Dimethylether ist ein industriell wichtiges Ausgangsmaterial für die Herstellung von Dimethylsulfat und findet Verwendung als Treibgas und Kältemittel. Von Interesse ist Dimethylether auch als synthetischer Kraftstoff, beispielsweise als Ersatz für LPG und Dieselkraftstoff.

Eine Übersicht über bekannte Verfahren zur Herstellung von Dimethylether findet sich in folgenden Publikationen:

Z. Azizi et al., „Dimethyl ether: A review of technologies and product challenges", Chemical Engineering and Processing, 2014, 82, S. 150-172;

V. Dieterich et al., “Power-to-liquid via synthesis of methanol, DME orFischer- Tropsch fuels: a review”, Energy Environ. Sei., 2020, 13, S. 3207-3252;

Th. Cholewa et al., „Process Intensification Strategies for Power-to-X Technologies", ChemEngineering, 2022, 6(1), 13.

Großtechnisch lässt sich Dimethylether (DME) in einem Reaktor (z.B. einem Festbettreaktor) über eine Dehydratisierung von Methanol in Gegenwart eines sauren Katalysators herstellen. Die Dehydratisierungsreaktion lässt sich durch folgende Reaktionsgleichung wiedergeben:

2 CH ₃ OH CH3OCH3 + H ₂ O

Üblicherweise wird gasförmiges Methanol in den DME-Synthesereaktor eingespeist und bei einer Reaktionstemperatur von etwa 220-400°C zu Dimethylether und Wasser umgesetzt. Die im DME-Synthesereaktor ablaufende Dehydratisierungsreaktion ist thermodynamisch limitiert (gleichgewichtslimitierte Reaktion) und liefert üblicherweise einen Umsatz von nicht mehr als etwa 70-85%.

Dem DME-Synthesereaktor sind üblicherweise mindestens zwei Destillationsschritte nachgeschaltet, wobei im ersten Destillationsschritt Dimethylether von Methanol und Wasser und im zweiten Destillationsschritt Methanol von Wasser abgetrennt wird. Das destillativ abgetrennte Methanol wird in den DM E-Synthesereaktor zurückgeführt.

Die Herstellung des dem DME-Synthesereaktor zugeführten Methanols kann in bekannter Weise aus Synthesegas erfolgen. Das in dieser Synthese unmittelbar erhaltene Methanol wird auch als Rohmethanol bezeichnet und enthält üblicherweise signifikante Anteile an Wasser (z.B. 20-50 Mol%), insbesondere bei der nachhaltigen Methanolsynthese unter Verwendung eines CCh-reichen und regenerativen Wasserstoff enthaltenden Synthesegases. Von Interesse wäre daher ein DM E-Syntheseverfahren, bei dem das Rohmethanol unmittelbar (d.h. ohne weitere Aufarbeitung wie z.B. Wasserabtrennung) als Ausgangsmaterial verwendet werden kann.

Wird dem DME-Synthesereaktor als Reaktantenstrom das wasserhaltige Rohmethanol zugeführt, wirkt sich dies nachteilig auf den Umsatz aus, da das Gleichgewicht der Dehydratationsreaktion in Richtung des Reaktanten (Methanol) verschoben wird. Außerdem können manche saure Feststoffkatalysatoren wie z.B. Y-AI2O3 durch die Anwesenheit signifikanter Mengen an Wasser in ihrer katalytischen Aktivität und Stabilität beeinträchtigt werden. Daher ist es üblich, dem DME-Synthesereaktor ein im Wesentlichen wasserfreies Methanol als Reaktantenstrom zuzuführen.

Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Dimethylether ist daher sowohl hinsichtlich seiner Energiebilanz als auch des apparativen Aufwands nachteilig, da das Wasser des Rohmethanols abgetrennt werden muss, um ein im Wesentlichen wasserfreies Methanol zu erhalten, das dann dem DME- Synthesereaktor zugeführt werden kann, das Methanol vor seiner Zuführung in den DME-Synthesereaktor verdampft werden muss und dem DME-Synthesereaktor mindestens zwei Destillationsstufen nachgeschaltet sind, in denen zunächst Dimethylether von Wasser und Methanol und anschließend Methanol von Wasser destillativ abgetrennt wird.

Erfolgt die Umsetzung des Methanols zu Dimethylether und Wasser nicht in der Gasphase, sondern in der flüssigen Phase, kann der DME-Synthesereaktor prinzipiell isotherm, also z.B. bei einer für die katalytische Aktivität optimierten Temperatur, betrieben werden. Für einen solchen isothermen Betrieb kann beispielsweise ein Festbettreaktor verwendet werden. Aber auch bei einem isothermen Betrieb des DME-Synthesereaktors ist die Hydratisierungsreaktion des Methanols zu Dimethylether und Wasser thermodynamisch limitiert, so dass ein Umsatz von mehr als 85% üblicherweise nicht realisierbar ist.

