WO2006066848A1 - Verfahren zur herstellung von butadien aus n-butan - Google Patents

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WO2006066848A1
WO2006066848A1 PCT/EP2005/013659 EP2005013659W WO2006066848A1 WO 2006066848 A1 WO2006066848 A1 WO 2006066848A1 EP 2005013659 W EP2005013659 W EP 2005013659W WO 2006066848 A1 WO2006066848 A1 WO 2006066848A1
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butane
stream
optionally
gas
gas stream
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PCT/EP2005/013659
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Inventor
Sven Crone
Catharina Klanner
Götz-Peter SCHINDLER
Mark Duda
Frieder Borgmeier
Original Assignee
Basf Aktiengesellschaft
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    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C11/00—Aliphatic unsaturated hydrocarbons
    • C07C11/12—Alkadienes
    • C07C11/16—Alkadienes with four carbon atoms
    • C07C11/167—1, 3-Butadiene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C5/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
    • C07C5/32—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with formation of free hydrogen
    • C07C5/327—Formation of non-aromatic carbon-to-carbon double bonds only
    • C07C5/333—Catalytic processes
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    • C07C5/32—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with formation of free hydrogen

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of butadiene from n-butane.
  • Butadiene is an important basic chemical and is used for example for the production of synthetic rubbers (butadiene homopolymers, styrene-butadiene rubber or nitrile rubber) or for the production of thermoplastic terpolymers (acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers). Butadiene is further converted to sulfolane, chloroprene and 1, 4-hexamethylenediamine (over 1, 4-dichlorobutene and adiponitrile). By dimerization of butadiene, vinylcyclohexene can also be produced, which can be dehydrogenated to styrene.
  • Butadiene can be prepared by thermal cracking (steam cracking) of saturated hydrocarbons, usually starting from naphtha as the raw material.
  • the steam cracking of naphtha produces a hydrocarbon mixture of methane, ethane, ethene, acetylene, propane, propene, propyne, allene, butenes, butadiene, butynes, methylene, C 5 and higher hydrocarbons.
  • the object of the invention is to provide a process for the preparation of butadiene from n-butane, incurred in the smallest possible extent coupling products.
  • Butane wherein a gas stream b containing n-butane, 1-butene, 2-butene, butadiene, hydrogen, optionally water vapor, optionally carbon oxides and optionally inert gases is obtained; C) feeding the gas stream b and an oxygen-containing gas into at least one second dehydrogenation zone and oxidative dehydrogenation of 1-butene and 2-butene, wherein a gas stream c containing n-butane, butadiene, hydrogen, water vapor, optionally carbon oxides and optionally inert gases becomes;
  • the inventive method is characterized by a particularly effective use of raw materials. Thus, losses of the raw material n-butane are minimized by recycling unreacted n-butane into the dehydrogenation.
  • the coupling of non-oxidative catalytic dehydrogenation and oxidative dehydrogenation achieves a high butadiene yield.
  • the process is characterized by high selectivity as compared to the production of butadiene by cracking. There are no by-products. It eliminates the costly separation of butadiene from the product gas mixture of the cracking process.
  • a feed gas stream a containing n-butane is provided in a first process part A.
  • LPG lique fi ed petroleum gas
  • LPG contains essentially saturated C 2 -C 5 hydrocarbons. It also contains methane and traces of C 6 + hydrocarbons.
  • the composition of LPG can vary widely.
  • the LPG used contains at least 10% by weight of butane.
  • a refined C 4 stream from crackers or refineries can be used.
  • the provision of the n-butane-containing dehydrogenation feed gas stream comprises the steps
  • the separation of propane and optionally methane, ethane and C 5 + hydrocarbons takes place, for example, in one or more conventional rectification columns.
  • a first column low boilers methane, ethane, propane
  • a second column high boilers C 5 + hydrocarbons
  • a stream containing butanes is obtained, from which isobutane is separated, for example, in a customary rectification column.
  • the remaining stream containing n-butane is used as feed gas stream for the subsequent butane dehydrogenation.
  • the separated isobutane stream may be subjected to isomerization.
  • the isobutane-containing stream is fed into an isomerization reactor.
  • the Isomerization of isobutane to n-butane can be carried out as described in GB-A 2,018,815. An n-butane / isobutane mixture is obtained, which is fed into the n-butane / isobutane separation column.
  • the separated isobutane stream can also be supplied to a further use, for example, be used for the production of methacrylic acid, polyisobutene or methyl tert-butyl ether.
  • the n-butane-containing feed gas stream a generally contains at least 60% by weight of n-butane, preferably at least 90% by weight of n-butane. In addition, it may contain dC 4 hydrocarbons as minor constituents.
  • n-butane-containing feed gas stream is fed into a hydrogenation zone and subjected to non-oxidative catalytic dehydrogenation.
  • n-butane is partially dehydrogenated in a dehydrogenation reactor on a dehydrogenating catalyst partially to 1-butene and 2-butene, wherein butadiene (1, 3-butadiene) is formed.
  • hydrogen and small amounts of methane, ethane, ethene, propane and propene fall on.
  • carbon oxides (CO, CO 2 ) water and nitrogen may also be present in the product gas mixture of the non-oxidative catalytic n-butane dehydrogenation.
  • unreacted n-butane is present in the product gas mixture.
  • the non-oxidative catalytic n-butane dehydrogenation can be carried out with or without oxygen-containing gas as a co-feed.
  • it is carried out as autothermal non-oxidative catalytic dehydrogenation while feeding oxygen as a co-feed.
  • the heat required is generated directly in the reactor system by combustion of hydrogen and / or hydrocarbons in the presence of oxygen.
  • a hydrogen-containing co-feed may additionally be admixed.
  • Oxygen can be fed in as pure oxygen or as an oxygen-containing gas, for example as air.
  • Preferred oxygen-containing gas is air or oxygen-enriched air having an oxygen content of up to 70% by volume, preferably up to 50% by volume.
  • oxygen can also be fed in as an oxygen-rich gas, for example with an oxygen content of at least 75% by volume or at least 90% by volume.
  • oxygen-rich gas for example with an oxygen content of at least 75% by volume or at least 90% by volume.
  • the non-oxidative catalytic n-butane dehydrogenation can in principle be carried out in all reactor types and procedures known from the prior art.
  • a comparatively comprehensive description of dehydrogenation processes suitable according to the invention also contains "Catalytica® ® Studies Division, Oxidative Dehydrogenation and Alternative Dehydrogenation Processes" (Study Number 4192 OD, 1993, 430 Ferguson Drive, Mountain View, California, 94043-5272, USA).
  • a suitable reactor form is the fixed bed tube or tube bundle reactor.
  • These include the catalyst (dehydrogenation catalyst and, when working with oxygen as a co-feed, optionally special oxidation catalyst) as a fixed bed in a reaction tube or in a bundle of reaction tubes.
  • the reaction tubes are usually heated indirectly by burning a gas, for example a hydrocarbon such as methane, in the space surrounding the reaction tubes. It is advantageous to apply this indirect form of heating only to the first approx. 20 to 30% of the length of the fixed bed fill and to heat the remaining bed length to the required reaction temperature by the radiant heat released as part of the indirect heating.
  • Typical reaction tube internal diameters are about 10 to 15 cm.
  • a typical Dehydrierrohrbündelre- actor comprises about 300 to 1000 reaction tubes.
  • the temperature in the inside of the reaction tube usually ranges from 300 to 1200 ° C., preferably in the range from 500 to 1000 ° C.
  • the working pressure is usually between 0.5 and 8 bar, frequently between 1 and 2 bar when using a low steam dilution ( analogous to the Linde process for propane dehydrogenation), but also between 3 and 8 bar when using a high steam dilution (analogous to the so-called “steam active reforming process” (STAR process) for the dehydrogenation of propane or butane by Phillips Petroleum Co., see US 4,902,849, US 4,996,387, and US 5,389,342.)
  • Typical Catalyst Loadings (GHSV) are from 500 to 2000 h.sup.-1 based on hydrocarbon used.
  • the catalyst geometry may be spherical or cylindrical (hollow or solid).
  • the non-oxidative catalytic n-butane dehydrogenation can also be carried out as described in Chem. Eng. Be. 1992 b, 47 (9-11) 2313, heterogeneously catalyzed in a fluidized bed.
  • two fluidized beds are operated side by side, one of which is usually in the state of regeneration.
  • the working pressure is typically 1 to 2 bar, the dehydrogenation temperature usually 550 to 600 0 C.
  • the heat required for the dehydrogenation is thereby introduced into the reaction system by the dehydrogenation catalyst is preheated to the reaction temperature.
  • an oxygen-containing co-feed By adding an oxygen-containing co-feed can be dispensed with the preheater, and the heat required directly in the reactor system by combustion of hydrogen and / or hydrocarbons in the presence of oxygen are generated.
  • a hydrogen-containing co-feed may additionally be admixed.
  • the non-oxidative catalytic n-butane dehydrogenation can be carried out with or without oxygen-containing gas as a co-feed in a tray reactor. Preferably, it is carried out with oxygen-containing gas as a co-feed.
  • the number of catalyst beds may be 1 to 20, advantageously 1 to 6, preferably 1 to 4 and in particular 1 to 3.
  • the catalyst beds are preferably flowed through radially or axially from the reaction gas.
  • such a tray reactor is operated with a fixed catalyst bed.
  • the fixed catalyst beds are arranged in a shaft furnace reactor axially or in the annular gaps of concentrically arranged cylindrical gratings.
  • a shaft furnace reactor corresponds to a horde.
  • the dehydrogenation in a single shaft furnace reactor corresponds to a preferred embodiment, wherein it is possible to work with oxygen-containing co-feed.
  • the dehydrogenation is carried out in a tray reactor with 3 catalyst beds.
  • the reaction gas mixture in the tray reactor is subjected to intermediate heating on its way from one catalyst bed to the next catalyst bed, e.g. by passing over heated with hot gases heat exchanger surfaces or by passing through heated with hot fuel gases pipes.
  • the non-oxidative catalytic n-butane dehydrogenation is carried out autothermally.
  • oxygen is added to the reaction gas mixture of the n-butane dehydrogenation in at least one reaction zone and the hydrogen and / or hydrocarbon contained in the reaction gas mixture at least partially burned, whereby at least a portion of the required Dehydrierraj in the at least one reaction zone is generated directly in the reaction gas mixture ,
  • the amount of the oxygen-containing gas added to the reaction gas mixture is selected such that the combustion of hydrogen present in the reaction gas mixture and optionally of hydrocarbons present in the reaction gas mixture and / or coke in the form of coke causes the dehydrogenation of the n-butane required amount of heat is generated.
  • the total amount of oxygen fed is 0.001 to 0.5 mol / mol, preferably 0.005 to 0.25 mol / mol, particularly preferably 0.05 to 0.25 mol / mol.
  • Oxygen can be used either as pure oxygen or as an oxygen-containing gas mixed with inert gases, for example in the form of air.
  • the inert gases and the resulting combustion gases generally additionally dilute and thus promote the heterogeneously catalyzed dehydrogenation.
  • the hydrogen burned to generate heat is the hydrogen formed in the catalytic n-butane dehydrogenation and, if appropriate, the hydrogen gas additionally added to the reaction gas mixture as hydrogen.
  • the hydrogen gas additionally added to the reaction gas mixture as hydrogen.
  • sufficient hydrogen should be present so that the molar ratio H 2 / O 2 in the reaction gas mixture immediately after the introduction of oxygen is 1 to 10, preferably 2 to 5 mol / mol. This applies to multi-stage reactors for each intermediate feed of oxygen-containing and possibly hydrogen-containing gas.
  • the hydrogen combustion takes place catalytically.
  • the dehydrogenation catalyst used generally also catalyzes the combustion of the hydrocarbons and of hydrogen with oxygen, so that in principle no special oxidation catalyst different from this one is required.
  • the reaction is carried out in the presence of one or more oxidation catalysts which selectively catalyze the combustion of hydrogen with oxygen in the presence of hydrocarbons.
  • the combustion of these hydrocarbons with oxygen to CO, CO 2 and water is therefore only to a minor extent.
  • the dehydrogenation catalyst and the oxidation catalyst are present in different reaction zones.
  • the oxidation catalyst may be present in only one, in several or in all reaction zones.
  • the catalyst which selectively catalyzes the oxidation of hydrogen is disposed at the sites where higher oxygen partial pressures prevail than at other locations of the reactor, especially near the feed point for the oxygen-containing gas.
  • the feeding of oxygen-containing gas and / or hydrogen-containing gas can take place at one or more points of the reactor.
  • an intermediate feed of oxygen-containing gas and of hydrogen-containing gas takes place before each tray of a tray reactor.
  • the feed of oxygen-containing gas and of hydrogen-containing gas takes place before each horde except the first horde.
  • behind each feed point is a layer of a special oxidation catalyst, followed by a layer of the dehydrogenation catalyst.
  • no special oxidation catalyst is present.
  • the dehydrogenation temperature is generally 400 to 1100 0 C
  • the pressure in the last catalyst bed of the tray reactor generally 0.2 to 5 bar, preferably 1 to 3 bar.
