WO2014128191A1 - Process for removing oxygen from c4 hydrocarbon streams - Google Patents

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WO2014128191A1
WO2014128191A1 PCT/EP2014/053275 EP2014053275W WO2014128191A1 WO 2014128191 A1 WO2014128191 A1 WO 2014128191A1 EP 2014053275 W EP2014053275 W EP 2014053275W WO 2014128191 A1 WO2014128191 A1 WO 2014128191A1
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WO
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catalyst
oxygen
hydrogen
temperature
free
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PCT/EP2014/053275
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German (de)
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Inventor
Gauthier Luc Maurice Averlant
Alireza REZAI
Sonja Giesa
Martin Dieterle
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Basf Se
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86Catalytic processes
    • B01D53/8671Removing components of defined structure not provided for in B01D53/8603 - B01D53/8668
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J29/00Catalysts comprising molecular sieves
    • B01J29/04Catalysts comprising molecular sieves having base-exchange properties, e.g. crystalline zeolites
    • B01J29/06Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof
    • B01J29/70Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof of types characterised by their specific structure not provided for in groups B01J29/08 - B01J29/65
    • B01J29/72Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof of types characterised by their specific structure not provided for in groups B01J29/08 - B01J29/65 containing iron group metals, noble metals or copper
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    • B01J29/7407A-type
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C5/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
    • C07C5/42Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with a hydrogen acceptor
    • C07C5/48Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with a hydrogen acceptor with oxygen as an acceptor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/148Purification; Separation; Use of additives by treatment giving rise to a chemical modification of at least one compound

Definitions

  • the invention relates to a process for the removal of oxygen from free-oxygen-containing C4 hydrocarbon streams.
  • free oxygen-containing hydrocarbon streams may be obtained, from which the free oxygen should or must be removed.
  • Free oxygen contained in a gas stream containing ethylenically unsaturated hydrocarbon streams can result in the formation of peroxides that are difficult to handle for safety reasons.
  • Free oxygen containing butadiene may, for. B. by oxidative dehydrogenation of n-butenes (1-butene and / or 2-butene) are obtained.
  • As the starting gas mixture for the oxidative dehydrogenation of n-butenes to butadiene any n-butenes containing mixture can be used.
  • n-butenes (1-butene and / or 2-butene) as a main component and obtained from the C 4 fraction of a naphtha cracker by separating butadiene and isobutene
  • gas mixtures which comprise 1-butene, cis-2-butene, trans-2-butene or mixtures thereof and which have been obtained by dimerization of ethylene can also be used as starting gas.
  • n-butenes containing gas mixtures can be used as the starting gas, which were obtained by catalytic fluid catalytic cracking (FCC).
  • FCC catalytic fluid catalytic cracking
  • Gas mixtures containing n-butenes which are used as the starting gas in the oxidative dehydrogenation of n-butenes to butadiene, can also be prepared by non-oxidative dehydrogenation of n-butane-containing gas mixtures.
  • WO2005 / 063658 discloses a process for producing butadiene from n-butane by the steps
  • This process is characterized by a particularly effective utilization 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.
  • WO 2006/075025 describes a process for the preparation of butadiene from n-butane by non-oxidative, catalytic dehydrogenation of n-butane, subsequent oxidative dehydrogenation and workup of the product mixture.
  • the oxygen remaining in the product gas stream can be removed, for example by catalytically reacting it with hydrogen.
  • a corresponding C4 product gas stream can be 20 to 80% by volume butadiene, 20 to 80% by volume n-butane, 5 to 50% by volume 2-butene and 0 to 20% by volume 1-butene and also low Contain quantities of oxygen.
  • the residual oxygen can have a disturbing effect insofar as it can act as an initiator for polymerization reactions in downstream process steps.
  • This danger is particularly present in the distillative removal of butadiene and may lead to deposits of polymers (formation of so-called "popcorn") in the extractive distillation column, therefore an oxygen removal is carried out immediately after the oxidative dehydrogenation, generally by a catalytic combustion stage, in which oxygen is reacted with the hydrogen contained in the gas stream in the presence of a catalyst .
  • a suitable alumina catalyst is described, which contains 0.01 to 0.1 wt % Of platinum and 0.01 to 0.1% by weight of tin
  • catalysts containing reduced-form copper are also indicated.
  • WO 2010/130610 describes a process for the preparation of propylene oxide by reacting propene with hydrogen peroxide, separating the propylene oxide to obtain a gas mixture containing propene and oxygen. Hydrogen is added to this gas mixture and the oxygen contained is at least partially converted by reaction with the Hydrogen reacted in the presence of a copper-containing catalyst.
  • the catalyst contains 30 to 80 wt .-% copper, calculated as CuO.
  • WO 2006/050969 describes a process for the preparation of butadiene from n-butane, in which first butane is catalytically dehydrogenated to butene, followed by an oxidative dehydrogenation (ODH) to form butadiene.
  • ODH oxidative dehydrogenation
  • the product gas stream may still contain small amounts of oxygen and in the presence of larger amounts of oxygen, a catalytic combustion stage is connected, in which the oxygen is reacted with the hydrogen contained in the gas stream in the presence of a catalyst. This is to achieve a reduction of the oxygen content down to a few traces.
  • the flow discharged from the ODH contains 4.5 vol.% Oxygen.
  • oxygenated gas mixtures especially butadiene and oxygen-containing gas mixtures
  • the oxygen content can contribute to the deactivation of catalysts, soot deposits, peroxide formation and to the deterioration of the adsorption properties of solvents in the work-up process.
  • the residual oxygen content should be less than 50 ppm. It is determined by electrochemical oxygen sensors such as KE 25 from Figgres or A-3, B-1 or B-3 from Teledyne. After calibration, a measurement accuracy of about 10 ppm O2 is achieved.
  • the object is achieved by a method for the removal of oxygen from a free oxygen-containing C 4 hydrocarbon stream by catalytic combustion, in which the free oxygen-containing hydrocarbon stream is reacted on a catalyst bed by catalytic combustion in the presence or absence of free hydrogen Obtaining an oxygen-depleted hydrocarbon stream, characterized in that the catalytic combustion is carried out continuously, the inlet temperature in the catalyst bed is at least 300 ° C and the maximum temperature in the catalyst bed is not more than 700 ° C.
  • C 4 -hydrocarbon stream means a hydrocarbon stream in which at least 60% by volume, preferably at least 80% by volume, in particular at least 95% by volume, of the hydrocarbons are C 4 -hydrocarbons.
  • the C4 hydrocarbon stream is derived from butane dehydrogenation or butene dehydrogenation, especially from the oxydehydrogenation of butene to butadiene. It preferably contains 0.5 to 8.0% by volume of free oxygen, preferably 1.0 to 8.0% by volume, particularly preferably 2.0 to 7.0% by volume, in particular 3.0 to 6.5% by volume.
  • the free oxygen-containing hydrocarbon stream contains a sufficient amount of free hydrogen to react with the free oxygen and / or it is added thereto, and the free oxygen is reacted with the free hydrogen.
  • the free oxygen-containing hydrocarbon stream does not contain free hydrogen and no free hydrogen is added to it.
  • the C4 hydrocarbon stream used according to the invention is obtained according to the following steps:
  • Gas stream b containing n-butane, 1-butene, 2-butenes, butadiene, hydrogen, optionally water vapor, optionally carbon oxides and optionally inert gases is obtained;
  • the product gas stream leaving the oxidative dehydrogenation contains, in addition to butadiene and non-separated n-butane, hydrogen, carbon oxides, oxygen and water vapor. As minor constituents, it may also contain inert gas, such as nitrogen, methane, ethane, ethene, propane and propene, as well as oxygen-containing hydrocarbons, so-called oxygenates.
  • the product gas stream leaving the oxidative dehydrogenation has from 2 to 40% by volume of butadiene, from 5 to 80% by volume of n-butane, from 0 to 15% by volume of 2-butenes, from 0 to 5% by volume of 1-butene.
  • From 5 to 70% by volume of steam from 0 to 10% by volume of low-boiling hydrocarbons (methane, ethane, ethene, propane and propene), from 0.1 to 15% by volume of hydrogen, from 0 to 70% by volume of inert gas, 0 to 10% by volume of carbon oxides, 0 to 10% by volume of oxygen and 0 to 10% by volume of oxygenates, the total amount of the ingredients being 100% by volume.
  • Oxygenates may be, for example, furan, acetic acid, methacrolein, maleic anhydride, maleic acid, phthalic anhydride, propionic acid, acetaldehyde, acrolein, formaldehyde, formic acid, benzaldehyde, benzoic acid and butyraldehyde.
  • acetylene, propyne and 1, 2-butadiene may be present in traces.
  • the free oxygen-containing C4 hydrocarbon is, for. Raffinate II and products of ethylene dimerization. If the product gas stream contains more than just traces of oxygen, the process stage according to the invention for removing residual oxygen from the product gas stream is carried out.
  • the residual oxygen may be disturbing insofar as he, z. B. in the case of butadiene, in downstream process steps can cause butadiene peroxide formation and can act as an initiator for polymerization reactions.
  • the oxygen removal in the case of butadiene production is carried out immediately after the oxidative dehydrogenation.
  • the free-oxygen C4 hydrocarbon stream may contain sufficient free hydrogen to react with the free oxygen. Missing amounts or the total amount of free hydrogen needed can be added to the hydrocarbon stream. In this reaction, the free oxygen can be reacted with the free hydrogen, so that only a very small proportion of the hydrocarbon is reacted with the oxygen. Despite the presence of hydrogen hardly hydrogenation of the hydrocarbon occurs according to Invention.
  • the hydrocarbon stream containing free oxygen contains no free hydrogen and no free hydrogen is also added to it.
  • the free oxygen can be reacted with the hydrocarbon stream containing the free oxygen-containing hydrocarbon or with added methanol, natural gas and / or synthesis gas as a reducing agent.
  • the process can be isothermal or adiabatic.
  • Advantage of the implementation of the hydrogen is the formation of water as a reaction product. The water formed can easily be separated by condensation.
  • reaction pressure may be advantageous since this results in a separate compression step z. B. can be avoided after the oxidative dehydrogenation.
  • a lower reaction pressure allows less expensive reactor production and is advantageous for safety reasons.
  • the process according to the invention is therefore preferably carried out at an absolute pressure of 0.5 to 20 bar, preferably 0.9 to 10 bar, particularly preferably 0.9 to 5 bar, more preferably 0.9 to 3 bar, in particular 0.9 up to 2 bar.
  • the reaction preferably takes place at an inlet temperature in the catalyst bed of from 300 to 450.degree. C., more preferably from 320 to 400.degree. This temperature is especially true at an oxygen content of 1 to 3.5 vol .-%. At higher oxygen levels (eg, 8% by volume), intercooling may be required to meet the temperature requirements.
  • the maximum temperature in the catalyst bed is preferably not more than 650 ° C. Preferably, it is in the range of 500 to 650 ° C, especially 580 to 650 ° C.
  • reaction temperature is too low, then z. B. butadiene can be hydrogenated. If it is too high, cracking processes can occur.
  • the reactor type is not restricted according to the invention.
  • the reaction can be carried out in a fluidized bed, in a tray oven, in a solid-tube or shell-and-tube reactor or in a plate-type heat exchanger.
  • the fixed bed catalyst can be operated adiabatically on a large scale.
  • the flow through the bed can be oriented both axially and radially.
  • a radial reactor could be advantageous for large volume flows. Due to the high expected starting temperature (up to 600 ° C), an infeed from the outside to the inside can be advantageous. A flow from the inside out nevertheless results in smaller pressure losses.
  • Monolith reactors can be advantageously used as an adiabatic reactor for reactions requiring little catalyst. Since the residual oxygen concentration should be low, a backmixed system should be avoided. Therefore, the reactor concept of the tubular reactor (fixed bed reactor) has proven itself. A cascading of backmixed fluidized bed reactors or the use of Horden reactors would also be conceivable.
  • the temperature control can be adjusted and the maximum temperature can be kept within the optimum range. If hydrogen is used in deficit in the process according to the invention, the reaction with hydrogen can serve to achieve a sufficiently high temperature for the necessary reaction between hydrocarbons and oxygen.
  • the oxygen reacts predominantly with the most reactive molecule, for example butadiene. This leads to the formation of carbon oxides and water. Since the reaction of oxygen with the hydrocarbons at low temperature proceeds more slowly than with hydrogen, the hydrogen is first completely consumed.
  • a further embodiment of the invention is the implementation of this catalytic reaction together with an oxidative dehydrogenation in a reactor with 2 catalysts and, optionally, intermediate feed of the combustion gas after the Dehydrier serialung.
  • the term "catalyst bed” means the area of a reactor in which the catalyst is present as a fixed-bed catalyst.This can be a catalyst bed, one or more catalyst monoliths or other structured packings. If necessary, the reactor used for the catalytic combustion contains The inlet temperature in the catalyst bed refers to the area of the catalyst bed into which the gas mixture to be reacted enters.
  • the catalytic combustion can be carried out on any suitable catalysts, as described, for example, in the above-mentioned prior art, in particular in WO 2006/061202. According to the invention, preference is given to using a catalyst which comprises at least one noble metal and / or at least one transition metal on a support.
  • Suitable noble metals are in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Au and Ag and mixtures thereof.
  • Suitable transition metals are preferably those of groups 7 to 14 of the Periodic Table of the Elements, more preferably Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Sn. Sn is particularly preferably used.
  • Platinum or a platinum-containing alloy is preferably used as the noble metal. Particularly preferred is the combination of platinum and tin as active metals.
  • the proportion of platinum, based on the total catalyst, preferably 0.01 to 1 wt .-%, more preferably 0.02 to 0.5 wt .-%, in particular 0.05 to 0.2 wt .-% , Tin is likewise preferably present in an amount, based on the total catalyst, of from 0.01 to 1% by weight, more preferably from 0.02 to 0.5% by weight, in particular from 0.05 to 0.2% by weight. % used.
  • the weight ratio of tin to platinum is preferably 1: 4 to 4: 1, more preferably 1: 2 to 2: 1, in particular about 1: 1.
  • alkali metal and / or alkaline earth metal compounds may optionally be used in amounts of ⁇ 2% by weight, in particular ⁇ 0.5% by weight, based on the total catalyst.
  • the catalyst contains only platinum and tin as active metals.
  • the carrier is ⁇ -alumina or zeolite A, especially ⁇ -alumina. It preferably has a BET surface area of 0.5 to 15 m 2 / g, preferably 2 to 14 m 2 / g, in particular 7 to 1 1 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 balls.
  • Hydrocarbon stream butadiene loss is suppressed and at the same time the residual oxygen is safely removed.
  • the catalyst in the temperature range according to the invention, few secondary reactions occur and the reaction can be carried out with an excess of hydrogen, hydrogen deficiency or in the absence of hydrogen.
  • the reaction is alternatively carried out on a catalyst containing on zeolite A as a carrier 0.01 to 0.5 wt .-% of platinum, based on the catalyst, and optionally tin, wherein the weight ratio Sn: Pt is 0-10.
  • This catalyst preferably contains zeolite A as a carrier.
  • zeolite A based on the carrier, preferably at least 80 wt .-%, more preferably at least 90 wt .-%, in particular at least 95 wt .-% zeolite A in the carrier before.
  • the support is constructed entirely of zeolite A.
  • Zeolite A is a synthetic, crystalline aluminosilicate and in its hydrated sodium form has the empirical formula Nai2 ((AlO2) i2 (SiO2) i2) x 27 H2O.
  • the term "zeolite A” encompasses various variants of this compound, all of which have the same aluminosilicate lattice. However, instead of sodium ions, they may contain other ions such as potassium or calcium. Also low-water or anhydrous forms are counted according to the invention to zeolite A. Other designations are molecular sieve A, molecular sieve A, LTA (Linde type A), MS 5 A (with Ca), MS 4 A (with Na), NF3 A (K), Sasil ®.
  • Zeolite A has a framework structure of AIC and SiC tetrahedra. They form a covalent lattice with cavities, which usually contain water. AIC and SiC tetrahedra are present in a ratio of 1: 1. In this case, aluminum and silicon atoms are alternately connected to one another via oxygen atoms. Overall, there is a negative charge, which is compensated by ionic compounds with cations such as sodium ions. As a spatial structure, zeolite A has a so-called sodalite cage.
  • This catalyst preferably contains 0.01 to 0.5 wt .-%, preferably 0.05 to 0.4 wt .-%, in particular 0.1 to 0.3 wt .-% of platinum, based on the catalyst. It may also contain tin, wherein the weight ratio Sn: Pt 0 to 10, preferably 0 to 7, particularly preferably 0 to 3.
  • the weight ratio Sn: zPt is preferably 0.5 to 10, particularly preferably 0.7 to 4, in particular 0.9 to 1.1.