Es ist bekannt, dass der apparative Aufwand in der Dimethylethersynthese durch Verwendung einer Reaktivdestillationseinheit reduziert werden kann. Eine Reaktivdestillationseinheit (z.B. in Form einer Reaktivdestillationskolonne) enthält eine oder mehrere Reaktionszonen, in denen Reaktanten miteinander umgesetzt werden, üblicherweise in Gegenwart eines in der Reaktionszone immobilisierten Katalysators, und eine oder mehrere destillative Trennzonen, in denen Reaktionsprodukte und, sofern vorhanden, nicht umgesetzte Reaktanten voneinander getrennt werden.

US 2007/0066855 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Dimethylether, in dem ein methanolhaltiger Strom in eine Reaktivdestillationskolonne eingeleitet wird, Methanol in einer Reaktionszone der Reaktivdestillationskolonne in Anwesenheit eines sauren Katalysators zu Dimethylether und Wasser umgesetzt wird und ein destillatives Auftrennen in einen Kopfstrom, der im Wesentlichen aus Dimethylether besteht, und einen Sumpfstrom, der im Wesentlichen aus Wasser besteht, erfolgt.

Für einen Katalysator gibt es hinsichtlich der zu katalysierenden Reaktion üblicherweise eine optimale Reaktionstemperatur, z.B. hoch genug für eine ausreichende katalytische Aktivität, aber nicht zu hoch, um einen thermischen Abbau des Katalysatormaterials zu vermeiden oder unerwünschte Nebenreaktionen zu minimieren. Ein chemischer Reaktor kann prinzipiell isotherm (also z.B. bei einer für die katalytische Aktivität optimierten Temperatur) betrieben werden. Beim Betrieb einer Reaktivdestillationseinheit nimmt jedoch üblicherweise die Temperatur in der Reaktionszone in Richtung des Kolonnenkopfes ab. Daher lässt sich die optimale Reaktionstemperatur nur in einem Teil der Reaktionszone realisieren. Somit weist die Reaktionszone Bereiche mit abnehmender katalytischer Aktivität auf. Die in der Reaktionszone einer Reaktivdestillationseinheit realisierbare durchschnittliche katalytische Aktivität eines spezifischen Katalysators liegt mehr oder weniger deutlich unterhalb der mit diesem Katalysator maximal erreichbaren katalytischen Aktivität.

Um dies zu kompensieren, kann beispielsweise das Volumen der Reaktionszone vergrößert werden. Dies erfordert das Einfügen weiterer Einbauten oder Packungen mit immobilisiertem Katalysator in die Reaktionszone, was jedoch aufwändig und kostspielig ist.

Z. Lei et al., „Synthesis of dimethyl ether (DME) by catalytic distillation’’, Chemical Engineering Science, 2011, 66, S. 3195-3203, beschreiben unter anderem ein Verfahren (in der Publikation als „Process A“ bezeichnet), in dem (i) der methanolhaltige Strom zunächst in einen DM E-Synthesereaktor eingeleitet wird, um in Gegenwart eines sauren Katalysators Methanol zu Dimethylether und Wasser umzusetzen und (ii) der aus dem DM E-Synthesereaktor abgezogene Produktstrom (enthaltend Dimethylether, Wasser und nicht umgesetztes Methanol) unmittelbar in eine Reaktivdestillationseinheit eingeleitet wird, um das verbliebene Methanol zu Dimethylether und Wasser umzusetzen und eine destillative Auftrennung in einen Kopfstrom, der im Wesentlichen aus Dimethylether besteht, und einen Sumpfstrom, der im Wesentlichen aus Wasser besteht, vorzunehmen. Da der Reaktivdestillationseinheit ein DM E-Synthesereaktor vorgeschaltet ist und in diesem vorgeschalteten DM E-Synthesereaktor bereits ein Großteil des Methanols zu Dimethylether umgesetzt wurde, enthält der der Reaktivdestillationseinheit zugeführte Strom das erwünschte Endprodukt (Dimethylether) in relativ hoher Konzentration. Daher muss in der Reaktivdestillationseinheit nur noch das im DME- Synthesereaktor nicht umgesetzte Methanol umgesetzt werden. Durch die Anwesenheit des vorgeschalteten DM E-Synthesereaktors kann die Reaktivdestillationseinheit somit kleiner dimensioniert werden.

