WO2009149809A1 - Method for producing formaldehyde - Google Patents

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Evin Hizaler Hoffmann
Leslaw Mleczko
Ralph Schellen
Stephan Schubert
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Bayer Technology Services Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of formaldehyde by catalytic gas phase oxidation of methanol with oxygen, wherein the reaction is carried out in 10 to 60 successive reaction zones under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the method.
  • Formaldehyde is generally prepared under the catalytic influence of metal oxides from gaseous methanol and oxygen in an exothermic, catalytic reaction according to formula (T):
  • the formaldehyde produced by the reaction of formula (I) forms an essential starting material for many other syntheses in the chemical industry.
  • formaldehyde is used in the production of dyes, pharmaceuticals and in textile finishing.
  • EP 1 551 544 (B1) discloses an apparatus and a method by means of which the reaction according to formula (I) can be carried out under pseudo-isothermal conditions.
  • the method and apparatus are characterized by having multiple reaction zones within the apparatus, the reaction zones comprising heat exchange means and catalyst. Furthermore, to control selectivity and conversion of the process, each reaction zone is charged with a process gas of different composition and operated at a different temperature, which is considered to be pseudo-isothermal over the particular reaction zone.
  • the process gases are divided into different proportions and also partially within the Reactor in a circle. Only parts of the process gas are withdrawn from the device.
  • the device and the method carried out herein are disadvantageous, since the expenditure on equipment for the division of the process gases into partial streams whose controlled task in the individual reaction zones and the pseudo-isothermal procedure in these is very high. Furthermore, the three reaction zones disclosed by the circulation of the process gases in the reactor are not considered to be separate from each other, so that precise coordination of temperature and process gas composition in the individual reaction zones is only possible by complex control mechanisms, since a stable operating point initially set and it must be checked continuously.
  • US Pat. No. 2,504,402 discloses an apparatus and a process in which the reaction according to formula (I) is carried out in several successive adiabatic reaction zones, a heat exchange zone in each case between the individual adiabatic reaction zones.
  • methanol is fed in each case before each reaction zone and / or heat exchange zone, the reaction zones each being operated in such a way that no methanol is present in the process gas downstream of the reaction zone.
  • the procedure is disadvantageous because each reaction zone requires a quantitative conversion.
  • EP 1 251 951 (B1) discloses a device and the possibility of carrying out chemical reactions in the device, wherein the device is characterized by a cascade of reaction zones in contact with one another and heat exchanger devices which are arranged in a composite with one another. The process to be carried out herein is thus characterized by the contact of the various reaction zones with a respective heat exchanger device in the form a cascade. There is no disclosure as to the usability of the apparatus and method for the synthesis of formaldehyde from gaseous oxygen and methanol. Thus, it remains unclear how, starting from the disclosure of EP 1 251 951 (B1), such a reaction should be carried out by means of the device and the method carried out therein.
  • EP 1 251 951 (B1) is carried out in a device the same as or similar to the disclosure regarding the device.
  • the disclosure with regard to the oscillating temperature profile can therefore only be understood as meaning that the temperature peaks ascertained here would be stronger if this contact did not exist.
  • Another indication of this is the exponential increase in the disclosed temperature profiles between the individual temperature peaks. These indicate that there is some heat sink of appreciable but limited capacity in each reaction zone which can reduce the temperature rise in it.
  • EP 1 251 951 discloses multi-stage processes in cascades of reaction zones from which heat in an undefined amount is removed by heat conduction. Accordingly, the disclosed method is disadvantageous in that accurate temperature control of the process gases of the reaction is not possible.
  • EP 0 820 345 discloses a process for the production of formaldehyde by catalytic gas phase oxidation of methanol with oxygen and an apparatus in which it can be carried out, comprising a plurality of adiabatic reaction zones.
  • the revealed plurality is not limited. However, it is disclosed in the figures and exemplary embodiments that a maximum number of five adiabatic reaction zones can be present. It is further disclosed that heat exchange zones may be located between the adiabatic reaction zones. - A -
  • these heat exchange zones are connected to each other in such a way that they communicate with each other via a single heat exchange medium.
  • EP 0 820 345 (B1) is disadvantageous since, with the small number of adiabatic reaction zones and the central heat exchange zones, precise control and / or control of the temperature profile over the reaction zones is not possible. The reason for this is that a complex interconnection of the reaction zones with the heat exchange zones is forced, which in turn leads to a mutual influence of the reaction zones.
  • the mutual influence is particularly disadvantageous in particular in the exothermic reaction according to formula (I), since with an adiabatic temperature increase in one of the maximum five reaction zones, which exceeds the previously calculated level, the coolant of the subsequent heat exchange zone is heated more strongly. This in turn leads to a lower cooling effect in the subsequent heat exchange zone, so that a disproportionate heating of the next but one reaction zone must be feared.
  • Methanol in the context of the present invention refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises methanol. Essentially, in the context of the present invention, a proportion of more than 90% by weight. As a result, methanol present in the liquid phase is first vaporized before being fed to the process.
  • Oxygen in the context of the present invention, refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises oxygen.
  • oxygen is ambient air and therefore comprises a proportion of about 20% by volume of oxygen.
  • methanol and oxygen can also include secondary components.
  • minor components that may be included in the process gases include nitrogen, dimethyl ether, carbon dioxide, carbon monoxide, and water.
  • process gases are understood as gas mixtures which comprise oxygen and / or methanol and / or formaldehyde and / or secondary components.
  • process gases include oxygen and / or methanol and / or formaldehyde.
  • adiabat means that no heat supply or removal measures are taken.
  • An advantage of the adiabatic driving method according to the invention of the 10 to 60 reaction zones connected in series with respect to a non-adiabatic driving mode is that no heat removal means need be provided in the reaction zones, which results in a considerable simplification of the construction. This results in particular simplifications in the manufacture of the reactor and in the scalability of the process and an increase in reaction conversions.
  • the heat generated in the course of the exothermic reaction progress can be utilized in the single reaction zone to increase the conversion in a controlled manner.
  • Another advantage of the method according to the invention is the possibility of very accurate temperature control, due to the close staggering of adiabatic reaction zones. It can thus be set in each reaction zone advantageous in the reaction progress temperature.
  • the catalysts used in the process according to the invention are usually catalysts which consist of a material which, in addition to its catalytic activity for the reaction of the formula (I), is characterized by sufficient chemical resistance to oxygen under the conditions of the process and by a high specific surface area.
  • Catalyst materials characterized by such chemical resistance to oxygen under the conditions of the process include, for example, catalysts comprising iron and molybdenum.
  • Specific surface area in the context of the present invention refers to the area of the catalyst material that can be reached by the process gases based on the mass of catalyst material used.
  • a high specific surface area is a specific surface area of at least 1 m 2 / g, preferably of at least 2 m 2 / g.
  • the catalysts of the invention are each in the reaction zones and can be used in all known forms, e.g. Fixed bed, fluidized bed, fluidized bed present.
  • the fixed bed arrangement comprises a catalyst bed in the strict sense, ie loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings.
  • catalyst bed as used herein also includes contiguous areas of suitable packages on a carrier. material or structured catalyst support. These would be, for example, to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized.
  • a special form of packing in the context of the present invention, the presence of the catalyst in monolithic form is considered.
  • the catalyst is preferably present in beds of particles with average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 1, 5 to 8 mm, particularly preferably 2 to 5 mm.
  • a monolithic catalyst comprising iron and molybdenum.
  • the monolithic catalyst is provided with channels through which the process gases flow.
  • the channels have a diameter of 0.1 to 3 mm, preferably a diameter of 0.2 to 2 mm, more preferably from 0.5 to 1, 5 mm.
  • a monolithic catalyst with channels of the specified diameter is particularly advantageous, since this explosion protection can be ensured. This is done by absorbing the enthalpy through the wall of the monolith and thus suppressing further propagation of flames.
  • the catalyst is preferably present in loose beds of particles, as have also previously been described for the fixed bed arrangement.
  • Beds of such particles are advantageous because the size of the particles have a high specific surface area of the catalyst material compared to the process gases oxygen and methanol and thus a high conversion rate can be achieved. Thus, the mass transport limitation of the reaction by diffusion can be kept low. At the same time, however, the particles are not yet so small that disproportionately high pressure losses occur when the fixed bed flows through.
  • the ranges of the particle sizes given in the preferred embodiment of the process, comprising a reaction in a fixed bed are thus an optimum between the achievable turnover from the reaction according to formula (I) and the generated pressure loss when carrying out the process. Pressure loss is coupled in a direct manner with the necessary energy in the form of compressor performance, so that a disproportionate increase in the same would result in an inefficient operation of the method.
  • the conversion takes place in 12 to 50, more preferably 15 to 30 reaction zones connected in series.
  • a preferred further embodiment of the method is characterized in that the process gas emerging from at least one reaction zone is subsequently passed through at least one heat exchange zone downstream of said reaction zone.
  • each reaction zone is at least one, preferably exactly one heat exchange zone, through which the process gas leaving the reaction zone is passed.
  • the reaction zones can either be arranged in a reactor or arranged divided into several reactors.
  • the arrangement of the reaction zones in a reactor leads to a reduction in the number of apparatuses used.
  • the individual reaction zones and heat exchange zones can also be arranged together in a reactor or in any combination of reaction zones with heat exchange zones in several reactors.
  • reaction zones and heat exchange zones are present in a reactor, then in an alternative embodiment of the invention there is a heat insulation zone between them, in order to be able to obtain the adiabatic operation of the reaction zone.
  • each of the series-connected reaction zones can be replaced or supplemented independently of one another by one or more reaction zones connected in parallel.
  • the use of reaction zones connected in parallel allows in particular their replacement or supplementation during ongoing continuous operation of the process.
  • Parallel and successive reaction zones may in particular also be combined with one another.
  • the process according to the invention particularly preferably has exclusively reaction zones connected in series.
  • the reactors preferably used in the process according to the invention can consist of simple containers with one or more reaction zones, as e.g. in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, page 95-104, page 210-216), wherein in each case between the individual reaction zones and / or heat exchange zones heat insulation zones can be additionally provided.
  • the catalysts or the fixed beds thereof are mounted in a manner known per se on or between gas-permeable walls comprising the reaction zone of the reactor.
  • technical devices for uniform gas distribution can be provided in the flow direction in front of the catalyst beds. These can be perforated plates, bubble-cap trays, valve trays or other internals which cause a uniform entry of the process gas into the fixed bed by producing a small but uniform pressure loss.
  • a molar excess of between 0 and 500% oxygen based on the molar flow of methanol, before it enters the first reaction zone.
  • the inlet temperature of the process gas entering the first reaction zone is from 10 to 330 ° C., preferably from 50 to 310 ° C., particularly preferably from 100 to 290 ° C.
  • the absolute pressure at the inlet of the first reaction zone is between 1 and 4 bar, preferably between 1.1 and 3 bar, more preferably between 1.2 and 2.5 bar.
