,i O x . In the context of the present invention, the catalyst material can be produced in principle as described in the cited example of DE 102017 000861 A1. The metal oxides that are suitable in each case can be subjected to a hydrothermal synthesis.
In dem in Beispiel 1 der DE 102017000861 A1 eingesetzten Verfahren wurde TeC>2 in 200 g destilliertem Wasser aufgeschlämmt und in einer Planetenkugelmühle mit Kugeln von 1 cm Durchmesser (ZrC>2) gemahlen. Anschließend wurde die Portion mit 500 ml_ destilliertem Wasser in ein Becherglas überführt. Nb20s wurde in 200 g destilliertem Wasser aufgeschlämmt und in der gleichen Kugelmühle gemahlen. Anschließend wurde die Portion mit 500 ml_ destilliertem Wasser in ein Becherglas überführt. Am nächsten Morgen wurde auf 80 °C aufgeheizt, 107,8 g Oxalsäure- Dihydrat in die Nb20s-Suspension gegeben und für ca. 1 h gerührt. Im Autoklaven (40 L) wurden 6 L destilliertes Wasser vorgelegt und unter Rühren (Geschwindigkeit des Rührers 90 rpm) auf 80 °C erhitzt. Hat das Wasser die Temperatur erreicht, wurden nacheinander 61,58 g Zitronensäure, 19,9 g Ethylenglykol, 615,5 g M0O3, 124,5 g V2O5, das gemahlene TeC>2 und das gemahlene Nb20s in Oxalsäure zugegeben. 850 ml_ destilliertes Wasser wurden zum Überführen und Spülen der Gefäße verwendet.In the method used in Example 1 of DE 102017000861 A1, TeC>2 was suspended in 200 g of distilled water and ground in a planetary ball mill with balls 1 cm in diameter (ZrC>2). The portion containing 500 ml of distilled water was then transferred to a beaker. Nb 2 0s was slurried in 200 g distilled water and ground in the same ball mill. The portion containing 500 ml of distilled water was then transferred to a beaker. The next morning, the mixture was heated to 80° C., 107.8 g of oxalic acid dihydrate were added to the Nb 2 0s suspension and the mixture was stirred for about 1 hour. 6 L of distilled water were placed in the autoclave (40 L) and heated to 80° C. with stirring (stirrer speed 90 rpm). When the water has reached the temperature, 61.58 g citric acid, 19.9 g ethylene glycol, 615.5 g MOO3, 124.5 g V2O5, the ground TeC>2 and the ground Nb 2 0s in oxalic acid were added one after the other. 850 mL of distilled water was used to transfer and rinse the vessels.
Die komplette Wassermenge im Autoklaven betrug 8,25 L. Anschließend wurde mit Stickstoff überlagert. Es wurde eine Hydrothermalsynthese im 40-L-Autoklaven bei 190 °C/48 h durchgeführt. Nach der Synthese wurde mit Hilfe einer Vakuumpumpe mit Blaubandfilter abfiltriert und der Filterkuchen mit 5 L destilliertem Wasser gewaschen. The total amount of water in the autoclave was 8.25 L. It was then blanketed with nitrogen. A hydrothermal synthesis was carried out in a 40 L autoclave at 190° C./48 h. After the synthesis, it was filtered off using a vacuum pump with a blue band filter, and the filter cake was washed with 5 L of distilled water.
Die Trocknung erfolgte bei 80 °C im Trockenschrank für 3 Tage und anschließend wurde das Produkt in einer Schlagmühle gemahlen. Es wurde eine Feststoff-Ausbeute von 0,8 kg erreicht. Die anschließende Vorkalzinierung erfolgte bei 280 °C für 4 h an Luft (Heizrate 5 °C/min Luft: 1 L/min). Die Aktivierung bzw. Kalzinierung erfolgte in einer Retorte bei 600 °C für 2 h (Heizrate 5 °C/min Stickstoff: 0,5 L/min). Drying took place at 80° C. in a drying cabinet for 3 days and the product was then ground in an impact mill. A solids yield of 0.8 kg was achieved. The subsequent precalcination took place at 280° C. for 4 h in air (heating rate 5° C./min air: 1 L/min). The activation or calcination took place in a retort at 600° C. for 2 h (heating rate 5° C./min nitrogen: 0.5 L/min).
Beispielsweise und insbesondere über eine Reduzierung des Gehaltes an Tellur in dem katalytisch aktiven Material kann die Aktivität noch gesteigert werden, wie in der WO2018/141652 A1 und bei Melzer et al. (s.o.) beschrieben. Versuchsanlagen For example and in particular by reducing the tellurium content in the catalytically active material, the activity can be increased, as described in WO2018/141652 A1 and by Melzer et al. (above) described. pilot plants
Im Rahmen der unten erläuterten Beispiele wurden unterschiedliche Versuchsanlagen verwendet, die nachfolgend zunächst erläutert werden. In the context of the examples explained below, different test systems were used, which are initially explained below.
In der mit "Versuchsanlage 1" bezeichneten Versuchsanlage wurde ein als Doppelrohr ausgeführter Versuchsreaktor (Festbett, max. Gesamtlänge der Schüttung 0,9 m, Innendurchmesser des Reaktionsraumes 10 mm) verwendet. Die Beheizung bzw. Kühlung erfolgt mit Hilfe eines Thermoölbades, wobei das Thermoöl durch den Außenraum des Reaktors gepumpt wird und somit den Innenraum bzw. die Reaktionszone beheizt bzw. auch gleichzeitig kühlt (die Umsetzung ist eine exotherme Reaktion). A test reactor designed as a double tube (fixed bed, max. total length of the bed 0.9 m, inner diameter of the reaction space 10 mm) was used in the test plant designated "Test Plant 1". The heating or cooling takes place with the aid of a thermal oil bath, the thermal oil being pumped through the exterior of the reactor and thus heating or simultaneously cooling the interior or the reaction zone (the reaction is an exothermic reaction).
Die mit "Versuchsanlage 2" bezeichnete Versuchsanlage umfasst einen Rohrreaktor mit einer nutzbaren Länge von 1 m und einem Innendurchmesser von 25 mm. Die Beheizung bzw. gleichzeitig auch Kühlung erfolgte mittels eines Salzbades, in das der Reaktor eingetaucht wird. Aus technischen Gründen wurde Luft anstelle von reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet, ferner konnte diese Versuchsanlage 2 nur unter atmosphärischem Druck betrieben werden. Die weiteren Testbedingungen umfassten eine Katalysatormenge von 337 g, eine Zusammensetzung des Reaktionseinsatzes von Ethan zu Stickstoff zu Sauerstoff zu Wasser(dampf) von 11,1 zu 46,7 zu 6,8 zu 35,4 (jeweils mol%), GHSV von 412 (NLGas/h)/LKatalysator. Die Testergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. The test plant designated "Test Plant 2" comprises a tubular reactor with a usable length of 1 m and an internal diameter of 25 mm. The heating and at the same time also the cooling took place by means of a salt bath, in which the reactor is immersed. For technical reasons, air was used as the oxidizing agent instead of pure oxygen, and this experimental plant 2 could only be operated under atmospheric pressure. The other test conditions included a catalyst amount of 337 g, a composition of the reaction feed from ethane to nitrogen to oxygen to water (vapor) of 11.1 to 46.7 to 6.8 to 35.4 (each mol%), GHSV of 412 (NLGas/h)/Lcatalyst. The test results are shown in Table 4.
Beispiel 1 - Einfluss der Grundrezeptur auf das Aktivitäts-Selektivitätsverhalten Example 1 - Influence of the basic recipe on the activity-selectivity behavior
Ein mit "Katalysator A" bezeichneter Katalysator wurde dabei auf Grundlage der löslichen Präkursoren und TeÜ2 (grundsätzlich wie in Beispiel 2 der DE 102017000848 A1 beschrieben, siehe oben) hergestellt. Ein mit "Katalysator B" bezeichneter Katalysator wurde auf Basis der Metalloxide (grundsätzlich wie in Beispiel 1 der DE 102017 000861, siehe oben) produziert. A catalyst designated "catalyst A" was produced on the basis of the soluble precursors and TeÜ2 (basically as described in Example 2 of DE 102017000848 A1, see above). A catalyst designated "Catalyst B" was produced on the basis of the metal oxides (basically as in Example 1 of DE 102017 000861, see above).