  • the load (GHSV) is generally 500 to 2000 h "1 , in high load mode also up to 100 000 h " ⁇ preferred 4000 to 16 000 h '1 .
  • a preferred catalyst which selectively catalyzes the combustion of hydrogen contains oxides and / or phosphates selected from the group consisting of the oxides and / or phosphates of germanium, tin, lead, arsenic, antimony or bismuth.
  • Another preferred catalyst which catalyzes the combustion of hydrogen contains a noble metal of VIII. And / or I. Maury.
  • the dehydrogenation catalysts used generally have a carrier and an active composition.
  • the carrier is usually made of a heat-resistant oxide or mixed oxide.
  • the dehydrogenation catalysts contain a metal oxide selected from the group consisting of zirconium dioxide, zinc oxide, alumina, silica, titania, magnesia, lanthana, ceria and mixtures thereof as a carrier.
  • the mixtures may be physical mixtures or chemical mixed phases such as magnesium or zinc-aluminum oxide mixed oxides.
  • Preferred supports are zirconia and / or silica, particularly preferred are mixtures of zirconia and silica.
  • the active composition of the dehydrogenation catalysts generally contain one or more elements of VIII. Subgroup, preferably platinum and / or palladium, more preferably platinum. In addition, the dehydrogenation catalysts may comprise one or more elements of the main group I and / or II, preferably potassium and / or cesium. Furthermore, the dehydrogenation catalysts may contain one or more elements of the IM. Subgroup including the lanthanides and actinides, preferably lanthanum and / or cerium. Finally, the dehydrogenation catalysts may contain one or more elements of the IM. and / or IV. Main group, preferably one or more elements from the group consisting of boron, gallium, silicon, germanium, tin and lead, particularly preferably tin.
  • the dehydrogenation catalyst contains at least one element of the VIII. Subgroup, at least one element of the I. and / or M. main group, at least one element of the IM. and / or IV. main group and at least one element of IM. Subgroup including the lanthanides and actinides.
  • all dehydrogenation catalysts can be used which are described in WO 99/46039, US Pat. No. 4,788,371, EP-A 705,136, WO 99/29420, US Pat. No. 5,220,091, US Pat. No. 5,430,220, US Pat. No. 5,877,369, EP 0 1 17 146, DE-A 199 37 106, DE-A 199 37 105 and DE-A 199 37 107 are disclosed.
  • Particularly preferred catalysts for the above-described variants of the autothermal n-butane dehydrogenation are the catalysts according to Examples 1, 2, 3 and 4 of DE-A 199 37 107.
  • the n-butane dehydrogenation is preferably carried out in the presence of steam.
  • the added water vapor serves as a heat carrier and supports the gasification of organic deposits on the catalysts, whereby the coking of the catalysts counteracted and the service life of the catalysts is increased.
  • the organic deposits are converted into carbon monoxide, carbon dioxide and possibly water.
  • the dehydrogenation catalyst can be regenerated in a manner known per se.
  • steam can be added to the reaction gas mixture or, from time to time, an oxygen-containing gas can be passed over the catalyst charge at elevated temperature and the deposited carbon burned off. Dilution with water vapor shifts the equilibrium to the products of dehydration.
  • the catalyst is reduced after regeneration with a hydrogen-containing gas.
  • flue gases from incineration plants with a residual oxygen content of 2 to 6 vol .-%, which in addition to nitrogen and oxygen nor carbon oxides, water vapor and small amounts of hydrocarbons, are used.
  • n-butane dehydrogenation a gas mixture is obtained which, in addition to butadiene 1-butene, 2-butene and unreacted n-butane, contains minor constituents. Common secondary constituents are hydrogen, water vapor, nitrogen, CO 2 , and low boilers (methane, ethane, ethene, propane and propene).
  • the composition of the gaseous mixture leaving the first dehydrogenation zone can vary widely depending on the mode of dehydrogenation.
  • the product gas mixture has a comparatively high content of water vapor and carbon oxides.
  • the product gas mixture of the non-oxidative dehydrogenation has a comparatively high content of hydrogen.
  • the product gas stream of the n-butane nonoxidative autothermal dehydrogenation typically contains 0.1 to 15% by volume of butadiene, 0 to 20% by volume of 1-butene, 0 to 40% by volume of 2-butene (cis / trans 2-butene), 20 to 70% by volume of n-butane, 1 to 70% by volume of steam, 0 to 10% by volume of low-boiling hydrocarbons (methane, ethane, ethene, propane and propene), 0.1 to 40% by volume of hydrogen, 0 to 70% by volume of nitrogen and 0 to 15% by volume of carbon oxides.
  • the product gas stream b leaving the first dehydrogenation zone can be separated into two partial streams, wherein only one of the two partial streams is subjected to the further process parts C to H and the second partial stream is returned to the first dehydrogenation zone.
  • a corresponding procedure is described in DE-A 102 11 275.
  • the non-oxidative catalytic dehydrogenation according to the invention is followed by an oxidative dehydrogenation (oxydehydrogenation) as process part C.
  • oxidative dehydrogenation oxydehydrogenation
  • essentially 1-butene and 2-butene are dehydrogenated to give 1, 3-butadiene, with 1-butene generally reacting almost completely.
  • n-butenes ratio a gas mixture which has a molar oxygen: n-butenes ratio of at least 0.5. It is preferred worked at an oxygen: n-butenes ratio of 0.55 to 50.
  • the product gas mixture originating from the non-oxidative catalytic dehydrogenation is generally mixed with oxygen or an oxygen-containing gas.
  • the oxygen-containing gas is preferably air or oxygen-enriched air having an oxygen content of up to 70% by volume, preferably up to 50% by volume.
  • the resulting oxygen-containing gas mixture is then fed to the oxydehydrogenation.
  • the catalysts which are particularly suitable for the oxydehydrogenation are generally based on a Mo-Bi-O-containing multimetal oxide system, which as a rule also contains iron.
  • the catalyst system contains further additional components from the 1st to 15th group of the Periodic Table, such as potassium, magnesium, zirconium, chromium, nickel, cobalt, cadmium, tin, lead, germanium, lanthanum, manganese, tungsten, phosphorus, Cerium, aluminum or silicon.
  • Suitable catalysts and their preparation are described, for example, in US 4,423,281 (Mo 12 BiNi 8 Pb 015 Cr 3 Ko 12 O x and Mo 12 BJ b Ni 7 Al 3 Cr 015 K 015 O x ), US 4,336,409 (Mo 12 BiNi 6 Cd 2 Cr 3 Po 15 O x ), DE-A 26 00 128 (Mo 12 BiNi 0 , 5 Cr 3 Po, sMg 7i5 Ko, iO x + SiO 2 ) and DE-A 24 40 329 (Mo 12 BiCo 415 Ni 215 Cr 3 P 015 K 011 O x ).
  • the oxydehydrogenation catalyst is generally used as a shaped article having an average size of over 2 mm. Due to the pressure loss to be observed during the practice of the method smaller moldings are generally unsuitable.
  • suitable shaped bodies are tablets, cylinders, hollow cylinders, rings, balls, strands, carriage wheels or extrudates. Special forms, such as "Trilobes” and “Tristars” (see EP-A-0 593 646) or molded articles with at least one notch on the outside (see US Pat. No. 5,168,090) are also possible.
  • the catalyst used can be used as a so-called full catalyst.
  • the entire shaped catalyst body consists of the active material, including any auxiliaries, such as graphite or pore former, and other components.
  • the Mo-Bi-Fe-O-containing catalyst which is preferably used for the oxydehydrogenation of the n-butenes to butadiene as a full catalyst.
  • Such catalysts are usually referred to as shell catalysts.
  • the oxydehydrogenation is carried out generally at a temperature of 220-490 0 C and preferably from 250 to 450 0 C. It chooses a reactor inlet pressure that is sufficient, existing in the system and the subsequent workup
  • This reactor inlet pressure is usually at 0.005 to 1 MPa gauge, preferably 0.01 to 0.5 MPa gauge. Naturally, the gas pressure applied in the inlet area of the reactor largely drops over the entire catalyst bed.
  • the product gas stream c leaving the oxidative dehydrogenation generally contains hydrogen, carbon oxides and steam in addition to butadiene and unreacted n-butane. As minor constituents, it may also contain oxygen, nitrogen, methane, ethane, ethene, propane and propene and oxygen-containing hydrocarbons, so-called oxygenates. In general, it contains virtually no 1-butene and only small amounts of 2-butene.
  • the product gas stream leaving the oxidative dehydrogenation comprises c 2 to 40% by volume of butadiene, 5 to 80% by volume of n-butane, 0 to 15% by volume of 2-butene, 0 to 5% by volume 1.
  • Nitrogen 0 to 5% by volume of carbon oxides and 0 to 10% by volume of oxygenate.
  • Oxygenates may be, for example, furan, acetic acid, maleic anhydride, maleic acid, propionic acid, acetaldehyde, acrolein, formaldehyde, formic acid and butyraldehyde.
  • acetylene, propyne and 1, 2-butadiene may be present in traces.
  • the product gas stream c may still contain small amounts of oxygen. If the product gas stream c contains more than just minor traces of oxygen, a process stage for removing residual oxygen from the product gas stream c is generally carried out. The residual oxygen may have a disturbing effect insofar as it can act as an initiator for polymerization reactions in downstream process steps.
  • step E This danger is particularly present in the distillative removal of butadiene (step E)) and may lead to deposits of polymers (bi-fertilizer of so-called "popcorn") in the extractive distillation column, preferably the oxygen removal immediately after the oxidative dehydrogenation In general, this will be a catalytic combustion stage in which oxygen is reacted with the hydrogen contained in the gas stream c in the presence of a catalyst. As a result, a reduction in the oxygen content is achieved down to a few traces.
  • Platinum and tin are advantageously used in a weight ratio of 1: 4 to 1: 0.2, preferably in a ratio of 1: 2 to 1: 0.5, in particular in a ratio of approximately 1: 1.
  • the catalyst advantageously contains 0.05 to 0.09% by weight of platinum and 0.05 to 0.09% by weight of tin, based on the total weight of the catalyst.
  • the alumina catalyst contains only platinum and tin.
  • the catalyst support of ⁇ -alumina advantageously has a BET surface area of 0.5 to 15 m 2 / g, preferably 2 to 14 m 2 / g, in particular 7 to 11 m 2 / g.
  • the carrier used is preferably a shaped body. Preferred geometries are, for example, tablets, ring tablets, spheres, cylinders, star strands or gear-shaped strands with diameters of 1 to 10 mm, preferably 2 to 6 mm. Particularly preferred are balls or cylinders, in particular cylinders.
  • Alternatives for removing residual oxygen from the product gas stream c include contacting the product gas stream with a mixture of metal oxides containing copper in oxidation state 0 in a reduced form.
  • a mixture of metal oxides containing copper in oxidation state 0 in a reduced form generally still contains aluminum oxides and zinc oxides, wherein the copper content is usually up to 10 wt .-%. In this way, almost complete separation of residual oxygen is possible.
  • other methods of removing traces of oxygen can be used. Examples are the separation by means of molecular sieves or using membranes.
  • the gas stream c is compressed in at least one first compression stage and then cooled, whereby at least one condensate stream d1 containing water condenses out and a gas stream d2 containing n-butane, butadiene, hydrogen, water vapor, optionally carbon oxides and optionally inert gases remains ,
  • the gas stream c is cooled to a temperature in the range of 15 to 60 0 C before the first compression stage. Cooling takes place by direct or indirect heat exchange. In direct heat exchange recycled condensate is brought into contact with the gas stream c. Suitable contact devices are washing columns, quench columns, venturi scrubbers.
  • NaNO 2 is added to the quench stream to remove traces of oxygen.
  • the quench circulating amount of stabilizer is added against the formation of popcorn, polymers or butadiene peroxides.
  • the compression can be done in one or more stages. Overall, from a pressure in the range of 1, 0 to 4.0 bar compressed to a pressure in the range of 3.5 to 8.0 bar. After each compression stage is followed by a cooling step, in which the gas stream is cooled to a temperature in the range of 15 to 60 0 C.
  • the condensate stream d1 can thus also comprise a plurality of streams in the case of multistage compression.
  • the gas stream d2 generally consists essentially of C 4 -hydrocarbons (essentially n-butane and butadiene), hydrogen, carbon dioxide and water vapor. In addition, the stream d2 may still contain low boilers and inert gases (nitrogen) as further secondary components.
  • the wastewater stream d1 is generally at least 80 wt .-%, preferably at least 90 wt .-% of water and also contains minor amounts of low boilers, C 4 hydrocarbons, oxygenates and carbon dioxide.
  • Suitable compressors are, for example, turbo, rotary piston and reciprocating compressors.
  • the compressors can be driven, for example, with an electric motor, an expander or a gas or steam turbine.
  • Typical compression ratios (outlet pressure: inlet pressure) per compressor stage are between 1, 5 and 3.0, depending on the design.
  • carbon dioxide is separated off by gas scrubbing from the gas stream c before process step E), a gas stream d2 depleted in carbon dioxide being obtained.