  • the residence time of the process gas in a reaction zone is between 0.1 and 50 s, preferably between 0.2 and 20 s, particularly preferably between 0.5 and 10 s.
  • the methanol and the oxygen are preferably fed only before the first reaction zone.
  • This has the advantage that the entire process gas can be used for the absorption and removal of the heat of reaction in all reaction zones.
  • the space-time yield can be increased, or the necessary catalyst mass can be reduced.
  • the temperature of the conversion can be controlled via the supply of gas between the reaction zones.
  • the process gas is cooled after at least one of the reaction zones used, more preferably after each of the catalyst beds used.
  • the process gas is passed after exiting a reaction zone through one or more of the above-mentioned heat exchange zones, which are located behind the respective reaction zones.
  • These may be used as heat exchange zones in the form of heat exchangers known to those skilled in the art, e.g. Tube bundle, plate, Ringnut-, spiral, finned tube, micro-heat exchanger be executed.
  • the heat exchangers are preferably microstructured heat exchangers.
  • steam is generated during cooling of the process gas in the heat exchange zones by the heat exchanger.
  • the heat exchangers which include the heat exchange zones, to carry out evaporation on the side of the cooling medium, preferably partial evaporation.
  • Partial evaporation in the context of the present invention, refers to evaporation in which a gas / liquid mixture of a substance is used as the cooling medium is used and in which even after heat transfer in the heat exchanger is still a gas / liquid mixture of a substance.
  • the carrying out of evaporation is particularly advantageous because in this way the achievable heat transfer coefficient from / to process gases on / from the cooling / heating medium becomes particularly high and thus efficient cooling can be achieved.
  • the export of a partial evaporation is particularly advantageous because the absorption / release of heat by the cooling medium thereby no longer results in a temperature change of the cooling medium, but only the gas / liquid balance is shifted. This has the consequence that over the entire heat exchange zone, the process gas is cooled to a constant temperature. This in turn safely prevents the occurrence of temperature profiles in the flow of process gases, thereby improving control over the reaction temperatures in the reaction zones and, in particular, preventing the formation of local overheating by temperature profiles.
  • a mixing zone can also be provided upstream of the entrance of a reaction zone in order to standardize the temperature profiles in the flow of process gases which may arise during cooling by mixing transversely to the main flow direction.
  • the reaction zones connected in series are operated at an average temperature increasing or decreasing from reaction zone to reaction zone.
  • the temperature can be both increased and decreased from reaction zone to reaction zone. This can be adjusted, for example, via the control of the heat exchange zones connected between the reaction zone. Further options for setting the average temperature are described below.
  • the thickness of the flow-through reaction zones can be chosen to be the same or different and results according to laws generally known in the art from the residence time described above and enforced in each case in the process
  • Process gas quantities are usually between 0.01 and 25 t / h, preferably between 0.1 and 20 t / h, more preferably between 1 and 10 t / h.
  • the maximum outlet temperature of the process gas from the reaction zones is usually in a range from 260 ° C to 400 ° C, preferably from 280 0 C to 380 0 C, particularly preferably from 300 0 C to 350 0 C.
  • Reaction zones are preferably carried out by at least one of the following measures:
  • reaction zones addition of gas between the reaction zones, molar ratio of the starting materials / excess of oxygen used, addition of inert gases, in particular
  • the composition of the catalysts in the reaction zones according to the invention may be identical or different. In a preferred embodiment, the same catalysts are used in each reaction zone. However, it is also advantageous to use different catalysts in the individual reaction zones. Thus, especially in the first reaction zone, when the concentration of the reaction educts is still high, a less active catalyst can be used and in the further reaction zones the activity of the catalyst can be increased from reaction zone to reaction zone.
  • the control of the catalyst activity can also be carried out by dilution with inert materials or carrier material. Also advantageous is the use of a catalyst in the first and / or second reaction zone, which is particularly stable against deactivation at the temperatures of the process in these reaction zones.
  • 0.1 kg / h to 10 kg / h preferably 0.5 kg / h to 8 kg / h, particularly preferably 1 kg / h to 5 kg / h of formaldehyde can be produced by the process according to the invention per 1 kg of catalyst.
  • the inventive method is thus characterized by high space-time yields, combined with a reduction of the apparatus sizes and a simplification of the apparatus or reactors.
  • This surprisingly high space-time yield is made possible by the interaction of the inventive and preferred embodiments of the new method.
  • the interaction of staggered, adiabatic reaction zones with intermediate heat exchange zones and the defined Residence times enable precise control of the process and the resulting high space-time yields, as well as a reduction in the by-products formed, such as dimethyl ether, dimethoxymethane and carbon monoxide.
  • Another object of the invention is a reactor system for the reaction of methanol and oxygen to formaldehyde, characterized in that it feeds (Z) for a process gas comprising methanol and oxygen or for at least two process gases, of which at least one methanol and at least one oxygen and 10 to 60 reaction zones (R) connected in series in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) in the form of plate heat exchangers being connected to the reaction zones. and discharges for the process gases are connected and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
  • the reactor system may also comprise 12 to 50, preferably 15 to 30 reaction zones in the form of fixed beds.
  • the insulating material of the heat insulating zones is preferably a material having a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the reactor system according to the invention, the following reference numerals being used in the figures:
  • W heat exchange zone (s) 2 shows reactor temperature (T), methanol conversion (U) and formaldehyde selectivity (Y) over a number of 23 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 1).
  • T reactor temperature
  • U methanol conversion
  • Y formaldehyde selectivity
  • the process gas flows through a total of 23 fixed catalyst beds of iron and molybdenum, ie through 23 reaction zones.
  • Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas was cooled before it enters the next reaction zone.
  • the process gases used at the beginning of the first reaction zone are methanol and air, the volume flow of the air being set so that an excess of 400% of the oxygen based on methanol is present at the beginning of the first reaction zone.
  • the absolute inlet pressure of the process gas directly in front of the first reaction zone is 1, 1 bar.
  • the length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones is always 0.1 m.
  • the activity of the catalyst used changes from reaction zone to reaction zone (see Table 1) (the activity of the last reaction zone was normalized to 100%). There is no replenishment of process gases before the individual catalyst stages.
  • the residence time in the entire system is 1.2 seconds.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line.
  • the right-hand y-axis shows the total methanol conversion and the selectivity of formaldehyde.
  • the course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the course of selectivity as a thin solid line.
  • the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 285 0 C. Due to the exothermic reaction to formaldehyde under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 300 0 C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is about 285 ° C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 300 0 C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the process gas upstream of the individual reaction zones essentially do not change during the course of the process. This is advantageous, since in the course of the reaction a constant temperature is thus used on average, which enables optimum selectivity of formaldehyde.
  • a method according to this specific embodiment requires the specified overhead of reaction and heat exchange zones, but this has no linear economic effects due to the similarity of the components. There is obtained a conversion of methanol of 99 mol%. The selectivity is kept constant at 95.5 mol%. The space-time yield obtained, based on the mass of catalyst used, is 2.67 kg F ⁇ rm a i d e hy ci / kg C at h.
  • the process gas flows through a total of 16 reaction zones, ie over 16 fixed catalyst beds of iron and molybdenum.
  • Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled before it enters the next reaction zone.
  • the process gases used at the outset are, like the inlet pressure before the first reaction zone, identical to those of Example 1.
  • the length of the catalyst stages, ie the reaction zones, is shown in Table 2.
  • the activity of the catalyst is in the first reaction zone 100% in all other is set by dilution with catalytically inactive material has an activity of 5.7%. This is achieved after the first reaction zone oscillating, in a temperature window between 280 0 C and 320 0 C, on which the process settles. There is no replenishment of gas before the individual catalyst stages.
  • the residence time in the entire system is 1.1 seconds.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line.
  • the right-hand y-axis shows the total methanol conversion and the selectivity of formaldehyde.
  • the course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the course of selectivity as a thin solid line.
  • the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 175 ° C.
  • the temperature rises to about 320 0 C before entering the second reaction zone, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone.
  • the inlet temperature before the next reaction zone is again about 280 0 C.
  • exothermic adiabatic reaction it rises again to about 320 0 C.
  • the sequence of heating and cooling continues.
  • the inlet temperatures of the process gas upstream of the individual reaction zones increase with increasing number of reaction zones and settle around a mean value of about 320 ° C.
  • FIG. 10 Another feature of the operation of the reaction zones under adiabatic conditions is shown in FIG. If one observes in particular the shape of the temperature profile within the reaction zones 10 to 16 and the shape of their temperature profile, it can be seen that the slope of the temperature increase over the reaction zone decreases. This shows the essential property of the process that no significant heat sink is present in the reaction zones.

Abstract

The invention relates to a method for producing formaldehyde by catalytic gas phase oxidation of methanol with oxygen, the reaction being carried out under adiabatic conditions on 10 to 60 catalyst beds that are arranged in series. The invention further relates to a reactor system for carrying out said method.

Description

Verfahren zur Herstellung von Formaldehyd Process for the preparation of formaldehyde
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formaldehyd durch katalytische Gasphasenoxidation von Methanol mit Sauerstoff, worin die Umsetzung in 10 bis 60 hintereinander geschalteten Reaktionszonen unter adiabaten Bedingungen durchgeführt wird, sowie ein Reaktorsystem zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a process for the preparation of formaldehyde by catalytic gas phase oxidation of methanol with oxygen, wherein the reaction is carried out in 10 to 60 successive reaction zones under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the method.
Formaldehyd wird allgemein unter katalytischem Einfluss von Metalloxiden aus gasförmigeil Methanol und Sauerstoff in einer exothermen, katalytischen Reaktion gemäß Formel (T) hergestellt:Formaldehyde is generally prepared under the catalytic influence of metal oxides from gaseous methanol and oxygen in an exothermic, catalytic reaction according to formula (T):
CH3OH (g)+0,5 O2(g) -→ CH2O (g) + H2O; ΔH= -159 kJ/mol (T)CH 3 OH (g) +0.5 O 2 (g) → CH 2 O (g) + H 2 O; ΔH = -159 kJ / mol (T)
Das mittels der Reaktion nach Formel (I) hergestellte Formaldehyd bildet einen wesentlichen Ausgangsstoff für viele andere Synthesen in der chemischen Industrie. Insbesondere findet Formaldehyd Anwendung bei der Herstellung von Farbstoffen, Pharmaka und bei der Textilveredelung.The formaldehyde produced by the reaction of formula (I) forms an essential starting material for many other syntheses in the chemical industry. In particular, formaldehyde is used in the production of dyes, pharmaceuticals and in textile finishing.