Die Untersuchung erfolgte in der zuvor beschriebenen Versuchsanlage 1. Die exakten Testbedingungen sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt. Die unterschiedlichen Aktivitäten sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Tabelle 1 The investigation was carried out in the test facility 1 described above. The exact test conditions are listed in Table 1 below. The different activities are summarized in Table 2. Table 1
Tabelle 2 Table 2
Katalysator B zeigte eine um etwa 19% geringere Aktivität als Katalysator A, d.h. es liegt ein geringerer Ethanumsatz bei gleicher Katalysatorbetteintrittstemperatur bzw. gleicher Kühlmitteltemperatur vor. Der Aktivitätstest wurde bei der gleichen Kühlmitteltemperatur (Ölbadtemperatur) von 298°C (vgl. Tabelle 1) durchgeführt. Catalyst B showed an activity that was about 19% lower than catalyst A, i.e. there is a lower ethane conversion at the same catalyst bed inlet temperature or the same coolant temperature. The activity test was carried out at the same coolant temperature (oil bath temperature) of 298° C. (see Table 1).
Bei gleichem Umsatz weist der Katalysator B basierend auf den reinen Oxiden gegenüber dem Katalysator A auf Basis der löslichen Präkursoren und TeÖ2 bei gleicher Gesamtselektivität von über 96% zu den kommerziellen Wertprodukten Ethylen und Essigsäure eine um ca. 5%-Punkte höhere Selektivität zu Ethylen (und entsprechend 5%-Punkte niedrigere Selektivität zu Essigsäure) auf, nämlich ca. 83 % vs. ca.78% Selektivität zu Ethylen (Katalysator B vs. Katalysator A) und ca. 13% vs. ca. 18% Selektivität zu Essigsäure (Katalysator B vs. Katalysator A). Dieser Umstand ist in Figur 1A veranschaulicht, in der die Selektivitäten (linke Vertikalachse; Kreuzschraffur: Ethylen, Diagonalschraffur: Essigsäure, ohne Füllung: Kohlenstoffoxide) und Umsetzungen (rechte Vertikalachse; Dreiecke) der Katalysatoren gemäß den in Tabelle 1 dargestellten Versuchspunkten A, B1 und B2 dargestellt sind. With the same conversion, catalyst B based on the pure oxides compared to catalyst A based on the soluble precursors and TeO2 has an approximately 5 percentage point higher selectivity for ethylene with the same overall selectivity of over 96% for the commercial valuable products ethylene and acetic acid ( and correspondingly 5 percentage points lower selectivity for acetic acid), namely approx. 83% vs. approx. 78% selectivity for ethylene (catalyst B vs. catalyst A) and approx. 13% vs. approx. 18% selectivity for acetic acid ( Catalyst B vs. Catalyst A). This fact is illustrated in Figure 1A, in which the selectivities (left vertical axis; cross-hatching: ethylene, diagonal hatching: acetic acid, without filling: carbon oxides) and conversions (right vertical axis; triangles) of the catalysts according to the experimental points A, B1 and shown in Table 1 B2 are shown.
Zur Erzielung des gleichen Umsatzes wird aufgrund der geringeren Aktivität eines Katalysators B, der über die reinen Oxide hergestellt wird, eine höhere Katalysatorbetteintrittstemperatur und auch eine höhere mittlere bzw. Mindest- Katalysatorbetttemperatur benötigt. Die erhöhte mittlere Katalysatorbetttemperatur ist schließlich auch der Grund für die beobachtete erhöhte Selektivität zu Ethylen. Die Erklärung dazu findet sich beispielsweise in der WO 2019/243480 A1 auf Seite 13,In order to achieve the same conversion, a higher catalyst bed inlet temperature and also a higher mean or minimum catalyst bed temperature are required because of the lower activity of a catalyst B, which is prepared via the pure oxides. Finally, the increased average catalyst bed temperature is also the reason for the increased selectivity to ethylene observed. The explanation for this can be found, for example, in WO 2019/243480 A1 on page 13,
Zeile 4 bis Seite 14, Zeile 2. Line 4 to page 14, line 2.
Es ergibt sich ein flacheres Temperaturprofil (selbst bei höherer Katalysatorbetteintrittstemperatur) von Katalysator B vs. Katalysator A aufgrund der geringeren Aktivität und geringeren Selektivität zu Essigsäure. Eine Erklärung findet sich in der Tatsache, dass die Ethanoxidation hin zu Essigsäure deutlich exothermer ist als die Oxidation von Ethan zu Ethylen (Standardreaktionsenthalpie Ethan zu Ethylen - 105 kJ/mol, Standardreaktionsenthalpie Ethan zu Essigsäure -590 kJ/mol). Durch diesen Effekt kann eine Verringerung der Gefahr des thermischen Durchgehens des Katalysatorbetts oder eines Teils des Katalysatorbetts bzw. einer Reaktionszone in einem kommerziellen Reaktor erreicht werden. Dieser Umstand ist in Figur 1B veranschaulicht, in der für Messpunkte vor (Messpunkt 1) und nach (Messpunkt 8) einem Katalysatorbett von ca. 60 cm sowie Messpunkte (Messpunkte 2 bis 7) innerhalb des Katalysatorbetts auf der Horizontalachse die entsprechenden Temperaturen in °C auf der Vertikalachse aufgetragen sind. There is a flatter temperature profile (even at a higher catalyst bed inlet temperature) of catalyst B vs. catalyst A due to the lower activity and lower selectivity to acetic acid. One explanation is found in the fact that the oxidation of ethane to acetic acid is significantly more exothermic than the oxidation of ethane to ethylene (standard enthalpy of reaction ethane to ethylene - 105 kJ/mol, standard reaction enthalpy of ethane to acetic acid -590 kJ/mol). By this effect, a reduction in the risk of thermal runaway of the catalyst bed or a part of the catalyst bed or a reaction zone in a commercial reactor can be achieved. This circumstance is illustrated in Figure 1B, in which for measuring points before (measuring point 1) and after (measuring point 8) a catalyst bed of approx. 60 cm and measuring points (measuring points 2 to 7) within the catalyst bed on the horizontal axis the corresponding temperatures in °C are plotted on the vertical axis.
Zur Erzielung des gleichen Umsatzes wird aufgrund der geringeren Aktivität eines Katalysators B, der über die reinen Oxide hergestellt wird, eine höhere Katalysatorbetteintrittstemperatur und auch eine höhere mittlere bzw. Mindest- Katalysatorbetttemperatur benötigt. Die erhöhte mittlere Katalysatorbetttemperatur ist schließlich auch der Grund für die beobachtete erhöhte Selektivität zu Ethylen. Eine mögliche Erklärung dazu findet sich, ohne hieran gebunden zu sein, in der WO 2019/243480 A1, Seite 13, Zeile 4 bis Seite 14, Zeile 2. In order to achieve the same conversion, a higher catalyst bed inlet temperature and also a higher mean or minimum catalyst bed temperature are required because of the lower activity of a catalyst B, which is prepared via the pure oxides. Finally, the increased average catalyst bed temperature is also the reason for the increased selectivity to ethylene observed. A possible explanation for this can be found, without being bound by it, in WO 2019/243480 A1, page 13, line 4 to page 14, line 2.
Überraschenderweise stellt sich also der vermeintliche Nachteil einer geringeren Aktivität eines über die reinen Oxide hergestellten Katalysators im Sinne der Erfindung als besonders vorteilhaft heraus, da die verringerte Aktivität dazu führt, dass der Prozess bei etwas erhöhten Temperaturen betrieben werden kann bzw. sollte/muss, was im Sinne der Erklärung aus WO 2019/243480 A1 (siehe oben) dann zu einer erhöhten Ausbeute an besonders bevorzugtem Wertprodukt Ethylen führt. Surprisingly, the supposed disadvantage of a lower activity of a catalyst produced via the pure oxides in the context of the invention turns out to be particularly advantageous, since the reduced activity means that the process can or should/must be operated at slightly elevated temperatures in the sense of the explanation from WO 2019/243480 A1 (see above) then leads to an increased yield of particularly preferred product of value ethylene.