  • the carbon dioxide gas scrubber may be preceded by a separate combustion stage in which carbon monoxide is selectively oxidized to carbon dioxide.
  • the cooling of the compressed gas takes place with heat exchangers, which can be designed, for example, as a tube bundle, spiral or plate heat exchanger.
  • heat exchangers which can be designed, for example, as a tube bundle, spiral or plate heat exchanger.
  • coolant cooling water or heat transfer oils are used in the heat exchangers.
  • air cooling is preferably used using blowers.
  • the gas stream d2 is separated by extractive distillation into a product stream e1 consisting essentially of butadiene and a stream e2 containing n-butane, hydrogen, water vapor, optionally carbon oxides and optionally inert gases.
  • the extractive distillation can be carried out, for example, as described in Petroleum and Coal - Natural Gas - Petrochemistry Vol. 34 (8), pages 343 - 346 or Ulimanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, Volume 9, 4th Edition 1975, pages 1 to 18.
  • the gas stream d2 is brought into contact with an extraction agent, preferably an N-methylpyrrolidone (NMP) / water mixture, in an extraction zone.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • the extraction zone is generally carried out in the form of a wash column which contains trays, fillers or packings as internals. This generally has 30 to 70 theoretical plates, so that a sufficiently good release effect is achieved.
  • the wash column has a backwash zone in the column head. This backwash zone serves to recover the extractant contained in the gas phase by means of liquid hydrocarbon reflux, to which the top fraction is condensed beforehand. Typical temperatures at the top of the column are between 30 and 60 ° C.
  • the mass ratio of extractant to C 4 -product gas stream d in the feed of the extraction zone is generally from 10: 1 to 20: 1.
  • Suitable extractants are butyrolactone, nitriles such as acetonitrile, propionitrile, methoxypropionitrile, ketones such as acetone, furfural, N-alkyl-substituted lower aliphatic
  • Acid amides such as dimethylformamide, diethylformamide, dimethylacetamide, diethylacetamide, N-formylmorpholine, N-alkyl-substituted cyclic acid amides (lactams) such as N-alkylpyrrolidones, in particular N-methylpyrrolidone (NMP).
  • lacams such as N-alkylpyrrolidones, in particular N-methylpyrrolidone (NMP).
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • alkyl-substituted lower aliphatic acid amides or N-alkyl substituted cyclic acid amides are used.
  • Particularly advantageous are dimethylformamide, acetonitrile, furfur and especially NMP.
  • NMP is particularly suitable, preferably in aqueous solution, preferably with 0 to 20% by weight of water, more preferably with 7 to 10% by weight of water, in particular with 8.3% by weight of water.
  • the extractive distillation column is a gaseous, at least n-butane, water vapor and hydrogen-containing stream e2, which is generally withdrawn via the top of the column, and obtained as a side draw stream, a mixture of extractant and butadiene. From this mixture butadiene can be subsequently obtained as a pure product.
  • the bottom withdrawing stream is the extractant, which still contains butadiene and optionally secondary components (impurities).
  • the bottom draw stream is recycled, optionally after carrying out further purification steps, back into the extractive distillation.
  • the stream e2 may also contain butenes, low boilers, carbon oxides and inert gases (nitrogen) as further constituents, in general it contains these constituents.
  • the extractive distillation, isolation of the pure butadiene and purification of the extractant can be carried out as follows:
  • the side draw stream of the extractive distillation column of extractant and butadiene, which also contains impurities (acetylene, propyne, 1,2-butadiene), is introduced into a wash column. fed, which is fed with fresh extractant.
  • Crude butadiene, which contains, for example, 98% by weight of butadiene, is withdrawn from the column top of the wash column.
  • the bottom draw stream is enriched with acetylene and is recycled to the extractive distillation.
  • the crude butadiene may contain as impurities propyne and 1,2-butadiene.
  • the crude butadiene is fed to a first purifying distillation column and a butadiene stream enriched with propyne is separated off at the top.
  • the bottom draw stream which is essentially propyne-free but still contains traces of 1,2-butadiene, becomes a second Pure distillation column fed, in which a substantially 1, 2-butadiene-free pure butadiene stream having a purity of, for example, at least 99.6 wt .-% as top draw or side draw stream in the enrichment section of the column and a 1, 2-butadiene-enriched bottom draw stream become.
  • the extraction solution is transferred to a desorption zone with reduced pressure and / or elevated temperature relative to the extraction zone, desorbing butadiene and any traces of acetylene present from the extraction solution become.
  • the desorption zone can be designed, for example, in the form of a wash column which has 5 to 15, preferably 8 to 10 theoretical stages and a backwash zone with, for example, 4 theoretical stages. This backwash zone serves to recover the extractant contained in the gas phase by means of liquid hydrocarbon recirculation, for which purpose the overhead fraction is condensed beforehand or by adding water as reflux.
  • internals packings trays or packing are provided.
  • the pressure at the top of the column is, for example, 1.5 bar.
  • the temperature in the column bottom is, for example 130 to 150 0 C.
  • a substantially acetylene free extractant is obtained, which tivdestillationskolonne in the extraction is recycled.
  • the gas stream e2 is cooled in and optionally compressed in one or more further compression stage, wherein at least one condensate stream f 1 containing n-butane and water and a gas stream f2 containing n-butane, hydrogen, optionally carbon dioxide and optionally inert gases become.
  • the condensate stream f1 can be returned to the first dehydrogenation zone.
  • the compression can again be done in one or more stages. In general, a total pressure of from 3.5 to 8 bar is compressed to a pressure in the range of 8 to 40 bar. After each compression stage is followed by a cooling stage in which the gas stream is cooled to a temperature in the range of 0 to 60 0 C.
  • the condensate flow f1 can thus also comprise a plurality of streams in the case of multistage compression. Preferably, the compression is performed in one step.
  • the gas stream f2 generally contains n-butane, carbon dioxide and hydrogen as essential components. In addition, he can still butenes, low boilers and inert gases (Nitrogen) as further secondary components. Even steam can still be present in small quantities.
  • the condensate stream f 1 is generally at least 50 wt .-%, preferably at least 70 wt .-% of C 4 - hydrocarbons (essentially n-butane, next possibly also still Bute- ne) and also contains water and in general still carbon dioxide, he may still contain low boilers and traces of oxygenates.
  • the gas stream f2 is separated into a recycle stream gl containing n-butane and an exhaust gas g2 containing hydrogen and carbon dioxide by bringing the gas stream f2 into contact with a high-boiling absorbent and subsequent desorption of the gas constituents dissolved in the absorbent.
  • the non-condensable or low-boiling gas components such as hydrogen, oxygen, carbon dioxide, the low-boiling hydrocarbons (methane, ethane, ethene, propane, propene) and optionally nitrogen in an absorption / desorption cycle by means of a high-boiling Absorbent separated from the C 4 hydrocarbons, wherein a recycle stream is obtained gl containing the C 4 hydrocarbons, and an exhaust gas stream g2 is obtained. Stripped with an oxygen-containing gas, the recycle stream gl may contain larger amounts of oxygen and inert gases.
  • the gas stream f2 is brought into contact with an inert absorbent, the C 4 hydrocarbons being absorbed in the inert absorption medium and an absorbent laden with C 4 hydrocarbons and an offgas g 2 containing the remaining gas constituents being obtained.
  • These are essentially carbon dioxide and hydrogen and optionally inert gases.
  • the C 4 hydrocarbons are released from the absorbent again.
  • Inert absorbent used in the absorption stage are generally high-boiling non-polar solvents in which the C 4 -hydrocarbon mixture to be separated has a significantly higher solubility than the other gas constituents to be separated off.
  • Absorption can be accomplished by simply passing the flow f2 through the absorbent. But it can also be done in columns or in rotational absorbers. It can be used in cocurrent, countercurrent or cross flow.
  • Suitable absorption columns are, for example, tray columns with bell, center Rifugal and / or sieve trays, columns with structured packings, eg sheet metal packings with a specific surface area of 100 to 1000 m 2 / m 3 as Mellapak ® 250 Y, and packed columns.
  • trickle and spray towers, graphite block absorbers, surface absorbers such as thick-layer and thin-layer absorbers as well as rotary columns, rags, cross-flow scrubbers and rotary scrubbers are also suitable.
  • Suitable absorbents are relatively nonpolar organic solvents, for example C 8 -C 18 -alkenes, or aromatic hydrocarbons, such as the paraffin distillation medium fractions, or bulky group ethers, or mixtures of these solvents, which may contain a polar solvent, such as 1, 2. Dimethyl phthalate may be added.
  • Suitable absorption agents are furthermore esters of benzoic acid and phthalic acid with straight-chain C 1 -C 8 -alkanols, such as n-butyl benzoate, methyl benzoate, ethyl benzoate, diethyl phthalate, diethyl phthalate, and so-called heat transfer oils, such as biphenyl and diphenyl ether, their chlorinated derivatives and triaryl alkenes.
  • a suitable absorbent is a mixture of biphenyl and diphenyl ether, preferably in the azeotropic composition, for example, the commercially available Diphyl ®. Frequently, this solvent mixture contains dimethyl phthalate in an amount of 0.1 to 25 wt .-%.
  • Suitable absorbents are also octanes, nonanes, decanes, undecanes, dodecanes, tridecanes, tetradecanes, pentadecanes, hexadecanes, heptadecans and octadecanes or fractions obtained from refinery streams, which contain as main components said linear alkanes.
  • the loaded absorbent is heated and / or expanded to a lower pressure.
  • the desorption may also be by stripping or in a combination of relaxation, heating and stripping in one or more process steps.
  • the absorbent regenerated in the desorption stage is returned to the absorption stage.
  • the desorption step is carried out by relaxation and / or heating of the loaded desorbent.
  • a further process variant is additionally stripped with oxygen or an oxygen-containing gas.
  • oxygen or an oxygen-containing gas As a result, at least part of the oxygen required for the autothermal dehydrogenation is introduced into the process.
  • the separation G) is generally not completely complete, so that in the C 4 - hydrocarbon stream gl - depending on the type of separation - still small amounts or even traces of other gas constituents, in particular the low-boiling hydrocarbons, may be present.
  • the hydrogen contained in the exhaust gas stream g2 may be passed, optionally after cooling, for example in an indirect heat exchanger, via a membrane, which is usually designed as a tube, which is permeable only to molecular hydrogen.
  • a membrane which is usually designed as a tube, which is permeable only to molecular hydrogen.
  • the thus separated molecular hydrogen can, if necessary, at least partially used in the dehydrogenation or else be supplied to another utilization, for example, be used for generating electrical energy in fuel cells.
  • BDH non-oxidative catalytic n-butane dehydrogenation step
  • hydrogen is selectively burned.
  • the combustion air is supplied as stream (2).
  • water vapor (3) is added.
  • a dehydrogenation gas mixture (5) is obtained which, after leaving the autothermal dehydrogenation stage (17), is cooled and fed to the second oxidative n-butane dehydrogenation stage (ODH) (18).
  • ODH second oxidative n-butane dehydrogenation stage
  • the ODH (18) is further supplied with an oxygen stream (6).
  • the gas stream (7) is brought into contact with a catalyst in a reactor (20). Subsequently, the gas stream (7a) is cooled and compressed in a compressor (20) to a pressure of 4.1 bar. The compressed gas (9) is cooled and fed to an extraction column (21) where the separation of butadiene (10) is carried out using NMP as solvent.
  • n-butane rich stream (11) is compressed in a second compression stage (22) to a pressure of 10.1 bar and cooled to a temperature of 20 0 C, wherein a condensate stream (12) is obtained, consisting essentially of n-butane, which is recycled to the first dehydrogenation stage.
  • the compressed gas stream (13), which consists essentially of n-butane, carbon dioxide and hydrogen, is fed to an absorption / desorption stage (23), which is operated using tetradecane as the absorbent.
  • absorption / desorption stage (23) which is operated using tetradecane as the absorbent.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan mit den Schritten A)Bereitstellung eines n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a; B)Einspeisung des n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a in mindestens eine erste Dehydrierzone und nicht-oxidative, katalytische Dehydrierung von n-Butan, wobei ein Gasstrom b enthaltend n-Butan, 1-Buten, 2-Buten, Butadien, Wasserstoff, gegebenenfalls Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird; C) Einspeisung des Gasstroms b und eines sauerstoffhaltigen Gases in mindestens eine zweite Dehydrierzone und oxidative Dehydrierung von 1-Buten und 2-Buten, wobei ein Gasstrom c enthaltend n-Butan, Butadien, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird; D) Kompression in mindestens einer ersten Kompressionsstufe und Abkühlung des Gasstroms c, wobei mindestens ein Kondensatstrom d1 enthaltend Wasser und ein Gasstrom d2 enthaltend n-Butan, Butadien, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird; E) Auftrennung des Gasstroms d2 durch Extraktivdestillation in einen im Wesentli-chen aus Butadien bestehenden Produktstrom e1 und einen n-Butan, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase enthaltenden Strom e2; F) gegebenenfalls Kompression in einer oder mehreren weiteren Kompressionsstufen und Abkühlung des Gasstroms e2, wobei mindestens ein Kondensatstrom f1 enthaltend n-Butan und Wasser und ein Gasstrom f2 enthaltend n-Butan, Wasserstoff, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten werden, und gegebenenfalls Rückführung des Kondensatstroms f1 in die erste Dehydrierzone; G) Auftrennung des Gasstroms f2 in einen Rückführstrom g1 enthaltend n-Butan und einen Abgasstrom g2 enthaltend Wasserstoff, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase durch in Kontakt bringen des Gasstroms f2 mit einem hoch siedenden Absorptionsmittel und anschließender Desorption der in dem Absorptionsmittel gelösten Gasbestandteile.