  • this catalyst may preferably also contain further metals, for example alkali metal and / or alkaline earth metal compounds, preferably in amounts of ⁇ 2% by weight, in particular ⁇ 0, 5 wt .-%, based on the catalyst.
  • the catalyst contains only platinum and optionally tin as active metals.
  • the BET surface area is preferably 10 to 80 m 2 / g, particularly preferably 15 to 50 m 2 / g, in particular 20 to 40 m 2 / g.
  • the catalyst can be used in any suitable form. Preferably, it is used as a shaped body having an average diameter in the range of 1 to 10 mm, more preferably 2 to 8 mm, in particular 2.5 to 5 mm.
  • the molding may have any suitable shape, it may be in the form of a strand, tablet, granules, split or preferably in spherical form with the specified average diameter. Other possible shaped bodies are ring tablets, cylinders, star strands or gear-shaped strands.
  • said catalysts may be present as a monolith, wherein the monolith may comprise the catalyst as a washcoat on a support structure. This support structure can dictate the three-dimensional structure of the monolith. For example, the support structure may be constructed of cordierite. The proportion of washcoat in the entire monolith is preferably 0.5 to 5 g / in 3 .
  • the catalyst can be prepared by any suitable method. Preferably, it is obtained by impregnating the carrier with a solution of a platinum compound and optionally a tin compound and then dried and calcined.
  • platinum nitrate can be used as an aqueous solution for impregnating the carrier.
  • the impregnation may be followed by drying, preferably at 80 to 150 ° C. and calcination, preferably at 200 to 500 ° C. It is preferably dried for a period in the range of 1 to 100 hours, more preferably 5 to 20 hours.
  • the calcining is preferably carried out for a period of 1 to 20 hours, more preferably 2 to 10 hours.
  • a silylation can connect, for example by use of an aqueous colloidal dispersion of very small silica particles such as are available for example under the name Ludo ® from Helm AG.
  • This silylation can also be effected by impregnation with subsequent drying and calcination, as described above.
  • the catalyst used according to the invention is distinguished in particular by a long-term stability, especially in the butane or butene dehydrogenation for the preparation of butadiene, wherein free oxygen is to be separated from the butadiene-containing product stream.
  • the catalyst used with preference has the advantage that it catalyzes, in particular, the reaction of hydrogen with oxygen, without there being any appreciable conversion of hydrocarbon with the free oxygen.
  • the catalyst of the invention is its stability to water in the feed, especially at 5 to 30% water in the feed.
  • the production of butadiene from n-butane by feeding a feed stream containing n-butane in at least a first dehydrogenation zone and non-oxidative catalytic dehydrogenation of n-butane, wherein a product gas stream containing n-butane, 1-butene, 2 Butene, butadiene, hydrogen, low-boiling minor components, optionally carbon oxides and optionally water vapor is obtained.
  • This product gas stream together with an oxygen-containing gas, is passed into at least one second dehydrogenation zone for oxidative dehydrogenation to give a product gas stream containing n-butane, 2-butenes, butadienes, low-boiling minor components, carbon oxides and water vapor.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of the reactor whose dimensions are listed as follows: Length: 200 cm
  • thermowell 3.1 mm
  • FIG. 1 In this case, in FIG. 1:
  • the reactor consists essentially of 2 zones.
  • an inert bed is preheated to the desired temperature by an accompanying heating.
  • a copper block Between the accompanying heating and the reactor is a copper block to allow a homogeneous distribution of heat in the first zone.
  • the catalyst is introduced into the second zone.
  • the reactor is framed in this section with insulation material to keep heat loss low.
  • Two companion heaters have also been placed in the insulation to allow for temperature compensation between the interior of the reactor and the exterior.
  • thermowell In the middle of the reactor is a thermowell, in which thermocouples are placed. These thermocouples enable the recording of an axial temperature profile in the catalytic bed.
  • a pneumatically operated, multiple thermocouple with four measuring points was used to determine the temperature profiles with a resolution of 2 cm in the catalyst bed.
  • the catalyst bed was packed between an inert material (steatite) which served as a guard bed.
  • the reactor is flowed through from top to bottom with the gas.
  • the reactor was operated under the following typical conditions
  • Inlet temperature 150 - 450 ° C
  • the catalyst contains 99.7% by weight of zeolite A, molecular sieve 3A (of Roth GmbH), 0.3 mm of type 562 C, bead form, spheres with a diameter in the range of 2.5 to 5 mm, and 0, 3% by weight of platinum.
  • the elemental analysis showed a Pt content in the catalyst of 0.27 wt .-%.
  • Fig. 2 shows the determined axial temperature profiles for different inlet temperatures.
  • the temperature is plotted in ° C over the length of the (catalyst) bed in cm. From zero length, catalyst is present.
  • the oxygen content in the input stream was 3 vol.%, The molar Ratio of hydrogen to oxygen 2.6, the GHSV about 1 1000 r 1 , the temperature of the heating sleeves about 496 ° C.
  • the 02 specification was met and reflected by the temperature increase, which is almost the same for all experiments. It also corresponds to the adiabatic temperature increase. It is apparent that after half the bed length, the temperature increase has already reached 90% of the maximum temperature increase. Should the residual oxygen specification be less than 100 ppm, the GHSV could be further increased.
  • the oxygen content in the exhaust gas stream can be reduced by catalytic reaction with the hydrocarbons present in the gas.
  • the oxygen will react predominantly with the most reactive molecule, i. in this case butadiene, and leads to the formation of CO2 and H2O.
  • the reaction of O2 with the hydrocarbons is slower at low temperature than with hydrogen.
  • Hybrid mode Should a gas flow contain H2 (e.g., from the BDH stage), it could be introduced to the 02 removal stage for 02 removal. Oxygen will react with hydrogen, preferably at lower temperatures. If hydrogen is in excess, the remainder of O2 reacts with the hydrocarbons. The reaction with H2 can also serve to achieve a sufficiently high temperature for the reaction between the hydrocarbons and oxygen (ignition). For example, depending on the catalyst used, the ODH stage is operated between 320 and 420 ° C. Should this stage be operated at the low temperature, a heat exchanger between the ODH and O2 removal stages would be advantageous to bring the gas mixture to the desired temperature.
  • H2 e.g., from the BDH stage
  • Fig. 3 shows schematically the structure of the reactor whose dimensions are listed as follows:
  • the reactor consists of 3 heating zones and is provided with copper blocks so that a uniform temperature field can be set on the reactor wall.
  • an inert bed is preheated to the desired temperature.
  • the wall temperature of the catalytic bed is adjusted.
  • the middle of the reactor is a thermowell, in which thermocouples are placed. These thermocouples enable the recording of an axial temperature profile in the catalytic bed.
  • a pneumatically operated, multiple thermocouple with four measuring points was used to determine the temperature profiles with a resolution of 2 cm in the catalyst bed.
  • the catalyst bed was packed between an inert material (steatite) which served as a guard bed.
  • the reactor was operated under the following typical conditions:
  • Inlet temperature 150 - 450 ° C
  • the catalyst contains 99.7% by weight of zeolite A, molecular sieve 3A (of Roth GmbH), 0.3 mm of type 562 C, bead form, spheres with a diameter in the range of 2.5 to 5 mm, and 0, 3 wt .-% platinum and was prepared as described in Example 1.
  • Suitable wall-cooled reactors are common in the chemical industry. In the case of fixed bed reactors, preference may be given to tube bundle reactors in which the tubes are filled with the catalyst and the heat resulting from the reaction is removed by means of a cooling medium in the outer space. For temperatures greater than 300 ° C Salzbadreaktoren are particularly suitable. However, the salt is subject to a gradual
  • Decomposition usually for temperatures above 460 ° C. This defines a temperature window in which the method is preferably operated.
  • the temperature is recorded in ° C over the length of the (catalyst) bed in cm. From length 0 catalyst is present.
  • the oxygen content in the input stream was 3.1% by volume, the molar ratio of hydrogen to oxygen was 2.1, the GHSV about 10500 r 1 .
  • the respective wall temperature is entered, as well as the maximum temperature difference between the inlet temperature in the catalyst bed and maximum temperature. In each experiment, the 02 specification was met and the hydrocarbon conversion was less than 2%.
  • the temperature increase is defined as the difference between the maximum temperature at the hot spot and the inlet temperature in the catalytic converter. see bed, almost equal and corresponds in this case more than half of the adiabatic temperature increase (3% O2 correspond to about 250 K adiabatic temperature increase).
  • the location of the hot spot remains unchanged for all experiments, suggesting that higher temperatures do not significantly accelerate the reaction between H2 and O2. This means that higher temperatures (> 380 ° C) do not significantly affect the reaction process, and a strict control of the height of the hot spot is not urgently required.
  • the maximum temperature required is preferably set at 600 ° C in order not to thermally stress the catalyst.
  • the height of the hot spot can be influenced by various parameters, such as the flow rate, a dilution of the catalyst and the tube diameter. It is also known that the heat transfer is subject to a resistance between the bed and the wall, so that temperature gradients of more than 30 ° C are common. Thus, the temperature at the wall is much lower than at the hot spot, which is an advantage for the salt of a brine bath heat carrier. Thus, the use of a salt bath reactor is possible.
  • the ODH stage is preferably operated at temperatures between 320 and 420 ° C. in a salt bath reactor. Previous experiments have shown that the hydrogen is only partially reacted on the ODH catalyst. It is thus possible to couple the oxygen removal with the ODH stage by metering in hydrogen at the reactor inlet. Since the 02 removal with H2 is a fast reaction, the extension of the tubes is less than 1 m. To reach the minimum temperature of 380 ° C, a two-zone salt bath reactor (with two different salt bath temperatures) can be used. Without hydrogen:
  • the oxygen content in the exhaust gas stream can be reduced by catalytic reaction with the hydrocarbons present in the gas.
  • the oxygen will react predominantly with the most reactive molecule, i. in this case butadiene, and leads to the formation of CO2 and H2O.
  • the reaction of O2 with the hydrocarbons is slower at low temperature than with hydrogen. This reaction should be carried out at lower catalyst loadings and / or at a higher temperature (in comparison to the H2 mode of operation). Nevertheless, a fast reaction of the O2 seems to inhibit soot formation, so that higher temperatures would be preferable. At higher temperatures, this reaction is as fast as the oxyhydrogen gas reaction and, similarly, can be carried out in a wall-cooled, high-load reactor.
  • H2 e.g., from the BDH stage
  • Oxygen will react with hydrogen, preferably at lower temperatures. If hydrogen is in excess, the remainder of O2 reacts with the hydrocarbons.
  • the reaction with H2 can also serve to achieve a sufficiently high temperature for the reaction between the hydrocarbons and oxygen (ignition).
  • Example 1 In the reactor as described in Example 1, a gas stream consisting of 3% O 2, 14% butadiene, 5.5% butane, 12% steam with nitrogen as the remainder is introduced into the reactor.
  • the catalyst bed consists of 75 ml of undiluted catalyst (DA301 with Pd). The total volume flow is 800 Nl / h.
  • the inlet temperature in the catalyst bed was varied between 170 and 350 ° C.
  • the form was kept constant at 1 .5 bara.
  • the temperature profile along the catalyst bed is recorded for each setting.
  • the hot-spot temperature is between 400 ° C and 650 ° C depending on the test. Hydrogen is presented in excess with a molar ratio H2: 02 between 2.1 and 2.8.
  • the total butane-butene conversion (C4 conversion) is determined as follows: v _ Butctn + TM buta-diene
  • i CO, CO 2 or butene
  • ⁇ ⁇ is the stoichiometric coefficient.
  • the C 4 conversion was 3.2 mol%, of which 2.3 mol% were hydrogenation products and 0.9 mol%.
  • the C 4 conversion was 2.0 mol%, of which 0.7 mol% were hydrogenation products and 0.3 mol%.
  • the inlet temperature in the catalyst bed is increased from 270 ° C to 350 ° C, the C4 conversion decreases from about 7% to 2%.
  • the selectivity to butene is> 75%, indicating hydrogenation of butadiene. This hydrogenation decreases significantly in favor of the combustion products with increasing temperature.
  • the catalyst contains 99.8% by weight of Al 2 O 3 (Axes), SPH-512, bead form, spheres having a diameter in the range from 2.5 to 5 mm, and 0.1% by weight. Platinum and 0.1% by weight Sn.
  • hexachloroplatinic acid (IV) hydrate and 0.19 g of SnCl2-2H20 g are used.
  • the hexachloroplatinic acid is dissolved in 10 ml of water.
  • SnCl 2 -2H 2 0 is dissolved in a mixture of 17.5 ml of 65.0% by weight of HN0 3 and 17.5 ml H 2 0th The two solutions are mixed together with stirring and supplemented with H2O to 100 ml.
  • the support is then impregnated with the solution, dried at 120 ° C for 30 min and then calcined at 500 ° C for 3 hrs.
  • a gas stream consisting of 3% by volume O 2, 8.0% by volume of butadiene, 2.0% butane, 20.0% steam with nitrogen as the remainder is introduced into the reactor.
  • the catalyst bed consists of 75 mL undiluted catalyst. The total volume flow is 800 Nl / h. The form was kept constant at 1 .5 bara. Hydrogen is metered into the line before the reactor into the gas stream (with a H2: B2 volume ratio of 2.5: 1). Under the test conditions no oxygen could be detected during the whole operating time of 200 hours.
  • the inlet temperature of the catalyst bed is 390 ° C and the hot-spot temperature is 580 ° C.
  • the butadiene loss is 1, 16 mol .-%. 0.56 mol% thereof refers to COx (CO and CO 2), and the remainder (0.60 mol%) refers to hydrogenation products (butenes) (see Fig. 6).
  • the inlet temperature of the catalyst bed is 395 C and the hot-spot temperature is 600 ° C.
  • the loss of butadiene is 1, 32 mol .-%. 0.65 mol% refer to COx (CO and CO 2), and the remainder (0.67 mol%) refers to hydrogenation products (butenes) (see FIG. 6).
  • Example 4.3 with the above-mentioned catalyst:
  • a gas stream consisting of 3 vol.% O 2, 8.0 vol.% Butadiene, 2.0% butane, 20.0% water vapor with nitrogen in introduced the reactor.
  • the catalyst bed consists of 75 mL undiluted catalyst.
  • the total volume flow is 800 Nl / h.
  • the form was kept constant at 1 .5 bara. Hydrogen is metered into the line before the reactor into the gas stream (with an H2: B2 volume ratio of 1.5: 1).
  • the inlet temperature of the catalyst bed is 401 ° C and the hot-spot temperature is 596 ° C.
  • the butadiene loss is 1, 76 mol .-%. 1.16 mol% refer to CO x (CO and CO 2 ), and the remainder (0.60 mol%) refers to hydrogenation products (butenes) (see FIG. 6).

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Abstract

The process for removing oxygen from a C4 hydrocarbon stream comprising free oxygen by catalytic combustion, in which the hydrocarbon stream comprising free oxygen is converted over a catalyst bed by catalytic combustion in the presence or absence of free hydrogen to obtain an oxygen-depleted hydrocarbon stream is characterized in that the catalytic combustion is performed continuously, the inlet temperature in the catalyst bed is at least 300°C and the maximum temperature in the catalyst bed is not more than 700°C.

Description

Verfahren zur Entfernung von Sauerstoff aus C4-Kohlenwasserstoffströmen Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Sauerstoff aus freien Sauerstoff enthaltenden C4-Kohlenwasserstoffströmen.  The invention relates to a process for the removal of oxygen from free-oxygen-containing C4 hydrocarbon streams.
In unterschiedlichen chemischen Verfahren können freien Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffströme anfallen, aus denen der freie Sauerstoff entfernt werden soll oder muss. In various chemical processes, free oxygen-containing hydrocarbon streams may be obtained, from which the free oxygen should or must be removed.