Beispiel 2 - Einfluss der Kalzinierungsbedingungen Example 2 - Effect of calcination conditions
Wie oben beschrieben, beeinflusst die Grundrezeptur entscheidend das Umsatz- Selektivitätsverhalten. Die Aktivität eines Katalysators kann innerhalb einer Grundrezeptur jedoch durch die Wahl geeigneter Kalzinierbedingungen (Kalzinierintensität) angepasst werden. Die Kalzinierbedingungen umfassen dabei insbesondere die Auswahl der Kalzinierverfahrenstechnik, d.h. kontinuierliche oder diskontinuierliche Kalzinierung, und die Wahl der Kalzinierintensität (bedingt eben insbesondere durch Kalziniertemperatur und Kalzinierzeit). Überraschender Weise wurde gefunden, dass die Kalzinierintensität einen entscheidenden Einfluss auf die Aktivität eines Katalysators hat. Für eine gegebene Kalziniertemperatur ist die Kalzinierintensität insbesondere durch die Länge der Aufheiz-, Halte- und Abkühlzeit bestimmt. Ferner spielen auch eine vorhandene oder nicht vorhandene Durchmischung des Kalzinierguts sowie die Schichtdicke des Kalzinierguts (z.B. Füllhöhe in einer Kalzinierschale bei der diskontinuierlichen Kalzinierung oder die sich ausbildende Schichtdicke bei einer kontinuierlichen Durchmischung bei der kontinuierlichen Kalzinierung) eine Rolle. As described above, the basic recipe has a decisive influence on the conversion-selectivity behavior. However, the activity of a catalyst can be adjusted within a basic recipe by choosing suitable calcination conditions (calcination intensity). The calcination conditions include in particular the selection of the calcination process technology, ie continuous or discontinuous calcination, and the choice of the calcination intensity (determined in particular by the calcination temperature and calcination time). Surprisingly, it was found that the calcination intensity has a decisive influence on the activity of a catalyst. For a given calcination temperature, the calcination intensity is determined in particular by the length of the heating, holding and cooling time. Furthermore, the presence or absence of mixing of the calcined material and the layer thickness of the calcined material (eg fill level in a calcining bowl in discontinuous calcination or the layer thickness formed in continuous mixing in continuous calcination) also play a role.
Somit ist zu erwarten, dass die Kalzinierintensität auch maßgeblich durch die Wahl der Kalzinierverfahrenstechnik, d.h. auf diskontinuierliche Weise, wie z.B. in einer Retorte oder einem Muffelofen, oder auf kontinuierliche Weise, wie z.B. in einem Drehrohrofen, bestimmt wird. Bei der diskontinuierlichen Kalzinierung kann das Kalziniergut i.d.R. nicht durchmischt werden. Ferner sind bei der diskontinuierlichen Kalzinierung die Aufheiz-, Halte- und Abkühlzeiten länger als bei der kontinuierlichen Kalzinierung. Die kontinuierliche Kalzinierung, v.a. in einem Drehrohrofen, ist dadurch charakterisiert, dass das Kalziniergut während der Kalzinierung aufgrund des Vorwärtstransports des Kalzinierguts durch das sich um seine Längsachse drehende Rohr auch gleichzeitig durchmischt wird, was insbesondere auch eine gleichmäßigere Behandlung des Kalzinierguts bedeutet. Die Kalzinierdauer, d.h. insgesamt die Aufheiz-, Halte- und Abkühlzeiten ist bei der kontinuierlichen Kalzinierung, insbesondere in einem Drehrohrofen, sehr viel kürzer: Die Aufheizphase ist sehr kurz und findet nur in einem kleinen Teil am Anfang des (Dreh-)Rohrofens statt. Die Haltezeit ist hauptsächlich durch die Ofenlänge und den die Transportgeschwindigkeit (z.B. bei einem Drehrohrofen beeinflusst durch die Ofenneigung) gekennzeichnet. Die Abkühlzeit ist dadurch minimal, weil das Material aus dem heißen Ofen direkt in ein Auffanggefäß bei Umgebungs- bzw. Raumtemperatur gelangt. Somit erfährt das Kalziniergut bei der diskontinuierlichen Kalzinierung also i.d.R. eine deutlich höhere Kalzinierintensität. It is therefore to be expected that the calcination intensity is also significantly determined by the choice of calcination process technology, i.e. in a discontinuous manner, e.g. in a retort or a muffle furnace, or in a continuous manner, e.g. in a rotary kiln. In discontinuous calcination, the calcined product cannot usually be mixed. Furthermore, the heating, holding and cooling times are longer in batch calcination than in continuous calcination. Continuous calcination, especially in a rotary kiln, is characterized by the fact that the material to be calcined is simultaneously mixed during calcination due to the forward transport of the material to be calcined through the tube rotating about its longitudinal axis, which means in particular a more uniform treatment of the material to be calcined. The calcination time, i.e. the overall heating, holding and cooling times, is much shorter in continuous calcination, especially in a rotary kiln: The heating-up phase is very short and only takes place to a small extent at the beginning of the (rotary) kiln. The holding time is mainly characterized by the kiln length and the transport speed (e.g. influenced by the kiln inclination in the case of a rotary kiln). Cooling time is minimal as the material exits the hot furnace directly into an ambient or room temperature receptacle. Thus, the calcined material usually experiences a significantly higher calcination intensity during discontinuous calcination.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Kalzinierintensität generell so gewählt werden sollte, dass das Kalziniergut entsprechend stabile Kristallphasen ausbilden kann. Im Falle von Katalysatoren bzw. Katalysatormaterialien bedeutet dies vor allem eine hinsichtlich der Reaktions-bzw. Katalysebedingungen - vor allem im Hinblick auf die während der Katalyse vorherrschende Temperaturen - hinreichende Kristallphasenstabilität, die sich in einer für die beabsichtigte Reaktion gleichbleibenden Aktivität und Selektivität ausdrückt. At this point it should be expressly pointed out that the calcination intensity should generally be selected in such a way that the calcined material can form correspondingly stable crystal phases. In the case of catalysts or catalyst materials, this means above all that the reaction or Catalysis conditions - especially with regard to the temperatures prevailing during catalysis - Sufficient crystal phase stability, which is expressed in activity and selectivity that remain the same for the intended reaction.
Eine angepasste Kalzinierintensität (Zeit und Temperatur), insbesondere die Wahl der Kalziniertemperatur T (siehe Beispiele unten) trägt damit maßgeblich zu den Eigenschaften der erwähnten katalytisch aktiven Materialien bei, wobei insbesondere auf eine homogene Kalzinierung unter Inertgas zu achten ist. Eine homogene Kalzinierung in kleinen Mengen ist auch in einer Schale im Ofen möglich, bei großen Mengen und dicken Pulverlagen ist die Kalzinierintensität dabei allerdings weniger homogen. Für große Mengen ist also eine Bewegung des Materials z.B. in einem Drehrohrofen erforderlich. Dabei ist zu beachten, dass ein normaler Ofen eine gewisse Zeit benötigt, um abzukühlen bevor man das Material entnimmt. In einem Drehrohrofen fällt hingegen das Material aus dem heißen Rohr unmittelbar in einen kalten Behälter und es lassen sich also reproduzierbare und präzise definierbare Bedingungen einstellen. Andererseits sind mit üblichen technischen Rohrlängen eines Drehrohrofens auch keine extrem langen Kalzinierzeiten zu erzielen. In begrenztem Umfang kann daher eine kürzere Verweilzeit in einem kontinuierlichen Ofen, wie einem Drehrohrofen durch eine höhere Kalziniertemperatur ersetzt werden. Daher ist die Kalzinierintensität, die sich aus Zeit und Temperatur ergibt, hier maßgeblich. An adapted calcination intensity (time and temperature), in particular the selection of the calcination temperature T (see examples below), thus contributes significantly to the properties of the catalytically active materials mentioned, with particular attention being paid to homogeneous calcination under inert gas. Homogeneous calcination in small quantities is also possible in a bowl in the furnace, but the calcination intensity is less homogeneous with large quantities and thick layers of powder. For large quantities, the material has to be moved, e.g. in a rotary kiln. It should be noted that a normal oven needs a certain amount of time to cool down before the material is removed. In a rotary kiln, on the other hand, the material falls directly from the hot tube into a cold container, so that reproducible and precisely definable conditions can be set. On the other hand, extremely long calcination times cannot be achieved with conventional technical tube lengths of a rotary kiln. To a limited extent, therefore, a shorter residence time in a continuous kiln, such as a rotary kiln, can be replaced by a higher calcination temperature. Therefore, the calcination intensity, which results from time and temperature, is decisive here.