Der in der Publikation von Z. Lei et al. beschriebene „Process A“ (d.h. Verwendung eines vorgeschalteten DME-Synthesereaktors, dessen Produktstrom in eine Reaktivdestillationseinheit eingeleitet wird) ist allerdings nachteilig, wenn dem DME- Synthesereaktor Rohmethanol, d.h. Methanol mit einem signifikanten Anteil an Wasser, zugeführt wird. Die Anwesenheit des Wassers im Reaktantenstrom hemmt den Umsatz der Dehydratisierungsreaktion von Methanol zu Dimethylether und Wasser im DM E-Synthesereaktor. Um diesem Umsatzverlust entgegenzuwirken, könnte die Reaktionstemperatur im DM E-Synthesereaktor oder das Volumen der im DME-Synthesesreaktor vorliegenden katalysatorhaltigen Reaktionszone erhöht werden. Diese Maßnahmen erhöhen jedoch den Energieeintrag des Verfahrens. Außerdem setzt eine Erhöhung der Reaktionstemperatur voraus, dass der für die Dehydratisierungsreaktion des Methanols verwendete saure Katalysator eine ausreichend hohe thermische Stabilität aufweist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von Dimethylether über ein möglichst effizientes (z.B. energieeffizientes) Verfahren. Insbesondere sollte das Verfahren auch dann eine effiziente Herstellung von Dimethylether ermöglichen, wenn als Ausgangsmaterial Rohmethanol (d.h. Methanol mit einem signifikanten Anteil an Wasser) verwendet wird. Wie oben bereits erwähnt, fällt insbesondere bei der nachhaltigen Methanolsynthese unter Verwendung eines CO2-reichen und regenerativen Wasserstoff enthaltenden Synthesegases ein Rohmethanol mit hohem Wassergehalt an. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Dimethylether, das folgende Schritte umfasst:

Einleiten eines methanolhaltigen Stroms Speed-RD in eine Reaktivdestillationseinheit RD, wobei in mindestens einer Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD Methanol in Gegenwart eines sauren Katalysators zu Dimethylether und Wasser umgesetzt wird und ein destillatives Auftrennen in eine Fraktion, die Dimethylether enthält und die Reaktivdestillationseinheit RD als Kopfstrom SKOPPRD verlässt, und eine Fraktion, die Wasser enthält und die Reaktivdestillationseinheit RD als Sumpfstrom Ssum _P f-RD verlässt, erfolgt,

Abziehen eines methanolhaltigen Seitenstroms Sseite-RD aus der Reaktivdestillationseinheit RD,

Einleiten des methanolhaltigen Seitenstroms Sseite-RD in einen Seitenreaktor SR und Umsetzung des Methanols in Gegenwart eines sauren Katalysators zu Dimethylether und Wasser unter Erhalt eines Produktstroms Sp _rO dukt-sR, der Dimethylether, Wasser und Methanol enthält und aus dem Seitenreaktor SR abgezogen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Verwendung von Rohmethanol (d.h. Methanol, das einen signifikanten Wassergehalt aufweist) als Ausgangsstrom geeignet. Beim Betrieb der mit Rohmethanol gespeisten Reaktivdestillationseinheit RD wird im Kopfstrom SKOPT-RD im Wesentlichen der sehr flüchtige Dimethylether und im Sumpfstrom Ssum _P f-RD im Wesentlichen das hochsiedende Wasser abgezogen, während sich an geeigneter Stelle bzw. Höhe der Reaktivdestillationseinheit RD ein Seitenstrom Sseite-RD abführen lässt, der gegenüber dem Rohmethanol eine wesentlich höhere Methanolkonzentration bzw. eine wesentlich geringere Wasserkonzentration aufweist. Dieser von der Reaktivdestillationseinheit RD abgezogene Seitenstrom Sseite-RD ermöglicht aufgrund der gegenüber dem Rohmethanol verringerten Wasserkonzentration eine sehr effiziente Umsetzung des Methanols zu Dimethylether in dem als DME- Synthesereaktor fungierenden Seitenreaktor SR. Somit lässt sich im Seitenreaktor SR ein Produktstrom Sp _rO dukt-sR mit hoher DM E- Konzentration erzeugen, der beispielsweise nach seiner Rückführung zur Reaktivdestillationseinheit RD aufgrund der hohen Dimethylether-Konzentration auch einen vorteilhaften Einfluss auf die Ausbeute an Dimethylether in der Reaktivdestillationseinheit RD hat. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird somit die Reaktivdestillationseinheit RD nicht nur für die Synthese und destillative Abtrennung des Dimethylethers genutzt, sondern auch für die Bereitstellung einer Methanolquelle, die gegenüber dem Rohmethanol eine geringere Wasserkonzentration aufweist und somit in einem DM E-Synthesereaktor eine (im Vergleich zum Rohmethanol) höhere DME-Ausbeute ermöglicht.