Beispielsweise kann in einem ethylenisch ungesättigte Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasstrom enthaltender freier Sauerstoff zur Bildung von Peroxiden führen, die unter Sicherheitsaspekten schwierig zu handhaben sind. Freien Sauerstoff enthaltendes Butadien kann z. B. durch oxidative Dehydrieung von n-Butenen (1 -Buten und/oder 2-Buten) erhalten werden. Als Ausgangsgasgemisch für die oxidative Dehydrierung von n-Butenen zu Butadien kann jedes beliebige n-Butene enthaltende Gemisch benutzt werden. Beispielsweise kann eine Fraktion verwendet werden, die als Hauptbestandteil n- Butene (1 -Buten und/oder 2-Buten) enthält und aus der C4-Fraktion eines Naphtha-Crackers durch Abtrennen von Butadien und Isobuten erhalten wurde. Des Weiteren können auch Gasgemische als Ausgangsgas eingesetzt werden, die 1 -Buten, cis-2-Buten, trans-2-Buten oder deren Gemische umfassen und durch Dimerisierung von Ethylen erhalten wurden. Ferner können als Ausgangsgas n-Butene enthaltende Gasgemische eingesetzt werden, die durch kataly- tisches Wirbelschichtcracken (Fluid Catalytic Cracking, FCC) erhalten wurden. n-Butene enthaltende Gasgemische, die als Ausgangsgas in der oxidativen Dehydrierung von n-Butenen zu Butadien eingesetzt werden, können auch durch nicht-oxidative Dehydrierung von n-Butan enthaltenden Gasgemischen hergestellt werden. WO2005/063658 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan mit den Schritten For example, free oxygen contained in a gas stream containing ethylenically unsaturated hydrocarbon streams can result in the formation of peroxides that are difficult to handle for safety reasons. Free oxygen containing butadiene may, for. B. by oxidative dehydrogenation of n-butenes (1-butene and / or 2-butene) are obtained. As the starting gas mixture for the oxidative dehydrogenation of n-butenes to butadiene, any n-butenes containing mixture can be used. For example, a fraction containing n-butenes (1-butene and / or 2-butene) as a main component and obtained from the C 4 fraction of a naphtha cracker by separating butadiene and isobutene can be used. Furthermore, gas mixtures which comprise 1-butene, cis-2-butene, trans-2-butene or mixtures thereof and which have been obtained by dimerization of ethylene can also be used as starting gas. Furthermore, n-butenes containing gas mixtures can be used as the starting gas, which were obtained by catalytic fluid catalytic cracking (FCC). Gas mixtures containing n-butenes, which are used as the starting gas in the oxidative dehydrogenation of n-butenes to butadiene, can also be prepared by non-oxidative dehydrogenation of n-butane-containing gas mixtures. WO2005 / 063658 discloses a process for producing butadiene from n-butane by the steps
A) Bereitstellung eines n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a; A) providing a n-butane containing feed gas stream a;
B) Einspeisung des n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a in mindestens eine erste De- hydrierzone und nicht-oxidative katalytische Dehydrierung von n-Butan, wobei ein Pro- duktgasstrom b enthaltend n-Butan, 1 -Buten, 2-Buten, Butadien, Wasserstoff, leichtsiedende Nebenbestandteile und gegebenenfalls Wasserdampf erhalten wird; B) feeding the n-butane-containing feed gas stream a into at least one first hydrogenation zone and non-oxidative catalytic dehydrogenation of n-butane, wherein a product gas stream b containing n-butane, 1-butene, 2-butene, butadiene, hydrogen , low-boiling secondary constituents and optionally water vapor is obtained;
C) Einspeisung des Produktgasstroms b der nicht-oxidativen katalytischen Dehydrierung und eines sauerstoffhaltigen Gases in mindestens eine zweite Dehydrierzone und oxidative Dehydrierung von 1 -Buten und 2-Buten, wobei ein Produktgasstrom c enthaltend n-Butan,C) feeding the product gas stream b of the non-oxidative catalytic dehydrogenation and an oxygen-containing gas into at least one second dehydrogenation zone and oxidative dehydrogenation of 1-butene and 2-butene, wherein a product gas stream c containing n-butane,
2-Buten, Butadien, Wasserstoff, leichtsiedende Nebenbestandteile und Wasserdampf erhalten wird, welcher einen höheren Gehalt an Butadien als der Produktgasstrom b aufweist; D) Abtrennung von Wasserstoff, der leichtsiedenden Nebenbestandteile und von Wasserdampf, wobei ein C4-Produktgasstrom d im Wesentlichen bestehend aus n-Butan, 2-Buten und Butadien erhalten wird; 2-butene, butadiene, hydrogen, low-boiling secondary components and water vapor is obtained, which has a higher content of butadiene than the product gas stream b; D) separating hydrogen, the low-boiling minor components and water vapor to obtain a C4 product gas stream d consisting essentially of n-butane, 2-butene and butadiene;
E) Trennung des C4-Produktgasstroms d in einen im Wesentlichen aus n-Butan und 2-Buten bestehenden Rückführstrom e1 und einen im Wesentlichen aus Butadien bestehenden Stroms e2 durch Extraktivdestillation und Rückführung des Stroms e1 in die erste De- hydrierzone. E) separating the C4 product gas stream d into a recycle stream e1 consisting essentially of n-butane and 2-butene and a stream e2 consisting essentially of butadiene by extractive distillation and recycling the stream e1 into the first de-hydrogenation zone.
Dieses 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. This process is characterized by a particularly effective utilization 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.
Die WO 2006/075025 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan durch nicht-oxidative, katalytische Dehydrierung von n-Butan, nachfolgende oxidative Dehydrierung und Aufarbeitung des Produktgemisches. Nach der oxidativen Dehydrierung kann der im Produktgasstrom verbliebene Sauerstoff entfernt werden, beispielsweise indem er katalytisch mit Wasserstoff umgesetzt wird. Ein entsprechender C4-Produktgasstrom kann dabei 20 bis 80 Vol.-% Butadien, 20 bis 80 Vol.-% n-Butan, 5 bis 50 Vol.-% 2-Buten und 0 bis 20 Vol.-% 1 - Buten sowie geringe Mengen Sauerstoff enthalten. WO 2006/075025 describes a process for the preparation of butadiene from n-butane by non-oxidative, catalytic dehydrogenation of n-butane, subsequent oxidative dehydrogenation and workup of the product mixture. After oxidative dehydrogenation, the oxygen remaining in the product gas stream can be removed, for example by catalytically reacting it with hydrogen. A corresponding C4 product gas stream can be 20 to 80% by volume butadiene, 20 to 80% by volume n-butane, 5 to 50% by volume 2-butene and 0 to 20% by volume 1-butene and also low Contain quantities of oxygen.
Der Rest-Sauerstoff kann sich insoweit als störend auswirken, als er in nachgelagerten Verfahrensschritten als Initiator für Polymerisationsreaktionen wirken kann. Diese Gefahr ist insbesondere bei der destillativen Abtrennung von Butadien gegeben und kann dort zu Ablagerungen von Polymeren (Bildung von so genanntem„Popcorn") in der Extraktiv-Destillationskolonne führen. Deshalb wird eine Sauerstoff-Entfernung unmittelbar nach der oxidativen Dehydrierung durchgeführt, im Allgemeinen durch eine katalytische Verbrennungsstufe, in der Sauerstoff mit dem im Gasstrom enthaltenen Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird. Hierdurch wird eine Verringerung des Sauerstoffgehalts bis auf geringe Spuren erreicht. Als geeigneter Katalysator wird α-Aluminiumoxid beschrieben, das 0,01 bis 0,1 Gew.-% Platin und 0,01 bis 0,1 Gew.-% Zinn enthält. Alternativ werden auch Kupfer in reduzierter Form enthaltende Katalysatoren angegeben. The residual oxygen can have a disturbing effect insofar as it can act as an initiator for polymerization reactions in downstream process steps. This danger is particularly present in the distillative removal of butadiene and may lead to deposits of polymers (formation of so-called "popcorn") in the extractive distillation column, therefore an oxygen removal is carried out immediately after the oxidative dehydrogenation, generally by a catalytic combustion stage, in which oxygen is reacted with the hydrogen contained in the gas stream in the presence of a catalyst .This results in a reduction of the oxygen content down to a few traces.A suitable alumina catalyst is described, which contains 0.01 to 0.1 wt % Of platinum and 0.01 to 0.1% by weight of tin Alternatively, catalysts containing reduced-form copper are also indicated.
Die WO 2010/130610 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Propylenoxid durch Umset- zung von Propen mit Wasserstoffperoxid, Abtrennung des Propylenoxids unter Erhalt eines Propen und Sauerstoff enthaltenden Gasgemisches. Diesem Gasgemisch wird Wasserstoff zugesetzt, und der enthaltene Sauerstoff wird zumindest teilweise durch Umsetzung mit dem Wasserstoff in Gegenwart eines kupferhaltigen Katalysators umgesetzt. Dabei enthält der Katalysator 30 bis 80 Gew.-% Kupfer, berechnet als CuO. WO 2010/130610 describes a process for the preparation of propylene oxide by reacting propene with hydrogen peroxide, separating the propylene oxide to obtain a gas mixture containing propene and oxygen. Hydrogen is added to this gas mixture and the oxygen contained is at least partially converted by reaction with the Hydrogen reacted in the presence of a copper-containing catalyst. The catalyst contains 30 to 80 wt .-% copper, calculated as CuO.
Die WO 2006/050969 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Butadien aus n-Butan, bei dem zunächst Butan katalytisch zu Buten dehydriert wird, gefolgt von einer oxidativen Dehydrierung (ODH) zur Bildung von Butadien. Es ist angegeben, dass der Produktgasstrom noch geringe Mengen Sauerstoff enthalten kann und beim Vorliegen größerer Sauerstoffmengen eine katalytische Verbrennungsstufe angeschlossen wird, in der der Sauerstoff mit dem im Gasstrom enthaltenen Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird. Hierdurch soll eine Verringerung des Sauerstoffgehalts bis auf geringe Spuren erreicht werden. In einem Simulationsbeispiel enthält der aus der ODH ausgetragene Strom 4,5 Vol.-% Sauerstoff. WO 2006/050969 describes a process for the preparation of butadiene from n-butane, in which first butane is catalytically dehydrogenated to butene, followed by an oxidative dehydrogenation (ODH) to form butadiene. It is stated that the product gas stream may still contain small amounts of oxygen and in the presence of larger amounts of oxygen, a catalytic combustion stage is connected, in which the oxygen is reacted with the hydrogen contained in the gas stream in the presence of a catalyst. This is to achieve a reduction of the oxygen content down to a few traces. In a simulation example, the flow discharged from the ODH contains 4.5 vol.% Oxygen.
Ähnliche Verfahren sind in der DE-A-10 2004 059 356 und DE-A-10 2004 061 514 beschrieben. Es ist jeweils angegeben, dass der im Produktgas der oxidativen Dehydrierung verbliebene Sauerstoff entfernt werden kann, indem er katalytisch mit Wasserstoff umgesetzt wird. Similar methods are described in DE-A-10 2004 059 356 and DE-A-10 2004 061 514. It is stated in each case that the remaining oxygen in the product gas of the oxidative dehydrogenation can be removed by catalytically reacting with hydrogen.
Neben der„Popcorn' -Bildung kann in kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischen, insbesondere Butadien und Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen, der Sauerstoffgehalt zur Desaktivierung von Katalysatoren, zu Rußablagerungen, Peroxid-Bildungen und zur Verschlechterung der Ad- Sorptionseigenschaften von Lösungsmitteln im Aufarbeitungsprozess beitragen. Besides "popcorn" formation, in oxygenated gas mixtures, especially butadiene and oxygen-containing gas mixtures, the oxygen content can contribute to the deactivation of catalysts, soot deposits, peroxide formation and to the deterioration of the adsorption properties of solvents in the work-up process.
Insbesondere bei der Herstellung von Butadien aus n-Butan bildet die selektive Sauerstoffentfernung eine Grundvoraussetzung für die wirtschaftliche Durchführbarkeit des Verfahrens, da jeder Verlust des Zielproduktes Butadien mit höheren Kosten verbunden ist. In particular, in the production of butadiene from n-butane selective oxygen removal is a prerequisite for the economic feasibility of the process, since any loss of the target product butadiene is associated with higher costs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Entfernung von Sauerstoff aus einem freien Sauerstoff enthaltenden C4-Kohlenwasserstoffstrom durch katalytische Verbrennung, bei dem ein Restsauerstoffgehalt von weniger als 100 ppm oder weniger als 80 ppm oder weniger als 50 ppm oder weniger als 30 ppm oder weniger als 10 ppm oder weni- ger als 1 ppm oder Oppm zugänglich ist und vorzugsweise möglichst wenig C4- Kohlenwasserstoff als Wertprodukt verbraucht wird. It is an object of the present invention to provide a process for the removal of oxygen from a free-oxygen C4 hydrocarbon stream by catalytic combustion, wherein a residual oxygen content of less than 100 ppm or less than 80 ppm or less than 50 ppm or less than 30 ppm or less than 10 ppm or less than 1 ppm or Oppm is accessible and preferably as little as possible C 4 - hydrocarbon is consumed as desired product.
Besonders bevorzugt soll der Restsauerstoffgehalt weniger als 50 ppm betragen. Er wird bestimmt durch elektrochemische Sauerstoffsensoren, wie KE 25 von Figgres oder A-3, B-1 oder B-3 von Teledyne. Nach einer Kalibrierung wird eine Messgenauigkeit von etwa 10 ppm O2 erreicht. Particularly preferably, the residual oxygen content should be less than 50 ppm. It is determined by electrochemical oxygen sensors such as KE 25 from Figgres or A-3, B-1 or B-3 from Teledyne. After calibration, a measurement accuracy of about 10 ppm O2 is achieved.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Entfernung von Sauerstoff aus einem freien Sauerstoff enthaltenden C4-Kohlenwasserstoffstrom durch katalytische Ver- brennung, bei der der freien Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffstrom an einem Katalysatorbett durch katalytische Verbrennung in Anwesenheit oder Abwesenheit von freiem Wasserstoff umgesetzt wird unter Erhalt eines sauerstoffabgereicherten Kohlenwasserstoffstromes, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Verbrennung kontinuierlich durchgeführt wird, die Eintrittstemperatur im Katalysatorbett mindestens 300°C beträgt und die Maximaltemperatur im Katalysatorbett nicht mehr als 700°C beträgt. The object is achieved by a method for the removal of oxygen from a free oxygen-containing C 4 hydrocarbon stream by catalytic combustion, in which the free oxygen-containing hydrocarbon stream is reacted on a catalyst bed by catalytic combustion in the presence or absence of free hydrogen Obtaining an oxygen-depleted hydrocarbon stream, characterized in that the catalytic combustion is carried out continuously, the inlet temperature in the catalyst bed is at least 300 ° C and the maximum temperature in the catalyst bed is not more than 700 ° C.
Erfindungsgemäß bedeutet der Begriff „C4-Kohlenwasserstoffstrom" einen Kohlenwasserstoff- ström, in dem mindestens 60 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 80 Vol.-%, insbesondere mindestens 95 Vol.-% der Kohlenwasserstoffe C4-Kohlenwasserstoffe sind. According to the invention, the term "C 4 -hydrocarbon stream" means a hydrocarbon stream in which at least 60% by volume, preferably at least 80% by volume, in particular at least 95% by volume, of the hydrocarbons are C 4 -hydrocarbons.
Vorzugsweise stammt der C4-Kohlenwasserstoffstrom aus der Butan-Dehydrierung oder Buten- Dehydrierung, insbesondere aus der Oxidehydrierung von Buten zu Butadien. Er enthält vor- zugsweise 0,5 bis 8,0 Vol.-% freien Sauerstoff, bevorzugt 1 ,0 bis 8,0 Vol.-%, besonders bevorzugt 2,0 bis 7,0 Vol. -%, insbesondere 3,0 bis 6,5 Vol.-%. Preferably, the C4 hydrocarbon stream is derived from butane dehydrogenation or butene dehydrogenation, especially from the oxydehydrogenation of butene to butadiene. It preferably contains 0.5 to 8.0% by volume of free oxygen, preferably 1.0 to 8.0% by volume, particularly preferably 2.0 to 7.0% by volume, in particular 3.0 to 6.5% by volume.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der freien Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffstrom eine zur Umsetzung mit dem freien Sauerstoff ausreichende Menge an freiem Wasserstoff und/oder ihm wird diese zugesetzt, und der freie Sauerstoff wird mit dem freien Wasserstoff umgesetzt. According to one embodiment of the invention, the free oxygen-containing hydrocarbon stream contains a sufficient amount of free hydrogen to react with the free oxygen and / or it is added thereto, and the free oxygen is reacted with the free hydrogen.
Alternativ enthält der freien Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffstrom keinen freien Wasserstoff, und ihm wird kein freier Wasserstoff zugesetzt. Alternatively, the free oxygen-containing hydrocarbon stream does not contain free hydrogen and no free hydrogen is added to it.