Beispiel 2a - Einfluss der Kalzinierverfahrenstechnik und Kalzinierzeit Example 2a - Effect of calcination processing technique and calcination time
Dieser Effekt zeigte sich bei der Testung zweier Katalysatorproben, die mit Hilfe der gleichen Grundrezeptur, d.h. ausgehend von den unlöslichen Oxiden (siehe oben), auf exakt die gleiche Weise hergestellt wurden. Der einzige Unterschied besteht in der Wahl der Kalzinierverfahrenstechnik und somit der Kalzinierintensität. Ein mit "Katalysator C" bezeichneter Katalysator wurde diskontinuierlich in einem Muffelofen kalziniert. Ein mit "Katalysator D" bezeichneter Katalysator wurde in einem Drehrohrofen kalziniert. Wie oben erwähnt, ist die Kalzinierung im Muffelofen eine diskontinuierliche Verfahrensweise, während die Kalzinierung in einem Drehrohrofen eine kontinuierliche Verfahrensweise darstellt. Die Kalziniertemperaturen (d.h. die Temperaturen während der Haltezeit) war bei beiden Kalzinierverfahren gleich, nämlich 650°C, jedoch ergeben sich durch die zuvor beschriebenen Effekte entsprechende Auswirkungen auf die jeweilige Kalzinierintensität, d.h. eine höhere Kalzinierintensität im Falle von Katalysator C und eine gegenüber Katalysator C deutlich niedrigere Kalzinierintensität bei Katalysator D, bedingt durch die Verfahrensweise. Die hinreichende Kalzinierintensität für Katalysator D wurde durch eine gleichbleibende Katalysatorperformance über einen längeren Zeitraum bestätigt. Die Testung der über unterschiedliche Kalzinierintensität erhaltenen Katalysatorproben Katalysator C und Katalysator D erfolgte in der oben beschriebenen Versuchsanlage 1 unter für beide Proben exakt den gleichen Bedingungen (hinsichtlich eingefüllter Katalysatormenge, Systemdruck, Zusammensetzung des Reaktionseinsatzes). Der Vergleich der Aktivitäten bei 295°C Ölbadtemperatur (entspricht gleichzeitig der Katalysatorbetteintrittstemperatur) ist in Tabelle 3 dargestellt. This effect was shown when testing two catalyst samples that were produced in exactly the same way using the same basic recipe, ie starting from the insoluble oxides (see above). The only difference is the choice of calcination process technology and thus the calcination intensity. A catalyst designated "Catalyst C" was batch calcined in a muffle furnace. A catalyst designated "Catalyst D" was calcined in a rotary kiln. As mentioned above, muffle kiln calcination is a batch process, while rotary kiln calcination is a continuous process. The calcination temperatures (i.e. the temperatures during the holding time) were the same for both calcination processes, namely 650°C, but the effects described above result in corresponding effects on the respective calcination intensity, ie a higher calcination intensity in the case of catalyst C and compared to catalyst C significantly lower Calcination intensity for catalyst D, due to the procedure. The sufficient calcination intensity for catalyst D was confirmed by a constant catalyst performance over a longer period. The catalyst samples Catalyst C and Catalyst D obtained via different calcination intensities were tested in the test facility 1 described above under exactly the same conditions for both samples (regarding the amount of catalyst introduced, system pressure, composition of the reaction feed). Table 3 shows the comparison of the activities at an oil bath temperature of 295° C. (which also corresponds to the catalyst bed inlet temperature).
Anhand der Daten aus Tabelle 3 ist zu erkennen, dass eine diskontinuierliche Kalzinierung zu einem Katalysator mit einer geringeren Aktivität führt, denn diese diskontinuierliche Kalzinierung, durchgeführt in der Retorte, ist mit einer stärkeren Kalzinierintensität verbunden - in Form einer längeren effektiven Kalzinierzeit (inkl. Aufheiz- und Abkühlphase bei gleicher Temperatur von 650°C während der Haltezeit). From the data in Table 3 it can be seen that discontinuous calcination leads to a catalyst with lower activity, because this discontinuous calcination, carried out in the retort, is associated with a stronger calcination intensity - in the form of a longer effective calcination time (incl. heating - and cooling phase at the same temperature of 650°C during the holding time).
Tabelle 3 Table 3
Der mit einem Stern * markierte Wert (entsprechendes gilt auch für die nachfolgenden Tabellen) bezieht sich auf das reine MoVNbTe-Oxid-Katalysatorpulver (vor Tablettierung). Zur Tablettierung werden Silika und Wachs als Tablettierhilfsstoffe zugesetzt, wobei das Wachs, wie erwähnt, ausgebrannt wird. Die die Porosität des Silika bestimmt die Porosität der finalen Katalysatorformkörper mit, so dass sich diese unterscheidet. Mit der Aktivität korreliert aber das spezifische Porenvolumen des eigentlichen Katalysatorpulvers. The value marked with an asterisk * (the same also applies to the following tables) relates to the pure MoVNbTe oxide catalyst powder (before tableting). For tabletting, silica and wax are added as tableting aids, with the wax being burned out, as mentioned. The porosity of the silica also determines the porosity of the final shaped catalyst body, so that it differs. However, the specific pore volume of the actual catalyst powder correlates with the activity.
Ein gleiches Verhalten ergibt sich für die Katalysatoren E und F. Die Testung dieser Katalysatorproben erfolgte in der oben beschriebenen Versuchsanlage 2. Die weiteren Testbedingungen für die Testung der Katalysatoren E und F in der Versuchsanlage 2 umfassten eine Katalysatormenge von 337 g, eine Zusammensetzung des Reaktionseinsatzes von Ethan zu Stickstoff zu Sauerstoff zu Wasser(dampf) von 11,1 zu 46,7 zu 6,8 zu 35,4 (jeweils mol%), GHSV von 412 (N Lcas/hy ataiysator. Die Testergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. The behavior is the same for catalysts E and F. These catalyst samples were tested in test facility 2 described above. The other test conditions for testing catalysts E and F in test facility 2 included a catalyst quantity of 337 g, a composition of the reaction feed from ethane to nitrogen to oxygen to water (vapour) from 11.1 to 46.7 to 6.8 to 35.4 (each mol%), GHSV of 412 (N Lcas/hy atayzer. The test results are shown in Table 4 .
Es ist aus Tabelle 4 klar ersichtlich, dass ein über eine diskontinuierliche Kalzinierung hergestellter Katalysator, hier als "Katalysator E" bezeichnet, d.h. der Katalysator, der einer höheren Kalzinierintensität unterlag, eine geringere Aktivität aufweist, als ein mit "Katalysator F" bezeichneter Katalysator, der über eine kontinuierliche Kalzinierung hergestellt wurde und somit einer geringeren Kalzinierintensität unterlag. Die geringere Aktivität des Katalysators E gegenüber Katalysator F ist daran zu erkennen, dass bei Katalysator E eine um 4 K höhere Reaktionstemperatur zum Erreichen des gleichen Ethanumsatzes benötigt wurde. Tabelle 4 It is clearly evident from Table 4 that a catalyst produced via a discontinuous calcination, referred to here as "catalyst E", ie the catalyst which was subjected to a higher calcination intensity, has a lower activity than a catalyst referred to as "catalyst F", which was produced via continuous calcination and was therefore subject to a lower calcination intensity. The lower activity of catalyst E compared to catalyst F can be seen from the fact that catalyst E required a 4 K higher reaction temperature to achieve the same ethane conversion. Table 4
Beispiel 2b - Einfluss der Kalziniertemperatur Example 2b - Effect of calcination temperature
Wie oben beschrieben, beeinflusst die Grundrezeptur entscheidend das Umsatz- Selektivitätsverhalten. Die Aktivität und somit auch die Anspringtemperatur eines Katalysators kann innerhalb einer Grundrezeptur jedoch durch die Wahl geeigneter Kalzinierbedingungen angepasst werden. As described above, the basic recipe has a decisive influence on the conversion-selectivity behavior. However, the activity and thus also the light-off temperature of a catalyst can be adjusted within a basic recipe by choosing suitable calcination conditions.
Dieser Effekt wurde bei einer katalytischen Testung von MoVNbTeO^ Katalysatormaterial des gleichen Syntheseansatzes und somit der gleichen Stöchiometrie (Elementzusammensetzung), d.h. der identischen Grundrezeptur, jedoch unterschiedlichen Kalziniertemperaturen aber gleichen Kalzinierzeiten gefunden. This effect was found in a catalytic testing of MoVNbTeO ^ catalyst material of the same synthesis approach and thus the same stoichiometry (element composition), i.e. the identical basic recipe, but different calcination temperatures but the same calcination times.