Die Abfuhr und Verwendung der Reaktionswärme ist ein wichtiger Punkt bei der Durchführung der Formaldeyhd-Synthese. Ein unkontrollierter Temperaturanstieg, kann zu einer dauerhaften Schädigung des Katalysators führen. Außerdem existiert bei hohenThe removal and use of the heat of reaction is an important issue in the practice of formaldexhd synthesis. An uncontrolled increase in temperature can lead to permanent damage to the catalytic converter. It also exists at high
Temperaturen die Möglichkeit von Nebenreaktionen unter Bildung mehr oder weniger großer Mengen unter anderem an Kohlenmonoxid, welche die nächste Oxidationsstufe desTemperatures the possibility of side reactions to form more or less large amounts of, inter alia, carbon monoxide, which is the next oxidation state of the
Formaldehyd darstellt. Es ist daher vorteilhaft die Temperatur der Katalysatoren im Laufe des Verfahrens kontrolliert auf einem Niveau zu halten, das einen schnellen Umsatz unterRepresents formaldehyde. It is therefore advantageous to keep the temperature of the catalysts controlled in the course of the process at a level that underlies a rapid turnover
Minimierung der Nebenreaktionen und/oder Katalysatorinaktivierung ermöglicht.Minimization of side reactions and / or catalyst deactivation allows.
Die EP 1 551 544 (Bl) offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, mittels dessen die Reaktion gemäß Formel (I) unter pseudo-isothermen Bedingungen ausgeführt werden kann. Das Verfahren und die Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reaktionszonen innerhalb der Vorrichtung existieren, wobei die Reaktionszonen Wärmeaustauschmittel und Katalysator umfassen. Weiterhin wird zur Steuerung von Selektivität und Umsatz des Verfahrens jede Reaktionszone mit einem Prozessgas unterschiedlicher Zusammensetzung beschickt und bei einer unterschiedlichen Temperatur betrieben, die über die jeweilige Reaktionszone als pseudo-isotherm betrachtet wird. Die Prozessgase werden in verschiedenen Anteilen aufgeteilt und auch teilweise innerhalb des Reaktors im Kreis geführt. Nur Teile des Prozessgases werden aus der Vorrichtung abgezogen. Die Vorrichtung und das hierin durchgeführte Verfahren sind nachteilig, da der apparative Aufwand für die Aufteilung der Prozessgase in Teilströme, deren kontrollierte Aufgabe in die einzelnen Reaktionszonen und die pseudo-isotherme Fahrweise in diesen sehr hoch ist. Weiter sind die drei offenbarten Reaktionszonen durch die Kreisführung der Prozessgase in dem Reaktor nicht als getrennt von einander zu betrachten, so dass ein genaue Abstimmung von Temperatur und Prozessgaszusammensetzung in den einzelnen Reaktionszonen nur durch aufwändige Regelmechanismen möglich ist, da sich ein stabiler Betriebspunkt zunächst einstellen und hiernach fortlaufend kontrolliert werden muss.EP 1 551 544 (B1) discloses an apparatus and a method by means of which the reaction according to formula (I) can be carried out under pseudo-isothermal conditions. The method and apparatus are characterized by having multiple reaction zones within the apparatus, the reaction zones comprising heat exchange means and catalyst. Furthermore, to control selectivity and conversion of the process, each reaction zone is charged with a process gas of different composition and operated at a different temperature, which is considered to be pseudo-isothermal over the particular reaction zone. The process gases are divided into different proportions and also partially within the Reactor in a circle. Only parts of the process gas are withdrawn from the device. The device and the method carried out herein are disadvantageous, since the expenditure on equipment for the division of the process gases into partial streams whose controlled task in the individual reaction zones and the pseudo-isothermal procedure in these is very high. Furthermore, the three reaction zones disclosed by the circulation of the process gases in the reactor are not considered to be separate from each other, so that precise coordination of temperature and process gas composition in the individual reaction zones is only possible by complex control mechanisms, since a stable operating point initially set and it must be checked continuously.
In US 2,504,402 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren offenbart, in dem die Reaktion gemäß Formel (I) in mehreren aufeinanderfolgenden adiabaten Reaktionszonen ausgeführt wird, wobei sich jeweils zwischen den einzelnen adiabaten Reaktionszonen eine Wärmeaustauschzone befindet. Zusätzlich wird Methanol jeweils vor einer jeden Reaktionszone und/oder Wärmeaustauschzone aufgegeben, wobei die Reaktionszonen jeweils so betrieben werden, dass im Prozessgas hinter der Reaktionszone kein Methanol mehr vorhanden ist. Die Verfahrensweise ist nachteilig, weil jede Reaktionszone einen quantitativen Umsatz bedingt. Dies kann entweder bedeuten, dass die einzelne Menge an Methanol, die in eine Reaktionszone aufgegeben wird, sehr gering ist, womit die Raum- Zeit-Ausbeute des Verfahrens sehr gering wäre, oder dass größere Mengen an Methanol in eine jeweilige Reaktionszone aufgegeben werden, womit die zu erwartenden Temperaturen der adiabat betriebenen Reaktionszonen sehr hoch und damit die Katalysatorstandzeit in diesen niedrig sein sollte.US Pat. No. 2,504,402 discloses an apparatus and a process in which the reaction according to formula (I) is carried out in several successive adiabatic reaction zones, a heat exchange zone in each case between the individual adiabatic reaction zones. In addition, methanol is fed in each case before each reaction zone and / or heat exchange zone, the reaction zones each being operated in such a way that no methanol is present in the process gas downstream of the reaction zone. The procedure is disadvantageous because each reaction zone requires a quantitative conversion. This can either mean that the single amount of methanol that is fed into a reaction zone is very low, which would make the space-time yield of the process very low, or that larger amounts of methanol are introduced into a respective reaction zone, thus the expected temperatures of adiabatic reaction zones should be very high and thus the catalyst life should be low in these.
Weitere etablierten Verfahren nutzen mehr als eine Reaktionszone nach denen Wärmeaustauscher installiert sind, um das Produktgasgemisch nach der exothermen Reaktion wieder zu kühlen. Hierdurch kann die Reaktionswärme auf höheren Temperaturniveaus gewonnen werden, sowie ein erhöhter Umsatz erzielt werden.Other established processes use more than one reaction zone after which heat exchangers are installed to recool the product gas mixture after the exothermic reaction. In this way, the heat of reaction can be obtained at higher temperature levels, as well as increased sales can be achieved.
In EP 1 251 951 (Bl) wird eine Vorrichtung und die Möglichkeit der Durchführung chemischer Reaktionen in der Vorrichtung offenbart, wobei die Vorrichtung durch eine Kaskade aus miteinander in Kontakt stehenden Reaktionszonen und Wärmetauscher- Vorrichtungen gekennzeichnet ist, die stoffschlüssig miteinander im Verbund angeordnet sind. Das hierin durchzuführende Verfahren ist also gekennzeichnet durch den Kontakt der verschiedenen Reaktionszonen mit einer jeweiligen Wärmetauschervorrichtung in Form einer Kaskade. Eine Offenbarung hinsichtlich der Verwendbarkeit der Vorrichtung und des Verfahrens zur Synthese von Formaldehyd aus gasförmigem Sauerstoff und Methanol findet nicht statt. Es bleibt also unklar, wie ausgehend von der Offenbarung der EP 1 251 951 (Bl) eine solche Reaktion mittels der Vorrichtung und des darin ausgeführten Verfahrens durchgerührt werden soll. Weiter muss aus Gründen der Einheitlichkeit davon ausgegangen werden, dass das in der EP 1 251 951 (Bl) offenbarte Verfahren in einer Vorrichtung gleich oder ähnlich der Offenbarung bezüglich der Vorrichtung ausgeführt wird. Hieraus resultiert, dass durch den offenbarungsgemäßen großflächigen Kontakt der Wärmeaustauschzonen mit den Reaktionszonen eine signifikante Menge an Wärme durch Wärmeleitung zwischen den Reaktionszonen und den benachbarten Wärmeaustauschzonen stattfindet. Die Offenbarung hinsichtlich des oszillierenden Temperaturprofils kann also nur so verstanden werden, dass die hier festgestellten Temperaturspitzen stärker ausfallen würden, wenn dieser Kontakt nicht bestehen würde. Ein weiteres Indiz hierfür ist der exponentielle Anstieg der offenbarten Temperaturprofile zwischen den einzelnen Temperaturspitzen. Diese deuten an, dass eine gewisse Wärmesenke mit merklicher, aber begrenzter Kapazität in jeder Reaktionszone vorhanden ist, die den Temperaturanstieg in derselben reduzieren kann. Es kann nie ausgeschlossen werden, dass eine gewisse Abfuhr von Wärme (z.B. durch Strahlung) stattfindet. Allerdings würde sich bei einer Reduktion der möglichen Wärmeabfuhr aus der Reaktionszone ein linearer oder in seiner Steigung degressiver Temperaturverlauf andeuten, da keine Nachdosierung von Edukten vorgesehen ist und somit nach exothermer Abreaktion die Reaktion immer langsamer und sich somit die erzeugte Wärmetönung verringern würde. Somit offenbart die EP 1 251 951 (Bl) mehrstufige Verfahren in Kaskaden von Reaktionszonen, aus denen Wärme in Undefinierter Menge durch Wärmeleitung abgeführt wird. Demnach ist das offenbarte Verfahren dahingehend nachteilig, als dass eine genaue Temperaturkontrolle der Prozessgase der Reaktion nicht möglich ist.EP 1 251 951 (B1) discloses a device and the possibility of carrying out chemical reactions in the device, wherein the device is characterized by a cascade of reaction zones in contact with one another and heat exchanger devices which are arranged in a composite with one another. The process to be carried out herein is thus characterized by the contact of the various reaction zones with a respective heat exchanger device in the form a cascade. There is no disclosure as to the usability of the apparatus and method for the synthesis of formaldehyde from gaseous oxygen and methanol. Thus, it remains unclear how, starting from the disclosure of EP 1 251 951 (B1), such a reaction should be carried out by means of the device and the method carried out therein. Further, for the sake of uniformity, it is to be understood that the method disclosed in EP 1 251 951 (B1) is carried out in a device the same as or similar to the disclosure regarding the device. As a result, by the large-area contact of the heat exchange zones according to the disclosure with the reaction zones, a significant amount of heat takes place by heat conduction between the reaction zones and the adjacent heat exchange zones. The disclosure with regard to the oscillating temperature profile can therefore only be understood as meaning that the temperature peaks ascertained here would be stronger if this contact did not exist. Another indication of this is the exponential increase in the disclosed temperature profiles between the individual temperature peaks. These indicate that there is some heat sink of appreciable but limited capacity in each reaction zone which can reduce the temperature rise in it. It can never be ruled out that a certain dissipation of heat (eg by radiation) takes place. However, a reduction of the possible heat removal from the reaction zone would indicate a linear or degressive temperature gradient, since no further addition of educts is envisaged and thus, after an exothermic reaction, the reaction becomes slower and thus the heat of reaction produced would decrease. Thus, EP 1 251 951 (B1) discloses multi-stage processes in cascades of reaction zones from which heat in an undefined amount is removed by heat conduction. Accordingly, the disclosed method is disadvantageous in that accurate temperature control of the process gases of the reaction is not possible.
