Verfahren zur Durchführung einer chemischen Synthese

Der Umsatz bei chemischen Reaktionen ist durch die Gleichgewichtslage der Reaktion beschränkt. Liegt das chemische

Gleichgewicht einer Synthesereaktion nur teilweise auf der Seite der Produkte, führt eine einstufige Reaktionsführung nur zu einem Teilumsatz. Es wird daher nur ein Teil der Eduk te bei einem Durchgang durch den Reaktor umgesetzt. Das tech nische Problem der Erfindung ist daher die Erhöhung des Umsatzes von gleichgewichtslimitierten Reaktionen bei einem einfachen Durchgang durch einen Synthesereaktor. Sehr viele Reaktionen sind gleichgewichtslimitiert. Bei der chemischen Synthese sind dies z.B. die Erzeugung von Methanol aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid und oder Kohlenstoff ^¬ dioxid, oder die Erzeugung von Ammoniak aus Wasser und Stickstoff. Diese Reaktionen finden heute in heterogenen kataly- sierten Festbett- oder Slurryreaktoren statt. Die Edukte werden bei einem einfachen Durchgang durch den Reaktor nur teilweise umgesetzt. Danach werden üblicherweise die Reaktions ^¬ produkte abgetrennt und die nicht umgesetzten Edukte werden zum Reaktionseintritt rezirkuliert. Die Rezirkulation von teils großen Gasmengen führt zu einem hohen apparativen Aufwand. Der Druckverlust im Reaktor muss durch eine

Rezirkulationseinheit ausgeglichen werden. Diese wird meist bei hohen Temperaturen betrieben und führt zu hohen Kosten. Zudem reichern sich durch die Rezirkulation Inert- und Fremd- gase im Kreislauf an, was zu negativen Einflüssen auf die

Reaktionsführung führt. Bei Rezirkulation wird daher kontinuierlich eine kleine Menge an Rezirkulationsgas abgezogen, was Verluste an Edukten und damit niedrigere Umsetzungswirkungs ^¬ grade zur Folge hat. Weiterhin führt die zurückgeführte Gas- menge zu einem hohen Gasvolumenstrom durch den Reaktor, was die Baugröße und damit die Kosten des Reaktors erhöht. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Synthese bereitzustellen, bei dem gegenüber dem Stand der Technik bei gleichem oder verringertem Energieaufwand ein höherer Umsetzungsgrad der Edukte erzielbar ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Durchführung einer chemischen Synthese mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung einer chemischen Synthese erfolgt unter Verwendung von zwei nur teilwei ^¬ se ineinander löslichen Trägerphasen und einem Katalysator, der in einer der Trägerphasen dispergiert vorliegt. Im Ideal- fall sind die beiden Trägerphasen überhaupt nicht ineinander lösbar. Da dies thermodynamisch jedoch nicht umsetzbar ist, und selbst bei einer sehr schlechten Benetzung stets eine Restlöslichkeit durch Diffusion vorhanden ist, werden Trägerphasen herangezogen, die möglichst wenig, also nur teilweise, ineinander lösbar sind. Auch der Katalysator liegt real betrachtet stets in beiden Phasen vor, es ist jedoch zweckmäßig so, dass der Katalysator zum möglichst großen Teil in einer der beiden Phasen vorliegt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

Zunächst erfolgt ein Vermischen der Trägerphasen in einem Re aktor. In diesem Reaktor wird zudem mindestens ein, in der Regel mehrere Syntheseedukte eingeleitet, wonach schließlich eine Trennung der beiden Trägerphasen erfolgt.

Nach Einleiten des mindestens einen Syntheseeduktes m den Reaktor, erfolgt eine Reaktion der Edukte zu Syntheseprodukten, insbesondere an der Katalysatoroberfläche wobei die Re ^¬ aktion zu den Produkten hin bei Erreichen des thermodynami- schen Gleichgewichtes an der Katalysatoroberfläche zum Still stand kommt. Würde nur eine Trägerphase vorliegen, in der de Katalysator dispergiert vorliegt, käme die Reaktion nun zum Erliegen. Durch die Zweiphasigkeit der möglichst nicht inei ^¬ nander gelösten Trägerphasen ist es nun jedoch so, dass die Syntheseprodukte sich von der einen Phase bevorzugt in die andere Phase bewegen, um dort einen Konzentrationsausgleich zu erschaffen um maximal die Sättigungskonzentration in jeder Phase zu erreichen, was eine Anreicherung der Syntheseprodukte in der zweiten Trägerphase bewirkt, da diese bevorzugt ei ^¬ ne höhere Aufnahmefähigkeit für die Produkte besitzt. Ferner bewirkt dies, dass die Gleichgewichtslimitierung an der Kata- lysatoroberfläche nicht mehr beschränkend ist und die chemi ^¬ sche Reaktion insoweit weiter stattfindet, da das Einstellen einer stationären Gleichgewichtssituation verhindert wird. Hierbei werden wiederum kontinuierlich die Produkte von der Katalysatoroberfläche abgeführt und in der zweiten Trägerpha- se angereichert. Der Umsetzungsgrad der Edukte zu den Produk ^¬ ten ist somit höher als dies durch das thermodynamische