In diesem Fall kann vorzugsweise der freie Sauerstoff mit im freien Sauerstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffstrom enthaltenem Kohlenwasserstoff oder mit zugesetztem Methanol, Erdgas und/oder Synthesegas als Reduktionsmittel umgesetzt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der erfindungsgemäß eingesetzte C4- Kohlenwasserstoffstrom erhalten gemäß der folgenden Schritte: In this case, it is preferable to react the free oxygen with hydrocarbon contained in the free oxygen or with added methanol, natural gas and / or synthesis gas as the reducing agent. According to one embodiment of the invention, the C4 hydrocarbon stream used according to the invention is obtained according to the following steps:
- Bereitstellung eines n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a; - Providing an n-butane-containing feed gas stream a;
- Einspeisung des n-Butan enthaltenden Einsatzgasstroms a in mindestens eine erste De- hydrier-Zone und nicht-oxidative, katalytische Dehydrierung von n-Butan, wobei ein Feed of the n-butane-containing feed gas stream a into at least one first hydrogenation zone and non-oxidative, catalytic dehydrogenation of n-butane, wherein a
Gasstrom b enthaltend n-Butan, 1 -Buten, 2-Butene, Butadien, Wasserstoff, gegebenenfalls Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoff-Oxide und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird; Gas stream b containing n-butane, 1-butene, 2-butenes, butadiene, hydrogen, optionally water vapor, optionally carbon oxides and optionally inert gases is obtained;
- Einspeisung eines aus dem Gasstrom b gewonnenen Butan, Butene, Butadien enthalten- den Stoffstroms f und eines sauerstoffhaltigen Gases in mindestens eine zweite Dehyd- rier-Zone und oxidative Dehydrierung von 1 -Buten und 2-Butenen, wobei ein Gasstrom g enthaltend n-Butan, nicht umgesetzte(s) 1 -Buten und 2-Butene, Butadien, Wasserdampf, gegebenenfalls Kohlenstoff-Oxide, gegebenenfalls Wasserstoff und gegebenenfalls Inertgase erhalten wird, und  Feed of a stream of butane, butenes, butadiene obtained from the gas stream b and of an oxygen-containing gas into at least one second dehydrogenation zone and oxidative dehydrogenation of 1-butene and 2-butenes, a gas stream g comprising Butane, unreacted (s) 1-butene and 2-butenes, butadiene, water vapor, optionally carbon oxides, optionally hydrogen and optionally inert gases is obtained, and
- Entfernung des in dem Gasstrom g enthaltenen Restsauerstoffs mittels katalytischer Verbrennung unter Erhalt eines Sauerstoff-abgereicherten Stoffstromes h. Für eine Beschreibung der Butan-Dehydrierung und Oxidehydrierung kann auf die eingangs angegebenen Schriften verwiesen werden, insbesondere auf DE-A-10 2004 059 356 (WO 2006/061202), DE-A-10 2004 061 514 (WO 2006/066848), WO 2010/130610, WO 2006/0 50969, DE-A-10 2005 002 127 (WO 2006/075025). - Removal of residual oxygen contained in the gas stream g by means of catalytic combustion to obtain an oxygen-depleted stream h. For a description of the butane dehydrogenation and oxydehydrogenation, reference may be made to the documents mentioned at the outset, in particular to DE-A-10 2004 059 356 (WO 2006/061202), DE-A-10 2004 061 514 (WO 2006/066848), WO 2010/130610, WO 2006/0 50969, DE-A-10 2005 002 127 (WO 2006/075025).
Der die oxidative Dehydrierung verlassende Produktgasstrom enthält neben Butadien und nicht abgetrenntem n-Butan noch Wasserstoff, Kohlenstoffoxide, Sauerstoff und Wasserdampf. Als Nebenbestandteile kann er noch Inertgas, wie Stickstoff, Methan, Ethan, Ethen, Propan und Propen sowie sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, sogenannte Oxigenate, enthalten. The product gas stream leaving the oxidative dehydrogenation contains, in addition to butadiene and non-separated n-butane, hydrogen, carbon oxides, oxygen and water vapor. As minor constituents, it may also contain inert gas, such as nitrogen, methane, ethane, ethene, propane and propene, as well as oxygen-containing hydrocarbons, so-called oxygenates.
Im Allgemeinen weist der die oxidative Dehydrierung verlassende Produktgasstrom 2 bis 40 Vol.-% Butadien, 5 bis 80 Vol.-% n-Butan, 0 bis 15 Vol.-% 2-Butene, 0 bis 5 Vol.-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.-% Inertgas, 0 bis 10 Vol.-% Kohlenstoffoxide, 0 bis 10 Vol.-% Sauerstoff und 0 bis 10 Vol.-% Oxygenate auf, wobei die Gesamtmenge der Inhaltsstoffe 100 Vol-% ergibt. Oxygenate können beispielsweise Furan, Essigsäure, Methacrolein, Maleinsäureanhydrid, Maleinsäure, Phthalsäureanhydrid, Propionsäure, Acetaldehyd, Acrolein, Formaldehyd, Ameisensäure, Benzaldehyd, Benzoesäure und Butyraldehyd sein. Daneben können in Spuren Acetylen, Propin und 1 ,2-Butadien enthalten sein. In general, the product gas stream leaving the oxidative dehydrogenation has from 2 to 40% by volume of butadiene, from 5 to 80% by volume of n-butane, from 0 to 15% by volume of 2-butenes, from 0 to 5% by volume of 1-butene. From 5 to 70% by volume of steam, from 0 to 10% by volume of low-boiling hydrocarbons (methane, ethane, ethene, propane and propene), from 0.1 to 15% by volume of hydrogen, from 0 to 70% by volume of inert gas, 0 to 10% by volume of carbon oxides, 0 to 10% by volume of oxygen and 0 to 10% by volume of oxygenates, the total amount of the ingredients being 100% by volume. Oxygenates may be, for example, furan, acetic acid, methacrolein, maleic anhydride, maleic acid, phthalic anhydride, propionic acid, acetaldehyde, acrolein, formaldehyde, formic acid, benzaldehyde, benzoic acid and butyraldehyde. In addition, acetylene, propyne and 1, 2-butadiene may be present in traces.
Andere Quellen für den freien Sauerstoff enthaltenden C4-Kohlenwasserstoff sind z. B. Raffinat II und Produkte der Ethylendimerisierung. Enthält der Produktgasstrom mehr als nur geringfügige Spuren Sauerstoff, so wird die erfindungsgemäße Verfahrensstufe zur Entfernung von Rest-Sauerstoff aus dem Produktgasstrom durchgeführt. Der Rest-Sauerstoff kann sich insoweit als störend auswirken, als er, z. B. im Falle von Butadien, in nachgelagerten Verfahrensschritten eine Butadienperoxid-Bildung hervorrufen kann und als Initiator für Polymerisationsreaktionen wirken kann. Other sources of the free oxygen-containing C4 hydrocarbon are, for. Raffinate II and products of ethylene dimerization. If the product gas stream contains more than just traces of oxygen, the process stage according to the invention for removing residual oxygen from the product gas stream is carried out. The residual oxygen may be disturbing insofar as he, z. B. in the case of butadiene, in downstream process steps can cause butadiene peroxide formation and can act as an initiator for polymerization reactions.
Vorzugsweise wird die Sauerstoffentfernung im Falle der Butadien-Herstellung unmittelbar nach der oxidativen Dehydrierung durchgeführt. Preferably, the oxygen removal in the case of butadiene production is carried out immediately after the oxidative dehydrogenation.
Der freien Sauerstoff enthaltende C4-Kohlenwasserstoffstrom kann eine zur Umsetzung mit dem freien Sauerstoff ausreichende Menge an freiem Wasserstoff enthalten. Fehlende Mengen oder die Gesamtmenge an benötigtem freiem Wasserstoff kann/können auf dem Kohlenwasserstoffstrom zugesetzt werden. Bei dieser Reaktionsführung kann der freie Sauerstoff mit dem freien Wasserstoff umgesetzt werden, so dass nur ein sehr geringer Anteil des Kohlenwasserstoffs mit dem Sauerstoff umgesetzt wird. Trotz der Gegenwart von Wasserstoff tritt erfindungs- gemäß kaum eine Hydrierung des Kohlenwasserstoffs auf. The free-oxygen C4 hydrocarbon stream may contain sufficient free hydrogen to react with the free oxygen. Missing amounts or the total amount of free hydrogen needed can be added to the hydrocarbon stream. In this reaction, the free oxygen can be reacted with the free hydrogen, so that only a very small proportion of the hydrocarbon is reacted with the oxygen. Despite the presence of hydrogen hardly hydrogenation of the hydrocarbon occurs according to Invention.
In einer alternativen Ausführungsform enthält der freien Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffstrom keinen freien Wasserstoff und ihm wird auch kein freier Wasserstoff zugesetzt. In diesem Fall kann der freie Sauerstoff mit dem im freien Sauerstoff enthaltenden Kohlenwasserstoffstrom enthaltenden Kohlenwasserstoff oder mit zugesetztem Methanol, Erdgas und/oder Synthesegas als Reduktionsmittel umgesetzt werden. Die Verfahrensführung kann dabei isotherm oder adiabatisch sein. Vorteil der Umsetzung des Wasserstoffs ist die Bildung von Wasser als Reaktionsprodukt. Das gebildete Wasser lässt sich durch Auskondensieren leicht abtrennen. In an alternative embodiment, the hydrocarbon stream containing free oxygen contains no free hydrogen and no free hydrogen is also added to it. In In this case, the free oxygen can be reacted with the hydrocarbon stream containing the free oxygen-containing hydrocarbon or with added methanol, natural gas and / or synthesis gas as a reducing agent. The process can be isothermal or adiabatic. Advantage of the implementation of the hydrogen is the formation of water as a reaction product. The water formed can easily be separated by condensation.
Zudem kann ein niedriger Reaktionsdruck von Vorteil sein, da hierdurch ein gesonderter Ver- dichtungsschritt z. B. nach der oxidativen Dehydrierung vermieden werden kann. Ein niedrigerer Umsetzungsdruck erlaubt eine weniger aufwendige Reaktorfertigung und ist aus Sicherheitsgründen vorteilhaft. In addition, a low reaction pressure may be advantageous since this results in a separate compression step z. B. can be avoided after the oxidative dehydrogenation. A lower reaction pressure allows less expensive reactor production and is advantageous for safety reasons.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird daher vorzugsweise bei einem Absolut-Druck von 0,5 bis 20 bar, bevorzugt 0,9 bis 10 bar durchgeführt, besonders bevorzugt 0,9 bis 5 bar, weiter bevorzugt 0,9 bis 3 bar, insbesondere 0,9 bis 2 bar. The process according to the invention is therefore preferably carried out at an absolute pressure of 0.5 to 20 bar, preferably 0.9 to 10 bar, particularly preferably 0.9 to 5 bar, more preferably 0.9 to 3 bar, in particular 0.9 up to 2 bar.
Die Umsetzung erfolgt vorzugsweise bei einer Eintrittstemperatur im Katalysatorbett von 300 bis 450°C, besonders bevorzugt 320 bis 400°C. Diese Temperatur gilt insbesondere bei einem Sauerstoffgehalt von 1 bis 3,5 Vol.-%. Bei höheren Sauerstoffgehalten (z. B. 8 Vol.-%) kann eine Zwischenkühlung erforderlich sein, um die anspruchsgemäßen Temperaturen einzuhalten. The reaction preferably takes place at an inlet temperature in the catalyst bed of from 300 to 450.degree. C., more preferably from 320 to 400.degree. This temperature is especially true at an oxygen content of 1 to 3.5 vol .-%. At higher oxygen levels (eg, 8% by volume), intercooling may be required to meet the temperature requirements.
Die Maximaltemperatur im Katalysatorbett beträgt vorzugsweise nicht mehr als 650°C. Vorzugsweise liegt sie im Bereich von 500 bis 650°C, insbesondere 580 bis 650°C. The maximum temperature in the catalyst bed is preferably not more than 650 ° C. Preferably, it is in the range of 500 to 650 ° C, especially 580 to 650 ° C.
Ist die Umsetzungstemperatur zu niedrig, so kann z. B. Butadien hydriert werden. Ist sie zu hoch, so können Crack-Prozesse auftreten. If the reaction temperature is too low, then z. B. butadiene can be hydrogenated. If it is too high, cracking processes can occur.
Der Reaktortyp ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt. Beispielsweise kann die Umsetzung im Wirbelbett, im Hordenofen, im Festrohr- oder Rohrbündelreaktor oder im Plattenwärmetau- scherreaktor erfolgen. Der Festbettkatalysator kann großtechnisch adiabat betrieben werden. Die Strömung durch die Schüttung kann sowohl axial als auch radial orientiert werden. Ein Radialreaktor könnte für große Volumenströme von Vorteil sein. Aufgrund der hohen zu erwartenden Ausgangstemperatur (bis zu 600°C) kann eine Einspeisung von außen nach innen von Vor- teil sein. Eine Strömung von innen nach außen ergibt dennoch kleinere Druckverluste. Monolith- Reaktoren können für Reaktionen, die wenig Katalysator benötigen, vorteilhaft als Adiabat- Reaktor eingesetzt werden. Da die Rest-Sauerstoff-Konzentration niedrig sein soll, ist ein rückvermischtes System zu vermeiden. Daher hat sich das Reaktorkonzept des Rohrreaktors (Festbett-Reaktor) bewährt. Eine Kaskadierung von rückvermischten Wirbelschicht-Reaktoren oder der Einsatz von Horden-Reaktoren wäre ebenso denkbar. The reactor type is not restricted according to the invention. For example, the reaction can be carried out in a fluidized bed, in a tray oven, in a solid-tube or shell-and-tube reactor or in a plate-type heat exchanger. The fixed bed catalyst can be operated adiabatically on a large scale. The flow through the bed can be oriented both axially and radially. A radial reactor could be advantageous for large volume flows. Due to the high expected starting temperature (up to 600 ° C), an infeed from the outside to the inside can be advantageous. A flow from the inside out nevertheless results in smaller pressure losses. Monolith reactors can be advantageously used as an adiabatic reactor for reactions requiring little catalyst. Since the residual oxygen concentration should be low, a backmixed system should be avoided. Therefore, the reactor concept of the tubular reactor (fixed bed reactor) has proven itself. A cascading of backmixed fluidized bed reactors or the use of Horden reactors would also be conceivable.
Durch Strukturierung eines Festbettes des Katalysators mit Inert-Materialien kann die Temperaturführung angepasst und die Maximaltemperatur im optimalen Bereich gehalten werden. Wird im erfindungsgemäßen Verfahren Wasserstoff im Unterschuss eingesetzt, so kann die Reaktion mit Wasserstoff dazu dienen, eine ausreichend hohe Temperatur für die notwendige Reaktion zwischen Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff zu erreichen. By structuring a fixed bed of the catalyst with inert materials, the temperature control can be adjusted and the maximum temperature can be kept within the optimum range. If hydrogen is used in deficit in the process according to the invention, the reaction with hydrogen can serve to achieve a sufficiently high temperature for the necessary reaction between hydrocarbons and oxygen.
Wird kein Wasserstoff, bzw. ein Wasserstoff-Unterschuss eingesetzt, so reagiert der Sauerstoff vorwiegend mit dem reaktivsten Molekül, beispielsweise Butadien. Hierdurch kommt es zu einer Bildung von Kohlenstoffoxiden und Wasser. Da die Umsetzung von Sauerstoff mit den Kohlenwasserstoffen bei niedriger Temperatur langsamer als mit Wasserstoff abläuft, wird zunächst der Wasserstoff vollständig verbraucht. If no hydrogen or a hydrogen deficiency is used, the oxygen reacts predominantly with the most reactive molecule, for example butadiene. This leads to the formation of carbon oxides and water. Since the reaction of oxygen with the hydrocarbons at low temperature proceeds more slowly than with hydrogen, the hydrogen is first completely consumed.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist die Durchführung dieser katalytischen Reaktion zusammen mit einer oxidativen Dehydrierung in einem Reaktor mit 2 Katalysatoren und gegebenenfalls Zwischeneinspeisung des Verbrennungsgases nach der Dehydrierschüttung. A further embodiment of the invention is the implementation of this catalytic reaction together with an oxidative dehydrogenation in a reactor with 2 catalysts and, optionally, intermediate feed of the combustion gas after the Dehydrierschüttung.
Erfindungsgemäß bedeutet der Begriff„Katalysatorbett" den Bereich eines Reaktors, in dem der Katalysator als Festbett-Katalysator vorliegt. Es kann sich um eine Katalysatorschüttung, einen oder mehrere Katalysatormonolithen oder andere strukturierte Packungen handeln. Gegebenenfalls enthält der für die katalytische Verbrennung eingesetzte Reaktor, der kontinuierlich durchströmt wird, zunächst ein Inert-Materialbett, das eine Temperierung der einzusetzenden Gase erlaubt. Hieran schließt sich das Katalysatorbett an. Die Eintrittstemperatur im Katalysatorbett bezieht sich auf den Bereich des Katalysatorbetts, in den das umzusetzende Gasgemisch eintritt. According to the invention, the term "catalyst bed" means the area of a reactor in which the catalyst is present as a fixed-bed catalyst.This can be a catalyst bed, one or more catalyst monoliths or other structured packings.If necessary, the reactor used for the catalytic combustion contains The inlet temperature in the catalyst bed refers to the area of the catalyst bed into which the gas mixture to be reacted enters.