Die MoVTeNbOcMaterialien wurden, wie in der DE 102017000861 (Beispiel 2) beschrieben hergestellt, nur dass die Aktivierung unter Inertgas nicht wie in dem dortigen Abschnitt [0049] in einer Retorte bei 600°C durchgeführt wurde, sondern in einem Drehrohrofen von 10 cm Durchmesser und einem Meter beheizter Länge mit einer Verweilzeit von 30 min, sowie einer Eintrittstemperatur von 550°C und mit einer Austrittstemperatur, die in Tabelle 5 als Kalziniertemperatur angegeben ist. Tabelle 5 The MoVTeNbOc materials were produced as described in DE 102017000861 (Example 2), except that the activation under inert gas was not carried out in a retort at 600° C., as in the section there [0049], but in a rotary kiln with a diameter of 10 cm one meter of heated length with a dwell time of 30 min, and an inlet temperature of 550° C. and with an outlet temperature which is given in Table 5 as the calcination temperature. Table 5
Die so hergestellten Katalysatoren (Katalysatoren "G", "D" und "H") wurden in der oben beschriebenen Versuchsanlage 1 unter exakt den gleichen Bedingungen (eingefüllte Katalysatormenge, Systemdruck, Zusammensetzung des Reaktionseinsatzes) hinsichtlich ihrer Aktivität untersucht. Bei einer Ölbadtemperatur von 295°C wurden dabei deutliche absolute wie relative Aktivitätsabstufungen von +21 % bzw. -23% (jeweils relativ) gegenüber dem Basisfall (Standard-Kalziniertemperatur von 650°C) der unterschiedlich kalzinierten Katalysatoren gefunden. The activity of the catalysts produced in this way (catalysts "G", "D" and "H") was investigated in the test plant 1 described above under exactly the same conditions (amount of catalyst introduced, system pressure, composition of the reaction charge). At an oil bath temperature of 295°C, clear absolute and relative activity gradations of +21% and -23% (relative in each case) were found compared to the base case (standard calcination temperature of 650°C) of the differently calcined catalysts.
Zur Bestimmung der in Tabelle 5 aufgeführten Anspringtemperatur kann für jede der Katalysatorproben ein Arrhenius-Plot erstellt werden, d.h. eine Auftragung des natürlichen Logarithmus der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante gegen das Reziproke der Reaktionstemperatur (in Kelvin). Die Erstellung eines Arrhenius-Plots ist der fachkundigen Person grundsätzlich bekannt. To determine the light-off temperature listed in Table 5, an Arrhenius plot, i.e., a plot of the natural logarithm of the reaction rate constant versus the reciprocal of the reaction temperature (in Kelvin), can be prepared for each of the catalyst samples. The person skilled in the art is generally familiar with the creation of an Arrhenius plot.
Der Arrhenius-Plot liefert für jede der Katalysatorproben eine Gerade mit unterschiedlichen Parametern (Anstieg und Achsenabschnitt). Mit Hilfe der jeweiligen Geradengleichung kann zu einem vorgegebenen Ethanumsatz die zugehörige Reaktionsgeschwindigkeitskonstante und darüber die entsprechendeThe Arrhenius plot provides a straight line with different parameters (slope and intercept) for each of the catalyst samples. With the help of the respective straight-line equation, the associated reaction rate constant for a given ethane conversion and the corresponding
Reaktionstemperatur ermittelt werden. Die entsprechende Reaktionstemperatur, die für einen Ethanumsatz von 10% ermittelt wurde, ist in der Zeile "Anspringtemperatur [°C] (berechnet) = Temperatur für 10% Ethanumsatz" in Tabelle 5 angegeben. Aufgrund des beobachteten Trends hinsichtlich der Aktivitäten sowie der Anspringtemperaturen der Katalysatoren G, D und H in Abhängigkeit von der Kalziniertemperatur (vgl. Figur 2 sowie Tabelle 5) liegt also die Vermutung nahe, dass sich die Aktivität der Katalysatoren mit niedrigerer Kalziniertemperatur zumindest innerhalb gewisser Grenzen weiter steigern lässt, solange die Temperatur und Dauer der Kalzinierung - also die Kalzinierintensität - ausreichend ist, damit sich eine für die Katalyse hinreichend stabile Feststoff- bzw. Kristallphase ausbildet. In der Tat wurde eine weitere, deutliche Steigerung der Aktivität und somit auch weitere, deutliche Verschiebung der Anspringtemperatur zu niedrigeren Werten für einen Katalysator beobachtet, der statt bei 650°C bei 400°C (diskontinuierlich) kalziniert worden war ("Katalysator I", vgl. Tabelle 6). Reaction temperature are determined. The corresponding reaction temperature, which was determined for an ethane conversion of 10%, is given in Table 5 in the line “Light-off temperature [° C.] (calculated)=temperature for 10% ethane conversion”. Based on the observed trends in terms of the activities and the light-off temperatures of the catalysts G, D and H as a function of the calcination temperature (cf. Figure 2 and Table 5), it is therefore reasonable to assume that the activity of the catalysts with a lower calcination temperature is at least within certain limits can be further increased as long as the temperature and duration of the calcination - i.e. the calcination intensity - is sufficient for a solid or crystal phase which is sufficiently stable for the catalysis to form. In fact, a further, significant increase in activity and thus also a further, significant shift in the light-off temperature to lower values was observed for a catalyst which had been calcined at 400°C (batchwise) instead of at 650°C ("catalyst I", see Table 6).
Die Testung dieses Katalysators erfolgte in der Versuchsanlage 2 unter den weiter oben für die Versuchsanlage 2 angegebenen Testparametern. Zum Vergleich wurde in dieser Versuchsanlage 2 unter den gleichen Bedingungen ebenfalls der Katalysator F (vgl. Tabelle 4) getestet. Die Testergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt. This catalyst was tested in test facility 2 using the test parameters specified above for test facility 2. For comparison, catalyst F (cf. Table 4) was also tested in this experimental plant 2 under the same conditions. The test results are shown in Table 6.
Tabelle 6 Table 6
Eine deutlich höhere Aktivität des Katalysators I gegenüber Katalysator F (vgl. auch Tabelle 4) ist aus dem direkten experimentellen Vergleich in Versuchsanlage 2 belegt (vgl. Tabelle 6): Katalysator F weist einen Ethanumsatz von ca. 67% bei einer Salzbadtemperatur von 322 °C auf. Katalysator I hingegen benötigt für einen Umsatz von 64% nur eine Salzbadtemperatur von 302°C und weist bei dieser Temperatur immer noch einen deutlich höheren Umsatz als Katalysator F bei einer höheren Temperatur von 310°C (Ethanumsatz Katalysator F von 53%) auf. A significantly higher activity of catalyst I compared to catalyst F (see also Table 4) is proven from the direct experimental comparison in test facility 2 (see Table 6): Catalyst F has an ethane conversion of approx. 67% at a salt bath temperature of 322° C on. Catalyst I, on the other hand, only requires a salt bath temperature of 302° C. for a conversion of 64% and at this temperature still has a significantly higher conversion than catalyst F at a higher temperature of 310° C. (ethane conversion of catalyst F of 53%).
Um die Anspringtemperatur von Katalysator I unter den technisch deutlich relevanteren Bedingungen von Versuchsanlage 1 abzuschätzen, wurde folgendermaßen vorgegangen: Mit Hilfe des bei der in Tabelle 6 angegeben Salzbadtemperatur ermittelten Ethanumsatzes sowie der angegebenen sonstigen Testbedingungen wurde eine zu dieser Temperatur korrespondierende Reaktionsgeschwindigkeitskonstante berechnet. Das Vorgehen dazu ist der fachkundigen Person grundsätzlich bekannt. In order to estimate the light-off temperature of catalyst I under the technically much more relevant conditions of test facility 1, the procedure was as follows: Using the ethane conversion determined at the salt bath temperature given in Table 6 and the other test conditions given, a reaction rate constant corresponding to this temperature was calculated. The procedure for this is generally known to the person skilled in the art.
Diese Reaktionsgeschwindigkeitskonstante diente als Startpunkt zur Ermittlung einer korrespondierenden Arrhenius-Geraden. Da für Katalysator I nur ein Messpunkt zur Verfügung stand, wurde unter der Annahme, dass die scheinbare Aktivierungsenergie unabhängig von den Testbedingungen ist, der gleiche Anstieg der Arrhenius-Geraden verwendet wie er für die Testbedingungen aus Versuchsanlage 1 (vgl. Ergebnisse aus Figur 2 und Tabelle 5) ermittelt wurde. Mit Hilfe dieser für Katalysator I bestimmten Arrhenius-Geraden wurde unter Berücksichtigung der aus diesem Vorgehen resultierenden Ungenauigkeit ein für die technisch relevanten Testbedingungen von Versuchsanlage 1 resultierender Bereich für die Anspringtemperatur von Katalysator I von ca. 233 bis 242°C abgeschätzt. Trotz der relativ starken Unsicherheit bzgl. der Anspringtemperatur für Katalysator I unter den technisch relevanten Bedingungen ist zu erkennen, dass der Bereich der Anspringtemperatur für Katalysator I deutlich unter der Anspringtemperatur von Katalysator G (vgl. Tab. 5) liegt, entsprechend weist Katalysator I auch die höchste Aktivität unter den getesteten Katalysatoren auf. Somit lässt sich also folgende Aktivitätsreihe feststellen (in abnehmender Folge): Katalysator I > Katalysator G > Katalysator D > Katalysator H. This reaction rate constant served as a starting point for determining a corresponding Arrhenius line. Since only one measuring point was available for catalyst I, the same slope of the Arrhenius straight line was used as for the test conditions from test facility 1 (compare the results from Figure 2 and Table 5) was determined. With the help of these Arrhenius straight lines determined for catalyst I, taking into account the from this procedure resulting inaccuracy, a range for the light-off temperature of catalyst I of approx. Despite the relatively high degree of uncertainty regarding the light-off temperature for catalyst I under the technically relevant conditions, it can be seen that the range of the light-off temperature for catalyst I is well below the light-off temperature for catalyst G (cf. Table 5), catalyst I also shows accordingly the highest activity among the tested catalysts. Thus, the following activity series can be determined (in decreasing order): Catalyst I > Catalyst G > Catalyst D > Catalyst H.