Description

Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan.
Butadien ist eine bedeutende Grundchemikalie und wird beispielsweise zur Herstellung von Synthesekautschuken (Butadien-Homopolymere, Styrol-Butadien-Kautschuk oder Nitril-Kautschuk) oder zur Herstellung von thermoplastischen Terpolymeren (Acrylnitril- Butadien-Styrol-Copolymere) eingesetzt. Butadien wird ferner zu Sulfolan, Chloropren und 1 ,4-Hexamethylendiamin (über 1 ,4-Dichlorbuten und Adipinsäuredinitril) umgesetzt. Durch Dimerisierung von Butadien kann ferner Vinylcyclohexen erzeugt werden, welches zu Styrol dehydriert werden kann.
Butadien kann durch thermische Spaltung (Steam-Cracken) gesättigter Kohlenwasserstoffe hergestellt werden, wobei üblicherweise von Naphtha als Rohstoff ausgegangen wird. Beim Steam-Cracken von Naphtha fällt ein Kohlenwasserstoff-Gemisch aus Methan, Ethan, Ethen, Acetylen, Propan, Propen, Propin, Allen, Butenen, Butadien, Buti- nen, Methylallen, C5- und höheren Kohlenwasserstoffen an.
Nachteilig an der Erzeugung von Butadien im Crackprozess ist, dass zwangsläufig größere Mengen an unerwünschten Koppelprodukten anfallen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan bereitzustellen, bei dem in möglichst geringem Umfang Koppelprodukte anfallen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan mit den Schritten:
A) Bereitstellung eines n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a;
B) Einspeisung des n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a in mindestens eine erste Dehydrierzone und nicht-oxidative, katalytische Dehydrierung von n-
Butan, wobei ein Gasstrom b enthaltend n-Butan, 1 -Buten, 2-Buten, Butadien, Wasserstoff, gegebenenfalls Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird; C) Einspeisung des Gasstroms b und eines sauerstoffhaltigen Gases in mindestens eine zweite Dehydrierzone und oxidative Dehydrierung von 1 -Buten und 2- Buten, wobei ein Gasstrom c enthaltend n-Butan, Butadien, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase er- halten wird;
D) Kompression in mindestens einer ersten Kompressionsstufe und Abkühlung des Gasstroms c, wobei mindestens ein Kondensatstrom d1 enthaltend Wasser und ein Gasstrom d2 enthaltend n-Butan, Butadien, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird;
E) Auftrennung des Gasstroms d2 durch Extraktivdestillation in einen im Wesentlichen aus Butadien bestehenden Produktstrom e1 und einen n-Butan, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls I- nertgase enthaltenden Strom e2;
F) gegebenenfalls Kompression in einer oder mehreren weiteren Kompressionsstufen und Abkühlung des Gasstroms e2, wobei mindestens ein Kondensatstrom f1 enthaltend n-Butan und Wasser und ein Gasstrom f2 enthaltend n- Butan, Wasserstoff, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten werden, und gegebenenfalls Rückführung des Kondensatstroms f1 in die erste Dehydrierzone;
G) Auftrennung des Gasstroms f2 in einen Rückführstrom gl enthaltend n-Butan und einen Abgasstrom g2 enthaltend Wasserstoff, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase durch in Kontakt bringen des Gasstroms f2 mit einem hoch siedenden Absorptionsmittel und anschließender Desorption der in dem Absorptionsmittel gelösten Gasbestandteile.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine besonders effektive Ausnutzung der Rohstoffe aus. So werden Verluste des Rohstoffs n-Butan durch Rückführung von nicht umgesetztem n-Butan in die Dehydrierung minimiert. Durch die Koppelung von nicht-oxidativer katalytischer Dehydrierung und oxidativer Dehydrierung wird eine hohe Butadien-Ausbeute erzielt. Das Verfahren ist im Vergleich zur Erzeugung von Butadien durch Cracken durch eine hohe Selektivität gekennzeichnet. Es fallen keine Koppelprodukte an. Es entfällt die aufwendige Abtrennung von Butadien aus dem Produktgasgemisch des Crackprozesses. In einem ersten Verfahrensteil A wird ein n-Butan enthaltender Einsatzgasstrom a bereitgestellt. Üblicherweise wird dabei von an n-Butan reichen Gasgemischen wie lique- fied petroleum gas (LPG) als Rohstoff ausgegangen. LPG enthält im Wesentlichen gesättigte C2-C5-Kohlenwasserstoffe. Daneben enthält es auch Methan und Spuren von C6 +-Kohlenwasserstoffen. Die Zusammensetzung von LPG kann stark schwanken. Vorteilhafter Weise enthält das eingesetzte LPG mindestens 10 Gew.-% Butane.
Alternativ kann ein veredelter C4-Strom aus Crackern oder Raffinerien eingesetzt wer- den.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Bereitstellung des n- Butan enthaltenden Dehydrier-Einsatzgasstromes die Schritte
(A1) Bereitstellung eines liquefied petroleum gas (LPG)-Stroms,
(A2) Abtrennung von Propan und gegebenenfalls Methan, Ethan und C5 +-Kohlen- wasserstoffen (hauptsächlich Pentane, daneben Hexane, Heptane, Benzol, To- luol) aus dem LPG-Strom, wobei ein Butane (n-Butan und Isobutan) enthalten- der Strom erhalten wird,
(A3) Abtrennung von Isobutan aus dem Butane enthaltenden Strom, wobei der n- Butan enthaltende Einsatzgasstrom erhalten wird, und gegebenenfalls Isomeri- sierung des abgetrennten Isobutans zu einem n-Butan/lsobutan-Gemisch und Rückführung des n-Butan/lsobutan-Gemischs in die Isobutan-Abtrennung.
Die Abtrennung von Propan und gegebenenfalls Methan, Ethan und C5 +-Kohlen- wasserstoffen erfolgt beispielsweise in einer oder mehreren üblichen Rektifizierkolonnen. Beispielsweise können in einer ersten Kolonne Leichtsieder (Methan, Ethan, Pro- pan) über Kopf und in einer zweiten Kolonne Schwersieder (C5 +-Kohlenwasserstoffe) am Kolonnensumpf abgetrennt werden. Es wird ein Butane (n-Butan und Isobutan) enthaltender Strom erhalten, aus dem Isobutan beispielsweise in einer üblichen Rektifizierkolonne abgetrennt wird. Der verbleibende, n-Butan enthaltende Strom wird als Einsatzgasstrom für die nachfolgende Butan-Dehydrierung eingesetzt.
Der abgetrennte Isobutan-Strom kann einer Isomerisierung unterworfen werden. Dazu wird der Isobutan enthaltende Strom in einen Isomerisierungsreaktor eingespeist. Die Isomerisierung von Isobutan zu n-Butan kann wie in GB-A 2 018 815 beschrieben durchgeführt werden. Es wird ein n-Butan/lsobutan-Gemisch erhalten, das in die n- Butan/Isobutan-Trennkolonne eingespeist wird.
Der abgetrennte Isobutan-Strom kann auch einer weiteren Verwendung zugeführt werden, beispielsweise zur Herstellung von Methacrylsäure, Polyisobuten oder Methyl- tert.-butylether eingesetzt werden.
Der n-Butan enthaltende Einsatzgasstrom a enthält im Allgemeinen mindestens 60 Gew.-% n-Butan, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% n-Butan. Daneben kann er als Nebenbestandteile noch d-C4-Kohlenwasserstoffe enthalten.
In einem Verfahrensteil B wird der n-Butan enthaltende Einsatzgasstrom in eine De- hydrierzone eingespeist und einer nicht-oxidativen katalytischen Dehydrierung unter- worfen. Dabei wird n-Butan in einem Dehydrierreaktor an einem dehydrieraktiven Katalysator teilweise zu 1 -Buten und 2-Buten dehydriert, wobei auch Butadien (1 ,3- Butadien) gebildet wird. Daneben fallen Wasserstoff und in geringen Mengen Methan, Ethan, Ethen, Propan und Propen an. Je nach Fahrweise der Dehydrierung können außerdem Kohlenstoffoxide (CO, CO2), Wasser und Stickstoff im Produktgasgemisch der nicht-oxidativen katalytischen n-Butan-Dehydrierung enthalten sein. Daneben liegt im Produktgasgemisch nicht umgesetztes n-Butan vor.
Die nicht-oxidative katalytische n-Butan-Dehydrierung kann mit oder ohne sauerstoffhaltigem Gas als Co-Feed durchgeführt werden. Vorzugsweise wird sie als autotherme nicht-oxidative katalytische Dehydrierung unter Einspeisung von Sauerstoff als Co- Feed durchgeführt. Bei der autothermen Fahrweise wird die benötigte Wärme direkt im Reaktorsystem durch Verbrennung von Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff erzeugt. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Wasserstoff enthaltender Co-Feed zugemischt werden. Sauerstoff kann als Rein-Sauerstoff oder als sauerstoffhaltiges Gas eingespeist werden, beispielsweise als Luft. Bevorzugtes Sauerstoffhaltiges Gas ist Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft mit einem Sauerstoffgehalt bis 70 Vol.-%, vorzugsweise bis 50 Vol.-%. Um den Inertgasanteil zu begrenzen, kann Sauerstoff auch als sauerstoffreiches Gas, beispielsweise mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 75 Vol.-% oder mindestens 90 Vol.-% eingespeist werden. Ein Merkmal der nicht-oxidativen Fahrweise gegenüber einer oxidativen Fahrweise ist, dass bei der oxidativen Dehydrierung kein freier Wasserstoff gebildet wird.
Die nicht-oxidative katalytische n-Butan-Dehydrierung kann grundsätzlich in allen aus dem Stand der Technik bekannten Reaktortypen und Fahrweisen durchgeführt werden. Eine vergleichsweise ausführliche Beschreibung von erfindungsgemäß geeigneten Dehydrierverfahren enthält auch „Catalytica® Studies Division, Oxidative Dehydrogena- tion and Alternative Dehydrogenation Processes" (Study Number 4192 OD, 1993, 430 Ferguson Drive, Mountain View, California, 94043-5272, USA).
Eine geeignete Reaktorform ist der Festbettrohr- oder Rohrbündelreaktor. Bei diesen befindet sich der Katalysator (Dehydrierungskatalysator und, bei Arbeiten mit Sauerstoff als Co-Feed, gegebenenfalls spezieller Oxidationskatalysator) als Festbett in einem Reaktionsrohr oder in einem Bündel von Reaktionsrohren. Die Reaktionsrohre werden üblicherweise dadurch indirekt beheizt, dass in dem die Reaktionsrohre umgebenden Raum ein Gas, z.B. ein Kohlenwasserstoff wie Methan, verbrannt wird. Günstig ist es dabei, diese indirekte Form der Aufheizung lediglich auf den ersten ca. 20 bis 30% der Länge der Festbettschüttung anzuwenden und die verbleibende Schüttungs- länge durch die im Rahmen der indirekten Aufheizung freigesetzte Strahlungswärme auf die erforderliche Reaktionstemperatur aufzuheizen. Übliche Reaktionsrohr- Innendurchmesser betragen etwa 10 bis 15 cm. Ein typischer Dehydrierrohrbündelre- aktor umfasst ca. 300 bis 1000 Reaktionsrohre. Die Temperatur im Reaktionsrohrinneren bewegt sich üblicherweise im Bereich von 300 bis 12000C, vorzugsweise im Bereich von 500 bis 10000C. Der Arbeitsdruck liegt üblicherweise zwischen 0,5 und 8 bar, häufig zwischen 1 und 2 bar bei Verwendung einer geringen Wasserdampfverdünnung (analog dem Linde-Verfahren zur Propan-Dehydrierung), aber auch zwischen 3 und 8 bar bei Verwendung einer hohen Wasserdampfverdünnung (analog dem sogenannten „steam active reforming process" (STAR-Prozess) zur Dehydrierung von Propan oder Butan von Phillips Petroleum Co., siehe US 4,902,849, US 4,996,387 und US 5,389,342). Typische Katalysatorbelastungen (GHSV) liegen bei 500 bis 2000 h \ bezogen auf eingesetzten Kohlenwasserstoff. Die Katalysatorgeometrie kann beispielsweise kugelförmig oder zylindrisch (hohl oder voll) sein.