Die katalytische Verbrennung kann an beliebigen geeigneten Katalysatoren durchgeführt werden, wie sie beispielsweise auch im vorstehend aufgeführten Stand der Technik beschrieben sind, insbesondere in WO 2006/061202. Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein Katalysator eingesetzt, der mindestens ein Edelmetall und/oder mindestens ein Übergangsmetall auf einem Träger enthält. The catalytic combustion can be carried out on any suitable catalysts, as described, for example, in the above-mentioned prior art, in particular in WO 2006/061202. According to the invention, preference is given to using a catalyst which comprises at least one noble metal and / or at least one transition metal on a support.
Als Edelmetalle kommen dabei insbesondere Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Au und Ag und deren Gemische in Betracht. Suitable noble metals are in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Au and Ag and mixtures thereof.
Geeignete Übergangsmetalle sind vorzugsweise solche der Gruppen 7 bis 14 des Periodensystems der Elemente, besonders bevorzugt Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Sn. Besonders bevorzugt wird Sn eingesetzt. Suitable transition metals are preferably those of groups 7 to 14 of the Periodic Table of the Elements, more preferably Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Sn. Sn is particularly preferably used.
Als Edelmetall wird bevorzugt Platin oder eine platinhaltige Legierung eingesetzt. Insbesondere bevorzugt ist die Kombination aus Platin und Zinn als Aktivmetalle. Dabei beträgt der Anteil an Platin, bezogen auf den gesamten Katalysator, vorzugsweise 0,01 bis 1 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,02 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-%. Zinn wird ebenfalls bevorzugt in einer Menge, bezogen auf den gesamten Katalysator, von 0,01 bis 1 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,02 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% eingesetzt. Platinum or a platinum-containing alloy is preferably used as the noble metal. Particularly preferred is the combination of platinum and tin as active metals. The proportion of platinum, based on the total catalyst, preferably 0.01 to 1 wt .-%, more preferably 0.02 to 0.5 wt .-%, in particular 0.05 to 0.2 wt .-% , Tin is likewise preferably present in an amount, based on the total catalyst, of from 0.01 to 1% by weight, more preferably from 0.02 to 0.5% by weight, in particular from 0.05 to 0.2% by weight. % used.
Das Gewichtsverhältnis von Zinn zu Platin beträgt vorzugsweise 1 :4 bis 4:1 , besonders bevor- zugt 1 :2 bis 2:1 , insbesondere etwa 1 :1. The weight ratio of tin to platinum is preferably 1: 4 to 4: 1, more preferably 1: 2 to 2: 1, in particular about 1: 1.
Neben Platin und Zinn können gegebenenfalls Alkali- und/oder Erdalkalimetall-Verbindungen in Mengen < 2 Gew.-%, insbesondere < 0,5 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Katalysator, mitverwendet werden. Besonders bevorzugt enthält der Katalysator ausschließlich Platin und Zinn als Aktivmetalle. In addition to platinum and tin, alkali metal and / or alkaline earth metal compounds may optionally be used in amounts of <2% by weight, in particular <0.5% by weight, based on the total catalyst. Particularly preferably, the catalyst contains only platinum and tin as active metals.
Als Katalysatorträger können beliebige geeignete feste Trägermaterialien eingesetzt werden. Vorzugsweise ist der Träger α-Aluminiumoxid oder Zeolith A, insbesondere a-Aluminiumoxid. Er weist vorzugsweise eine BET-Oberfläche von 0,5 bis 15 m2/g auf, bevorzugt 2 bis 14 m2/g, ins- besondere 7 bis 1 1 m2/g. Als Träger wird bevorzugt ein Formkörper eingesetzt. Bevorzugte Geometrien sind beispielsweise Tabletten, Ringtabletten, Kugeln, Zylinder, Sternstränge oder zahnradformige Stränge mit Durchmessern von 1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 6 mm. Besonders bevorzugt sind Kugeln oder Zylinder, insbesondere Kugeln. Beim Einsatz dieses Katalysators kann ausgehend von einem butadienhaltigen C4-As catalyst support, any suitable solid support materials can be used. Preferably, the carrier is α-alumina or zeolite A, especially α-alumina. It preferably has a BET surface area of 0.5 to 15 m 2 / g, preferably 2 to 14 m 2 / g, in particular 7 to 1 1 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 balls. When using this catalyst, starting from a butadiene-containing C 4 -
Kohlenwasserstoff-Strom der Butadienverlust unterdrückt und gleichzeitig der Restsauerstoff sicher entfernt werden. Durch Einsatz des Katalysators im erfindungsgemäßen Temperaturbereich treten wenig Nebenreaktionen auf, und die Umsetzung kann mit einem Wasserstoff- Überschuss, Wasserstoff-Unterschuss oder in Abwesenheit von Wasserstoff durchgeführt wer- den. Hydrocarbon stream butadiene loss is suppressed and at the same time the residual oxygen is safely removed. By using the catalyst in the temperature range according to the invention, few secondary reactions occur and the reaction can be carried out with an excess of hydrogen, hydrogen deficiency or in the absence of hydrogen.
Die Umsetzung erfolgt alternativ an einem Katalysator, enthaltend auf Zeolith A als Träger 0,01 bis 0,5 Gew.-% Platin, bezogen auf den Katalysator, und gegebenenfalls Zinn, wobei das Gewichtsverhältnis Sn : Pt 0 bis 10 beträgt. The reaction is alternatively carried out on a catalyst containing on zeolite A as a carrier 0.01 to 0.5 wt .-% of platinum, based on the catalyst, and optionally tin, wherein the weight ratio Sn: Pt is 0-10.
Dieser Katalysator enthält bevorzugt Zeolith A als Träger. Dabei liegen, bezogen auf den Träger, vorzugsweise mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, insbesondere mindestens 95 Gew.-% Zeolith A im Träger vor. Insbesondere ist der Träger ganz aus Zeolith A aufgebaut. This catalyst preferably contains zeolite A as a carrier. In this case, based on the carrier, preferably at least 80 wt .-%, more preferably at least 90 wt .-%, in particular at least 95 wt .-% zeolite A in the carrier before. In particular, the support is constructed entirely of zeolite A.
Zeolith A ist ein synthetisches, kristallines Alumosilikat und hat in seiner hydratisierten Natrium- Form die Summenformel Nai2((AI02)i2(Si02)i2) x 27 H2O. Die Bezeichnung„Zeolith A" umfasst verschiedene Varianten dieser Verbindung, die alle das gleiche Alumosilikat-Gitter aufweisen. Sie können jedoch anstelle von Natriumionen andere Ionen wie Kalium oder Calcium enthalten. Auch wasserarme oder wasserfreie Formen werden erfindungsgemäß zu Zeolith A gezählt. Andere Bezeichnungen sind Molsieb A, Molekularsieb A, LTA (Linde-Typ A), MS 5 A (mit Ca), MS 4 A (mit Na), NF3 A (mit K), Sasil®. Zeolite A is a synthetic, crystalline aluminosilicate and in its hydrated sodium form has the empirical formula Nai2 ((AlO2) i2 (SiO2) i2) x 27 H2O. The term "zeolite A" encompasses various variants of this compound, all of which have the same aluminosilicate lattice. However, instead of sodium ions, they may contain other ions such as potassium or calcium. Also low-water or anhydrous forms are counted according to the invention to zeolite A. Other designations are molecular sieve A, molecular sieve A, LTA (Linde type A), MS 5 A (with Ca), MS 4 A (with Na), NF3 A (K), Sasil ®.
Zeolith A hat eine Gerüststruktur aus AIC und SiC -Tetraedern. Sie bilden ein kovalentes Gitter mit Hohlräumen, die in der Regel Wasser enthalten. AIC und SiC -Tetraeder liegen dabei im Mengenverhältnis 1 : 1 vor. Dabei sind im Wechsel Aluminium- und Silizium-Atome untereinander über Sauerstoffatome verbunden. Insgesamt ergibt sich eine negative Ladung, die durch ionische Verbindungen mit Kationen wie Natriumionen ausgeglichen wird. Als räumliche Struktur weist Zeolith A einen so genannten Sodalith-Käfig auf. Zeolite A has a framework structure of AIC and SiC tetrahedra. They form a covalent lattice with cavities, which usually contain water. AIC and SiC tetrahedra are present in a ratio of 1: 1. In this case, aluminum and silicon atoms are alternately connected to one another via oxygen atoms. Overall, there is a negative charge, which is compensated by ionic compounds with cations such as sodium ions. As a spatial structure, zeolite A has a so-called sodalite cage.
Dieser Katalysator enthält bevorzugt 0,01 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,3 Gew.-% Platin, bezogen auf den Katalysator. Er kann zudem Zinn enthalten, wobei das Gewichtsverhältnis Sn : Pt 0 bis 10, vorzugsweise 0 bis 7, besonders bevorzugt 0 bis 3 beträgt. Bei der Mitverwendung von Zinn beträgt das Gewichtsverhältnis Sn : zPt vorzugsweise 0,5 bis 10, besonders bevorzugt 0,7 bis 4, insbesondere 0,9 bis 1 ,1. Speziell bevorzugt ist ein Gewichtsverhältnis Sn : Pt von 1 : 1. Dieser Katalysator kann bevorzugt neben Platin und Zinn auch weitere Metalle enthalten, beispielsweise Alkali- und/oder Erdalkalimetall-Verbindungen, vorzugsweise in Mengen < 2 Gew.- %, insbesondere < 0,5 Gew.-%, bezogen auf den Katalysator. Besonders bevorzugt enthält der Katalysator ausschließlich Platin und gegebenenfalls Zinn als Aktivmetalle. Im fertigen Katalysator beträgt die BET-Oberfläche vorzugsweise 10 bis 80 m2/g, besonders bevorzugt 15 bis 50 m2/g, insbesondere 20 bis 40 m2/g. This catalyst preferably contains 0.01 to 0.5 wt .-%, preferably 0.05 to 0.4 wt .-%, in particular 0.1 to 0.3 wt .-% of platinum, based on the catalyst. It may also contain tin, wherein the weight ratio Sn: Pt 0 to 10, preferably 0 to 7, particularly preferably 0 to 3. When using tin, the weight ratio Sn: zPt is preferably 0.5 to 10, particularly preferably 0.7 to 4, in particular 0.9 to 1.1. Especially preferred is a weight ratio Sn: Pt of 1: 1. In addition to platinum and tin, this catalyst may preferably also contain further metals, for example alkali metal and / or alkaline earth metal compounds, preferably in amounts of <2% by weight, in particular <0, 5 wt .-%, based on the catalyst. Particularly preferably, the catalyst contains only platinum and optionally tin as active metals. In the finished catalyst, the BET surface area is preferably 10 to 80 m 2 / g, particularly preferably 15 to 50 m 2 / g, in particular 20 to 40 m 2 / g.
Der Katalysator kann dabei in beliebiger geeigneter Form eingesetzt werden. Vorzugsweise wird er als Formkörper mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 10 mm, beson- ders bevorzugt 2 bis 8 mm, insbesondere 2,5 bis 5 mm eingesetzt. Der Formkörper kann dabei jede beliebige geeignete Form aufweisen, er kann als Strang, Tablette, Granulat, Split oder vorzugsweise in Kugelform mit dem angegebenen mittleren Durchmesser vorliegen. Weitere mögliche Formkörper sind Ringtabletten, Zylinder, Sternstränge oder zahnradförmige Stränge. Alternativ können die genannten Katalysatoren als Monolith vorliegen, wobei der Monolith den Katalysator als Washcoat auf einer Trägerstruktur aufweisen kann. Diese Trägerstruktur kann die dreidimensionale Struktur des Monolithen vorgeben. Beispielsweise kann die Trägerstruktur aus Cordierit aufgebaut sein. Der Anteil des Washcoats am gesamten Monolithen beträgt vorzugsweise 0,5 bis 5 g/inch3. The catalyst can be used in any suitable form. Preferably, it is used as a shaped body having an average diameter in the range of 1 to 10 mm, more preferably 2 to 8 mm, in particular 2.5 to 5 mm. The molding may have any suitable shape, it may be in the form of a strand, tablet, granules, split or preferably in spherical form with the specified average diameter. Other possible shaped bodies are ring tablets, cylinders, star strands or gear-shaped strands. Alternatively, said catalysts may be present as a monolith, wherein the monolith may comprise the catalyst as a washcoat on a support structure. This support structure can dictate the three-dimensional structure of the monolith. For example, the support structure may be constructed of cordierite. The proportion of washcoat in the entire monolith is preferably 0.5 to 5 g / in 3 .
Der Katalysator kann durch beliebige geeignete Verfahren hergestellt werden. Vorzugsweise wird er durch Tränken des Trägers mit einer Lösung einer Platinverbindung und gegebenenfalls einer Zinnverbindung und anschließendes Trocknen und Calcinieren hergestellt. Beispielsweise kann Platinnitrat als wässrige Lösung zum Tränken des Trägers eingesetzt werden. An die Tränkung kann sich eine Trocknung, vorzugsweise bei 80 bis 150°C und ein Calcinieren, vorzugsweise bei 200 bis 500°C, anschließen. Getrocknet wird vorzugsweise für einen Zeitraum im Bereich von 1 bis 100 Stunden, besonders bevorzugt 5 bis 20 Stunden. Das Calcinieren wird vorzugsweise für einen Zeitraum von 1 bis 20 Stunden, besonders bevorzugt 2 bis 10 Stunden, durchgeführt. The catalyst can be prepared by any suitable method. Preferably, it is obtained by impregnating the carrier with a solution of a platinum compound and optionally a tin compound and then dried and calcined. For example, platinum nitrate can be used as an aqueous solution for impregnating the carrier. The impregnation may be followed by drying, preferably at 80 to 150 ° C. and calcination, preferably at 200 to 500 ° C. It is preferably dried for a period in the range of 1 to 100 hours, more preferably 5 to 20 hours. The calcining is preferably carried out for a period of 1 to 20 hours, more preferably 2 to 10 hours.
An die eigentliche Katalysatorherstellung kann sich eine Silylierung anschließen, beispielsweise durch Verwendung einer wässrigen kolloidalen Dispersion sehr kleiner Siliziumdioxid-Partikel, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung Ludos® von der Helm AG verfügbar sind. Auch diese Silylierung kann durch Tränkung mit nachfolgender Trocknung und Calcinierung, wie sie vorstehend beschrieben ist, erfolgen. Der erfindungsgemäß eingesetzte Katalysator zeichnet sich insbesondere durch eine Langzeitstabilität aus, speziell bei der Butan- oder Buten-Dehydrierung zur Herstellung von Butadien, wobei aus dem butadienhaltigen Produktstrom freier Sauerstoff abgetrennt werden soll. To the actual catalyst production, a silylation can connect, for example by use of an aqueous colloidal dispersion of very small silica particles such as are available for example under the name Ludo ® from Helm AG. This silylation can also be effected by impregnation with subsequent drying and calcination, as described above. The catalyst used according to the invention is distinguished in particular by a long-term stability, especially in the butane or butene dehydrogenation for the preparation of butadiene, wherein free oxygen is to be separated from the butadiene-containing product stream.
Der bevorzugt eingesetzte Katalysator hat dabei den Vorteil, dass er insbesondere die Umset- zung von Wasserstoff mit Sauerstoff katalysiert, ohne dass es dabei zu einer nennenswerten Umsetzung von Kohlenwasserstoff mit dem freien Sauerstoff kommt. Im Falle der Herstellung von Butadien aus Buten oder n-Butan kommt es dabei vorzugsweise nicht zu einer Umsetzung des Butadiens mit dem freien Sauerstoff. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes des erfindungsgemäßen Katalysators ist seine Stabilität gegenüber Wasser im Feed, insbesondere bei 5 bis 30 % Wasser im Feed. The catalyst used with preference has the advantage that it catalyzes, in particular, the reaction of hydrogen with oxygen, without there being any appreciable conversion of hydrocarbon with the free oxygen. In the case of the production of butadiene from butene or n-butane preferably does not result in a reaction of the butadiene with the free oxygen. Another advantage of using the catalyst of the invention is its stability to water in the feed, especially at 5 to 30% water in the feed.