In EP 0 820 345 (Bl) wird eine ein Verfahren zur Herstellung von Formaldehyd durch katalytische Gasphasenoxidation von Methanol mit Sauerstoff und eine Vorrichtung in der diese durchgeführt werden kann, offenbart, das eine Mehrzahl von adiabaten Reaktions- zonen umfasst. Die offenbarte Mehrzahl wird nicht eingegrenzt. Aus den Abbildungen und Ausfuhrungsbeispielen wird jedoch offenbart, dass eine maximale Anzahl von fünf adiabaten Reaktionszonen vorhanden sein kann. Es wird weiter offenbart, dass sich zwischen den adiabaten Reaktionszonen Wärmeaustauschzonen befinden können. - A -EP 0 820 345 (B1) discloses a process for the production of formaldehyde by catalytic gas phase oxidation of methanol with oxygen and an apparatus in which it can be carried out, comprising a plurality of adiabatic reaction zones. The revealed plurality is not limited. However, it is disclosed in the figures and exemplary embodiments that a maximum number of five adiabatic reaction zones can be present. It is further disclosed that heat exchange zones may be located between the adiabatic reaction zones. - A -
Allerdings sind diese Wärmeaustauschzonen miteinander in der Art verbunden, als dass sie über ein einziges Wärmeaustauschmittels miteinander in Verbindung stehen.However, these heat exchange zones are connected to each other in such a way that they communicate with each other via a single heat exchange medium.
Die Offenbarung der EP 0 820 345 (Bl) ist nachteilig, da mit der geringen Anzahl an adiabaten Reaktionszonen und den zentralen Wärmeaustauschzonen eine genaue Kontrolle und/oder Steuerung des Temperaturprofils über die Reaktionszonen nicht möglich ist. Ursächlich hierfür ist, dass eine komplexe Verschaltung der Reaktionszonen mit den Wärmeaustauschzonen erzwungen wird, die wiederum zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Reaktionszonen führt. Die gegenseitige Beeinflussung ist insbesondere bei der exothermen Reaktion gemäß Formel (I) besonders nachteilig, da bei einer adiabaten Temperaturerhöhung in einer der maximal fünf Reaktionszonen, die über das vorherkalkulierte Maß hinausgeht, das Kühlmittel der nachfolgenden Wärmeaustauschzone stärker erhitzt wird. Dies wiederum führt zu einer geringeren Kühlwirkung in der nachfolgenden Wärmeaustauschzone, so dass eine überproportionale Erhitzung der übernächsten Reaktionszone befürchtet werden muss.The disclosure of EP 0 820 345 (B1) is disadvantageous since, with the small number of adiabatic reaction zones and the central heat exchange zones, precise control and / or control of the temperature profile over the reaction zones is not possible. The reason for this is that a complex interconnection of the reaction zones with the heat exchange zones is forced, which in turn leads to a mutual influence of the reaction zones. The mutual influence is particularly disadvantageous in particular in the exothermic reaction according to formula (I), since with an adiabatic temperature increase in one of the maximum five reaction zones, which exceeds the previously calculated level, the coolant of the subsequent heat exchange zone is heated more strongly. This in turn leads to a lower cooling effect in the subsequent heat exchange zone, so that a disproportionate heating of the next but one reaction zone must be feared.
Ausgehend vom Stand der Technik wäre es daher vorteilhaft, ein Verfahren bereitzustellen, das in einfachen Reaktionsvorrichtungen durchgeführt werden kann und das eine genaue, einfache Temperaturkontrolle ermöglicht, so dass es hohe Umsätze bei möglichst hohen Reinheiten des Produktes erlaubt. Solche einfachen Reaktionsvorrichtungen wären leicht in einen technischen Maßstab zu übertragen und sind in allen Größen preiswert und robust.Based on the prior art, it would therefore be advantageous to provide a method that can be carried out in simple reaction devices and that allows accurate, simple temperature control, so that it allows high conversions with the highest possible purity of the product. Such simple reaction devices would be easily scaled up and are inexpensive and robust in all sizes.
Für die katalytische Gasphasenoxidation von Methanol mit Sauerstoff zu Formaldehyd wurden wie gerade dargestellt bisher weder geeignete Reaktoren beschrieben, noch werden geeignete Verfahren aufgezeigt, die diese erlauben.For the catalytic gas phase oxidation of methanol with oxygen to formaldehyde, as described above, neither suitable reactors have yet been described, nor are suitable processes disclosed that permit them.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zur katalytischen Gasphasenoxidation von Methanol und Sauerstoff zu Formaldehyd bereitzustellen, das unter genauer Temperatur- kontrolle in einfachen Reaktionsvorrichtungen durchführbar ist und das hierdurch hohe Umsätze bei hohen Reinheiten des Produktes erlaubt, wobei die Reaktionswärme entweder zu Gunsten der Reaktion oder in anderer Weise genutzt werden kann.It is therefore an object to provide a process for the catalytic gas phase oxidation of methanol and oxygen to formaldehyde, which can be carried out under precise temperature control in simple reaction devices and thereby high conversions at high purities of the product allowed, the heat of reaction either in favor of the reaction or otherwise used.
Es wurde überraschend gefunden, dass ein Verfahren zur Herstellung von Formaldehyd aus Methanol und Sauerstoff in Gegenwart heterogener Katalysatoren, dadurch gekenn- zeichnet, dass es 10 bis 60 hintereinander geschalteten Reaktionszonen mit adiabaten Bedingungen umfasst, diese Aufgabe zu lösen vermag. Methanol bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Prozessgas, das in das erfindungsgemäße Verfahren eingeführt wird und das im Wesentlichen Methanol umfasst. Im Wesentlichen bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung einen Anteil von mehr als 90 Gew-%. Demzufolge wird Methanol, das in flüssiger Phase vorliegt zunächst verdampft, bevor es dem Verfahren zugeführt wird.It has surprisingly been found that a process for the preparation of formaldehyde from methanol and oxygen in the presence of heterogeneous catalysts, characterized in that it comprises 10 to 60 successive reaction zones with adiabatic conditions, is able to achieve this object. Methanol in the context of the present invention refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises methanol. Essentially, in the context of the present invention, a proportion of more than 90% by weight. As a result, methanol present in the liquid phase is first vaporized before being fed to the process.
Sauerstoff bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Prozessgas, das in das erfindungsgemäße Verfahren eingeführt wird und das im Wesentlichen Sauerstoff umfasst. Bevorzugt ist Sauerstoff Umgebungsluft und umfasst daher einen Anteil von etwa 20 Vol.-% Sauerstoff.Oxygen, in the context of the present invention, refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises oxygen. Preferably, oxygen is ambient air and therefore comprises a proportion of about 20% by volume of oxygen.
Neben den Wesentlichen Komponenten der Prozessgase Methanol und Sauerstoff, können diese auch noch Nebenkomponenten umfassen. Nicht abschließende Beispiele für Nebenkomponenten, die in den Prozessgasen enthalten sein können sind etwa Stickstoff, Dimethylether, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser.In addition to the essential components of the process gases methanol and oxygen, these can also include secondary components. Non-exhaustive examples of minor components that may be included in the process gases include nitrogen, dimethyl ether, carbon dioxide, carbon monoxide, and water.
Allgemein werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Prozessgase als Gasgemische verstanden, die Sauerstoff und/oder Methanol und/oder Formaldehyd und/oder Nebenkomponenten umfassen. Im Wesentlichen umfassen Prozessgase aber Sauerstoff und/oder Methanol und/oder Formaldehyd.In general, in the context of the present invention, process gases are understood as gas mixtures which comprise oxygen and / or methanol and / or formaldehyde and / or secondary components. In essence, however, process gases include oxygen and / or methanol and / or formaldehyde.
Erfindungsgemäß bedeutet die Durchführung des Verfahrens unter adiabaten Bedingungen, dass der Reaktionszone von außen im Wesentlichen weder aktiv Wärme zugeführt noch Wärme entzogen wird. Es ist allgemein bekannt, dass eine vollständige Isolation gegen Wärmezu- oder Abfuhr nur durch vollständige Evakuierung unter Ausschluss der Möglichkeit des Wärmeübergangs durch Strahlung möglich ist. Daher bezeichnet adiabat im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass keine Maßnahmen zur Wärmezu- oder Abfuhr ergriffen werden.According to the invention, carrying out the process under adiabatic conditions essentially means that the reaction zone is neither actively supplied with heat nor heat withdrawn from the outside. It is well known that complete isolation against heat input or discharge is possible only by complete evacuation, excluding the possibility of heat transfer by radiation. Therefore, in the context of the present invention, adiabat means that no heat supply or removal measures are taken.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber z.B. durch Isolation mittels allgemein bekannter Isolationsmittel, wie z.B. Polystyroldämmstoffen, oder auch durch genügend große Abstände zu Wärmesenken oder Wärmequellen, wobei das Isolationsmittel Luft ist, ein Wärmeübergang vermindert werden.In an alternative embodiment of the method according to the invention, however, e.g. by isolation by means of well-known isolation means, e.g. Polystyrene insulating materials, or by sufficiently large distances to heat sinks or heat sources, wherein the insulating agent is air, a heat transfer can be reduced.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen adiabaten Fahrweise der 10 bis 60 hintereinander geschalteten Reaktionszonen gegenüber einer nicht adiabaten Fahrweise besteht darin, dass in den Reaktionszonen keine Mittel zur Wärmeabfiihr bereitgestellt werden müssen, was eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion mit sich bringt. Dadurch ergeben sich insbesondere Vereinfachungen bei der Fertigung des Reaktors sowie bei der Skalierbarkeit des Verfahrens und eine Steigerung der Reaktionsumsätze. Außerdem kann die Wärme, die im Zuge des exothermen Reaktionsfortschrittes erzeugt wird in der einzelnen Reaktionszone zur Steigerung des Umsatzes in kontrollierter Weise genutzt werden.An advantage of the adiabatic driving method according to the invention of the 10 to 60 reaction zones connected in series with respect to a non-adiabatic driving mode is that no heat removal means need be provided in the reaction zones, which results in a considerable simplification of the construction. This results in particular simplifications in the manufacture of the reactor and in the scalability of the process and an increase in reaction conversions. In addition, the heat generated in the course of the exothermic reaction progress can be utilized in the single reaction zone to increase the conversion in a controlled manner.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit der sehr genauen Temperaturkontrolle, durch die enge Staffelung von adiabaten Reaktionszonen. Es kann somit in jeder Reaktionszone eine im Reaktionsfortschritt vorteilhafte Temperatur eingestellt werden.Another advantage of the method according to the invention is the possibility of very accurate temperature control, due to the close staggering of adiabatic reaction zones. It can thus be set in each reaction zone advantageous in the reaction progress temperature.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Katalysatoren sind üblicherweise Katalysatoren, die aus einem Material bestehen, das neben seiner katalytischen Aktivität für die Reaktion gemäß Formel (I) durch ausreichende chemische Resistenz gegenüber Sauerstoff unter den Bedingungen des Verfahrens, sowie durch eine hohe spezifische Oberfläche gekennzeichnet ist. Katalysatormaterialien, die durch eine solche chemische Resistenz gegenüber Sauerstoff unter den Bedingungen des Verfahrens gekennzeichnet sind, sind zum Beispiel Katalysatoren, die Eisen und Molybdän umfassen.The catalysts used in the process according to the invention are usually catalysts which consist of a material which, in addition to its catalytic activity for the reaction of the formula (I), is characterized by sufficient chemical resistance to oxygen under the conditions of the process and by a high specific surface area. Catalyst materials characterized by such chemical resistance to oxygen under the conditions of the process include, for example, catalysts comprising iron and molybdenum.