Beispiel 2c - Umsatz-Selektivitäts-Verhalten Example 2c - Conversion-Selectivity Behavior
Überraschenderweise zeigt sich jedoch, dass Katalysatoren einer Grundrezeptur unabhängig von der gewählten Kalzinierverfahrenstechnik bzw. Kalzinierintensität ein nahezu gleiches Umsatz-Selektivitätsverhalten aufweisen (vgl. Tabelle 7). Surprisingly, however, it is found that catalysts of a basic recipe have almost the same conversion-selectivity behavior regardless of the chosen calcination process technology or calcination intensity (cf. Table 7).
Tabelle 7 Table 7
Dies bestätigt sich sowohl für Katalysatorproben, die aus ein und demselben Autoklavensyntheseansatz (Katalysator D und G) wie auch aus unterschiedlichen Autoklavensyntheseansätzen (Katalysator C) stammen. Somit können in einem Reaktor oder einer Reaktionszone eines Reaktors bzw. eines jeweiligen Reaktorrohres eines Rohrbündelreaktors gezielt Katalysatoren einer bestimmten Aktivität eingesetzt werden, um beispielsweise eine optimale Aktivität des Katalysatorbetts und somit optimaler Balance zwischen Wärmeproduktion durch Reaktion und Wärmeabfuhr innerhalb eines Reaktors bzw. innerhalb einer Reaktionszone eines Reaktors bzw. Reaktorrohrs zu erzielen und somit die Produktivität eines kommerziellen Reaktors zu maximieren bzw. den Reaktor optimal zu nutzen. This is confirmed both for catalyst samples that come from one and the same autoclave synthesis batch (catalyst D and G) as well as from different autoclave synthesis batches (catalyst C). Thus, in a reactor or a reaction zone of a reactor or a respective reactor tube a tube bundle reactor, catalysts with a specific activity are used in a targeted manner, for example to achieve optimal activity of the catalyst bed and thus optimal balance between heat production by reaction and heat dissipation within a reactor or within a reaction zone of a reactor or reactor tube and thus to increase the productivity of a commercial reactor maximize or to use the reactor optimally.
Tabelle 7 unterstreicht zusätzlich nochmals die oben angeführten Beobachtungen zur Aktivität in Abhängigkeit der unterschiedlichen Kalzinierintensität. Gemäß dem oben Beschriebenen ist die Abstufung der Kalzinierintensität in Tab. 7 in absteigender Reihenfolge (von der höchsten zur niedrigsten Kalzinierintensität): Kalzinierintensität Katalysator C > Kalzinierintensität Katalysator D > Kalzinierintensität Katalysator G. Entsprechend nimmt die Aktivität in umgekehrter Reihenfolge zu, d.h.: Aktivität Katalysator C < Aktivität Katalysator D < Aktivität Katalysator G. Dies ist am Vergleich der Umsätze bei den entsprechenden Reaktionstemperaturen erkennbar: Für einen ähnlichen Ethan-Umsatz von ca. 34 bis 35 % wird für Katalysator C gegenüber Katalysator D eine um 5 K höhere Reaktionstemperatur benötigt. Katalysator G wiederum ist aktiver als Katalysator D, denn für einen Ethan-Umsatz von ca. 40% wird bei Katalysator G eine gegenüber Katalysator D um 5 K niedrigere Reaktionstemperatur benötigt. Die oben erwähnte Unabhängigkeit der Selektivität von der Kalzinierintensität bei Katalysatoren der gleichen Grundrezeptur wird durch nahezu gleiche Selektivitätswerte bei jeweils vergleichbaren Umsatzniveaus von ca. 34 bis 35 % für Katalysator C und D bzw. von ca. 40% für Katalysator D und G bestätigt. Es sei hier erwähnt, dass Abweichungen in den Selektivitäten von bis zu 0,3 %-Punkten als nicht signifikant unterschiedlich zu betrachten sind (Fehlerbetrachtung basierend auf 10 unabhängigen Wiederholungsmessungen an Katalysator G). Table 7 also underscores the above observations on the activity as a function of the different calcination intensity. According to what is described above, the grading of the calcination intensity in Table 7 is in descending order (from the highest to the lowest calcination intensity): calcination intensity catalyst C > calcination intensity catalyst D > calcination intensity catalyst G. Correspondingly, the activity increases in the reverse order, i.e.: activity catalyst C<activity of catalyst D<activity of catalyst G. This can be seen by comparing the conversions at the corresponding reaction temperatures: For a similar ethane conversion of approx. 34 to 35%, a reaction temperature which is 5 K higher than that for catalyst D is required for catalyst C. Catalyst G, in turn, is more active than catalyst D, because for an ethane conversion of approx. 40%, a reaction temperature that is 5 K lower than catalyst D is required for catalyst G. The above-mentioned independence of the selectivity from the calcination intensity for catalysts of the same basic recipe is confirmed by almost the same selectivity values with comparable conversion levels of approx. 34 to 35% for catalysts C and D and approx. 40% for catalysts D and G. It should be mentioned here that deviations in the selectivities of up to 0.3 percentage points are not to be regarded as significantly different (error analysis based on 10 independent repeated measurements on catalyst G).
Beispiel 3 - Anlage und Reaktor Example 3 - plant and reactor
In Figur 2 ist eine Anlage zur Herstellung von Olefinen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines stark vereinfachten Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 1 bezeichnet. Die Anlage 1 ist dabei nur schematisch angedeutet. Dabei wird insbesondere die prinzipielle Anordnung der Katalysezonen in einem Rohrbündelreaktor 100 dargestellt Wenngleich nachfolgend eine Anlage 1 zur ODHE beschrieben wird, eignet sich, wie erwähnt, die vorliegende Erfindung auch zum Einsatz bei der ODH höherer Kohlenwasserstoffe. In diesem Fall gelten die nachfolgenden Erläuterungen entsprechend. In FIG. 2, a plant for the production of olefins according to one embodiment of the invention is illustrated in the form of a greatly simplified plant diagram and is denoted overall by 1. The plant 1 is indicated only schematically. In particular, the basic arrangement of the catalytic zones in a tube bundle reactor 100 is shown. Although a system 1 for ODHE is described below, the present invention is also suitable, as mentioned, for Use in the ODH of higher hydrocarbons. In this case, the following explanations apply accordingly.
Die Anlage 1 weist, wie erwähnt, einen Rohrbündelreaktor 100 auf, dem im dargestellten Beispiel ein Ethan enthaltendes, auf beliebige Weise gewonnenes Einsatzgemisch A zugeführt wird. Das Einsatzgemisch A kann beispielsweise einer nicht dargestellten Rektifikationseinheit entnommene Kohlenwasserstoffe enthalten. Das Einsatzgemisch A kann auch beispielsweise vorgewärmt und auf andere Weise aufbereitet werden. Das Einsatzgemisch A kann bereits Sauerstoff und ggf. einen Reaktionsmoderator wie Wasserdampf enthalten, entsprechende Medien können jedoch auch stromauf oder in dem Rohrbündelreaktor 100 zugegeben werden, wie nicht gesondert dargestellt. Dem Rohrbündelreaktor 100 wird ein Produktgemisch B entnommen. As mentioned, the plant 1 has a tube bundle reactor 100 to which, in the example shown, an ethane-containing feed mixture A obtained in any desired manner is fed. The starting mixture A can contain, for example, hydrocarbons taken from a rectification unit (not shown). The feed mixture A can also be preheated, for example, and processed in some other way. The feed mixture A can already contain oxygen and, if appropriate, a reaction moderator such as steam, but corresponding media can also be added upstream or in the tube bundle reactor 100, as not shown separately. A product mixture B is removed from the tube bundle reactor 100 .