Die nicht-oxidative katalytische n-Butan-Dehydrierung kann auch, wie in Chem. Eng. Sei. 1992 b, 47 (9-11) 2313 beschrieben, heterogen katalysiert im Wirbelbett durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise werden dabei zwei Wirbelbetten nebeneinander betrieben, von denen sich eines in der Regel im Zustand der Regenerierung befindet. Der Arbeitsdruck beträgt typischerweise 1 bis 2 bar, die Dehydriertemperatur in der Regel 550 bis 6000C. Die für die Dehydrierung erforderliche Wärme wird dabei in das Reaktionssystem eingebracht, indem der Dehydrierkatalysator auf die Reaktionstemperatur vorerhitzt wird. Durch die Zumischung eines Sauerstoff enthaltenden Co-Feeds kann auf die Vorerhitzer verzichtet werden, und die benötigte Wärme direkt im Reaktorsystem durch Verbrennung von Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff erzeugt werden. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Wasserstoff enthaltender Co-Feed zugemischt werden.
Die nicht-oxidative katalytische n-Butan-Dehydrierung kann mit oder ohne sauerstoffhaltigem Gas als Co-Feed in einem Hordenreaktor durchgeführt werden. Vorzugsweise wird sie mit sauerstoffhaltigem Gas als Co-Feed durchgeführt. Dieser enthält ein oder mehrere aufeinanderfolgende Katalysatorbetten. Die Anzahl der Katalysatorbetten kann 1 bis 20, zweckmäßigerweise 1 bis 6, bevorzugt 1 bis 4 und insbesondere 1 bis 3 betragen. Die Katalysatorbetten werden vorzugsweise radial oder axial vom Reaktionsgas durchströmt. Im Allgemeinen wird ein solcher Hordenreaktor mit einem Katalysatorfestbett betrieben. Im einfachsten Fall sind die Katalysatorfestbetten in einem Schachtofenreaktor axial oder in den Ringspalten von konzentrisch angeordneten zylindrischen Gitterrosten angeordnet. Ein Schachtofenreaktor entspricht einer Horde. Die Durchführung der Dehydrierung in einem einzelnen Schachtofen reaktor entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, wobei mit sauerstoffhaltigem Co-Feed gearbeitet werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Dehydrierung in einem Hordenreaktor mit 3 Katalysatorbetten durchgeführt. Bei einer Fahrweise ohne sauerstoffhaltigem Gas als Co-Feed wird das Reaktionsgasgemisch im Hordenreaktor auf seinem Weg von einem Katalysatorbett zum nächsten Katalysatorbett einer Zwischenerhitzung unterworfen, z.B. durch Überleiten über mit heißen Gasen erhitzte Wärmeaustauscherflächen oder durch Durchleiten durch mit heißen Brenngasen beheizte Rohre.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die nicht-oxidative katalytische n-Butan-Dehydrierung autotherm durchgeführt. Dazu wird dem Reaktionsgasgemisch der n-Butan-Dehydrierung in mindestens einer Reaktionszone zusätzlich Sauerstoff zugemischt und der in dem Reaktionsgasgemisch enthaltene Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff zumindest teilweise verbrannt, wodurch zumindest ein Teil der benötigten Dehydrierwärme in der mindestens einen Reaktionszone direkt in dem Reaktionsgasgemisch erzeugt wird. Im allgemeinen wird die Menge des dem Reaktionsgasgemisch zugesetzten sauerstoffhaltigen Gases so gewählt, dass durch die Verbrennung von im Reaktionsgasgemisch vorhandenen Wasserstoff und gegebenenfalls von im Reaktionsgasgemisch vorliegenden Kohlenwasserstoffen und/oder von in Form von Koks vorliegendem Koh- lenstoff die für die Dehydrierung des n-Butans benötigte Wärmemenge erzeugt wird. Im Allgemeinen beträgt die insgesamt zugeführte Sauerstoffmenge, bezogen auf die Gesamtmenge des Butans, 0,001 bis 0,5 mol/mol, bevorzugt 0,005 bis 0,25 mol/mol, besonders bevorzugt 0,05 bis 0,25 mol/mol. Sauerstoff kann entweder als reiner Sauerstoff oder als sauerstoffhaltiges Gas im Gemisch mit Inertgasen, beispielsweise in Form von Luft, eingesetzt werden. Die Inertgase und die resultierenden Verbrennungsgase wirken im Allgemeinen zusätzlich verdünnend und fördern damit die heterogen katalysierte Dehydrierung.
Der zur Wärmeerzeugung verbrannte Wasserstoff ist der bei der katalytischen n-Butan- Dehydrierung gebildete Wasserstoff sowie gegebenenfalls dem Reaktionsgasgemisch als wasserstoffhaltiges Gas zusätzlich zugesetzter Wasserstoff. Vorzugsweise sollte soviel Wasserstoff zugegen sein, dass das Molverhältnis H2/O2 im Reaktionsgasgemisch unmittelbar nach der Einspeisung von Sauerstoff 1 bis 10, bevorzugt 2 bis 5 mol/mol beträgt. Dies gilt bei mehrstufigen Reaktoren für jede Zwischeneinspeisung von sauerstoffhaltigem und gegebenenfalls wasserstoffhaltigem Gas.
Die Wasserstoffverbrennung erfolgt katalytisch. Der eingesetzte Dehydrierungskatalysator katalysiert im Allgemeinen auch die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe und von Wasserstoff mit Sauerstoff, so dass grundsätzlich kein von diesem verschiedener spezieller Oxidationskatalysator erforderlich ist. In einer Ausführungsform wird in Gegenwart eines oder mehrerer Oxidationskatalysatoren gearbeitet, die selektiv die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff in Gegenwart von Kohlenwasserstoffen katalysieren. Die Verbrennung dieser Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff zu CO, CO2 und Wasser läuft dadurch nur in untergeordnetem Maße ab. Vorzugsweise liegen der Dehydrierungskatalysator und der Oxidationskatalysator in verschiedenen Reaktionszonen vor.
Bei mehrstufiger Reaktionsführung kann der Oxidationskatalysator in nur einer, in mehreren oder in allen Reaktionszonen vorliegen.
Bevorzugt ist der Katalysator, der selektiv die Oxidation von Wasserstoff katalysiert, an den Stellen angeordnet, an denen höhere Sauerstoffpartialdrucke herrschen als an anderen Stellen des Reaktors, insbesondere in der Nähe der Einspeisungsstelle für das sauerstoffhaltige Gas. Die Einspeisung von sauerstoffhaltigem Gas und/oder was- serstoffhaltigem Gas kann an einer oder mehreren Stelle des Reaktors erfolgen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Zwischen- einspeisung von sauerstoffhaltigem Gas und von wasserstoffhaltigem Gas vor jeder Horde eines Hordenreaktors. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Einspeisung von sauerstoffhaltigem Gas und von wasserstoffhaltigem Gas vor jeder Horde außer der ersten Horde. In einer Ausführungsform ist hinter jeder Einspeisungsstelle eine Schicht aus einem speziellen Oxidationskataly- sator vorhanden, gefolgt von einer Schicht aus dem Dehydrierungskatalysator. In einer weiteren Ausführungsform ist kein spezieller Oxidationskatalysator vorhanden. Die Dehydriertemperatur beträgt im allgemeinen 400 bis 1100 0C, der Druck im letzten Katalysatorbett des Hordenreaktors im Allgemeinen 0,2 bis 5 bar, bevorzugt 1 bis 3 bar. Die Belastung (GHSV) beträgt im allgemeinen 500 bis 2000 h"1, bei Hochlastfahrweise auch bis zu 100 000 h"\ bevorzugt 4000 bis 16 000 h'1.
Ein bevorzugter Katalysator, der selektiv die Verbrennung von Wasserstoff katalysiert, enthält Oxide und/oder Phosphate, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Oxiden und/oder Phosphaten von Germanium, Zinn, Blei, Arsen, Antimon oder Bismut. Ein weiterer bevorzugter Katalysator, der die Verbrennung von Wasserstoff katalysiert, enthält ein Edelmetall der VIII. und/oder I. Nebengruppe.
Die eingesetzten Dehydrierungskatalysatoren weisen im Allgemeinen einen Träger und eine Aktivmasse auf. Der Träger besteht dabei in der Regel aus einem wärmebeständigen Oxid oder Mischoxid. Bevorzugt enthalten die Dehydrierungskatalysatoren ein Metalloxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zirkondioxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Magnesiumoxid, Lanthanoxid, Ceroxid und deren Gemischen, als Träger. Bei den Gemischen kann es sich um physikalische Mi- schungen oder auch um chemische Mischphasen wie Magnesium- oder Zinkaluminiumoxid-Mischoxide handeln. Bevorzugte Träger sind Zirkondioxid und/oder Siliziumdioxid, besonders bevorzugt sind Gemische aus Zirkondioxid und Siliziumdioxid.
Die Aktivmasse der Dehydrierungskatalysatoren enthalten im allgemeinen ein oder mehrere Elemente der VIII. Nebengruppe, bevorzugt Platin und/oder Palladium, besonders bevorzugt Platin. Darüber hinaus können die Dehydrierungskatalysatoren ein oder mehrere Elemente der I. und/oder II. Hauptgruppe aufweisen, bevorzugt Kalium und/oder Cäsium. Weiterhin können die Dehydrierungskatalysatoren ein oder mehrere Elemente der IM. Nebengruppe einschließlich der Lanthaniden und Actiniden enthalten, bevorzugt Lanthan und/oder Cer. Schließlich können die Dehydrierungskatalysatoren ein oder mehrere Elemente der IM. und/oder IV. Hauptgruppe aufweisen, bevorzugt ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Bor, Gallium, Silizium, Germanium, Zinn und Blei, besonders bevorzugt Zinn.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Dehydrierungskatalysator mindestens ein Element der VIII. Nebengruppe, mindestens ein Element der I. und/oder M. Hauptgruppe, mindestens ein Element der IM. und/oder IV. Hauptgruppe und mindestens ein Element der IM. Nebengruppe einschließlich der Lanthaniden und Actiniden.
Beispielsweise können erfindungsgemäß alle Dehydrierkatalysatoren eingesetzt werden, die in den WO 99/46039, US 4,788,371 , EP-A 705 136, WO 99/29420, US 5,220,091 , US 5,430,220, US 5,877,369, EP 0 1 17 146, DE-A 199 37 106, DE-A 199 37 105 und DE-A 199 37 107 offenbart werden. Besonders bevorzugte Katalysatoren für die vorstehend beschriebenen Varianten der autothermen n-Butan-Dehydrierung sind die Katalysatoren gemäß den Beispielen 1 , 2, 3 und 4 der DE-A 199 37 107.
Die n-Butan-Dehydrierung wird bevorzugt in Gegenwart von Wasserdampf durchgeführt. Der zugesetzte Wasserdampf dient als Wärmeträger und unterstützt die Vergasung von organischen Ablagerungen auf den Katalysatoren, wodurch der Verkokung der Katalysatoren entgegengewirkt und die Standzeit der Katalysatoren erhöht wird. Dabei werden die organischen Ablagerungen in Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und gegebenenfalls Wasser umgewandelt.
Der Dehydrierungskatalysator kann in an sich bekannter Weise regeneriert werden. So kann dem Reaktionsgasgemisch Wasserdampf zugesetzt werden oder von Zeit zu Zeit ein Sauerstoff enthaltendes Gas bei erhöhter Temperatur über die Katalysatorschüt- tung geleitet werden und der abgeschiedene Kohlenstoff abgebrannt werden. Durch die Verdünnung mit Wasserdampf wird das Gleichgewicht zu den Produkten der Dehydrierung verschoben. Gegebenenfalls wird der Katalysator nach der Regenerierung mit einem wasserstoffhaltigen Gas reduziert. Zur Regenerierung können auch Rauchgase aus Verbrennungsanlagen mit einem Restsauerstoffgehalt von 2 bis 6 Vol.-%, welche neben Stickstoff und Sauerstoff noch Kohlenstoffoxide, Wasserdampf und geringe Mengen an Kohlenwasserstoffen enthalten, eingesetzt werden. Bei der nicht-oxidativen katalytischen n-Butan-Dehydrierung wird ein Gasgemisch erhalten, das neben Butadien 1 -Buten, 2-Buten und nicht umgesetztem n-Butan Nebenbestandteile enthält. Übliche Nebenbestandteile sind Wasserstoff, Wasserdampf, Stickstoff, CO2, sowie Leichtsieder (Methan, Ethan, Ethen, Propan und Propen). Die Zusammensetzung des die erste Dehydrierzone verlassenden Gasgemischs kann abhängig von der Fahrweise der Dehydrierung stark variieren. So weist bei Durchführung der bevorzugten autothermen Dehydrierung unter Einspeisung von Sauerstoff und zusätzlichem Wasserstoff das Produktgasgemisch einen vergleichsweise hohen Gehalt an Wasserdampf und Kohlenstoffoxiden auf. Bei Fahrweisen ohne Einspeisung von Sauerstoff weist das Produktgasgemisch der nicht-oxidativen Dehydrierung einen vergleichsweise hohen Gehalt an Wasserstoff auf.