Beispielsweise erfolgt die Herstellung von Butadien aus n-Butan durch Einspeisung eines n- Butan enthaltenden Einsatzgasstroms in mindestens einer ersten Dehydrier-Zone und nicht- oxidative katalytische Dehydrierung des n-Butans, wobei ein Produktgasstrom enthaltend n- Butan, 1 -Buten, 2-Buten, Butadien, Wasserstoff, leichtsiedende Nebenbestandteile, gegebenenfalls Kohlenstoffoxide und gegebenenfalls Wasserdampf erhalten wird. Dieser Produktgasstrom wird zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas in mindestens eine zweite Dehydrier-Zone zur oxidativen Dehydrierung geführt, wobei ein Produktgasstrom erhalten wird, der n- Butan, 2-Butene, Butadiene, leichtsiedende Nebenbestandteile, Kohlenstoffoxide sowie Wasserdampf enthält. For example, the production of butadiene from n-butane by feeding a feed stream containing n-butane in at least a first dehydrogenation zone and non-oxidative catalytic dehydrogenation of n-butane, wherein a product gas stream containing n-butane, 1-butene, 2 Butene, butadiene, hydrogen, low-boiling minor components, optionally carbon oxides and optionally water vapor is obtained. This product gas stream, together with an oxygen-containing gas, is passed into at least one second dehydrogenation zone for oxidative dehydrogenation to give a product gas stream containing n-butane, 2-butenes, butadienes, low-boiling minor components, carbon oxides and water vapor.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert. Beispiele The invention is explained in more detail by the following examples. Examples
Die katalytische Sauerstoffentfernung wurde in einem Adiabatreaktor untersucht. Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des Reaktors, dessen Abmessungen wie folgt aufgelistet sind: Länge: 200 cm Catalytic oxygen removal was studied in an adiabatic reactor. Fig. 1 shows schematically the structure of the reactor whose dimensions are listed as follows: Length: 200 cm
Aussendurchmesser: 2,5 cm  Outer diameter: 2.5 cm
Wandstärke: 0,2 cm  Wall thickness: 0.2 cm
Innendurchmesser: 2,1 cm Inner diameter: 2.1 cm
Aussendurchmesser der Thermohülse: 3.1 mm  Outer diameter of the thermowell: 3.1 mm
Werkstoff: Stahl (1 .4841 )  Material: Steel (1 .4841)
Dabei bedeuten in Fig. 1 : In this case, in FIG. 1:
In: Inertmaterial In: inert material
Co: Kupferblock  Co: copper block
Ca: Katalysator  Ca: catalyst
He: Heizelement in Zone 3  He: heating element in zone 3
Th: Thermoelement Th: thermocouple
Der Reaktor besteht im Wesentlichen aus 2 Zonen. In der ersten Heizzone wird eine inerte Schüttung auf die erwünschte Temperatur durch eine Begleitbeheizung vorgeheizt. Zwischen der Begleitbeheizung und dem Reaktor liegt ein Kupferblock, um eine homogene Verteilung der Wärme in der ersten Zone zu ermöglichen. Der Katalysator wird in die zweite Zone eingebracht. Der Reaktor wird in diesem Abschnitt mit Dämmmaterial umrahmt, um den Wärmeverlust niedrig zu halten. Zwei Begleitbeheizungen sind außerdem in den Dämmstoff eingebracht worden, um einen Temperaturausgleich zwischen dem Inneren des Reaktors und dem Außenraum zu ermöglichen. The reactor consists essentially of 2 zones. In the first heating zone, an inert bed is preheated to the desired temperature by an accompanying heating. Between the accompanying heating and the reactor is a copper block to allow a homogeneous distribution of heat in the first zone. The catalyst is introduced into the second zone. The reactor is framed in this section with insulation material to keep heat loss low. Two companion heaters have also been placed in the insulation to allow for temperature compensation between the interior of the reactor and the exterior.
In der Mitte des Reaktors befindet sich eine Thermohülse, in der Thermoelemente platziert sind. Diese Thermoelemente ermöglichen die Aufnahme eines axialen Temperaturprofils in der kata- lytischen Schüttung. Ein pneumatisch betriebenes, multiples Thermoelement mit vier Mess- Stellen wurde zur Bestimmung der Temperaturprofile mit einer Auflösung von 2 cm im Katalysa- torbett eingesetzt. Das Katalysatorbett wurde zwischen einem Inert-Material (Steatit) gepackt, das als Schutzbett diente. In the middle of the reactor is a thermowell, in which thermocouples are placed. These thermocouples enable the recording of an axial temperature profile in the catalytic bed. A pneumatically operated, multiple thermocouple with four measuring points was used to determine the temperature profiles with a resolution of 2 cm in the catalyst bed. The catalyst bed was packed between an inert material (steatite) which served as a guard bed.
Der Reaktor wird von oben nach unten mit dem Gas durchströmt. The reactor is flowed through from top to bottom with the gas.
Der Reaktor wurde mit den folgenden typischen Bedingungen betrieben The reactor was operated under the following typical conditions
Katalysatorvolumen: 75 ml_ Catalyst volume: 75 ml_
Katalysatormasse: 54.6 g  Catalyst mass: 54.6 g
Eingangstemperatur: 150 - 450 °C  Inlet temperature: 150 - 450 ° C
Ausgangsdruck: 1 .5 - 2.5 bara  Outlet pressure: 1 .5 - 2.5 bara
GHSV: 10000 - 12 000 Nlgas IKat-1 h-1  GHSV: 10000 - 12 000 Nlgas IKat-1 h-1
Sauerstoffeintrittskonzentration: 3 Vol.-%  Oxygen entry concentration: 3 vol.%
Verhältnis Wasserstoff/Sauerstoff: 2.1 - 2.5% Kohlenwasserstoff-Konzentration: ca. 20 Vol.-% Ratio hydrogen / oxygen: 2.1 - 2.5% Hydrocarbon concentration: approx. 20% by volume
Wasserkonzentration: ca. 13 Vol.-% Water concentration: approx. 13 Vol .-%
Rest: Stickstoff  Rest: nitrogen
Herstellung des Katalysators Preparation of the catalyst
Der Katalysator enthält 99,7 Gew.-% Zeolith-A, Molekularsieb 3A (der Roth-GmbH), 0,3 mm Typ 562 C, Perlform, Kugeln mit einem Durchmesser im Bereich von 2,5 bis 5 mm, sowie 0,3 Gew.-% Platin. The catalyst contains 99.7% by weight of zeolite A, molecular sieve 3A (of Roth GmbH), 0.3 mm of type 562 C, bead form, spheres with a diameter in the range of 2.5 to 5 mm, and 0, 3% by weight of platinum.
Zur Herstellung werden 1000 g Molekularsieb und 5,2 g Platinnitrat eingesetzt. Platinnitrat wird in Wasser gelöst, und die Lösung wird auf 460 ml Gesamtlösung aufgefüllt. Der Träger wird sodann zu 100 % seiner Wasseraufnahme getränkt. Hierzu wurde das Molekularsieb in zwei Porzellanschalen verteilt, die Tränklösung aufgetrennt, und es wurde gut gemischt. For the preparation, 1000 g of molecular sieve and 5.2 g of platinum nitrate are used. Platinum nitrate is dissolved in water and the solution is made up to 460 ml of total solution. The carrier is then soaked to 100% of its water absorption. For this purpose, the molecular sieve was distributed in two porcelain dishes, separated the impregnation solution, and it was mixed well.
Es schloss sich eine Trocknung für 16 Stunden bei 120°C im Umluft-T rockenschrank und eine Calcinierung für vier Stunden bei 400°C im Muffelofen an. Zur Silylierung wurde der so erhaltene Katalysator in einem Becherglas vorgelegt und eine Lösung von Ludox und Wasser im Verhältnis 1 : 10 (Endkonzentration 4 Gew.-%) hergestellt. Die Menge wurde so bemessen, dass der Katalysator im Becherglas gut überdeckt werden konnte. In regelmäßigen Abständen wurde umgerührt und nach 40 Minuten über einen Faltenfilter abfiltriert. Es schloss sich wiederum eine Trocknung für 16 Stunden bei 120°C im Umluft- Trockenschrank und eine nachfolgende Calcinierung für 4 Stunden bei 400°C im Muffelofen an. It was followed by drying for 16 hours at 120 ° C in a circulating air T rockenschrank and calcination for four hours at 400 ° C in a muffle furnace. For silylation, the catalyst thus obtained was placed in a beaker and a solution of Ludox and water in the ratio 1:10 (final concentration 4 wt .-%) was prepared. The amount was calculated so that the catalyst in the beaker could be well covered. The mixture was stirred at regular intervals and filtered off after 40 minutes through a pleated filter. It was then followed by drying for 16 hours at 120 ° C in a convection oven and subsequent calcination for 4 hours at 400 ° C in a muffle furnace.
Die Elementaranalyse ergab einen Pt-Anteil im Katalysator von 0,27 Gew.-%. The elemental analysis showed a Pt content in the catalyst of 0.27 wt .-%.
Die Versuche mit diesem Katalysator zeigen, dass die Sauerstoffentfernung eine schnelle Re- aktion ist und somit bei hohen Lasten betrieben werden (bis 1 1000 Nlgas/IKat/h-1 ) kann. Die Spezifikation von 100 ppm kann für Eintrittstemperaturen in der Katalysatorschüttung größergleich 290 °C für GHSV von ca. 1 1000 h-1 erfüllt werden. Ist die Temperatur zu niedrig (< 290°C), werden die in dem Eduktstrom vorliegenden Kohlenwasserstoffe signifikant umgesetzt. Z.B. bei 290°C liegt der Umsatz der Gesamtkohlenwasserstoffe bei ca. 4%. Dabei sind die Hauptprodukte Buten (Selektivität über 75 %) und COx. Wird die Temperatur am Reaktoreingang erhöht, wird die Spezifikation um 02 nach wie vor erreicht, allerdings nimmt der Umsatz der Kohlenwasserstoffe deutlich ab (2% bei ca. 350°C). The experiments with this catalyst show that the oxygen removal is a fast reaction and thus can be operated at high loads (up to 1 1000 Nlgas / IKat / h-1). The specification of 100 ppm can be fulfilled for inlet temperatures in the catalyst bed of equal size 290 ° C for GHSV of about 1 1000 h-1. If the temperature is too low (<290 ° C), the hydrocarbons present in the educt stream are significantly converted. For example, at 290 ° C, the conversion of total hydrocarbons is about 4%. The main products are butene (selectivity over 75%) and COx. If the temperature at the reactor inlet is increased, the specification is still around 02, but the conversion of the hydrocarbons decreases significantly (2% at about 350 ° C).
Temperaturführung: Temperature control:
Fig. 2 zeigt die ermittelten axialen Temperaturprofile für verschiedene Eintrittstemperaturen. Aufgetragen ist die Temperatur in °C über die Länge des (Katalysator)betts in cm. Ab Länge Null liegt Katalysator vor. Der Sauerstoffgehalt im Eingangsstrom betrug 3 Vol.-%, das Mol- Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff 2,6, die GHSV etwa 1 1000 r1, die Temperatur der Heizmanschetten etwa 496°C. Bei jedem Versuch wurde die 02-Spezifikation erfüllt und spiegelt sich durch die Temperaturerhöhung wider, die für alle Versuche beinahe gleich ist. Sie entspricht außerdem der Adiabattemperatur-Erhöhung. Ersichtlich ist, dass nach der Hälfte der Bettlänge die Temperaturerhöhung schon 90 % der maximalen Temperaturerhöhung erreicht hat. Sollte die Rest-Sauerstoffspezifikation geringer als 100 ppm sein, könnte die GHSV weiter erhöht werden. Fig. 2 shows the determined axial temperature profiles for different inlet temperatures. The temperature is plotted in ° C over the length of the (catalyst) bed in cm. From zero length, catalyst is present. The oxygen content in the input stream was 3 vol.%, The molar Ratio of hydrogen to oxygen 2.6, the GHSV about 1 1000 r 1 , the temperature of the heating sleeves about 496 ° C. In each experiment, the 02 specification was met and reflected by the temperature increase, which is almost the same for all experiments. It also corresponds to the adiabatic temperature increase. It is apparent that after half the bed length, the temperature increase has already reached 90% of the maximum temperature increase. Should the residual oxygen specification be less than 100 ppm, the GHSV could be further increased.
Ohne Wasserstoff: Without hydrogen:
Alternativ zum Verfahren mit Wasserstoff, kann der Sauerstoffgehalt im Abgasstrom durch kata- lytische Reaktion mit den im Gas vorliegenden Kohlenwasserstoffen reduziert werden. Der Sauerstoff wird vorwiegend mit dem reaktivsten Molekül reagieren, d.h. in diesem Fall Butadien, und führt zur Bildung von CO2 und H2O. Die Reaktion von O2 mit den Kohlenwasserstoffen ist bei niedriger Temperatur langsamer als mit Wasserstoff. Damit sollte diese Reaktion bevorzugt bei niedrigeren Katalysatorbelastungen und/oder bei höherer Temperatur durchgeführt werden (Vergleich zur Wasserstoff-Fahrweise). Eine schnelle Abreaktion vom O2 scheint dennoch die Rußbildung zu hemmen, so dass höhere Temperaturen zu bevorzugen wären. Bei höheren Temperaturen ist diese Reaktion vergleichbar schnell wie die Knallgasreaktion und kann ähnli- cherweise mit hohen Lasten durchgeführt werden (Versuch mit GHSV = 10500 h-1 , Eingangstemperatur 400°C). As an alternative to the process with hydrogen, the oxygen content in the exhaust gas stream can be reduced by catalytic reaction with the hydrocarbons present in the gas. The oxygen will react predominantly with the most reactive molecule, i. in this case butadiene, and leads to the formation of CO2 and H2O. The reaction of O2 with the hydrocarbons is slower at low temperature than with hydrogen. Thus, this reaction should preferably be carried out at lower catalyst loadings and / or at a higher temperature (compared to the hydrogen mode). Nevertheless, a fast reaction of the O2 seems to inhibit soot formation, so that higher temperatures would be preferable. At higher temperatures, this reaction is comparably fast as the oxyhydrogen reaction and can similarly be carried out at high loads (experiment with GHSV = 10500 h-1, inlet temperature 400 ° C).
Hybridfahrweise: Sollte ein Gasstrom H2 beinhalten (z.B. aus der BDH-Stufe), könnte er zwecks 02-Entfernung in die O2-Ent.fernung-St.ufe eingeleitet werden. Sauerstoff wird mit Wasserstoff bevorzugt bei niedrigeren Temperaturen reagieren. Ist Wasserstoff im Unterschuss, reagiert der Rest O2 mit den Kohlenwasserstoffen weiter. Die Reaktion mit H2 kann auch dazu dienen, eine ausreichend hohe Temperatur für die Reaktion zwischen den Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff zu erzielen (Zündung). Zum Beispiel wird die ODH-Stufe je nach eingesetztem Katalysator zwischen 320 und 420°C betrieben. Sollte diese Stufe bei der niedrigen Temperatur betrieben werden, wäre ein Wärmetauscher zwischen den ODH-und 02-Entfernungsstufen vorteilhaft, um das Gasgemisch auf die erwünschte Temperatur einzubringen. Die Erfahrung zeigt aber, dass ein Gemisch aus Butadien und Sauerstoff für Temperaturen höher als 250°C zur Bildung polymerarti- ger Ablagerung neigt. Aus diesem Grunde ist eine schnelle Temperaturerhöhung mit schnellem Abbau von O2 wünschenswert. Zu diesem Zweck kann Wasserstoff so hinzudosiert werden, dass eine ausreichend hohe Temperatur für die katalytische Verbrennung von Butadien mit O2 erreicht wird. Das Betreiben eines zusätzlichen Wärmetauschers bleibt dem Verfahren erspart, und die Verstopfungsgefahr der Anlage wird dadurch reduziert. Hybrid mode: Should a gas flow contain H2 (e.g., from the BDH stage), it could be introduced to the 02 removal stage for 02 removal. Oxygen will react with hydrogen, preferably at lower temperatures. If hydrogen is in excess, the remainder of O2 reacts with the hydrocarbons. The reaction with H2 can also serve to achieve a sufficiently high temperature for the reaction between the hydrocarbons and oxygen (ignition). For example, depending on the catalyst used, the ODH stage is operated between 320 and 420 ° C. Should this stage be operated at the low temperature, a heat exchanger between the ODH and O2 removal stages would be advantageous to bring the gas mixture to the desired temperature. However, experience shows that a mixture of butadiene and oxygen tends to form polymer-like deposits for temperatures higher than 250 ° C. For this reason, a rapid increase in temperature with rapid degradation of O2 is desirable. For this purpose, hydrogen can be metered in so that a sufficiently high temperature for the catalytic combustion of butadiene with O2 is achieved. The operation of an additional heat exchanger is spared the process, and the risk of clogging of the system is thereby reduced.