Der Rohrbündelreaktor 100, der in Figur 3 im Detail dargestellt ist, weist eine Vielzahl parallel angeordneter Reaktionsrohre 10 auf (nur zum Teil bezeichnet), die durch mehrere, im dargestellten Beispiel drei, Reaktionszonen 110, 120, 130 verlaufen. Stromauf bzw. stromab können eine Vorwärmzone 140 und eine Nachreaktionszone 150 vorhanden sein. Die Reaktionsrohre 10 sind von einem Mantelbereich 20 umgeben, durch die im Beispiel ein Kühlmittel C der erläuterten Art geführt ist. Die Darstellung ist stark vereinfacht, da, wie erwähnt, die Reaktionsrohre 10 ggf. unter Verwendung mehrerer, die Reaktionsrohre 10 umfließender Kühlmedien gekühlt werden können oder unterschiedliche Rohrabschnitte unter Verwendung unterschiedlicher Kühlmedien, desselben Kühlmediums in unterschiedlichen Kühlmedienkreisläufen, und/oder desselben oder unterschiedlicher Kühlmedien in gleichen oder unterschiedlichen Strömungsrichtungen gekühlt werden können. The tube bundle reactor 100, which is shown in detail in FIG. 3, has a multiplicity of reaction tubes 10 arranged in parallel (only partially designated), which run through several reaction zones 110, 120, 130, three in the example shown. A preheating zone 140 and a post-reaction zone 150 may be present upstream and downstream, respectively. The reaction tubes 10 are surrounded by a jacket area 20 through which a coolant C of the type explained is guided in the example. The representation is greatly simplified because, as mentioned, the reaction tubes 10 can optionally be cooled using a plurality of cooling media flowing around the reaction tubes 10 or different tube sections using different cooling media, the same cooling medium in different cooling medium circuits, and/or the same or different cooling media in same or different directions of flow can be cooled.
Nach der Einspeisung in den Rohrbündelreaktor wird das Einsatzgemisch A in geeigneter Weise auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich auf die Reaktionsrohre 10 verteilt. Die Reaktionsrohre weisen jeweils Katalysezonen 11, 12 und 13 auf, die in den Reaktionszonen 110, 120 und 130 liegen. After being fed into the tube bundle reactor, the starting mixture A is distributed over the reaction tubes 10 in a suitable manner at a temperature in a first temperature range. The reaction tubes each have catalytic zones 11, 12 and 13, which are located in the reaction zones 110, 120 and 130.
Eine katalytische Umsetzung erfolgt mittels der in den Reaktionsrohren 10 hintereinander angeordneten Katalysezonen 11, 12 und 13 mit unterschiedlicher Aktivität, und wobei in den Katalysezonen 11, 12 und 13 jeweils ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien und ein oder mehrere katalytisch inaktive Materialien bereitgestellt sind. Wie erläutert, wird die unterschiedliche Aktivität der Katalysezonen 11, 12 und 13 durch Bereitstellen des einen oder der mehreren, katalytisch aktiven Materialien mit identischer elementarer Zusammensetzung und unterschiedlicher Aktivität bewirkt. A catalytic reaction takes place by means of the catalytic zones 11, 12 and 13 arranged one behind the other in the reaction tubes 10 with different activities, and in the catalytic zones 11, 12 and 13 one or more catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided. As explained, the different activity of the catalytic zones 11, 12 and 13 is effected by providing the one or more catalytically active materials with identical elemental composition and different activity.
Figur 4 veranschaulicht die Herstellung eines katalytisch aktiven Materials gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung bzw. in Form eines schematischen Ablaufplans eines entsprechenden Verfahrens 400. Figure 4 illustrates the production of a catalytically active material according to one embodiment of the present invention in a simplified schematic representation or in the form of a schematic flowchart of a corresponding method 400.
Das Verfahren umfasst hierbei insbesondere zuvor als „erste Herstellungsschritte“ bezeichnete Herstellungsschritte 410, 420 und 430, eine sich anschließende Kalzinierung 440, und einen oder mehrere sich daran anschließende Herstellungsschritte 450, zuvor als „zweite Herstellungsschritte“ bezeichnet. Herstellungsschritt 410 stellt dabei insbesondere eine geeignete Vorbehandlung der verwendeten Einsatzstoffe dar, der sich mit Schritt 420 eine Synthese, beispielsweise eine Autoklavensynthese mit Kristallisation (und ggf. Abfiltrieren) anschließt. Der Schritt 430 kann insbesondere eine Trocknung umfassen. Schritt 450 umfasst insbesondere eine Formgebung, inklusive einem ggf. erforderlichen Ausbrennen des Wachses wie zuvor bereits erläutert. The method here includes in particular production steps 410, 420 and 430 previously referred to as “first production steps”, a subsequent calcination 440, and one or more subsequent production steps 450, previously referred to as “second production steps”. Production step 410 represents in particular a suitable pretreatment of the starting materials used, which is followed by step 420 of a synthesis, for example an autoclave synthesis with crystallization (and optionally filtration). In particular, step 430 can include drying. Step 450 includes in particular shaping, including burning out the wax if necessary, as already explained above.
Der beispielsweise in der WO 2019/243480 A1 verwendete Begriff der „Rezeptur“ wurde bereits oben definiert und umfasst insbesondere die Schritte 410 bis 440. The term "recipe" used, for example, in WO 2019/243480 A1 has already been defined above and includes in particular steps 410 to 440.
Hierbei werden diese Schritte 410 bis 440 bis einschließlich der Kalzinierung 440 also identisch oder im Wesentlichen identisch durchgeführt. Es entsteht ein katalytisch aktives Material mit genau einer definieten Elementzusammensetzung, genau einem Satz an physikochemischen Eigenschaften (z.B. BET-Oberfläche und/oder Stickstoff- Porenvolumen) und daher einer bestimmten Aktivität. Die Prozesskette bis einschließlich der Kalzinierung 440 ist also hauptsächlich aktivitätsbestimmend für den fertigen Katalysatorform körper (bei gleichem Binderanteil). In this case, these steps 410 to 440 up to and including the calcination 440 are therefore carried out identically or essentially identically. A catalytically active material is created with exactly one defined element composition, exactly one set of physicochemical properties (e.g. BET surface area and/or nitrogen pore volume) and therefore a specific activity. The process chain up to and including calcination 440 is therefore mainly the activity-determining factor for the finished shaped catalyst body (with the same proportion of binder).
Der zuvor ebenfalls definierte Begriff der „Grundrezeptur“ umfasst dabei identische oder im Wesentlichen identische Schritte 410 bis 430 bis einschließlich Trocknung, aber nicht notwendigerweise eine identische oder im Wesentlichen identische Kalzinierung 440. Auf diese Weise entsteht ein Vorläufer- oder Grundmaterial mit einer genau definieten Elementzusammensetzung. Dieses Material muss aber noch einer Aktivierung im Sinne einer Kalzinierung unter Stickstoff bei Temperaturen von mindestens 400 °C unterzogen werden, damit das Material in die endgültig katalytisch aktive Form überführt wird. Hierbei können unterschiedliche Kalzinierintensitäten eingesetzt werden. The term “basic recipe” also defined above includes identical or essentially identical steps 410 to 430 up to and including drying, but not necessarily an identical or essentially identical calcination 440. In this way, a precursor or basic material with a precisely defined element composition. However, this material still has to be activated in the sense of calcination under nitrogen at temperatures of at least 400° C. so that the material is converted into the final catalytically active form. Different calcination intensities can be used here.
Eine in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung vorgenommene Aktivitätseinstellung für die jeweiligen Katalysatorschichten kann durch gezielte Wahl der Kalzinierbedingungen bzw. genauer der Kalzinierintensität beeinflusst werden. Die gebildeten katalytisch aktiven Materialien können zwar eine gleiche chemische bzw. elementare Zusammensetzung („chemisch identisch“) aufweisen, unterscheiden sich aber hinsichtlich ihrer physikochemischen Eigenschaften, nämlich mindestens in Form der BET-Oberfläche und/oder des Stickstoff-Porenvolumens. Die Kalzinierintensität bestimmt also die physikochemischen Eigenschaften bzw. sind die Materialien hinsichtlich dieser Eigenschaften unterschiedlich. An activity setting for the respective catalyst layers carried out in embodiments of the present invention can be influenced by a targeted choice of the calcination conditions or, more precisely, the calcination intensity. Although the catalytically active materials formed can have the same chemical or elemental composition (“chemically identical”), they differ in terms of their physicochemical properties, namely at least in the form of the BET surface area and/or the nitrogen pore volume. The calcination intensity therefore determines the physicochemical properties or the materials differ with regard to these properties.