Gleichgewicht zwischen Syntheseedukten und Syntheseprodukten der Fall wäre. In einem weiteren Prozessschritt werden nun die beiden Trägerphasen voneinander getrennt. Sollte die zweite Trägerpha ^¬ se, die das angereicherte Syntheseprodukt umfasst mit diesem zusammen bereits einen Wertstoff bilden, so kann auf eine Ab ^¬ trennung des Syntheseproduktes aus der zweiten Trägerphase verzichtet werden. Sollte dies nicht der Fall sein, so kann in einem weiteren Verfahrensschritt das Syntheseprodukt aus einer der beiden, hier der zweiten Trägerphase, abgetrennt werden . Bei der Art der Trägerphasen kann es zweckmäßig sein, dass es sich um eine Flüssigkeit- und eine Gasphase oder insbesondere bevorzugt um zwei Flüssigkeiten handelt. Hierbei ist es wie ^¬ derum zweckmäßig, wenn eine der beiden Flüssigkeiten polare Eigenschaften aufweist, und die andere Flüssigkeit unpolare Eigenschaften. Für bestimmte Reaktionssysteme (z.B. Methanol- Synthese) hat sich herausgestellt, dass Syntheseprodukte (z.B. Methanol, Wasser) eine Affinität zu polaren Flüssigkei ^¬ ten aufweisen und sich in diesen anreichern. Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Katalysator dann bevorzugt, d. h. mindestens zu 60% in der unpolaren Flüssigkeit vorliegt. Die Edukte der Reaktionen befinden sich dann in beiden Phasen gelöst. In diesem Fall findet die Synthesereaktion bevorzugt auf der Oberfläche des Katalysators in der unpolaren Flüssig ^¬ keit statt, die Syntheseprodukte reichern sich allerdings in der polaren Flüssigkeit an.

Als polare Flüssigkeiten haben sich insbesondere Wasser (nur wenn Wasser kein Syntheseprodukt ist) , aber auch ionische

Flüssigkeiten, polare Lösungsmittel oder höhermolekulare Al ^¬ kohole als zweckmäßig herausgestellt. Im Gegenzug dazu werden als unpolare Flüssigkeiten insbesondere Öle wie z.B. Wärme ^¬ trägeröle wie Witco, Marlotherm oder Dowtherm A verwendet.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung werden die beiden Trägerphasen außerhalb des Reaktors in einem Absetzbe ^¬ cken voneinander getrennt. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Prozess, so dass während der Absetzzeit aufgrund eines Dichteunterschieds zwischen den Phasen und des Trennvorganges zwischen den beiden Trägerphasen die Reaktion im Reaktor durch Wiederbefüllen dieses mit den Trägerphasen und Edukten weiter erfolgen kann. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sowie weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figur näher erläutert. Dabei handelt es sich um eine rein schematische Darstellung, die somit keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellt. Die einzige Figur zeigt:

Eine schematische Darstellung eines Syntheseverfahrens mit einem Reaktor und einem Absetzbecken. In der Figur ist eine schematische Darstellung des zu be ^¬ schreibenden Reaktionskonzeptes gegeben. Hierzu kommt zu ^¬ nächst ein Reaktor 6 mit einer Mischvorrichtung 20 zum Einsatz, ferner umfasst der Verfahrensablauf ein Absetzbecken 12 sowie eine Produktabtrennvorrichtung 22. Im Reaktor 6 befinden sich ein flüssiges Gemisch aus zwei nicht miteinander oder nur teilweise mischbaren Trägerphasen 2, 4, die hier in Form einer polaren Flüssigkeit 3, wiederum konkret in Form von Wasser, sowie in einer unpolaren Flüssigkeit 5, hier ausgestaltet in Form von Öl, dargestellt sind.

Als Trägerphasen 2, 4 können grundsätzlich auch die Mischung einer Flüssigkeit und eines Gases dienen. Ferner kann es auch zweckmäßig sein, als polare Flüssigkeit anstatt Wasser einen höhermolekularen Alkohol wie beispielsweise 1 , 3-Butandiol zu verwenden. Auch die Anwendung ionischer Flüssigkeiten oder polarer Lösungsmittel als polare Phasen 3 kann zweckmäßig sein. Für die unpolare Phase kommen insbesondere Wärmeträger- öle, wie beispielsweise Witco, Marlotherm oder Dowtherm A in Frage .