Der Produktgasstrom der nicht-oxidativen autothermen n-Butan-Dehydrierung enthält typischerweise 0,1 bis 15 Vol.-% Butadien, 0 bis 20 Vol.-% 1 -Buten, 0 bis 40 Vol.-% 2- Buten (cis/trans-2-Buten), 20 bis 70 Vol.-% n-Butan, 1 bis 70 Vol.-% Wasserdampf, 0 bis 10 Vol.-% leichtsiedende Kohlenwasserstoffe (Methan, Ethan, Ethen, Propan und Propen), 0,1 bis 40 Vol.-% Wasserstoff, 0 bis 70 Vol.-% Stickstoff und 0 bis 15 Vol.-% Kohlenstoffoxide.
Der die erste Dehydrierzone verlassende Produktgasstrom b kann in zwei Teilströme aufgetrennt werden, wobei nur einer der beiden Teilströme den weiteren Verfahrensteilen C bis H unterworfen wird und der zweite Teilstrom in die erste Dehydrierzone zurückgeführt wird. Eine entsprechende Verfahrensweise ist in DE-A 102 11 275 beschrieben. Es kann jedoch auch der gesamte Produktgasstrom b der nicht-oxidativen katalytischen n-Butan-Dehydrierung den weiteren Verfahrensteilen C bis G unterworfen werden.
Der nicht-oxidativen katalytischen Dehydrierung wird erfindungsgemäß eine oxidative Dehydrierung (Oxidehydrierung) als Verfahrensteil C nachgeschaltet. Dabei werden im Wesentlichen 1 -Buten und 2-Buten zu 1 ,3-Butadien dehydriert, wobei 1 -Buten im Allgemeinen nahezu vollständig abreagiert.
Diese kann grundsätzlich in allen aus dem Stand der Technik bekannten Reaktortypen und Fahrweisen durchgeführt werden, wie beispielsweise im Wirbelbett, im Hordenofen im Festbettrohr- oder -rohrbündelreaktor oder im Plattenwärmetauscherreaktor. Zur Durchführung der oxidativen Dehydrierung wird ein Gasgemisch benötigt, welches ein molares Sauerstoff : n-Butene-Verhältnis von mindestens 0,5 aufweist. Bevorzugt wird bei einem Sauerstoff : n-Butene-Verhältnis von 0,55 bis 50 gearbeitet. Zur Einstellung dieses Wertes wird in der Regel das aus der nicht-oxidativen katalytischen Dehydrierung stammende Produktgasgemisch mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigem Gas vermischt. Das sauerstoffhaltige Gas ist wie im Falle der ersten (autothermen) Dehydrierstufe B) bevorzugt Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft mit einem Sauerstoffgehalt bis 70 Vol.-%, vorzugsweise bis 50 Vol.-%. Das erhaltene sauerstoffhaltige Gasgemisch wird dann der Oxidehydrierung zugeführt.
Die für die Oxidehydrierung besonders geeigneten Katalysatoren basieren im Allge- meinen auf einem Mo-Bi-O-haltigen Multimetalloxidsystem, das in der Regel zusätzlich Eisen enthält. Im Allgemeinen enthält das Katalysatorsystem noch weitere zusätzliche Komponenten aus der 1. bis 15. Gruppe des Periodensystems, wie beispielsweise Kalium, Magnesium, Zirkon, Chrom, Nickel, Cobalt, Cadmium, Zinn, Blei, Germanium, Lanthan, Mangan, Wolfram, Phosphor, Cer, Aluminium oder Silizium.
Geeignete Katalysatoren und deren Herstellung sind beispielsweise beschrieben in US 4,423,281 (Mo12BiNi8Pb015Cr3Ko12Ox und Mo12BJbNi7AI3Cr015K015Ox), US 4,336,409 (Mo12BiNi6Cd2Cr3Po15Ox), DE-A 26 00 128 (Mo12BiNi0,5Cr3Po,sMg7i5Ko,iOx + SiO2) und DE-A 24 40 329 (Mo12BiCo415Ni215Cr3P015K011Ox).
Die Stöchiometrie der Aktivmasse einer Vielzahl der für die Oxidehydrierung geeigneten Multimetalloxidkatalysatoren lässt sich unter die allgemeine Formel (I)
Mo12BiaFebCocNidCreX1 fKgOx (I),
in der die Variablen nachfolgende Bedeutung aufweisen:
X1 = W, Sn, Mn, La, Ce, Ge, Ti, Zr, Hf, Nb, P, Si, Sb, AI, Cd und/oder Mg; a = 0,5 bis 5, vorzugsweise 0,5 bis 2; b = 0 bis 5, vorzugsweise 2 bis 4; c = 0 bis 10, vorzugsweise 3 bis 10; d = 0 bis 10; e = 0 bis 10, vorzugsweise 0,1 bis 4; f = 0 bis 5, vorzugsweise 0,1 bis 2; g = 0 bis 2, vorzugsweise 0,01 bis 1 ; und x = eine Zahl, die durch die Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente in (I) bestimmt wird; subsumieren.
Bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren für die Oxidehydrierung ein Mo-Bi-Fe-O-haltiges Multimetalloxidsystem ein, wobei ein Mo-Bi-Fe-Cr-O- oder Mo-Bi- Fe-Zr-O-haltiges Multimetalloxidsystem besonders bevorzugt ist. Bevorzugte Systeme sind beispielsweise beschrieben in US 4,547,615 (Mo12BiFe0i1 Ni8ZrCr3Ko12Ox und Mo12BiFe0,! Ni8AICr3Ko12Ox), US 4,424,141 (Mo12BiFe3Co415Ni215Po15Ko11Ox + SiO2), DE- A 25 30 959 (Mo12BiFe3Co415Ni215CrO15Ko11Ox, Mo13i75BiFe3Co4,5Ni2i5Ge0,5Ko,8θx, Mo12BiFe3Co415Ni215Mn015Ko11Ox und Mo12BiFe3Co415Ni2 5La015K0 1Ox), US 3,911 ,039 (Mo12BiFe3Co415Ni215Sn015Ko11Ox), DE-A 25 30 959 und DE-A 24 47 825
(Mo12BiFe3Co415Ni215W015Ko11Ox). Herstellung und Charakterisierung der genannten Katalysatoren sind ausführlich in den zitierten Schriften beschrieben.
Der Katalysator zur Oxidehydrierung wird im Allgemeinen als Formkörper mit einer mittleren Größe von über 2 mm eingesetzt. Aufgrund des zu beachtenden Druckverlustes während der Ausübung des Verfahrens sind kleinere Formkörper in der Regel ungeeignet. Als geeignete Formkörper seien beispielsweise genannt Tabletten, Zylinder, Hohlzylinder, Ringe, Kugeln, Stränge, Wagenräder oder Extrudate. Besondere For- men, wie beispielsweise "Trilobes" und 'Tristars" (siehe EP-A-O 593 646) oder Formkörper mit mindestens einer Einkerbung an der Außenseite (siehe US 5,168,090) sind ebenfalls möglich.
Im Allgemeinen kann der verwendete Katalysator als so genannter Vollkatalysator ein- gesetzt werden. In diesem Fall besteht der gesamte Katalysatorformkörper aus der Aktivmasse, inklusive eventueller Hilfsmittel, wie etwa Graphit oder Porenbildner, sowie weiterer Komponenten. Insbesondere hat es sich als günstig erwiesen, den für die O- xidehydrierung der n-Butene zu Butadien bevorzugt eingesetzten Mo-Bi-Fe-O-haltigen Katalysator als Vollkatalysator einzusetzen. Des Weiteren ist es möglich, die Aktivmas- sen der Katalysatoren auf einen Träger, beispielsweise einen anorganischen, oxidischen Formkörper, aufzubringen. Derartige Katalysatoren werden in der Regel als Schalenkatalysatoren bezeichnet.
Die Oxidehydrierung wird im Allgemeinen bei einer Temperatur von 220 bis 490 0C und bevorzugt von 250 bis 450 0C durchgeführt. Man wählt einen Reaktoreingangsdruck, der ausreicht, die in der Anlage und der nachfolgenden Aufarbeitung vorhandenen
Strömungswiderstände zu überwinden. Dieser Reaktoreingangsdruck liegt in der Regel bei 0,005 bis 1 MPa Überdruck, bevorzugt 0,01 bis 0,5 MPa Überdruck. Naturgemäß fällt der im Eingangsbereich des Reaktors angewendete Gasdruck weitgehend über die gesamte Schüttung aus Katalysator ab.
Durch die Kopplung der nicht-oxidativen katalytischen, bevorzugt autothermen Dehydrierung mit der oxidativen Dehydrierung der gebildeten n-Butene wird eine sehr viel höhere Ausbeute an Butadien, bezogen auf eingesetztes n-Butan, erhalten. Ferner kann die nicht-oxidative Dehydrierung schonender betrieben werden. Vergleichbare Butadien-Ausbeuten wären mit einer ausschließlich nicht-oxidativen Dehydrierung nur zum Preis deutlich niedrigerer Selektivitäten zu erreichen. Mit einer ausschließlich oxidativen Dehydrierung werden nur geringe n-Butan-Umsätze erzielt.
Der die oxidative Dehydrierung verlassende Produktgasstrom c enthält neben Butadien und nicht umgesetztem n-Butan im Allgemeinen noch Wasserstoff, Kohlenstoffoxide und Wasserdampf. Als Nebenbestandteile kann er noch Sauerstoff, Stickstoff, Methan, Ethan, Ethen, Propan und Propen sowie sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, sogenannte Oxygenate, enthalten. Im Allgemeinen enthält er praktisch kein 1 -Buten mehr und nur noch geringe Anteile an 2-Buten.
Im Allgemeinen weist der die oxidative Dehydrierung verlassende Produktgasstrom c 2 bis 40 Vol.-% Butadien, 5 bis 80 Vol.-% n-Butan, 0 bis 15 Vol.-% 2-Buten, 0 bis 5 VoI.- % 1 -Buten, 5 bis 70 Vol.-% Wasserdampf, 0 bis 10 Vol.-% leichtsiedende Kohlenwasserstoffe (Methan, Ethan, Ethen, Propan und Propen), 0,1 bis 15 Vol.-% Wasserstoff, 0 bis 70 Vol.-% Stickstoff, 0 bis 5 Vol.-% Kohlenstoffoxide und 0 bis 10 Vol.-% Oxygena- te auf. Oxygenate können beispielsweise Furan, Essigsäure, Maleinsäureanhydrid, Maleinsäure, Propionsäure, Acetaldehyd, Acrolein, Formaldehyd, Ameisensäure und Butyraldehyd sein. Daneben können in Spuren Acetylen, Propin und 1 ,2-Butadien enthalten sein. Der Produktgasstrom c kann noch geringe Mengen Sauerstoff enthalten. Enthält der Produktgasstrom c mehr als nur geringfügige Spuren Sauerstoff, so wird im Allgemeinen eine Verfahrensstufe zur Entfernung von Rest-Sauerstoff aus dem Produktgasstrom c durchgeführt. Der Rest-Sauerstoff kann sich insoweit als störend auswirken, als er in nach gelagerten Verfahrensschritten als Initiator für Polymerisationsreaktionen wirken kann. Diese Gefahr ist insbesondere bei der destillativen Abtrennung von Butadien (Schritt E)) gegeben und kann dort zu Ablagerungen von Polymeren (BiI- düng von so genanntem „Popcorn") in der Extraktivdestillationskolonne führen. Vorzugsweise wird die Sauerstoff-Entfernung unmittelbar nach der oxidativen Dehydrierung durchgeführt. Im Allgemeinen wird hierzu eine katalytische Verbrennungsstufe durchgeführt, in der Sauerstoff mit dem in dem Gasstrom c enthaltenen Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird. Hierdurch wird eine Verringerung des Sauerstoffgehalts bis auf geringe Spuren erreicht.
Ein geeigneter Katalysator für die Oxidation von Wasserstoff enthält, geträgert auf α- Aluminiumoxid, 0,01 bis 0,1 Gew.-% Platin und 0,01 bis 0,1 Gew.-% Zinn bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators. Platin und Zinn werden vorteilhaft in einem Gewichtsverhältnis von 1 :4 bis 1 :0,2 eingesetzt, bevorzugt in einem Verhältnis von 1 :2 bis 1 :0,5, insbesondere in einem Verhältnis von annährend 1 :1. Vorteilhaft enthält der Ka- talysator 0,05 bis 0,09 Gew.-% Platin und 0,05 bis 0,09 Gew.-% Zinn bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators. Neben Platin und Zinn können gegebenenfalls Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindungen in Mengen kleiner 2 Gew.-%, insbesondere kleiner 0,5 Gew.-% verwendet werden. Besonders bevorzugt enthält der Aluminiumoxid- Katalysator ausschließlich Platin und Zinn. Der Katalysatorträger aus α-Aluminiumoxid weist vorteilhaft eine BET-Oberfläche von 0,5 bis 15 m2/g auf, bevorzugt 2 bis 14 m2/g, insbesondere 7 bis 11 m2/g. Als Träger wird bevorzugt ein Formkörper eingesetzt. Bevorzugte Geometrien sind beispielsweise Tabletten, Ringtabletten, Kugeln, Zylinder, Sternstränge oder zahnradförmige Stränge mit Durchmessern von 1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 6 mm. Besonders bevorzugt sind Kugeln oder Zylinder, insbesondere Zylin- der.