Spezifische Oberfläche bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Fläche des Katalysatormaterials, die vom Prozessgase erreicht werden kann bezogen auf die eingesetzte Masse an Katalysatormaterial.Specific surface area in the context of the present invention refers to the area of the catalyst material that can be reached by the process gases based on the mass of catalyst material used.
Eine hohe spezifische Oberfläche ist eine spezifische Oberfläche von mindestens 1 m2/g, bevorzugt von mindestens 2 m2/g.A high specific surface area is a specific surface area of at least 1 m 2 / g, preferably of at least 2 m 2 / g.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren befinden sich jeweils in den Reaktionszonen und können in allen an sich bekannten Erscheinungsformen, z.B. Festbett, Fließbett, Wirbelbett vorliegen.The catalysts of the invention are each in the reaction zones and can be used in all known forms, e.g. Fixed bed, fluidized bed, fluidized bed present.
Bevorzugt sind die Erscheinungsformen Festbett und Fließbett.Preferred are the forms of fixed bed and fluidized bed.
Die Festbettanordnung umfasst eine Katalysatorschüttung im eigentlichen Sinn, d. h. losen, geträgerten oder ungeträgerten Katalysator in beliebiger Form sowie in Form von geeigneten Packungen. Der Begriff der Katalysatorschüttung, wie er hier verwendet wird, umfasst auch zusammenhängende Bereiche geeigneter Packungen auf einem Träger- material oder strukturierte Katalysatorträger. Dies wären z.B. zu beschichtende keramische Wabenträger mit vergleichsweise hohen geometrischen Oberflächen oder gewellte Schichten aus Metalldrahtgewebe, auf denen beispielsweise Katalysatorgranulat immobilisiert ist. Als eine Sonderform der Packung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung das Vorliegen des Katalysators in monolithischer Form betrachtet.The fixed bed arrangement comprises a catalyst bed in the strict sense, ie loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings. The term catalyst bed as used herein also includes contiguous areas of suitable packages on a carrier. material or structured catalyst support. These would be, for example, to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized. As a special form of packing, in the context of the present invention, the presence of the catalyst in monolithic form is considered.
Wird eine Festbettanordnung des Katalysators verwendet, so liegt der Katalysator bevorzugt in Schüttungen von Partikeln mit mittleren Partikelgrößen von 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 ,5 bis 8 mm, besonders bevorzugt von 2 bis 5 mm vor.If a fixed-bed arrangement of the catalyst is used, the catalyst is preferably present in beds of particles with average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 1, 5 to 8 mm, particularly preferably 2 to 5 mm.
Besonders bevorzugt ist bei Festbettanordnung ein monolithischer Katalysator, der Eisen und Molybdän umfasst.Particularly preferred in a fixed bed arrangement is a monolithic catalyst comprising iron and molybdenum.
Wird ein Katalysator in monolithischer Form in den Reaktionszonen verwendet, so ist in einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung der in monolithischer Form vorliegende Katalysator mit Kanälen versehen, durch die die Prozessgase strömen. Üblicherweise haben die Kanäle einen Durchmesser von 0,1 bis 3 mm, bevorzugt einen Durchmesser von 0,2 bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 1 ,5 mm.When a catalyst in monolithic form is used in the reaction zones, in a preferred further development of the invention the monolithic catalyst is provided with channels through which the process gases flow. Usually, the channels have a diameter of 0.1 to 3 mm, preferably a diameter of 0.2 to 2 mm, more preferably from 0.5 to 1, 5 mm.
Ein monolithischer Katalysator mit Kanälen der angegeben Durchmesser ist besonders vorteilhaft, da hierdurch ein Explosionsschutz gewährleistet werden kann. Dies geschieht durch die Aufnahme der Enthalpie durch die Wandung des Monolithen und damit wird eine weitere Ausbreitung von Flammen unterdrückt.A monolithic catalyst with channels of the specified diameter is particularly advantageous, since this explosion protection can be ensured. This is done by absorbing the enthalpy through the wall of the monolith and thus suppressing further propagation of flames.
Wird eine Fließbettanordnung des Katalysators verwendet, so liegt der Katalysator bevorzugt in losen Schüttungen von Partikeln vor, wie diese zuvor auch für die Festbettanordnung beschrieben worden sind.If a fluidized bed arrangement of the catalyst is used, the catalyst is preferably present in loose beds of particles, as have also previously been described for the fixed bed arrangement.
Schüttungen von solchen Partikeln sind vorteilhaft, weil die Größe der Partikel eine hohe spezifische Oberfläche des Katalysatormaterials gegenüber den Prozessgasen Sauerstoff und Methanol besitzen und damit eine hohe Umsatzrate erreicht werden kann. Es kann also die Stofftransportlimitierung der Reaktion durch Diffusion gering gehalten werden. Zugleich sind die Partikel damit aber noch nicht so klein, dass es zu überproportional erhöhten Druckverlusten bei Durchströmung des Festbettes kommt. Die Bereiche der in der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, umfassend eine Reaktion in einem Festbett, angegebenen Partikelgrößen sind somit ein Optimum zwischen dem erreichbaren Umsatz aus der Reaktion gemäß Formel (I) und dem erzeugten Druckverlust bei Durchführung des Verfahrens. Druckverlust ist in direkter Weise mit der notwendigen Energie in Form von Kompressorleistung gekoppelt, so dass eine überproportionale Erhöhung desselben in einer unwirtschaftlichen Betriebsweise des Verfahrens resultieren würde.Beds of such particles are advantageous because the size of the particles have a high specific surface area of the catalyst material compared to the process gases oxygen and methanol and thus a high conversion rate can be achieved. Thus, the mass transport limitation of the reaction by diffusion can be kept low. At the same time, however, the particles are not yet so small that disproportionately high pressure losses occur when the fixed bed flows through. The ranges of the particle sizes given in the preferred embodiment of the process, comprising a reaction in a fixed bed, are thus an optimum between the achievable turnover from the reaction according to formula (I) and the generated pressure loss when carrying out the process. Pressure loss is coupled in a direct manner with the necessary energy in the form of compressor performance, so that a disproportionate increase in the same would result in an inefficient operation of the method.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Umsatz in 12 bis 50, besonders bevorzugt 15 bis 30 hintereinander geschalteten Reaktionszonen.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the conversion takes place in 12 to 50, more preferably 15 to 30 reaction zones connected in series.
Eine bevorzugte weitere Ausfuhrungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das aus mindestens einer Reaktionszone austretende Prozessgas anschließend durch wenigstens eine dieser Reaktionszone nachgeschalteten Wärmeaustauschzone geleitet wird.A preferred further embodiment of the method is characterized in that the process gas emerging from at least one reaction zone is subsequently passed through at least one heat exchange zone downstream of said reaction zone.
In einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform des Verfahrens befindet sich nach jeder Reaktionszone wenigstens eine, bevorzugt genau eine Wärmeaustauschzone, durch die das aus der Reaktionszone austretende Prozessgas geleitet wird.In a particularly preferred further embodiment of the process, after each reaction zone is at least one, preferably exactly one heat exchange zone, through which the process gas leaving the reaction zone is passed.
Die Reaktionszonen können dabei entweder in einem Reaktor angeordnet oder in mehreren Reaktoren aufgeteilt angeordnet werden. Die Anordnung der Reaktionszonen in einem Reaktor führt zu einer Verringerung der Anzahl der verwendeten Apparaturen.The reaction zones can either be arranged in a reactor or arranged divided into several reactors. The arrangement of the reaction zones in a reactor leads to a reduction in the number of apparatuses used.
Die einzelnen Reaktionszonen und Wärmeaustauschzonen können auch zusammen in einem Reaktor oder in beliebigen Kombinationen von jeweils Reaktionszonen mit Wärmeaustauschzonen in mehreren Reaktoren aufgeteilt angeordnet werden.The individual reaction zones and heat exchange zones can also be arranged together in a reactor or in any combination of reaction zones with heat exchange zones in several reactors.
Liegen Reaktionszonen und Wärmeaustauschzonen in einem Reaktor vor, so befindet sich in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zwischen diesen eine Wärmeisolationszone, um den adiabaten Betrieb der Reaktionszone erhalten zu können.If reaction zones and heat exchange zones are present in a reactor, then in an alternative embodiment of the invention there is a heat insulation zone between them, in order to be able to obtain the adiabatic operation of the reaction zone.
Zusätzlich können einzelne der in Reihe geschalteten Reaktionszonen unabhängig voneinander auch durch eine oder mehrere parallel geschaltete Reaktionszonen ersetzt oder ergänzt werden. Die Verwendung von parallel geschalteten Reaktionszonen erlaubt insbesondere deren Austausch bzw. Ergänzung bei laufendem kontinuierlichen Gesamtbetrieb des Verfahrens. Parallele und hintereinander geschaltete Reaktionszonen können insbesondere auch miteinander kombiniert sein. Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße Verfahren aber ausschließlich hintereinander geschaltete Reaktionszonen auf.In addition, each of the series-connected reaction zones can be replaced or supplemented independently of one another by one or more reaction zones connected in parallel. The use of reaction zones connected in parallel allows in particular their replacement or supplementation during ongoing continuous operation of the process. Parallel and successive reaction zones may in particular also be combined with one another. However, the process according to the invention particularly preferably has exclusively reaction zones connected in series.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendeten Reaktoren können aus einfachen Behältern mit einer oder mehreren Reaktionszonen bestehen, wie sie z.B. in Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, Seite 95-104, Seite 210-216) beschrieben werden, wobei jeweils zwischen den einzelnen Reaktionszonen und/oder Wärmeaustauschzonen Wärmeisolationszonen zusätzlich vorgesehen sein können.The reactors preferably used in the process according to the invention can consist of simple containers with one or more reaction zones, as e.g. in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, page 95-104, page 210-216), wherein in each case between the individual reaction zones and / or heat exchange zones heat insulation zones can be additionally provided.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens, befindet sich also zwischen einer Reaktionszone und einer Wärmeaustauschzone mindestens eine Wärmeisolationszone. Bevorzugt befindet sich um jede Reaktionszone eine Wärmeisolationszone.In an alternative embodiment of the method, there is thus at least one heat-insulating zone between a reaction zone and a heat exchange zone. Preferably, there is a heat isolation zone around each reaction zone.