In Schritt 450 kann eine Aktivitätsabstufung durch Beimengung unterschiedlicher Binderanteile während der Formgebung erfolgen. Die verschiedenen katalytischen Schichten zeichnen sich dann durch unterschiedliche Anteile an Binder aus. Somit ist die Elementzusammensetzung absolut gesehen für jede katalytische Schicht unterschiedlich (wenngleich sich die relativen Mengen der katalytisch aktiven Metalle zueinander nicht ändern, da diese ja für alle Schichten gleich sind). In step 450, an activity gradation can be made by adding different proportions of binder during shaping. The various catalytic layers are then distinguished by different proportions of binder. Thus, in absolute terms, the elemental composition is different for each catalytic layer (although the relative amounts of the catalytically active metals to one another do not change, since they are the same for all layers).

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zur Herstellung einer Zielverbindung, bei dem ein 1. A method for preparing a target compound, in which a
Ethan enthaltendes Einsatzgemisch (A) auf eine Vielzahl parallel angeordneter Reaktionsrohre (10) eines Rohrbündelreaktors (100) verteilt und in den Reaktionsrohren (10) einer oxidativen katalytischen Umsetzung des Ethans unterworfen wird, wobei die katalytische Umsetzung mittels in den Reaktionsrohren (10) hintereinander angeordneter Katalysezonen (11, 12, 13) mit unterschiedlicher Aktivität durchgeführt wird, und wobei in den Katalysezonen (11, 12, 13) jeweils ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien und ein oder mehrere katalytisch inaktive Materialien bereitgestellt sind dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Aktivität der Katalysezonen (11, 12,Ethane-containing feed mixture (A) is distributed over a large number of parallel reaction tubes (10) of a tube bundle reactor (100) and is subjected to an oxidative catalytic conversion of the ethane in the reaction tubes (10), the catalytic conversion being carried out by means of reaction tubes (10) arranged one behind the other Catalytic zones (11, 12, 13) is carried out with different activities, and in the catalytic zones (11, 12, 13) one or more catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided, characterized in that the different activity of the Catalytic zones (11, 12,
13) durch Bereitstellen des einen oder der mehreren katalytisch aktiven Materialien mit identischer oder im Wesentlichen identischer Grundrezeptur bewirkt wird, wobei das eine oder die mehreren, katalytisch aktiven Materialien unter Verwendung unterschiedlicher Kalzinierintensitäten hergestellt ist oder sind. 13) is effected by providing the one or more catalytically active materials with identical or substantially identical basic formulation, wherein the one or more catalytically active materials is or are prepared using different calcination intensities.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mehreren katalytischen Materialien ein im Wesentlichen gleiches Umsatz-Selektivitäts-Verhalten aufweisen. 2. The method of claim 1, wherein the plurality of catalytic materials exhibit substantially equal conversion-selectivity behavior.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Anteil des einen oder der mehreren, katalytisch inaktiven Materialien in den jeweiligen Katalysezonen (11,3. The method according to claim 1 or 2, wherein a proportion of the one or more catalytically inactive materials in the respective catalytic zones (11,
12, 13) an einer Gesamtfüllung der jeweiligen Katalysezonen (11, 12, 13) sich um nicht mehr als 25 % relativ zueinander unterscheidet. 12, 13) at a total filling of the respective catalytic zones (11, 12, 13) differs by no more than 25% relative to each other.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das eine oder zumindest eines der mehreren, katalytisch aktiven Materialien zumindest die Metalle Molybdän, Vanadium, Niob und optional Tellur enthält. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the one or at least one of the plurality of catalytically active materials contains at least the metals molybdenum, vanadium, niobium and optionally tellurium.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das eine oder das zumindest eine der mehreren, katalytisch aktiven Materialien zumindest teilweise aus den Oxiden der Metalle hergestellt ist. 5. The method of claim 4, wherein the one or at least one of the plurality of catalytically active materials is at least partially made of the oxides of the metals.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich ein Porenvolumen und/oder eine BET-Oberfläche in zumindest zwei der Katalysezonen um 15 bis 60% voneinander unterscheiden und insbesondere das Porenvolumen als Maß für die Katalysatoraktivität verwendet wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a pore volume and / or a BET surface area in at least two of the Catalytic zones differ from each other by 15 to 60% and in particular the pore volume is used as a measure of the catalyst activity.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die oxidative Umsetzung bei einer Temperatur des Katalysators in einem Bereich zwischen 240 und 500°C, bevorzugt zwischen 280 und 450 °C, insbesondere zwischen 300 und 400 °C durchgeführt wird, und/oder bei dem das Einsatzgemisch auf einem Druck in einem Druckbereich von 1 bis 10 bar (abs.), insbesondere von 2 bis 6 bar (abs.) dem Reaktor (100) zugeführt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, in which the oxidative reaction is carried out at a temperature of the catalyst in a range between 240 and 500 ° C, preferably between 280 and 450 ° C, in particular between 300 and 400 ° C, and / or in which the starting mixture is fed to the reactor (100) at a pressure in a pressure range from 1 to 10 bar (absolute), in particular from 2 to 6 bar (absolute).
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Einsatzgemisch einen Wasseranteil enthält, der zwischen 5 und 95 Vol.-%, insbesondere 10 und 50 Vol.-%, insbesondere 14 und 35 Vol.-% eingestellt wird. 8. The process as claimed in any of the preceding claims, in which the starting mixture contains a water content which is adjusted to between 5 and 95% by volume, in particular 10 and 50% by volume, in particular 14 and 35% by volume.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das molare Verhältnis von Wasser zu Ethan in dem Einsatzgemisch mindestens 0,23 beträgt. 9. The process of claim 8 wherein the molar ratio of water to ethane in the feed mixture is at least 0.23.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Reaktionsrohre unter Verwendung eines oder mehrerer, die Reaktionsrohre (10) umfließender Kühlmedien gekühlt werden. 10. The method according to any one of the preceding claims, in which the reaction tubes are cooled using one or more cooling media flowing around the reaction tubes (10).
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Rohrabschnitte der Reaktionsrohre (10) unter Verwendung unterschiedlicher Kühlmedien, desselben Kühlmediums in unterschiedlichen Kühlmedienkreisläufen, und/oder desselben oder unterschiedlicher Kühlmedien in unterschiedlichen oder gleichen Strömungsrichtungen gekühlt werden. 11. The method according to claim 10, in which tube sections of the reaction tubes (10) are cooled using different cooling media, the same cooling medium in different cooling medium circuits, and/or the same or different cooling media in different or the same flow directions.
12. Anlage zur Herstellung einer Zielverbindung mit einem Rohrbündelreaktor (10), der eine Vielzahl parallel angeordneter Reaktionsrohre (10) aufweist, wobei die Anlage Mittel aufweist, die dazu eingerichtet sind, ein Ethan enthaltendes Einsatzgemisch (A) auf die Reaktionsrohre (10) zu verteilen und in den Reaktionsrohren einer oxidativen katalytischen Umsetzung zu unterwerfen, wobei für die katalytische Umsetzung in den Reaktionsrohren (10) hintereinander angeordnete Katalysezonen (11, 12, 13) mit unterschiedlicher Aktivität bereitgestellt sind, und wobei in den Katalysezonen (11, 12, 13) jeweils ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien und ein oder mehrere katalytisch inaktive Materialien bereitgestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Aktivität der Katalysezonen (11, 12, 13) durch Bereitstellen des einen oder der mehreren, katalytisch aktiven Materialien mit identischer oder im Wesentlichen identischer Grundrezeptur bewirkt ist, wobei das eine oder die mehreren, katalytisch aktiven Materialien unter Verwendung unterschiedlicher Kalzinierintensitäten hergestellt ist oder sind. 12. Plant for the production of a target compound with a tube bundle reactor (10) which has a multiplicity of reaction tubes (10) arranged in parallel, the plant having means which are set up to direct an ethane-containing feed mixture (A) towards the reaction tubes (10). distributed and subjecting them to an oxidative catalytic reaction in the reaction tubes, with catalysis zones (11, 12, 13) arranged one behind the other in the reaction tubes (10) being provided with different activities, and with the catalysis zones (11, 12, 13 ) each one or several catalytically active materials and one or more catalytically inactive materials are provided, characterized in that the different activity of the catalytic zones (11, 12, 13) is brought about by providing the one or more catalytically active materials with an identical or essentially identical basic recipe wherein the one or more catalytically active materials is or are prepared using different calcination intensities.
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