Alternatiwerfahren zur Entfernung von Rest-Sauerstoff aus dem Produktgasstrom c umfassen das Inkontaktbringen des Produktgasstroms mit einem Gemisch aus Metalloxiden, welches in reduzierter Form Kupfer in der Oxidationsstufe 0 enthält. Daneben enthält ein derartiges Gemisch im Allgemeinen noch Aluminiumoxide und Zinkoxide, wobei der Kupfergehalt üblicher Weise bis zu 10 Gew.-% beträgt. Auf diese Weise ist eine nahezu vollständige Abtrennung von Rest-Sauerstoff möglich. Daneben können weitere Methoden der Entfernung von Sauerstoffspuren zur Anwendung kommen. Beispiele sind die Abtrennung mittels Molsieben oder unter Einsatz von Membranen.
In einer Verfahrensstufe D) wird der Gasstrom c in mindestens einer ersten Kompressionsstufe komprimiert und anschließend abgekühlt, wobei mindestens ein Kondensatstrom d1 enthaltend Wasser auskondensiert und ein Gasstrom d2 enthaltend n-Butan, Butadien, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebe- nenfalls Inertgase verbleibt. Vorzugsweise wird der Gasstrom c vor der ersten Kompressionsstufe auf eine Temperatur im Bereich von 15 bis 600C abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt durch direkten oder indirekten Wärmetausch. Beim direkten Wärmetausch wird rückgeführtes Kondensat mit dem Gasstrom c in Kontakt gebracht. Geeignete Kontaktapparate sind Waschko- lonnen, Quenchkolonnen, Venturiwäscher. Gegebenenfalls wird dem Quenchum- laufstrom NaNO2 zugegeben, um Spuren von Sauerstoff zu entfernen. Gegebenenfalls wird der Quenchumlaufmenge Stabilisator gegen die Bildung von Popcorn, Polymere oder Butadienperoxide zugegeben.
Die Kompression kann ein- oder mehrstufig erfolgen. Insgesamt wird von einem Druck im Bereich von 1 ,0 bis 4,0 bar auf einen Druck im Bereich von 3,5 bis 8,0 bar komprimiert. Nach jeder Kompressionsstufe folgt eine Abkühlstufe, in der der Gasstrom auf eine Temperatur im Bereich von 15 bis 60 0C abgekühlt wird. Der Kondensatstrom d1 kann somit bei mehrstufiger Kompression auch mehrere Ströme umfassen.
Der Gasstrom d2 besteht im Allgemeinen im Wesentlichen aus C4-Kohlen- wasserstoffen (im Wesentlichen n-Butan und Butadien), Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf. Daneben kann der Strom d2 noch Leichtsieder und Inertgase (Stickstoff) als weitere Nebenkomponenten enthalten. Der Abwasserstrom d1 besteht im Allgemeinen zu mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise zu mindestens 90 Gew.-% aus Wasser und enthält daneben in geringem Umfang Leichtsieder, C4-Kohlen- wasserstoffe, Oxygenate und Kohlendioxid.
Geeignete Verdichter sind beispielsweise Turbo-, Drehkolben- und Hubkolbenverdich- ter. Die Verdichter können beispielsweise mit einem Elektromotor, einem Expander oder einer Gas- oder Dampfturbine angetrieben werden. Typische Verdichtungsverhältnisse (Austrittsdruck : Eintrittsdruck) pro Verdichterstufe liegen je nach Bauart zwischen 1 ,5 und 3,0.
Gegebenenfalls wird vor dem Verfahrensschritt E) aus dem Gasstrom c Kohlendioxid durch Gaswäsche abgetrennt, wobei ein an Kohlendioxid abgereicherter Gasstrom d2 erhalten wird. Der Kohlendioxid-Gaswäsche kann eine gesonderte Verbrennungsstufe vorgeschaltet werden, in der Kohlenmonoxid selektiv zu Kohlendioxid oxidiert wird.
Zur CO2-Abtrennung wird im Allgemeinen Natronlauge, Kalilauge oder eine Alkanola- min-Lösung als Waschflüssigkeit eingesetzt, bevorzugt wird eine aktivierte N-Methyl- diethanolamin-Lösung eingesetzt. Im Allgemeinen wird vor Durchführung der Gaswä- sehe der Gasstrom d2 durch ein- oder mehrstufige Verdichtung auf einen Druck im Bereich von 5 bis 25 bar verdichtet.
Es wird ein an Kohlendioxid abgesicherter Gasstrom d2 mit einem CO2-Gehalt von im Allgemeinen < 100 ppm, vorzugsweise < 10 ppm erhalten.
Die Abkühlung des verdichteten Gases erfolgt mit Wärmetauschern, die beispielsweise als Rohrbündel-, Spiral- oder Plattenwärmetauscher ausgeführt sein können. Als Kühlmittel kommen in den Wärmetauschern dabei Kühlwasser oder Wärmeträgeröle zum Einsatz. Daneben wird bevorzugt Luftkühlung unter Einsatz von Gebläsen eingesetzt.
In einer Verfahrensstufe E) wird der Gasstrom d2 durch Extraktivdestillation in einen im Wesentlichen aus Butadien bestehenden Produktstrom e1 und einen n-Butan, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls I- nertgase enthaltenden Strom e2 aufgetrennt.
Die Extraktivdestillation kann beispielsweise wie in Erdöl und Kohle - Erdgas - Petro- chemie Band 34 (8), Seiten 343 - 346 oder Ulimanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, Band 9, 4. Auflage 1975, Seiten 1 bis 18 beschrieben durchgeführt werden.
Hierzu wird der Gasstrom d2 mit einem Extraktionsmittel, vorzugsweise ein N-Methyl- pyrrolidon (NMP)/Wasser-Gemisch, in einer Extraktionszone in Kontakt gebracht. Die Extraktionszone ist im Allgemeinen in Form einer Waschkolonne ausgeführt, welche Böden, Füllkörper oder Packungen als Einbauten enthält. Diese weist im Allgemeinen 30 bis 70 theoretische Böden auf, damit eine hinreichend gute Trennwirkung erzielt wird. Vorzugsweise weist die Waschkolonne im Kolonnenkopf eine Rückwaschzone auf. Diese Rückwaschzone dient zur Rückgewinnung des in der Gasphase enthaltenen Extraktionsmittels mittels flüssigem Kohlenwasserstoffrücklauf, wozu die Kopffraktion zuvor kondensiert wird. Typische Temperaturen am Kopf der Kolonne liegen zwischen 30 und 60 0C. Das Massenverhältnis Extraktionsmittel zu C4- Produktgasstrom d im Zulauf der Extraktionszone beträgt im allgemeinen 10 : 1 bis 20 : 1.
Geeignete Extraktionsmittel sind Butyrolacton, Nitrile wie Acetonitril, Propionitril, Me- thoxypropionitril, Ketone wie Aceton, Furfural, N-alkylsubstituierte niedere aliphatische
Säureamide wie Dimethylformamid, Diethylformamid, Dimethylacetamid, Diethylace- tamid, N-Formylmorpholin, N-alkylsubstituierte cyclische Säureamide (Lactame) wie N-Alkylpyrrolidone, insbesondere N-Methylpyrrolidon (NMP). Im Allgemeinen werden alkylsubstituierte niedere aliphatische Säureamide oder N-alkylsubstituierte cyclische Säureamide verwendet. Besonders vorteilhaft sind Dimethylformamid, Acetonitril, Fur- fural und insbesondere NMP.
Es können jedoch auch Mischungen dieser Extraktionsmittel untereinander, z. B. von NMP und Acetonitril, Mischungen dieser Extraktionsmittel mit Co-Lösungsmitteln und/oder tert.-Butylether, z. B. Methyl-tert.-butylether, Ethyl-tert.-butylether, Propyl- tert.-butylether, n- oder iso-Butyl-tert.-butylether eingesetzt werden. Besonders geeig- net ist NMP, bevorzugt in wässriger Lösung, vorzugsweise mit 0 bis 20 Gew.-% Wasser, besonders bevorzugt mit 7 bis 10 Gew.-% Wasser, insbesondere mit 8,3 Gew.-% Wasser.
In der Extraktivdestillationskolonne wird ein gasförmiger, zumindest n-Butan, Wasser- dampf und Wasserstoff enthaltender Strom e2, der im Allgemeinen über den Kolonnenkopf abgezogen wird, und als Seitenabzugsstrom ein Gemisch aus Extraktionsmittel und Butadien gewonnen. Aus diesem Gemisch kann Butadien nachfolgend als Reinprodukt gewonnen werden. Als Sumpfabzugsstrom wird das Extraktionsmittel, welches noch Butadien und gegebenenfalls Nebenkomponenten (Verunreinigungen) enthält, gewonnen. Der Sumpfabzugsstrom wird, gegebenenfalls nach Durchführung weiterer Aufreinigungsschritten, wieder in die Extraktivdestillation zurückgeführt.
Der Strom e2 kann als weitere Bestandteile noch Butene, Leichtsieder, Kohlenstoffoxide und Inertgase (Stickstoff) enthalten, im Allgemeinen enthält er diese Bestandteile.
Beispielsweise kann die Extraktivdestillation, Isolierung des Rein-Butadiens und Aufreinigung des Extraktionsmittels wie folgt durchgeführt werden: Der Seitenabzugsstrom der Extraktivdestillationskolonne aus Extraktionsmittel und Butadien, der noch Verunreinigungen enthält (Acetylen, Propin, 1 ,2-Butadien), wird in eine Waschkolonne einge- speist, welche mit frischem Extraktionsmittel beschickt wird. Am Kolonnenkopf der Waschkolonne wird Roh-Butadien, welches beispielsweise 98 Gew.-% Butadien enthält, abgezogen. Der Sumpfabzugsstrom ist mit Acetylen angereichert und wird in die Extraktivdestillation zurückgeführt. Das Roh-Butadien kann als Verunreinigungen Propin und 1 ,2-Butadien enthalten. Zur Entfernung dieser Verunreinigungen wird das Roh- Butadien einer ersten Reindestillationskolonne zugeführt und über Kopf ein mit Propin angereicherter Butadienstrom abgetrennt. Der Sumpfabzugsstrom, der im Wesentlichen Propin-frei ist, aber noch Spuren von 1 ,2-Butadien enthält, wird in eine zweite Reindestillationskolonne eingespeist, in der ein im Wesentlichen 1 ,2-Butadien-freier Rein-Butadienstrom mit einer Reinheit von beispielsweise mindestens 99,6 Gew.-% als Kopfabzugsstrom oder Seitenabzugsstrom im Verstärkungsteil der Kolonne und ein mit 1 ,2-Butadien angereicherter Sumpfabzugsstrom erhalten werden.
Zur Aufreinigung des Extraktionsmittels wird ein Teil des Extraktionsmittels als Sumpfabzugsstrom aus der Extraktivdestillationskolonne ausgeschleust und wie folgt regeneriert: Die Extraktionslösung wird in eine Desorptionszone mit gegenüber der Extraktionszone vermindertem Druck und/oder erhöhter Temperatur überführt, wobei aus der Extraktionslösung Butadien und vorhandene Acetylen-Spuren desorbiert werden. Die Desorptionszone kann beispielsweise in Form einer Waschkolonne ausgeführt sein, die 5 bis 15, bevorzugt 8 bis 10 theoretische Stufen und eine Rückwaschzone mit beispielsweise 4 theoretischen Stufen aufweist. Diese Rückwaschzone dient zur Rückgewinnung des in der Gasphase enthaltenen Extraktionsmittels mittels flüssigem Kohlen- wasserstoffrücklaufes, wozu die Kopffraktion zuvor kondensiert wird oder durch Zugabe von Wasser als Rücklauf. Als Einbauten sind Packungen, Böden oder Füllkörper vorgesehen. Der Druck am Kolonnenkopf beträgt beispielsweise 1 ,5 bar. Die Temperatur im Kolonnensumpf liegt beispielsweise bei 130 bis 150 0C. Am Kolonnensumpf wird ein im Wesentlichen Acetylen-freies Extraktionsmittel erhalten, welches in die Extrak- tivdestillationskolonne zurückgeführt wird.
In einer Verfahrensstufe F) wird der Gasstrom e2 in abgekühlt und gegebenenfalls in einer oder mehreren weiteren Kompressionsstufe komprimiert, wobei mindestens ein Kondensatstrom f 1 enthaltend n-Butan und Wasser und ein Gasstrom f2 enthaltend n- Butan, Wasserstoff, gegebenenfalls Kohlendioxid und gegebenenfalls Inertgase erhalten werden. Der Kondensatstrom f1 kann in die erste Dehydrierzone zurückgeführt werden.
Die Kompression kann wiederum ein- oder mehrstufig erfolgen. Im Allgemeinen wird insgesamt von einem Druck im Bereich von 3,5 bis 8 bar auf einen Druck im Bereich von 8 bis 40 bar komprimiert. Nach jeder Kompressionsstufe folgt eine Abkühlstufe, in der der Gasstrom auf eine Temperatur im Bereich von 0 bis 60 0C abgekühlt wird. Der Kondensatstrom f1 kann somit bei mehrstufiger Kompression auch mehrere Ströme umfassen. Vorzugsweise wird die Kompression in einer Stufen durchgeführt.