Die Katalysatoren bzw. die Festbetten daraus werden in an sich bekannter Weise auf oder zwischen gasdurchlässigen Wandungen umfassend die Reaktionszone des Reaktors angebracht. Insbesondere bei dünnen Festbetten können in Strömungsrichtung vor den Katalysatorbetten technische Vorrichtungen zur gleichmäßigen Gasverteilung angebracht werden. Dies können Lochplatten, Glockenböden, Ventilböden oder andere Einbauten sein, die durch Erzeugung eines geringen, aber gleichmäßigen Druckverlusts einen gleichförmigen Eintritt des Prozessgases in das Festbett bewirken.The catalysts or the fixed beds thereof are mounted in a manner known per se on or between gas-permeable walls comprising the reaction zone of the reactor. Particularly in the case of thin fixed beds, technical devices for uniform gas distribution can be provided in the flow direction in front of the catalyst beds. These can be perforated plates, bubble-cap trays, valve trays or other internals which cause a uniform entry of the process gas into the fixed bed by producing a small but uniform pressure loss.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise ein Stoffmengenüberschuss von zwischen 0 und 500 % Sauerstoff bezogen auf den Stoffmengenstrom Methanol vor Eintritt in die erste Reaktionszone verwendet. Durch eine Erhöhung des Verhältnisses von Sauerstoff pro Methanol kann zum einen die Reaktion beschleunigt und somit die Raumzeitausbeute (Produzierte Formaldehydmenge pro Masse Katalysatormaterial) gesteigert werden.Zum anderen wird hierdurch eine Zusammensetzung des Prozessgases erzielt, die von der für eine Explosion kritischen Grenzzusammensetzung weiter entfernt ist.In a particular embodiment of the process according to the invention, preference is given to using a molar excess of between 0 and 500% oxygen, based on the molar flow of methanol, before it enters the first reaction zone. By increasing the ratio of oxygen per methanol, on the one hand, the reaction can be accelerated and thus the space-time yield (amount of produced formaldehyde per mass of catalyst material) increased. On the other hand, a composition of the process gas is achieved which is further removed from the critical boundary composition for an explosion ,
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Eingangstemperatur des in die erste Reaktionszone eintretenden Prozessgases von 10 bis 3300C, bevorzugt von 50 bis 3100C, besonders bevorzugt von 100 bis 2900C. In noch einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der absolute Druck am Eingang der ersten Reaktionszone zwischen 1 und 4 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 3 bar, besonders bevorzugt zwischen 1,2 und 2,5 bar.In a further particularly preferred embodiment of the method, the inlet temperature of the process gas entering the first reaction zone is from 10 to 330 ° C., preferably from 50 to 310 ° C., particularly preferably from 100 to 290 ° C. In yet another particularly preferred embodiment of the process, the absolute pressure at the inlet of the first reaction zone is between 1 and 4 bar, preferably between 1.1 and 3 bar, more preferably between 1.2 and 2.5 bar.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens beträgt die Verweilzeit des Prozessgases in einer Reaktionszone zwischen 0,1 und 50 s, bevorzugt zwischen 0,2 und 20 s, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 10 s.In a further particularly preferred embodiment of the process, the residence time of the process gas in a reaction zone is between 0.1 and 50 s, preferably between 0.2 and 20 s, particularly preferably between 0.5 and 10 s.
Das Methanol und der Sauerstoff werden bevorzugt nur vor der ersten Reaktionszone zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass das gesamte Prozessgas für die Aufnahme und Abfuhr der Reaktionswärme in allen Reaktionszonen genutzt werden kann. Außerdem kann durch eine solche Verfahrensweise die Raum-Zeit- Ausbeute gesteigert werden, bzw. die notwendige Katalysatormasse verringert werden. Es ist aber auch möglich vor einer oder mehreren der nach der ersten Reaktionszone folgenden Reaktionszonen nach Bedarf Methanol und/oder Sauerstoff in das Prozessgas einzudosieren. Über die Zufuhr von Gas zwischen den Reaktionszonen kann zusätzlich die Temperatur des Umsatzes gesteuert werden.The methanol and the oxygen are preferably fed only before the first reaction zone. This has the advantage that the entire process gas can be used for the absorption and removal of the heat of reaction in all reaction zones. In addition, by such a procedure, the space-time yield can be increased, or the necessary catalyst mass can be reduced. However, it is also possible to meter in methanol and / or oxygen in the process gas as required before one or more of the reaction zones following the first reaction zone. In addition, the temperature of the conversion can be controlled via the supply of gas between the reaction zones.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Prozessgas nach mindestens einer der verwendeten Reaktionszonen, besonders bevorzugt nach jedem der verwendeten Katalysatorbetten abgekühlt. Dazu leitet man das Prozessgas nach Austritt aus einer Reaktionszone durch eine oder mehrere der oben genannten Wärmeaustauschzonen, die sich hinter den jeweiligen Reaktionszonen befinden. Diese können als Wärmeaustauschzonen in Form der dem Fachmann bekannten Wärmetauscher, wie z.B. Rohrbündel-, Platten-, Ringnut-, Spiral-, Rippenrohr-, Mikrowärmetauscher ausgeführt sein. Bevorzugt sind die Wärmetauscher mikrostrukturierte Wärmetauscher.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the process gas is cooled after at least one of the reaction zones used, more preferably after each of the catalyst beds used. For this purpose, the process gas is passed after exiting a reaction zone through one or more of the above-mentioned heat exchange zones, which are located behind the respective reaction zones. These may be used as heat exchange zones in the form of heat exchangers known to those skilled in the art, e.g. Tube bundle, plate, Ringnut-, spiral, finned tube, micro-heat exchanger be executed. The heat exchangers are preferably microstructured heat exchangers.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird beim Abkühlen des Prozessgases in den Wärmeaustauschzonen durch den Wärmetauscher Dampferzeugt.In a further embodiment of the method, steam is generated during cooling of the process gas in the heat exchange zones by the heat exchanger.
Innerhalb dieser weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt in den Wärmetauschern, die die Wärmeaustauschzonen beinhalten, auf der Seite des Kühlmediums eine Verdampfung, bevorzugt Teilverdampfung auszuführen.Within this further embodiment, it is preferable in the heat exchangers, which include the heat exchange zones, to carry out evaporation on the side of the cooling medium, preferably partial evaporation.
Teilverdampfung bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Verdampfung, bei der ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch eines Stoffes als Kühlmedium verwendet wird und bei der auch nach Wärmeübergang in dem Wärmetauscher noch ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch eines Stoffes vorliegt.Partial evaporation, in the context of the present invention, refers to evaporation in which a gas / liquid mixture of a substance is used as the cooling medium is used and in which even after heat transfer in the heat exchanger is still a gas / liquid mixture of a substance.
Das Ausführen einer Verdampfung ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch der erzielbare Wärmeübergangskoeffizient von/zu Prozessgasen auf/von Kühl-/Heizmedium besonders hoch wird und somit eine effiziente Kühlung erreicht werden kann.The carrying out of evaporation is particularly advantageous because in this way the achievable heat transfer coefficient from / to process gases on / from the cooling / heating medium becomes particularly high and thus efficient cooling can be achieved.
Das Ausfuhren einer Teilverdampfung ist besonders vorteilhaft, weil die Aufnahme / Abgabe von Wärme durch das Kühlmedium hierdurch nicht mehr in einer Temperaturänderung des Kühlmediums resultiert, sondern lediglich das Gas-/Flüssig Gleichgewicht verschoben wird. Das hat zur Folge, dass über die gesamte Wärmeaustauschzone das Prozessgas gegenüber einer konstanten Temperatur gekühlt wird. Dies wiederum verhindert sicher das Auftreten von Temperaturprofilen in der Strömung der Prozessgase, wodurch die Kontrolle über die Reaktionstemperaturen in den Reaktionszonen verbessert wird und insbesondere das Ausbilden von lokalen Überhitzungen durch Temperaturprofile verhindert wird.The export of a partial evaporation is particularly advantageous because the absorption / release of heat by the cooling medium thereby no longer results in a temperature change of the cooling medium, but only the gas / liquid balance is shifted. This has the consequence that over the entire heat exchange zone, the process gas is cooled to a constant temperature. This in turn safely prevents the occurrence of temperature profiles in the flow of process gases, thereby improving control over the reaction temperatures in the reaction zones and, in particular, preventing the formation of local overheating by temperature profiles.
In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle einer Verdampfung/Teilverdampfung auch eine Mischzone vor dem Eingang einer Reaktionszone vorgesehen werden, um die gegebenenfalls bei der Abkühlung entstehenden Temperaturprofile in der Strömung der Prozessgase durch Vermischung quer zur hauptsächlichen Strömungsrichtung zu vereinheitlichen.In an alternative embodiment, instead of evaporation / partial evaporation, a mixing zone can also be provided upstream of the entrance of a reaction zone in order to standardize the temperature profiles in the flow of process gases which may arise during cooling by mixing transversely to the main flow direction.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die nacheinander geschalteten Reaktionszonen bei von Reaktionszone zu Reaktionszone steigender oder sinkender Durchschnittstemperatur betrieben. Dies bedeutet, dass man innerhalb einer Folge von Reaktionszonen die Temperatur von Reaktionszone zu Reaktionszone sowohl ansteigen als auch absinken lassen kann. Dies kann beispielsweise über die Steuerung der zwischen die Reaktionszone geschalteten Wärmeaustauschzonen eingestellt werden. Weitere Möglichkeiten der Einstellung der Durchschnittstemperatur werden im Folgenden beschrieben.In a likewise preferred embodiment of the process, the reaction zones connected in series are operated at an average temperature increasing or decreasing from reaction zone to reaction zone. This means that within a sequence of reaction zones, the temperature can be both increased and decreased from reaction zone to reaction zone. This can be adjusted, for example, via the control of the heat exchange zones connected between the reaction zone. Further options for setting the average temperature are described below.
Die Dicke der durchströmten Reaktionszonen kann gleich oder verschieden gewählt werden und ergibt sich nach dem Fachmann allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten aus der oben beschriebenen Verweilzeit und den jeweils im Verfahren durchgesetztenThe thickness of the flow-through reaction zones can be chosen to be the same or different and results according to laws generally known in the art from the residence time described above and enforced in each case in the process
Prozessgasmengen. Die erfindungsgemäß mit dem Verfahren durchsetzbaren Massen- ströme an Produktgas (Formaldehyd), aus denen sich auch die einzusetzenden Prozessgasmengen ergeben, liegen üblicherweise zwischen 0,01 und 25 t/h, bevorzugt zwischen 0,1 und 20 t/h, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 t/h.Process gas quantities. The mass enforceable according to the invention with the method Streams of product gas (formaldehyde), which also results in the process gas quantities to be used, are usually between 0.01 and 25 t / h, preferably between 0.1 and 20 t / h, more preferably between 1 and 10 t / h.