Die verwendeten Trägerphasen 2, 4 sind wie bereits beschrie ^¬ ben bevorzugt kaum ineinander lösbar, sie können jedoch durch eine Mischvorrichtung so miteinander vermischt werden, das möglichst kleine Phasenbestandteile nebeneinander fein dis- pergiert vorliegen. Die Mischung der Flüssigkeiten 3 und 5 erfolgt während des gesamten Syntheseprozesses kontinuier ^¬ lich, um einen guten Wärme- und StoffÜbergang zwischen den Flüssigkeiten 3, 5 zu ermöglichen. Zur Vermischung sind

Rührer (z. B. Gaseintragsrührer) oder andere Maßnahmen, z. B. das Eindüsen von Gasen zur Verwirbelung vorgesehen. Zudem können die beiden Flüssigkeiten auch über ein Festbett, das dann als statischer Mixer fungiert, geleitet werden. Zu den Flüssigkeiten 3, 5 wird nun ein Katalysator, der als homogener oder heterogener Katalysator ausgestaltet sein kann, gegeben. Der Katalysator, der in der Figur nicht explizit zu erkennen ist, und die unpolare Flüssigkeit 5 sind so ausge ^¬ wählt, dass sich der Katalysator bevorzugt und am besten aus- schließlich in dieser unpolaren Flüssigkeit 5 befindet. Hierdurch wird die noch zu beschreibende Reaktion optimiert, ein Vorliegen des Katalysators in der polaren Flüssigkeit 3 ist aber grundsätzlich nicht schädlich. In dem vorgegebenen Bei- spiel kann die Katalysatoroberfläche, hier eines heterogenen Katalysators, in Form eines Feststoffes, so modifiziert wer ^¬ den, dass sie unpolare Eigenschaften aufweist und somit be ^¬ vorzugt in der unpolaren Phase anzutreffen ist. Um dies zu erreichen, kann als Trägermaterial für den Katalysator z.B. Kohlenstoff verwendet werden. Zudem kann die Oberfläche ande ^¬ rer Trägermaterialien so modifiziert werden (z.B. durch die chemische Bindung funktionaler Gruppen) , dass sich ein unpolarer Charakter ergibt. Die polare Flüssigkeit, in diesem Fall also das Wasser, wird dagegen so gewählt, dass sie eine besonders gute Löslichkeit für die Syntheseprodukte der be ^¬ trachteten chemischen Reaktion aufweist.

Im Weiteren werden die gasförmigen und/oder flüssigen Edukte 8, in diesem Beispiel zur Herstellung von Methanol, molekula ^¬ rer Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid bzw. Kohlenmonoxid in den Reaktor eingebracht und verteilt. Durch eine Einbringung über hier nicht dargestellte Düsen oder durch die eingebauten Rührer (hier dargestellt durch die Mischvorrichtung 20) findet eine feine Verteilung der Edukte 8 in kleinen Bläschen statt. Die Edukte 8 lösen sich in beiden Trägerphasen 2, 4 also sowohl in der polaren Flüssigkeit 3 als auch in der unpolaren Flüssigkeit 5 und gelangen so an die Katalysatoroberfläche, wo die Reaktion zu den Syntheseprodukten 10 stattfindet. Da sich die Syntheseprodukte bevorzugt in der polaren Flüssigkeit 3 lösen, ist die Produktkonzentration in der unpolaren Flüssigkeit 5 an der Katalysatoroberfläche her ^¬ abgesetzt und das chemische Gleichgewicht der Gesamtreaktion wird vorteilhaft zu den Produkten hin verschoben. Im Idealfall ist die Produktkonzentration an der Katalysatoroberflä ^¬ che so gering, dass eine nahezu vollständige Umsetzung der Syntheseedukte 8 stattfindet.