Der Gasstrom f2 enthält im Allgemeinen als wesentliche Komponenten n-Butan, Kohlendioxid und Wasserstoff. Daneben kann er noch Butene, Leichtsieder und Inertgase (Stickstoff) als weitere Nebenkomponenten enthalten. Auch Wasserdampf kann noch in geringen Mengen enthalten sein. Der Kondensatstrom f 1 besteht im Allgemeinen zu mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise zu mindestens 70 Gew.-% aus C4- Kohlenwasserstoffen (im Wesentlichen n-Butan, daneben gegebenenfalls noch Bute- ne) und enthält daneben noch Wasser und im Allgemeinen noch Kohlendioxid, weiterhin kann er noch Leichtsieder und Spuren von Oxygenaten enthalten.
In einer Verfahrensstufe G) wird der Gasstrom f2 in einen Rückführstrom gl enthaltend n-Butan und einen Abgasstrom g2 enthaltend Wasserstoff und Kohlendioxid durch in Kontakt bringen des Gasstroms f2 mit einem hoch siedenden Absorptionsmittel und anschließender Desorption der in dem Absorptionsmittel gelösten Gasbestandteile aufgetrennt.
In der Verfahrensstufe G) werden die nicht kondensierbaren oder leicht siedenden Gasbestandteile wie Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, die leicht siedenden Kohlenwasserstoffe (Methan, Ethan, Ethen, Propan, Propen) und gegebenenfalls Stickstoff in einem Absorptions-/Desorptions-Cyclus mittels eines hoch siedenden Absorptionsmittels von den C4-Kohlenwasserstoffen abgetrennt, wobei ein Rückführstrom gl erhalten wird, der die C4-Kohlenwasserstoffe enthält, und ein Abgasstrom g2 erhalten wird. Wird mit einem sauerstoffhaltigen Gas gestrippt, so kann der Rückführstrom gl größere Mengen Sauerstoff und Inertgase enthalten.
Dazu wird in einer Absorptionsstufe der Gasstrom f2 mit einem inerten Absorptionsmittel in Kontakt gebracht, wobei die C4-Kohlenwasserstoffe in dem inerten Absorptions- mittel absorbiert werden und ein mit C4-Kohlenwasserstoffen beladenes Absorptionsmittel und ein die übrigen Gasbestandteile enthaltendes Abgas g2 erhalten werden. Im Wesentlichen sind dies Kohlendioxid und Wasserstoff sowie gegebenenfalls Inertgase. In einer Desorptionsstufe werden die C4-Kohlenwasserstoffe aus dem Absorptionsmittel wieder freigesetzt.
In der Absorptionsstufe eingesetzte inerte Absorptionsmittel sind im Allgemeinen hochsiedende unpolare Lösungsmittel, in denen das abzutrennende C4-Kohlenwasserstoff- Gemisch eine deutlich höhere Löslichkeit als die übrigen abzutrennenden Gasbestandteile aufweist. Die Absorption kann durch einfaches Durchleiten des Stroms f2 durch das Absorptionsmittel erfolgen. Sie kann aber auch in Kolonnen oder in Rotationsabsorbern erfolgen. Dabei kann im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom gearbeitet werden. Geeignete Absorptionskolonnen sind z.B. Bodenkolonnen mit Glocken-, Zent- rifugal- und/oder Siebböden, Kolonnen mit strukturierten Packungen, z.B. Blechpackungen mit einer spezifischen Oberfläche von 100 bis 1000 m2/m3 wie Mellapak® 250 Y, und Füllkörperkolonnen. Es kommen aber auch Riesel- und Sprühtürme, Graphitblockabsorber, Oberflächenabsorber wie Dickschicht- und Dünnschichtabsorber sowie Rotationskolonnen, Tellerwäscher, Kreuzschleierwäscher und Rotationswäscher in Betracht.
Geeignete Absorptionsmittel sind vergleichsweise unpolare organische Lösungsmittel, beispielsweise aliphatische C8- bis C18-Alkene, oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie die Mittelölfraktionen aus der Paraffindestillation, oder Ether mit sperrigen Gruppen, oder Gemische dieser Lösungsmittel, wobei diesen ein polares Lösungsmittel wie 1 ,2-Dimethylphthalat zugesetzt sein kann. Geeignete Absorptionsmittel sind weiterhin Ester der Benzoesäure und Phthalsäure mit geradkettigen CrC8-Alkanolen, wie Ben- zoesäure-n-butylester, Benzoesäuremethylester, Benzoesäureethylester, Phthalsäu- redimethylester, Phthalsäurediethylester, sowie sogenannte Wärmeträgeröle, wie Biphenyl und Diphenylether, deren Chlorderivate sowie Triarylalkene. Ein geeignetes Absorptionsmittel ist ein Gemisch aus Biphenyl und Diphenylether, bevorzugt in der azeotropen Zusammensetzung, beispielsweise das im Handel erhältliche Diphyl®. Häufig enthält dieses Lösungsmittelgemisch Dimethylphthalat in einer Menge von 0,1 bis 25 Gew.-%. Geeignete Absorptionsmittel sind ferner Octane, Nonane, Decane, Unde- cane, Dodecane, Tridecane, Tetradecane, Pentadecane, Hexadecane, Heptadecane und Octadecane oder aus Raffinerieströmen gewonnene Fraktionen, die als Hauptkomponenten die genannten linearen Alkane enthalten.
Zur Desorption der C4-Kohlenwasserstoffe wird das beladene Absorptionsmittel erhitzt und/oder auf einen niedrigeren Druck entspannt. Alternativ dazu kann die Desorption auch durch Strippung oder in einer Kombination von Entspannung, Erhitzen und Strippung in einem oder mehreren Verfahrensschritten erfolgen. Das in der Desorptionsstu- fe regenerierte Absorptionsmittel wird in die Absorptionsstufe zurückgeführt.
In einer Verfahrensvariante wird der Desorptionsschritt durch Entspannung und/oder Erhitzen des beladenen Desorptionsmittels durchgeführt. In einer weiteren Verfahrensvariante wird zusätzlich mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas gestrippt. Dadurch wird zumindest ein Teil des für die autotherme Dehydrierung benötigten Sau- erstoffs in den Prozess eingeführt. Die Abtrennung G) ist im Allgemeinen nicht ganz vollständig, so dass in dem C4- Kohlenwasserstoffstrom gl - je nach Art der Abtrennung - noch geringe Mengen oder auch nur Spuren der weiteren Gasbestandteile, insbesondere der leicht siedenden Kohlenwasserstoffe, vorliegen können.
Zur Abtrennung des im Abgasstrom g2 enthaltenen Wasserstoffs kann dieser, gegebenenfalls nach erfolgter Kühlung, beispielsweise in einem indirekten Wärmetauscher, über eine in der Regel als Rohr ausgebildete Membran geleitet werden, die lediglich für molekularen Wasserstoff durchlässig ist. Der so abgetrennte molekulare Wasserstoff kann bei Bedarf zumindest teilweise in der Dehydrierung eingesetzt oder aber einer sonstigen Verwertung zugeführt werden, beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie in Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Beispiel
Ein n-Butan enthaltender Einsatzgasstrom (4), welcher durch Vereinigung eines Frischgasstroms (1) und der Rückführströme (12) und (15) erhalten wird, wird der ersten, autotherm betriebenen, nicht-oxidativen katalytischen n-Butan-Dehydrierungsstufe (BDH) (17) zugeführt. Zur Bereitstellung der für die endotherme Dehydrierung notwendigen Wärme wird selektiv Wasserstoff verbrannt. Die Verbrennungsluft wird als Strom (2) zugeführt. Um einer Verkokung des Katalysators entgegenzuwirken und die Standzeit des Katalysators zu verlängern wird außerdem Wasserdampf (3) zugegeben. Es wird ein Dehydriergasgemisch (5) erhalten, das nach Austritt aus der autothermen De- hydrierstufe (17) abgekühlt und der zweiten, oxidativen n-Butan-Dehydrierstufe (ODH) (18) zugeführt wird. Der ODH (18) wird ferner ein Sauerstoffstrom (6) zugeführt. Für BDH und ODH wurden basierend auf experimentellen Ergebnissen die in Tabelle 1 wiedergegebenen Umsatzgrade bzw. Selektivitäten angenommen.
Tabelle 1
Figure imgf000023_0001
Aus dem Austrittsgas der Oxidehydrierung (7), welches unter einem Druck von 2,3 bar steht, wird der Restsauerstoff durch katalytische Verbrennung von Wasserstoff entfernt, wobei ein praktisch sauerstofffreier Gasstrom (7a) resultiert. Dazu wird der Gas- ström (7) in einem Reaktor (20) mit einem Katalysator in Kontakt gebracht. Anschließend wird der Gasstrom (7a) abgekühlt und in einem Verdichter (20) auf einen Druck von 4,1 bar verdichtet. Das verdichtete Gas (9) wird abgekühlt und einer Extraktionskolonne (21) zugeführt, wo die Abtrennung des Butadiens (10) unter Verwendung von NMP als Lösungsmittel erfolgt. Der nach der Butadien-Extraktion verbleibende n-Butan reiche Strom (11) wird in einer zweiten Kompressionsstufe (22) auf einen Druck von 10,1 bar verdichtet und auf eine Temperatur von 20 0C abgekühlt, wobei ein Kondensatstrom (12) anfällt, der im Wesentlichen aus n-Butan besteht, und der in die erste Dehydrierstufe zurückgeführt wird. Der verdichtete Gasstrom (13), der im Wesentlichen aus n-Butan, Kohlendioxid und Wasserstoff besteht, wird einer Absorptions- /Desorptionsstufe (23) zugeführt, welche unter Verwendung von Tetradecan als Absorptionsmittel betrieben wird. Es wird ein im Wesentlichen aus Kohlendioxid und Wasserstoff bestehendes Abgas (14), welches noch geringe Mengen Leichtsieder enthält, abgetrennt. Die Desorption des in dem Absorptionsmittel Tetradecan gelösten n- Butans erfolgt durch Strippen mit Sauerstoff (16). Es wird auf diese Weise ein im We- sentlichen aus n-Butan und Sauerstoff bestehender Rückführstrom (15), der noch geringe Mengen Kohlendioxid und Leichtsieder enthält, erhalten und in die erste Dehydrierstufe zurückgeführt.
Die Ergebnisse der Simulationsrechnung sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Die Zu- sammensetzung der Stoffströme (1) bis (16) ist in Gewichtsanteilen angegeben.
Tabelle 2
Figure imgf000025_0001
Fortsetzung Tabelle 2
Figure imgf000026_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan mit den Schritten
A) Bereitstellung eines n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a;
B) Einspeisung des n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a in mindestens eine erste Dehydrierzone und nicht-oxidative, katalytische Dehydrierung von n-Butan, wobei ein Gasstrom b enthaltend n-Butan, 1 -Buten, 2-Buten, Butadien, Wasserstoff, gegebenenfalls Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird;
C) Einspeisung des Gasstroms b und eines sauerstoffhaltigen Gases in mindestens eine zweite Dehydrierzone und oxidative Dehydrierung von 1 - Buten und 2-Buten, wobei ein Gasstrom c enthaltend n-Butan, Butadien,
Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird;
D) Kompression in mindestens einer ersten Kompressionsstufe und Abküh- lung des Gasstroms c, wobei mindestens ein Kondensatstrom d1 enthaltend Wasser und ein Gasstrom d2 enthaltend n-Butan, Butadien, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird;
E) Auftrennung des Gasstroms d2 durch Extraktivdestillation in einen im Wesentlichen aus Butadien bestehenden Produktstrom e1 und einen n-Butan, Wasserstoff, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoff oxide und gegebenenfalls Inertgase enthaltenden Strom e2;
F) gegebenenfalls Kompression in einer oder mehreren weiteren Kompressionsstufen und Abkühlung des Gasstroms e2, wobei mindestens ein Kondensatstrom f1 enthaltend n-Butan und Wasser und ein Gasstrom f2 enthaltend n-Butan, Wasserstoff, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten werden, und gegebenenfalls Rückführung des Kondensatstroms f 1 in die erste Dehydrierzone; G) Auftrennung des Gasstroms f2 in einen Rückführstrom gl enthaltend n- Butan und einen Abgasstrom g2 enthaltend Wasserstoff, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Inertgase durch in Kontakt bringen des Gasstroms f2 mit einem hoch siedenden Absorptionsmittel und anschließender Desorption der in dem Absorptionsmittel gelösten Gasbestandteile.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-oxidative, katalytische Dehydrierung von n-Butan autotherm unter Einspeisung eines sauerstoffhaltigen Gases durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffhaltiges Gas Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft eingespeist wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffhaltiges Gas technisch reiner Sauerstoff eingespeist wird.
5. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Butan enthaltende Einsatzstrom a aus liquefied petroleum gas (LPG) gewonnen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Stufe C) der im Produktgas der oxidativen Dehydrierung verbliebene Sauerstoff entfernt wird, indem er katalytisch mit Wasserstoff umgesetzt wird.
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