Die maximale Austrittstemperatur des Prozessgases aus den Reaktionszonen liegt üblicherweise in einem Bereich von 260°C bis 400°C, bevorzugt von 2800C bis 38O0C, besonders bevorzugt von 3000C bis 3500C. Die Steuerung der Temperatur in denThe maximum outlet temperature of the process gas from the reaction zones is usually in a range from 260 ° C to 400 ° C, preferably from 280 0 C to 380 0 C, particularly preferably from 300 0 C to 350 0 C. The control of the temperature in the
Reaktionszonen erfolgt bevorzugt durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen:Reaction zones are preferably carried out by at least one of the following measures:
Dimensionierung der adiabaten Reaktionszone, Steuerung der Wärmeabfuhr zwischen denDimensioning of the adiabatic reaction zone, control of heat dissipation between the
Reaktionszonen, Zusatz von Gas zwischen den Reaktionszonen, molares Verhältnis der Edukte / Überschuss an verwendetem Sauerstoff, Zusatz von Inertgasen, insbesondereReaction zones, addition of gas between the reaction zones, molar ratio of the starting materials / excess of oxygen used, addition of inert gases, in particular
Stickstoff, Kohlendioxid, vor und/oder zwischen den Reaktionszonen.Nitrogen, carbon dioxide, before and / or between the reaction zones.
Die Zusammensetzung der Katalysatoren in den erfindungsgemäßen Reaktionszonen kann gleich oder verschieden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden in jeder Reaktionszone die gleichen Katalysatoren verwendet. Man kann aber auch vorteilhaft verschiedene Katalysatoren in den einzelnen Reaktionszonen verwenden. So kann insbesondere in der ersten Reaktionszone, wenn die Konzentration der Reaktionsedukte noch hoch ist, ein weniger aktiver Katalysator verwendet werden und in den weiteren Reaktionszonen die Aktivität des Katalysators von Reaktionszone zu Reaktionszone gesteigert werden. Die Steuerung der Katalysatoraktivität kann auch durch Verdünnung mit Inert- materialien bzw. Trägermaterial erfolgen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung eines Katalysators in der ersten und/oder zweiten Reaktionszone, der besonders stabil gegen eine Desaktivierung bei den Temperaturen des Verfahrens in diesen Reaktionszonen ist.The composition of the catalysts in the reaction zones according to the invention may be identical or different. In a preferred embodiment, the same catalysts are used in each reaction zone. However, it is also advantageous to use different catalysts in the individual reaction zones. Thus, especially in the first reaction zone, when the concentration of the reaction educts is still high, a less active catalyst can be used and in the further reaction zones the activity of the catalyst can be increased from reaction zone to reaction zone. The control of the catalyst activity can also be carried out by dilution with inert materials or carrier material. Also advantageous is the use of a catalyst in the first and / or second reaction zone, which is particularly stable against deactivation at the temperatures of the process in these reaction zones.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können pro 1 kg Katalysator 0,1 kg/h bis 10 kg/h, bevorzugt 0,5 kg/h bis 8 kg/h, besonders bevorzugt 1 kg/h bis 5 kg/h Formaldehyd hergestellt werden.0.1 kg / h to 10 kg / h, preferably 0.5 kg / h to 8 kg / h, particularly preferably 1 kg / h to 5 kg / h of formaldehyde can be produced by the process according to the invention per 1 kg of catalyst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit durch hohe Raumzeitausbeuten aus, verbunden mit einer Verringerung der Apparategrößen sowie einer Vereinfachung der Apparaturen bzw. Reaktoren. Diese überraschend hohe Raum-Zeit-Ausbeute wird durch das Zusammenspiel der erfindungsgemäßen und bevorzugten Ausführungsformen des neuen Verfahrens ermöglicht. Insbesondere das Zusammenspiel von gestaffelten, adiabaten Reaktionszonen mit dazwischen befindlichen Wärmeaustauschzonen und den definierten Verweilzeiten ermöglicht eine genaue Steuerung des Verfahrens und die daraus resultierenden hohen Raum-Zeit-Ausbeuten, sowie eine Verringerung der gebildeten Nebenprodukte, wie zum Beispiel Dimethylether, Dimethoxymethan und Kohlenmonoxid.The inventive method is thus characterized by high space-time yields, combined with a reduction of the apparatus sizes and a simplification of the apparatus or reactors. This surprisingly high space-time yield is made possible by the interaction of the inventive and preferred embodiments of the new method. In particular, the interaction of staggered, adiabatic reaction zones with intermediate heat exchange zones and the defined Residence times enable precise control of the process and the resulting high space-time yields, as well as a reduction in the by-products formed, such as dimethyl ether, dimethoxymethane and carbon monoxide.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktorsystem zur Umsetzung von Methanol und Sauerstoff zu Formaldehyd, dadurch gekennzeichnet, dass es Zuleitungen (Z) für ein Prozessgas umfassend Methanol und Sauerstoff oder für mindestens zwei Prozessgase, von denen mindestens eines Methanol und mindestens eines Sauerstoff umfasst und 10 bis 60 hintereinander geschaltete Reaktionszonen (R) in Form von Festbetten eines heterogenen Katalysators umfasst, wobei sich zwischen den Reaktionszonen Wärmeisolationszonen (I) in Form von Isolationsmaterial und zwischen diesen Wärmeaustauschzonen (W) in Form von Plattenwärmetauschem befinden, die mit den Reaktionszonen über Zu- und Ableitungen für die Prozessgase verbunden sind und die Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium umfassen.Another object of the invention is a reactor system for the reaction of methanol and oxygen to formaldehyde, characterized in that it feeds (Z) for a process gas comprising methanol and oxygen or for at least two process gases, of which at least one methanol and at least one oxygen and 10 to 60 reaction zones (R) connected in series in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) in the form of plate heat exchangers being connected to the reaction zones. and discharges for the process gases are connected and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
Das Reaktorsystem kann auch 12 bis 50, bevorzugt 15 bis 30 Reaktionszonen in Form von Festbetten umfassen.The reactor system may also comprise 12 to 50, preferably 15 to 30 reaction zones in the form of fixed beds.
Das Isolationsmaterial der Wärmeisolationszonen ist bevorzugt ein Material mit einemThe insulating material of the heat insulating zones is preferably a material having a
Wärmeleitkoeffizient λ kleiner oder gleich 0,08 Besonders bevorzugt sind etwa
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Wärmeleitkoeffizient λ less than or equal to 0.08 Particularly preferred are about
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Polystyrol, Polyurethane, Glaswolle oder Luft.Polystyrene, polyurethanes, glass wool or air.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Abbildungen erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.The present invention will be elucidated with reference to the drawings without, however, being limited thereto.
FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktorsystems, wobei in der Abbildungen die folgenden Bezugszeichen verwendet werden:1 shows a schematic representation of an embodiment of the reactor system according to the invention, the following reference numerals being used in the figures:
Z: Zuleitung(en) R: Reaktionszone(n)Z: supply line (s) R: reaction zone (s)
I: Wärmeisolationszone(n)I: thermal insulation zone (s)
W: Wärmeaustauschzone(n) FIG 2 zeigt Reaktortemperatur (T), Methanol-Umsatz (U) und Formaldehyd-Selektivität (Y) über einer Anzahl von 23 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 1).W: heat exchange zone (s) 2 shows reactor temperature (T), methanol conversion (U) and formaldehyde selectivity (Y) over a number of 23 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 1).
FIG 3 zeigt Reaktortemperatur (T), Methanol-Umsatz (U) und Formaldehyd-Selektivität (Y) über einer Anzahl von 16 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 2).3 shows reactor temperature (T), methanol conversion (U) and formaldehyde selectivity (Y) over a number of 16 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 2).
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand der nachfolgenden Beispiele 1 und 2 näher erläutert, ohne sie hierauf zu beschränken. The present invention will be further illustrated by the following Examples 1 and 2, without being limited thereto.
BeispieleExamples
Beispiel 1 :Example 1 :
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas über insgesamt 23 Katalysatorfestbetten aus Eisen und Molybdän, also durch 23 Reaktionszonen. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eine Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wurde, bevor es in die nächste Reaktionszone eintritt. Die eingangs der ersten Reaktionszone verwendeten Prozessgase sind Methanol und Luft, wobei der Volumenstrom der Luft so eingestellt ist, dass ein Überschuss von 400 % des Sauerstoff bezogen auf Methanol eingangs der ersten Reaktionszone vorliegt. Der absolute Eingangsdruck des Prozessgases direkt vor der ersten Reaktionszone beträgt 1 ,1 bar. Die Länge der Katalysatorfestbetten, also der Reaktionszonen, beträgt stets 0,1 m. Die Aktivität des verwendeten Katalysators verändert sich von Reaktionszone zu Reaktionszone (vgl. Tabelle 1) (Die Aktivität der letzten Reaktionszone wurde auf 100% normiert). Es erfolgt keine Nachdosierung von Prozessgasen vor den einzelnen Katalysatorstufen. Die Verweilzeit in der gesamten Anlage beträgt 1,2 Sekunden.In this example, the process gas flows through a total of 23 fixed catalyst beds of iron and molybdenum, ie through 23 reaction zones. Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas was cooled before it enters the next reaction zone. The process gases used at the beginning of the first reaction zone are methanol and air, the volume flow of the air being set so that an excess of 400% of the oxygen based on methanol is present at the beginning of the first reaction zone. The absolute inlet pressure of the process gas directly in front of the first reaction zone is 1, 1 bar. The length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones, is always 0.1 m. The activity of the catalyst used changes from reaction zone to reaction zone (see Table 1) (the activity of the last reaction zone was normalized to 100%). There is no replenishment of process gases before the individual catalyst stages. The residence time in the entire system is 1.2 seconds.
Tabelle 1 : Aktivität des Katalysators in den Reaktionszonen gemäß Beispiel 1Table 1: Activity of the catalyst in the reaction zones according to Example 1
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Die Ergebnisse sind in Fig.2 gezeigt. Hierbei sind auf der x-Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt. Auf der rechten y-Achse ist der Gesamtumsatz an Methanol, sowie die Selektivität von Formaldehyd angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt. Der Verlauf der Selektivität, als dünne durchgezogene Linie.The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line. The right-hand y-axis shows the total methanol conversion and the selectivity of formaldehyde. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line. The course of selectivity, as a thin solid line.