Beispiel 2 Example 2
Sauerstoff-Entfernung mit Wasserstoff: Die katalytische Sauerstoffentfernung wurde in einem wandgekühlten Reaktor untersucht. Die Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau des Reaktors, dessen Abmessungen wie folgt aufgelistet sind: Oxygen removal with hydrogen: The catalytic oxygen removal was investigated in a wall-cooled reactor. Fig. 3 shows schematically the structure of the reactor whose dimensions are listed as follows:
Länge: 200 cm Length: 200 cm
Außendurchmesser: 2,5 cm  Outer diameter: 2.5 cm
Wandstärke: 0,2 cm Wall thickness: 0.2 cm
Innendurchmesser: 2,1 cm Inner diameter: 2.1 cm
Außendurchmesser der Thermohülse 3.1 mm Outer diameter of the thermowell 3.1 mm
Werkstoff: Stahl (1 .4841 ) Material: Steel (1 .4841)
Dabei bedeuten in Fig. 3: In this case, in FIG. 3:
HA: Hauptstrom HA: main stream
Ku: Kupferblöcke  Ku: copper blocks
In: Inertschüttung  In: inert packing
Ka: Katalysator  Ka: catalyst
Re: Reaktorwand  Re: reactor wall
Th: Thermohülse  Th: thermowell
Be: Beheizung  Be: heating
Wä: Wärmedämmung  Wä: thermal insulation
Ab: Abgasstrom Der Reaktor besteht aus 3 Heizzonen und ist mit Kupferblöcken versehen, damit sich ein uniformes Temperaturfeld an der Reaktorwand einstellen lässt. In der ersten Heizzone wird eine inerte Schüttung auf die erwünschte Temperatur vorgeheizt. In der zweiten Heizzone wird die Wandtemperatur der katalytischen Schüttung eingestellt. In der Mitte des Reaktors befindet sich eine Thermohülse, in der Thermoelemente platziert sind. Diese Thermoelemente ermöglichen die Aufnahme eines axialen Temperaturprofils in der katalytischen Schüttung. Ein pneumatisch betriebenes, multiples Thermoelement mit vier Mess- Stellen wurde zur Bestimmung der Temperaturprofile mit einer Auflösung von 2 cm im Katalysatorbett eingesetzt. Das Katalysatorbett wurde zwischen einem Inert-Material (Steatit) gepackt, das als Schutzbett diente.  From: Exhaust gas flow The reactor consists of 3 heating zones and is provided with copper blocks so that a uniform temperature field can be set on the reactor wall. In the first heating zone, an inert bed is preheated to the desired temperature. In the second heating zone, the wall temperature of the catalytic bed is adjusted. In the middle of the reactor is a thermowell, in which thermocouples are placed. These thermocouples enable the recording of an axial temperature profile in the catalytic bed. A pneumatically operated, multiple thermocouple with four measuring points was used to determine the temperature profiles with a resolution of 2 cm in the catalyst bed. The catalyst bed was packed between an inert material (steatite) which served as a guard bed.
Der Reaktor wurde mit den folgenden typischen Bedingungen betrieben: The reactor was operated under the following typical conditions:
Katalysatorvolumen: 0.05-0.1 I Catalyst volume: 0.05-0.1 I
Katalysatormasse: 0.010 - 0.1 kg Catalyst mass: 0.010 - 0.1 kg
Eingangstemperatur: 150 - 450 °C  Inlet temperature: 150 - 450 ° C
Ausgangsdruck: 1 .5 - 2.5 bara  Outlet pressure: 1 .5 - 2.5 bara
GHSV: 2000 - 12 000 Nlgas IKat-1 h-1 Sauerstoffeintrittskonzentration: 3 Vol.-% GHSV: 2000 - 12 000 Nlgas IKat-1 h-1 Oxygen entry concentration: 3 vol.%
Verhältnis Wasserstoff/Sauerstoff: 2.1 - 2.5 % Ratio hydrogen / oxygen: 2.1 - 2.5%
Kohlenwasserstoff-Konzentration: ca.. 20 Vol.- Hydrocarbon concentration: approx. 20 vol.
Wasserkonzentration: ca. 13 Vol.-Water concentration: approx. 13 vol.
Rest: Stickstoff Rest: nitrogen
Herstellung des Katalysators: Preparation of the catalyst:
Der Katalysator enthält 99,7 Gew.-% Zeolith-A, Molekularsieb 3A (der Roth-GmbH), 0,3 mm Typ 562 C, Perlform, Kugeln mit einem Durchmesser im Bereich von 2,5 bis 5 mm, sowie 0,3 Gew.-% Platin und wurde wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. The catalyst contains 99.7% by weight of zeolite A, molecular sieve 3A (of Roth GmbH), 0.3 mm of type 562 C, bead form, spheres with a diameter in the range of 2.5 to 5 mm, and 0, 3 wt .-% platinum and was prepared as described in Example 1.
Die Versuche mit diesem Katalysator zeigten, dass die Sauerstoffentfernung eine schnelle Reaktion ist und somit bei hohen Lasten betrieben werden kann (bis 1 1000 Nlgas/IKat/h-1 ). Die Spezifikation von 100 ppm kann für Eintrittstemperaturen in der Katalysatorschüttung größergleich 320 °C erfüllt werden. Ist die Temperatur zu niedrig (< 300°C), werden bis zu 12 % der Kohlenwasserstoffe umgesetzt. Es handelt sich bei diesen Bedingungen vorwiegend um eine Hydrierung von Butadien zu Buten. Aus diesem Grund ist eine isotherme Fahrweise bei niedrigem Temperaturniveau weniger wünschenswert. Wird die Eintrittstemperatur über 380°C er- höht, reagiert H2 zu über 90 % mit O2, so dass der Butadien-Umsatz niedrig gehalten wird. Dieser niedrige Umsatz wird außerdem dadurch begünstigt, indem der Wasserstoffüberschuss niedrig gewählt wird und die Verweilzeit auf dem Katalysator kurz gehalten wird. The experiments with this catalyst showed that the oxygen removal is a fast reaction and thus can be operated at high loads (up to 1 1000 Nlgas / IKat / h-1). The specification of 100 ppm can be fulfilled for inlet temperatures in the catalyst bed equal to or greater than 320 ° C. If the temperature is too low (<300 ° C), up to 12% of the hydrocarbons are converted. These conditions are predominantly a hydrogenation of butadiene to butene. For this reason, an isothermal driving at low temperature level is less desirable. If the inlet temperature is raised above 380 ° C, H2 reacts more than 90% with O2, so that the butadiene conversion is kept low. This low conversion is further promoted by choosing the excess of hydrogen low and keeping the residence time on the catalyst short.
Temperaturführung: Temperature control:
Geeignete wandgekühlte Reaktoren kommen in der chemischen Industrie häufig vor. Im Falle von Festbettreaktoren können bevorzugt Rohrbündelreaktoren eingesetzt werden, in denen die Rohre mit dem Katalysator gefüllt werden und die durch die Reaktion stammende Wärme mit Hilfe eines Kühlmediums im Außenraum abgeführt wird. Für Temperaturen größer als 300°C sind Salzbadreaktoren besonders geeignet. Allerdings unterliegt das Salz einer allmählichenSuitable wall-cooled reactors are common in the chemical industry. In the case of fixed bed reactors, preference may be given to tube bundle reactors in which the tubes are filled with the catalyst and the heat resulting from the reaction is removed by means of a cooling medium in the outer space. For temperatures greater than 300 ° C Salzbadreaktoren are particularly suitable. However, the salt is subject to a gradual
Zersetzung in der Regel für Temperaturen oberhalb 460°C. Dadurch wird ein Temperaturfenster festgelegt, in dem das Verfahren bevorzugt betrieben wird. Decomposition usually for temperatures above 460 ° C. This defines a temperature window in which the method is preferably operated.
Fig. 4 zeigt die ermittelten axialen Temperaturprofile für verschiedene Wandtemperaturen. Auf- getragen ist die Temperatur in °C über die Länge des (Katalysator) betts in cm. Ab Länge 0 liegt Katalysator vor. Der Sauerstoffgehalt im Eingangsstrom betrug 3,1 Vol.-%, das Mol-Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff 2,1 , die GHSV etwa 10500 r1. Ferner ist die jeweilige Wandtemperatur eingetragen, sowie die maximale Temperaturdifferenz zwischen Eingangstemperatur im Katalysatorbett und Maximaltemperatur. Bei jedem Versuch wurde die 02-Spezifikation erfüllt und der Kohlenwasserstoff-Umsatz war kleiner als 2%. 4 shows the determined axial temperature profiles for different wall temperatures. The temperature is recorded in ° C over the length of the (catalyst) bed in cm. From length 0 catalyst is present. The oxygen content in the input stream was 3.1% by volume, the molar ratio of hydrogen to oxygen was 2.1, the GHSV about 10500 r 1 . Furthermore, the respective wall temperature is entered, as well as the maximum temperature difference between the inlet temperature in the catalyst bed and maximum temperature. In each experiment, the 02 specification was met and the hydrocarbon conversion was less than 2%.
Unabhängig von der Wandtemperatur ist die Temperaturerhöhung, definiert als die Differenz zwischen der maximalen Temperatur am Hot-Spot und der Eintrittstemperatur in der katalyti- sehen Schüttung, beinahe gleich und entspricht in diesem Falle mehr als die Hälfte der adiaba- ten Temperaturerhöhung (3% O2 entsprechen ca. 250 K adiabat Temperaturerhöhung). Die Lage des Hot-Spots bleibt für alle Versuche unverändert, was darauf hindeutet, dass höhere Temperaturen die Reaktion zwischen H2 und O2 nicht wesentlich beschleunigen. Dies bedeutet, dass höhere Temperaturen (>380°C) den Reaktionsablauf nicht wesentlich beeinflussen, und eine strenge Beherrschung der Höhe des Hot-Spots nicht dringend erforderlich ist. Dennoch wird die maximal erforderliche Temperatur vorzugsweise bei 600°C festgelegt, um den Katalysator thermisch nicht zu belasten. Die Höhe des Hot-Spots kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden, wie die Strömungsgeschwindigkeit, eine Verdünnung des Katalysators und den Rohrdurchmesser. Es ist außerdem bekannt, dass der Wärmetransport einem Widerstand zwischen der Schüttung und der Wand unterliegt, so dass Temperaturgradienten von mehr als 30°C geläufig sind. Somit ist die Temperatur an der Wand deutlich niedriger als am Hot-Spot, was einen Vorteil für das Salz eines Solebad-Wärmeträgers darstellt. Somit ist der Einsatz eines Salzbadreaktors möglich. Regardless of the wall temperature, the temperature increase is defined as the difference between the maximum temperature at the hot spot and the inlet temperature in the catalytic converter. see bed, almost equal and corresponds in this case more than half of the adiabatic temperature increase (3% O2 correspond to about 250 K adiabatic temperature increase). The location of the hot spot remains unchanged for all experiments, suggesting that higher temperatures do not significantly accelerate the reaction between H2 and O2. This means that higher temperatures (> 380 ° C) do not significantly affect the reaction process, and a strict control of the height of the hot spot is not urgently required. Nevertheless, the maximum temperature required is preferably set at 600 ° C in order not to thermally stress the catalyst. The height of the hot spot can be influenced by various parameters, such as the flow rate, a dilution of the catalyst and the tube diameter. It is also known that the heat transfer is subject to a resistance between the bed and the wall, so that temperature gradients of more than 30 ° C are common. Thus, the temperature at the wall is much lower than at the hot spot, which is an advantage for the salt of a brine bath heat carrier. Thus, the use of a salt bath reactor is possible.
Die ODH-Stufe wird je nach eingesetztem Katalysator vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 320 und 420 °C in einem Salzbadreaktor betrieben. Vorherige Versuche haben gezeigt, dass der Wasserstoff nur partial auf dem ODH-Katalysator umgesetzt wird. Es ist also möglich, die Sauerstoffentfernung mit der ODH-Stufe zu koppeln, indem Wasserstoff am Reaktoreintritt zudosiert wird. Da die 02-Entfernung mit H2 eine schnelle Reaktion ist, ist die Verlängerung der Rohre kleiner als 1 m. Um die Mindesttemperatur von 380 °C zu erreichen, kann ein zweizoniger Salzbadreaktor (mit zwei verschiedenen Salzbadtemperaturen) eingesetzt werden. Ohne Wasserstoff: Depending on the catalyst used, the ODH stage is preferably operated at temperatures between 320 and 420 ° C. in a salt bath reactor. Previous experiments have shown that the hydrogen is only partially reacted on the ODH catalyst. It is thus possible to couple the oxygen removal with the ODH stage by metering in hydrogen at the reactor inlet. Since the 02 removal with H2 is a fast reaction, the extension of the tubes is less than 1 m. To reach the minimum temperature of 380 ° C, a two-zone salt bath reactor (with two different salt bath temperatures) can be used. Without hydrogen:
Alternativ zum Verfahren mit Wasserstoff kann der Sauerstoffgehalt im Abgasstrom durch kata- lytische Reaktion mit den im Gas vorliegenden Kohlenwasserstoffen reduziert werden. Der Sauerstoff wird vorwiegend mit dem reaktivsten Molekül reagieren, d.h. in diesem Fall Butadien, und führt zur Bildung von CO2 und H2O. Die Reaktion von O2 mit den Kohlenwasserstoffen ist bei niedriger Temperatur langsamer als mit Wasserstoff. Damit soll diese Reaktion bei niedrigeren Katalysatorbelastungen und/oder bei höherer Temperatur durchgeführt werden (im Vgl. zur H2-Fahrweise). Eine schnelle Abreaktion vom O2 scheint dennoch die Rußbildung zu hemmen, so dass höhere Temperaturen zu bevorzugen wären. Bei höheren Temperaturen ist diese Re- aktion vergleichbar schnell wie die Knallgasreaktion und kann ähnlicherweise in einem wandgekühlten Reaktor mit hohen Lasten durchgeführt werden. As an alternative to the hydrogen process, the oxygen content in the exhaust gas stream can be reduced by catalytic reaction with the hydrocarbons present in the gas. The oxygen will react predominantly with the most reactive molecule, i. in this case butadiene, and leads to the formation of CO2 and H2O. The reaction of O2 with the hydrocarbons is slower at low temperature than with hydrogen. This reaction should be carried out at lower catalyst loadings and / or at a higher temperature (in comparison to the H2 mode of operation). Nevertheless, a fast reaction of the O2 seems to inhibit soot formation, so that higher temperatures would be preferable. At higher temperatures, this reaction is as fast as the oxyhydrogen gas reaction and, similarly, can be carried out in a wall-cooled, high-load reactor.
(Versuch mit GHSV = 10500 h-1 , Eingangstemperatur 400°C). Die hintereinander ablaufende Schaltung der ODH-Stufe und der 02-Entfernung in einem einzigen Salzbadreaktor, in dem die mindesterforderliche Temperatur in der zweiten Zone herrscht, ist möglich. Hybridfahrweise: (Experiment with GHSV = 10500 h-1, inlet temperature 400 ° C). The sequence of the ODH stage and the O 2 removal in a single salt bath reactor, in which the minimum required temperature prevails in the second zone, is possible. Hybrid driving style:
Sollte ein Gasstrom H2 beinhalten (z.B. aus der BDH-Stufe), könnte er zwecks 02-Entfernung in die 02-Entfernung-Stufe eingeleitet werden. Sauerstoff wird mit Wasserstoff bevorzugt bei niedrigeren Temperaturen reagieren. Ist Wasserstoff im Unterschuss, reagiert der Rest O2 mit den Kohlenwasserstoffen weiter. Die Reaktion mit H2 kann auch dazu dienen, eine ausreichend hohe Temperatur für die Reaktion zwischen den Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff zu erzielen (Zündung). Should a gas stream contain H2 (e.g., from the BDH stage), it could be introduced to the 02 removal stage for O2 removal. Oxygen will react with hydrogen, preferably at lower temperatures. If hydrogen is in excess, the remainder of O2 reacts with the hydrocarbons. The reaction with H2 can also serve to achieve a sufficiently high temperature for the reaction between the hydrocarbons and oxygen (ignition).