Im Weiteren wird nun das Gemisch der beiden Trägerphasen 2, 3 also der unpolaren Flüssigkeit 5 und der polaren Flüssigkeit 3 kontinuierlich aus dem Reaktor 6 abgezogen. Optional ist eine Kühlung 16 des Gemisches vorgesehen. Diese kann zum ei ^¬ nen dazu benutzt werden, dass dem Reaktionssystem Wärme ent- zogen werden kann und so einer exothermen Reaktion im Reaktor 6 entgegengewirkt werden kann, was eine isotherme Reaktions ^¬ führung möglich macht. Zum anderen kann eine Temperaturabsenkung eine weitere Verschiebung der Löslichkeiten und der Gleichgewichtslage bei exothermen Reaktionen bewirken, so dass sich die Konzentration der Syntheseprodukte 10 in der polaren Flüssigkeit 3 weiter erhöht. Zudem kann die Tempera ^¬ turabsenkung zu einer besseren Trennung der Trägerphasen 2, 4 also der polaren Flüssigkeit 3 und der unpolaren Flüssigkeit 5 in der nachfolgenden Prozessstufe verbessern. Es findet dann eine Phasentrennung in einem Absetzbecken 12 statt. In dem vorliegenden Beispiel gemäß der Figur setzt sich die unpolare Flüssigkeit 5, die mit dem Katalysator beladen ist, oben ab und kann direkt in den Reaktor 6 über eine Pumpe 14 zurückgepumpt werden. Es kann auch eine Filtereinheit am Aus ^¬ gang des Reaktors vorgesehen sein, die den Katalysator abtrennt und direkt in den Reaktor 6 zurückführt. Somit gelangt der Katalysator nicht in das Absetzbecken 12 und eine mögliche Ablagerung am Boden wird hiermit verhindert. Die polare Flüssigkeit 3 in der bevorzugt die Syntheseprodukte 10 gelöst sind, gelangt in eine Produktabtrennungsvorrichtung 22. Diese Produktabtrennungsvorrichtung 22 ist insofern fakultativ, da das Gemisch aus polarer Flüssigkeit 3 und den Syntheseprodukten 10 ggf. bereits einen Wertstoff darstellen kann, was von der jeweiligen Reaktion und der Verwendung der polaren Flüssigkeit 3 abhängig ist, so dass diese ohne zusätzliche Ab ^¬ trennung des Reaktionssyntheseproduktes bereits weiterverar ^¬ beitet bzw. weiterverwendet werden kann. In diesem Fall, in dem Wasserstoff mit Kohlenmonoxid bzw.

Kohlendioxid zu Methanol und Wasser (bei Verwendung von C02) reagiert wird, wird das Reaktionsprodukt 10 in Form von Me ^¬ thanol und ggf. auch Wasser aus der polaren Flüssigkeit 3, z.B. der ionischen Flüssigkeit, in der Produktabtrennungsvor- richtung abgetrennt. Die Abtrennung der Syntheseprodukte 10 kann durch verschiedene chemische und physikalische Verfahren erfolgen. Anwendbar sind hier zum Beispiel Destillation bzw. Rektifikation, Fällungsreaktionen, Membranverfahren oder eine Extraktion und eine Reaktivextraktion. Auch die Abtrennung durch eine Membran ist möglich. Die Syntheseprodukte 10 wer ^¬ den somit aus dem Gesamtsystem abgetrennt. Weiterhin befindet sich eine geringe Menge an gelösten Edukten 8 in der polaren Flüssigkeit 3. Diese Edukte 8 ^λ verbleiben beim Abtrennen der Syntheseprodukte 10 bevorzugt in der polaren Flüssigkeit 3. Freigesetzte Mengen an Edukten 8 ^λ werden als Purgegas abgezo ^¬ gen oder in den Reaktor 6 zurückgeführt. Die polare Flüssig ^¬ keit 3, die arm an Produkten 10 ist, wird ebenfalls in den Reaktor über eine Pumpe 14 zurückgepumpt.

Bisher wurde das Reaktionskonzept so beschrieben, dass sich der Katalysator bevorzugt in der unpolaren Flüssigkeit 5 befindet und sich die Syntheseprodukte 10 bevorzugt in der po- laren Flüssigkeit 3 anreichern. Die Anreicherung kann aber auch entgegengesetzt erfolgen, wobei dann die unpolare Flüs ^¬ sigkeit 5 der Produktabtrennungsvorrichtung 22 zugeführt wird . Die Reaktionsbedingungen des Reaktors 6 umfassen Temperaturen zwischen 50°C und 500°C, insbesondere 150°C bis 400°C und ganz besonders bevorzugt 200° bis 350°C. Dabei wird ein Druck von 1 Bar bis 300 Bar, insbesondere ein Druck zwischen 20 Bar und 100 Bar eingestellt.

Die Wärme, die dem Reaktor 6 bei der Kühlung 16 entzogen wird, kann als Wärmesenke im Reaktorkonzept insgesamt verwen ^¬ det werden. Hierbei kann es beispielsweise zweckmäßig sein, die Wärme zur Destillation der Syntheseprodukte 10 in der Produktabtrennvorrichtung 22 einzusetzen. Grundsätzlich ist es auch möglich, Wärmeübertragungselemente wie z. B. Heat Pi- pes, mit Wasser bzw. Dampf durchströmte Rohre direkt am Reak ^¬ tor 6 einzubringen, um dort Wärme abzuziehen.