Man erkennt, dass die Eingangstemperatur des Prozessgases vor der ersten Reaktionszone etwa 2850C beträgt. Durch die exotherme Reaktion zu Formaldehyd unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur in der ersten Reaktionszone auf etwa 3000C, bevor das Prozessgas in der nachgeschalteten Wärmeaustauschzone wieder abgekühlt wird. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt etwa 285°C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 3000C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort. Die Eingangstemperaturen des Prozessgases vor den einzelnen Reaktionszonen ändert sich im Verfahrensverlauf im Wesentlichen nicht. Dieses ist vorteilhaft, da im Reaktionsverlauf damit im Mittel konstant um eine Temperatur gearbeitet wird, die eine optimale Selektivität an Formaldehyd ermöglicht.It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 285 0 C. Due to the exothermic reaction to formaldehyde under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 300 0 C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is about 285 ° C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 300 0 C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the process gas upstream of the individual reaction zones essentially do not change during the course of the process. This is advantageous, since in the course of the reaction a constant temperature is thus used on average, which enables optimum selectivity of formaldehyde.
Ein Verfahren nach dieser speziellen Ausführungsform erfordert den angegebenen Mehraufwand an Reaktions- und Wärmaustauschzonen, was aber durch die Gleichartigkeit der Bauteile wirtschaftlich keine linearen Auswirkungen hat. Es wird ein Umsatz an Methanol von 99 mol-% erhalten. Die Selektivität wird konstant zu 95,5 mol-% erhalten. Die erzielte Raum-Zeit- Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgt 2,67 kgrmaidehyci/kgκath.A method according to this specific embodiment requires the specified overhead of reaction and heat exchange zones, but this has no linear economic effects due to the similarity of the components. There is obtained a conversion of methanol of 99 mol%. The selectivity is kept constant at 95.5 mol%. The space-time yield obtained, based on the mass of catalyst used, is 2.67 kg rm a i d e hy ci / kg C at h.
Beispiel 2:Example 2:
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas durch insgesamt 16 Reaktionszonen, also über 16 Katalysatorfestbetten aus Eisen und Molybdän. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eine Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wird, bevor es in die nächste Reaktionszone eintritt. Die eingangs verwendeten Prozessgase sind, wie auch der Eingangsdruck vor der ersten Reaktionszone, identisch zu jenem aus Beispiel 1. Die Länge der Katalysatorstufen, also der Reaktionszonen, ist Tabelle 2 zu entnehmen. Die Aktivität des Katalysators beträgt in der ersten Reaktionszone 100% in allen weiteren ist durch Verdünnung mit katalytisch inaktivem Material eine Aktivität von 5,7% eingestellt. Damit erreicht man nach der ersten Reaktionszone ein Oszillieren, in einem Temperaturfenster zwischen 2800C und 3200C, auf das sich das Verfahren einschwingt. Es erfolgt keine Nachdosierung von Gas vor den einzelnen Katalysatorstufen. Die Verweilzeit in der gesamten Anlage beträgt 1,1 Sekunden.In this example, the process gas flows through a total of 16 reaction zones, ie over 16 fixed catalyst beds of iron and molybdenum. Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled before it enters the next reaction zone. The process gases used at the outset are, like the inlet pressure before the first reaction zone, identical to those of Example 1. The length of the catalyst stages, ie the reaction zones, is shown in Table 2. The activity of the catalyst is in the first reaction zone 100% in all other is set by dilution with catalytically inactive material has an activity of 5.7%. This is achieved after the first reaction zone oscillating, in a temperature window between 280 0 C and 320 0 C, on which the process settles. There is no replenishment of gas before the individual catalyst stages. The residence time in the entire system is 1.1 seconds.
Tabelle 2: Länge der Reaktionszonen gemäß Beispiel 2Table 2: Length of the reaction zones according to Example 2
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Die Ergebnisse sind in Fig.3 gezeigt. Hierbei sind auf der x-Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt. Auf der rechten y-Achse ist der Gesamtumsatz an Methanol, sowie die Selektivität von Formaldehyd angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt. Der Verlauf der Selektivität, als dünne durchgezogene Linie.The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line. The right-hand y-axis shows the total methanol conversion and the selectivity of formaldehyde. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line. The course of selectivity, as a thin solid line.
Man erkennt, dass die Eingangstemperatur des Prozessgases vor der ersten Reaktionszone etwa 175°C beträgt. Durch Nutzung der Reaktionsenthalpie der späteren Reaktionszonen in der ersten Wärmeaustauschzone und durch die exotherme Reaktion zu Formaldehyd unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur vor Eintritt in die zweite Reaktionszone auf etwa 3200C, bevor das Prozessgas in der nachgeschalteten Wärmeaustauschzone wieder abgekühlt wird. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt wieder etwa 2800C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 3200C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort. Die Eingangstemperaturen des Prozessgases vor den einzelnen Reaktionszonen steigen mit zunehmender Reaktionszonenanzahl und pendeln sich um einen Mittelwert von etwa 320°C ein.It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 175 ° C. By utilizing the reaction enthalpy of the later reaction zones in the first heat exchange zone and by the exothermic reaction to formaldehyde under adiabatic conditions, the temperature rises to about 320 0 C before entering the second reaction zone, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone. The inlet temperature before the next reaction zone is again about 280 0 C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 320 0 C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the process gas upstream of the individual reaction zones increase with increasing number of reaction zones and settle around a mean value of about 320 ° C.
Ein weiteres Merkmal des Betriebs der Reaktionszonen unter adiabaten Bedingungen wird in Fig. 3 mitgezeigt. Betrachtet man insbesondere die Form des Temperaturverlaufes innerhalb der Reaktionszonen 10 bis 16 und die Form deren Temperaturverlaufes, so erkennt man, dass die Steigung des Temperaturanstiegs über der Reaktionszone abnimmt. Hierdurch erkennt man die wesentliche Eigenschaft des Verfahrens, dass keine signifikante Wärmesenke in den Reaktionszonen vorhanden ist.Another feature of the operation of the reaction zones under adiabatic conditions is shown in FIG. If one observes in particular the shape of the temperature profile within the reaction zones 10 to 16 and the shape of their temperature profile, it can be seen that the slope of the temperature increase over the reaction zone decreases. This shows the essential property of the process that no significant heat sink is present in the reaction zones.
Es wird ein Umsatz von 99,0 % des eingangs der ersten Reaktionszone eingesetzten Methanols, errechnet aus der verbleibenden Masse ausgangs der letzten Reaktionszone, erhalten. Die Selektivität beträgt bezüglich Formaldehyd etwa 95,8 %. Die erzielte Raum- Zeit-Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgtIt is a conversion of 99.0% of the input of the first reaction zone used methanol, calculated from the remaining mass output of the last reaction zone obtained. The selectivity is about 95.8% with respect to formaldehyde. The space-time yield achieved based on the mass used catalyst
2,66 kgFormaldehyd/kgKath. 2.66 kg formaldehyde / kgKath.

Claims

Patentansprflche Patentansprflche
1. Verfahren zur Herstellung von Formaldehyd aus Methanol und Sauerstoff in Gegenwart heterogener Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, dass es 10 bis 60 hintereinander geschaltete Reaktionszonen mit adiabaten Bedingungen umfasst.1. A process for the preparation of formaldehyde from methanol and oxygen in the presence of heterogeneous catalysts, characterized in that it comprises 10 to 60 successive reaction zones with adiabatic conditions.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Umsatz in 12 bis2. The method according to claim 1, characterized in that the conversion in 12 to
50, bevorzugt 15 bis 30 hintereinander geschalteten Reaktionszonen geschieht.50, preferably 15 to 30 successive reaction zones happens.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur des in die erste Reaktionszone eintretenden Prozessgases 10 bis 33O0C, bevorzugt von 50 bis 31O0C, besonders bevorzugt von 100 bis 29O0C beträgt.3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the inlet temperature of the entering into the first reaction zone process gas 10 to 33O 0 C, preferably from 50 to 31O 0 C, more preferably from 100 to 29O 0 C.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Druck am Eingang der ersten Reaktionszone zwischen 1 und 4 bar, bevorzugt zwischen 1 ,1 und 3 bar, besonders bevorzugt zwischen 1 ,2 und 2,5 bar beträgt.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the absolute pressure at the entrance of the first reaction zone is between 1 and 4 bar, preferably between 1, 1 and 3 bar, more preferably between 1, 2 and 2.5 bar.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Prozessgases in allen Reaktionszonen zusammen zwischen 0,1 und5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the residence time of the process gas in all reaction zones together between 0.1 and
50 s, bevorzugt zwischen 0,2 und 20 s, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 10 s beträgt.50 s, preferably between 0.2 and 20 s, more preferably between 0.5 and 10 s.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren Eisen und Molybän umfassen.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalysts comprise iron and molybdenum.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the
Katalysatoren in Festbettanordnung vorliegen.Catalysts are present in a fixed bed arrangement.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren als Monolithen vorliegen.8. The method according to claim 7, characterized in that the catalysts are present as monoliths.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Fließbettanordnung vorliegen.9. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the catalysts are in fluidized bed arrangement.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Schüttungen von Partikeln mit mittleren Partikelgrößen von 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 ,5 bis 8 mm, besonders bevorzugt von 2 bis 5 mm vorliegen. 10. The method according to claims 7 or 9, characterized in that the catalysts are present in beds of particles having average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 1, 5 to 8 mm, particularly preferably from 2 to 5 mm.
11. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach mindestens einer Reaktionszone wenigstens eine Wärmeaustauschzone befindet, durch die das Prozessgas geleitet wird.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after at least one reaction zone is at least one heat exchange zone through which the process gas is passed.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach jeder Reaktionszone wenigstens eine, bevorzugt eine Wärmeaustauschzone befindet, durch die das Prozessgas geleitet wird.12. The method according to claim 11, characterized in that after each reaction zone at least one, preferably a heat exchange zone is located, through which the process gas is passed.
13. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einer Reaktionszone und einer Wärmeaustauschzone mindestens eine Wärmeisolationszone befindet.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that there is at least one heat insulation zone between a reaction zone and a heat exchange zone.
H. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich um jedeH. Method according to claim 13, characterized in that around each
Reaktionszone eine Wärmeisolationszone befindet.Reaction zone is a heat insulation zone.
15. Reaktorsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Zuleitungen (Z) für ein Prozessgas umfassend Methanol und Sauerstoff oder für mindestens zwei Prozessgase, von denen mindestens eines Methanol und mindestens eines Sauerstoff umfasst und 10 bis 60 hintereinander geschaltete Reaktionszonen (R) in Form von Festbetten eines heterogenen Katalysators umfasst, wobei sich zwischen den Reaktionszonen Wärmeisolationszonen (I) in Form von Isolationsmaterial und zwischen diesen Wärmeaustauschzonen (W) in Form von Plattenwärmetauschern befinden, die mit den Reaktionszonen über Zu- und Ableitungen für die Prozessgase verbunden sind und die Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium umfassen. 15. Reactor system for carrying out a method according to one of the preceding claims, characterized in that it feeds (Z) for a process gas comprising methanol and oxygen or for at least two process gases, of which at least one methanol and at least one oxygen and 10 to 60 in a row connected reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, which are between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) in the form of plate heat exchangers with the reaction zones via inlets and outlets for the process gases are connected and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
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