Beispiel 3: Einfluss der Temperatur auf die Selektivitäten Example 3: Influence of the temperature on the selectivities
In dem wie im Beispiel 1 beschriebenen Reaktor wird ein Gasstrom bestehend aus 3% O2, 14 % Butadien, 5.5 % Butan, 12 % Wasserdampf mit Rest Stickstoff in den Reaktor eingeleitet. Die Katalysatorschüttung besteht aus 75 ml_ unverdünntem Katalysator (DA301 mit Pd). Der Gesamtvolumenstrom beträgt 800 Nl/h. Die Eingangstemperatur in der Katalysatorschüttung wurde zwischen 170 und 350 °C variiert. Der Vordruck ist dabei auf 1 .5 bara konstant gehalten worden. Das Temperaturprofil entlang der Katalysatorschüttung wird für jede Einstellung aufgenommen. Die Hot-Spot-Temperatur liegt je nach Versuch zwischen 400°C und 650°C. Wasser- stoff wird im Überschuss vorgelegt mit einem molaren Verhältnis H2:02 zwischen 2.1 und 2.8. In the reactor as described in Example 1, a gas stream consisting of 3% O 2, 14% butadiene, 5.5% butane, 12% steam with nitrogen as the remainder is introduced into the reactor. The catalyst bed consists of 75 ml of undiluted catalyst (DA301 with Pd). The total volume flow is 800 Nl / h. The inlet temperature in the catalyst bed was varied between 170 and 350 ° C. The form was kept constant at 1 .5 bara. The temperature profile along the catalyst bed is recorded for each setting. The hot-spot temperature is between 400 ° C and 650 ° C depending on the test. Hydrogen is presented in excess with a molar ratio H2: 02 between 2.1 and 2.8.
Der Gesamt Butan-Buten-Umsatz (C4-Umsatz) wird wie folgt bestimmt: v _ Butctn+™Buta-dien The total butane-butene conversion (C4 conversion) is determined as follows: v _ Butctn + ™ buta-diene
Wobei ri| der Molarstrom am Ausgang und der Molarstrom am Eingang des Reaktors vom Komponenten i sind. Where ri | the molar flow at the exit and the molar flow at the entrance of the reactor from the components i are.
Die Ausbeuten zu Buten, CO und C02 beziehen sich auf die Edukte Butan und Buten und werden wie folgt berechnet. The yields of butene, CO and CO 2 are based on the educts butane and butene and are calculated as follows.
^Butct ^Buta-dien Butyl-diene
Wobei i sich auf CO, C02 oder Buten bezieht, und μέ der stöchiometrische Koeffizient ist. μί = 1 für Buten und μί = 4 für CO und C02. Where i is CO, CO 2 or butene, and μ έ is the stoichiometric coefficient. μ ί = 1 for butene and μ ί = 4 for CO and C02.
Die Selektivitäten werden dann wie folgt berechnet: The selectivities are then calculated as follows:
Die Ergebnisse waren wie folgt (Fig. 5): Der C4-Umsatz betrug bei 270°C 7,2 Mol.-%, davon 6,6 Mol.-% Hydrierprodukte und 0,6 Mol.-%
Figure imgf000019_0001
The results were as follows (Figure 5): The C 4 conversion was 7.2 mol% at 270 ° C., of which 6.6 mol% were hydrogenation products and 0.6 mol%.
Figure imgf000019_0001
Bei 330-C betrug der C4-Umsatz 3,2 Mol.-%, davon 2,3 Mol.-% Hydrierprodukte und 0,9 Mol.-% At 330 C, the C 4 conversion was 3.2 mol%, of which 2.3 mol% were hydrogenation products and 0.9 mol%.
Bei 350°C betrug der C4-Umsatz 2,0 Mol.-%, davon 0,7 Mol.-% Hydrierprodukte und 0,3 Mol.-% At 350 ° C., the C 4 conversion was 2.0 mol%, of which 0.7 mol% were hydrogenation products and 0.3 mol%.
Wird die Eingangstemperatur in der Katalysatorschüttung von 270 °C auf 350 °C erhöht, nimmt der C4-Umsatz von ca. 7% auf 2% ab. Bei niedriger Temperatur (<300°C) ist die Selektivität zu Buten >75 %, was auf eine Hydrierung von Butadien hindeutet. Diese Hydrierung nimmt zugunsten der Verbrennungsprodukte mit zunehmender Temperatur deutlich ab. If the inlet temperature in the catalyst bed is increased from 270 ° C to 350 ° C, the C4 conversion decreases from about 7% to 2%. At low temperature (<300 ° C), the selectivity to butene is> 75%, indicating hydrogenation of butadiene. This hydrogenation decreases significantly in favor of the combustion products with increasing temperature.
Beispiel 4: Example 4:
Herstellung des Katalysators: Der Katalysator enthält 99,8 Gew.-% AI2O3, (Fa. Axes), SPH-512, Perlform, Kugeln mit einem Durchmesser im Bereich von 2,5 bis 5 mm, sowie 0,1 Gew.-% Platin und 0,1 Gew.-% Sn. Preparation of the Catalyst: The catalyst contains 99.8% by weight of Al 2 O 3 (Axes), SPH-512, bead form, spheres having a diameter in the range from 2.5 to 5 mm, and 0.1% by weight. Platinum and 0.1% by weight Sn.
Zur Herstellung werden 100 g Träger, 0,25 g Hexachlorplatin (IV)-säure-Hydrat und 0,19 g SnCl2-2H20 g eingesetzt. Die Hexachlorplatinsäure wird in 10 ml Wasser gelöst. Die For preparation, 100 g of carrier, 0.25 g of hexachloroplatinic acid (IV) hydrate and 0.19 g of SnCl2-2H20 g are used. The hexachloroplatinic acid is dissolved in 10 ml of water. The
SnCI2-2H20 wird in eine Mischung aus 17,5 ml 65,0 Gew-% HN03 und 17,5 ml H20 gelöst. Die beiden Lösungen werden unter Rühren zusammen gemischt und mit H2O auf 100 ml ergänzt. SnCl 2 -2H 2 0 is dissolved in a mixture of 17.5 ml of 65.0% by weight of HN0 3 and 17.5 ml H 2 0th The two solutions are mixed together with stirring and supplemented with H2O to 100 ml.
Der Träger wird dann mit der Lösung getränkt, 30 min bei 120 °C getrocknet und anschließend 3 Std. bei 500 °C calciniert. The support is then impregnated with the solution, dried at 120 ° C for 30 min and then calcined at 500 ° C for 3 hrs.
Beispiel 4.1 mit dem oben genannten Katalysator: Example 4.1 with the above-mentioned catalyst:
In dem wie im Beispiel 1 beschriebenen Reaktor wird ein Gasstrom bestehend aus 3 Vol.% O2, 8,0 Vol. % Butadien, 2,0 % Butan, 20,0 % Wasserdampf mit Rest Stickstoff in den Reaktor ein- geleitet. Die Katalysatorschüttung besteht aus 75 mL unverdünntem Katalysator. Der Gesamtvolumenstrom beträgt 800 Nl/h. Der Vordruck ist dabei auf 1 .5 bara konstant gehalten worden. Wasserstoff wird in die Leitung vor Reaktor in den Gasstrom dosiert (mit einem H2:Ü2 Volumenverhältnis von 2,5:1 ). Unter den Testbedingungen konnte kein Sauerstoff während der ganzen Betriebszeit von 200 Stunden nachgewiesen werden. Die Eingangstemperatur der Katalysatorschüttung liegt bei 390 °C und die Hot-Spot Temperatur liegt bei 580 °C. Der Butadienverlust liegt bei 1 ,16 Mol.-%. 0,56 Mol.-% davon beziehen sich auf COx (CO und C02), und der Rest (0,60 Mol.-%) bezieht sich auf Hydrierprodukte (Butene) (siehe Fig. 6). In the reactor as described in Example 1, a gas stream consisting of 3% by volume O 2, 8.0% by volume of butadiene, 2.0% butane, 20.0% steam with nitrogen as the remainder is introduced into the reactor. The catalyst bed consists of 75 mL undiluted catalyst. The total volume flow is 800 Nl / h. The form was kept constant at 1 .5 bara. Hydrogen is metered into the line before the reactor into the gas stream (with a H2: B2 volume ratio of 2.5: 1). Under the test conditions no oxygen could be detected during the whole operating time of 200 hours. The inlet temperature of the catalyst bed is 390 ° C and the hot-spot temperature is 580 ° C. The butadiene loss is 1, 16 mol .-%. 0.56 mol% thereof refers to COx (CO and CO 2), and the remainder (0.60 mol%) refers to hydrogenation products (butenes) (see Fig. 6).
Beispiel 4.2 mit dem oben genannten Katalysator: Example 4.2 with the above catalyst:
In dem wie im Beispiel 1 beschriebenen Reaktor wird ein Gasstrom bestehend aus 3 Vol.% O2, 8,0 Vol. % Butadien, 2,0 % Butan, 20,0 % Wasserdampf mit Rest Stickstoff in den Reaktor eingeleitet. Die Katalysatorschüttung besteht aus 75 mL unverdünntem Katalysator. Der Gesamtvolumenstrom beträgt 800 Nl/h. Der Vordruck ist dabei auf 1 .5 bara konstant gehalten worden. Wasserstoff wird in die Leitung vor Reaktor in den Gasstrom dosiert (mit einem H2:02 Volumen- Verhältnis von 2,0:1 ). In the reactor as described in Example 1, a gas stream consisting of 3 vol.% O 2, 8.0 vol.% Butadiene, 2.0% butane, 20.0% steam with nitrogen remainder is introduced into the reactor. The catalyst bed consists of 75 mL undiluted catalyst. The total volume flow is 800 Nl / h. The form was kept constant at 1 .5 bara. Hydrogen is metered into the line before the reactor into the gas stream (with a H2: 02 volume ratio of 2.0: 1).
Unter den Testbedingungen konnte kein Sauerstoff während der ganzen Betriebszeit von 200 Stunden nachgewiesen werden. Die Eingangstemperatur der Katalysatorschüttung liegt bei 395 C und die Hot-Spot Temperatur liegt bei 600 °C. Der Butadienverlust liegt bei 1 ,32 Mol.-%. 0,65 Mol.-% beziehen sich auf COx (CO und C02), und der Rest (0,67 Mol.-%) bezieht sich auf Hydrierprodukte (Butene) (siehe Fig. 6). Under the test conditions no oxygen could be detected during the whole operating time of 200 hours. The inlet temperature of the catalyst bed is 395 C and the hot-spot temperature is 600 ° C. The loss of butadiene is 1, 32 mol .-%. 0.65 mol% refer to COx (CO and CO 2), and the remainder (0.67 mol%) refers to hydrogenation products (butenes) (see FIG. 6).
Beispiel 4.3 mit dem oben genannten Katalysator: In dem wie im Beispiel 1 beschriebenen Reaktor wird ein Gasstrom bestehend aus 3 Vol.% O2, 8,0 Vol. % Butadien, 2,0 % Butan, 20,0 % Wasserdampf mit Rest Stickstoff in den Reaktor eingeleitet. Die Katalysatorschüttung besteht aus 75 mL unverdünntem Katalysator. Der Gesamtvolumenstrom beträgt 800 Nl/h. Der Vordruck ist dabei auf 1 .5 bara konstant gehalten worden. Wasserstoff wird in die Leitung vor Reaktor in den Gasstrom dosiert (mit einer H2:Ü2 Volumen- Verhältnis von 1 ,5:1 ). Example 4.3 with the above-mentioned catalyst: In the reactor as described in Example 1 is a gas stream consisting of 3 vol.% O 2, 8.0 vol.% Butadiene, 2.0% butane, 20.0% water vapor with nitrogen in introduced the reactor. The catalyst bed consists of 75 mL undiluted catalyst. The total volume flow is 800 Nl / h. The form was kept constant at 1 .5 bara. Hydrogen is metered into the line before the reactor into the gas stream (with an H2: B2 volume ratio of 1.5: 1).
Unter den Testbedingungen konnte kein Sauerstoff während der ganzen Betriebszeit von 200 Stunden nachgewiesen werden. Die Eingangstemperatur der Katalysatorschüttung liegt bei 401 °C und die Hot-Spot Temperatur liegt bei 596 °C. Der Butadienverlust liegt bei 1 ,76 Mol.-%. 1 ,16 Mol.-% beziehen sich auf COx (CO und C02), und der Rest (0,60 Mol.-%) bezieht sich auf Hydrierprodukte (Butene) (siehe Fig. 6). Under the test conditions no oxygen could be detected during the whole operating time of 200 hours. The inlet temperature of the catalyst bed is 401 ° C and the hot-spot temperature is 596 ° C. The butadiene loss is 1, 76 mol .-%. 1.16 mol% refer to CO x (CO and CO 2 ), and the remainder (0.60 mol%) refers to hydrogenation products (butenes) (see FIG. 6).

Claims

Patentansprüche Patent claims
Verfahren zur Entfernung von Sauerstoff aus einem freien Sauerstoff enthaltenden C4- Kohlenwasserstoffstrom durch katalytische Verbrennung, bei der der freien Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffstrom an einem Katalysatorbett durch katalytische Verbrennung in Anwesenheit oder Abwesenheit von freiem Wasserstoff umgesetzt wird unter Erhalt eines sauerstoffabgereicherten Kohlenwasserstoffstromes, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Verbrennung kontinuierlich durchgeführt wird, die Eintrittstemperatur im Katalysatorbett mindestens 300°C beträgt und die Maximaltemperatur im Katalysatorbett nicht mehr als 700°C beträgt. Process for removing oxygen from a C 4 hydrocarbon stream containing free oxygen by catalytic combustion, in which the hydrocarbon stream containing free oxygen is reacted on a catalyst bed by catalytic combustion in the presence or absence of free hydrogen to obtain an oxygen-depleted hydrocarbon stream, characterized in that the catalytic combustion is carried out continuously, the inlet temperature in the catalyst bed is at least 300 ° C and the maximum temperature in the catalyst bed is not more than 700 ° C.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Kohlenwasserstoffstrom 0,5 bis 8 Vol.-% freien Sauerstoff enthält. Method according to claim 1, characterized in that the hydrocarbon stream used contains 0.5 to 8% by volume of free oxygen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der freien Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffstrom eine zur Umsetzung mit dem freien Sauerstoff ausreichende Menge an freiem Wasserstoff enthält und/oder ihm diese zugesetzt wird und der freie Sauerstoff mit dem freien Wasserstoff umgesetzt wird. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the hydrocarbon stream containing free oxygen contains a sufficient amount of free hydrogen for reaction with the free oxygen and / or this is added to it and the free oxygen is reacted with the free hydrogen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der freien Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffstrom keinen freien Wasserstoff enthält und ihm kein freier Wasserstoff zugesetzt wird. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the hydrocarbon stream containing free oxygen does not contain any free hydrogen and no free hydrogen is added to it.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Sauerstoff mit im freien Sauerstoff enthaltenden Kohlenwasserstoffstrom enthaltenem Kohlenwasserstoff oder mit zugesetztem Methanol, Erdgas und/oder Synthesegas als Reduktionsmittel umgesetzt wird. Method according to claim 4, characterized in that the free oxygen is reacted with hydrocarbon contained in the free oxygen-containing hydrocarbon stream or with added methanol, natural gas and / or synthesis gas as a reducing agent.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im C4- Kohlenwasserstoffstrom mindestens 80 Vol.-% der Kohlenwasserstoffe C4- Kohlenwasserstoffe sind. Process according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the C 4 hydrocarbon stream at least 80% by volume of the hydrocarbons are C 4 hydrocarbons.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur im Katalysatorbett 300 bis 450°C beträgt. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the inlet temperature in the catalyst bed is 300 to 450°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximaltemperatur im Katalysatorbett nicht mehr als 700 °C beträgt. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the maximum temperature in the catalyst bed is not more than 700 °C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die katalyti¬
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sche Verbrennung bei einem Druck im Bereich von 0,5 bis 20 bar absolut durchgeführt wird.
Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the catalytic
Figure imgf000021_0001
cal combustion is carried out at a pressure in the range of 0.5 to 20 bar absolute.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator enthaltend mindestens ein Edelmetall und/oder mindestens ein Übergangsmetall auf einem Träger, eingesetzt wird. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a catalyst containing at least one noble metal and / or at least one transition metal on a support is used.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Katalysator das Edelmetall Platin oder eine platinhaltige Legierung ist. 1 1 . Method according to claim 10, characterized in that the noble metal in the catalyst is platinum or a platinum-containing alloy.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Katalysator das Übergangsmetall Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Sn oder ein Gemisch davon ist. 12. The method according to claim 10 or 1 1, characterized in that the transition metal in the catalyst is Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Sn or a mixture thereof.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger α-Aluminiumoxid oder Zeolith A ist. 13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the carrier is α-aluminum oxide or zeolite A.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ais Formkörper mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 10 mm oder als Monolith vorliegt, wobei der Monolith den Katalysator als Washcoat auf einer Trägerstruktur aufweisen kann. 14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that the catalyst is present as a shaped body with an average diameter in the range of 1 to 10 mm or as a monolith, wherein the monolith can have the catalyst as a washcoat on a support structure.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20050281725A1 (en) * 2002-10-08 2005-12-22 Matthew Hague Process for the removal of oxygen from olefin-containing process streams
WO2014006017A1 (en) * 2012-07-03 2014-01-09 Basf Se Catalyst and method for removing oxygen from hydrocarbon flows

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