Wie oben erwähnt, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein methanolhaltiger Strom Speed-RD in eine Reaktivdestillationseinheit RD eingeleitet, wobei in mindestens einer Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD Methanol in Gegenwart eines sauren Katalysators zu Dimethylether und Wasser umgesetzt wird und ein destillatives Auftrennen in eine Fraktion, die Dimethylether enthält und die Reaktivdestillationseinheit RD als Kopfstrom SKOPT-RD verlässt, und eine Fraktion, die Wasser enthält und die Reaktivdestillationseinheit RD als Sumpfstrom Ssum _P f-RD verlässt, erfolgt.

Der methanolhaltige Strom Speed-RD weist beispielsweise eine Methanolkonzentration Ci(MeOH) von mindestens 40 Mol%, eine Wasserkonzentration CI(H2O) von maximal 60 Mol% und eine Gesamtkonzentration weiterer Komponenten (d.h. Komponenten, die nicht Methanol und Wasser sind), sofern vorhanden, von höchstens 5 mol% auf.

Wie oben bereits erwähnt, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine effiziente Synthese von Dimethylether, selbst wenn der als Ausgangsmaterial verwendete methanolhaltige Strom Sp _ee d-RD einen signifikanten Anteil an Wasser aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist daher der methanolhaltige Strom Speed-RD eine Wasserkonzentration CI(H2O) von 15-60 Mol%, bevorzugter 25- 50 Mol% und enthält optional Komponenten, die nicht Methanol und Wasser sind, in einer Gesamtkonzentration von höchstens 5 mol%.

Beispielsweise entstammt der methanolhaltige Strom Sp _ee d-RD einer Methanolsyntheseeinheit, in der in bekannter Weise (z.B. aus Synthesegas, insbesondere CO2-reichem Synthesegas) Methanol hergestellt wurde.

Reaktivdestillationseinheiten, die für die Umsetzung von Methanol zu Dimethylether und Wasser und die destillative Auftrennung der Reaktionsprodukte geeignet sind, sind dem Fachmann bekannt.

Die Reaktivdestillationseinheit RD (z.B. eine Reaktivdestillationskolonne) weist eine oder mehrere Reaktionszonen RZ und eine oder mehrere destillative Trennzonen DT auf. Die Reaktionszone RZ enthält einen oder mehrere saure Katalysatoren, insbesondere einen oder mehrere saure Feststoff-Katalysatoren. Geeignete saure Katalysatoren für die Dehydratisierungsreaktion von Methanol zu Dimethylether und Wasser sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise ist der saure Katalysator ein saure Gruppen aufweisendes lonenaustauscherharz, ein Zeolith, ein Aluminosilicat, ein Aluminiumoxid oder eine saure ionische Flüssigkeit (die bevorzugt auf einem Träger immobilisiert ist). In der destillativen Trennzone bzw. den destillativen Trennzonen DT erfolgt das destillative Auftrennen in die DME-haltige Fraktion, die die Reaktivdestillationseinheit RD als Kopfstrom SKOPT-RD verlässt, und die wasserhaltige Fraktion, die die Reaktivdestillationseinheit RD als Sumpfstrom Ssumpf- RD verlässt. Die destillative Trennzonen DT enthalten beispielsweise Einbauten für die destillative Trennung, insbesondere Böden, Füllkörper oder strukturierte Packungen, wie sie dem Fachmann allgemein bekannt sind. Die Immobilisierung des Katalysators in der Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise erfolgen, z.B. als regelloser Schüttfüllkörper; in Form von Katalysator-befüllten Drahtgewebekugeln oder als Katalysatorformkörper, die auf einem Boden in der Reaktionszone RZ angebracht sind.

Durch die Verwendung geeigneter, dem Fachmann bekannter Einbauten bzw. Packungen, auf denen der saure Katalysator vorliegt, kann bereits die Reaktionszone RZ selbst eine ausreichende destillative Trennung der Reaktionsprodukte voneinander bewirken. Bevorzugt weist die Reaktivdestillationseinheit RD jedoch mindestens eine, bevorzugter mindestens zwei katalysatorfreie destillative Trennzonen DT auf. Beispielsweise kann in der Reaktivdestillationskolonne RD oberhalb und unterhalb der Reaktionszone RZ jeweils eine katalysatorfreie destillative Trennzone DT vorliegen.

Die Reaktivdestillationseinheit RD wird beispielsweise so betrieben, dass in der Reaktionszone RZ eine Temperatur im Bereich von 100-180°C und/oder ein Druck im Bereich von 8-20 bar vorliegt.

Bevorzugt wird der methanolhaltige Strom Sp _ee d-RD in der Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD eingeleitet. Prinzipiell ist es aber auch möglich, den methanolhaltigen Strom Speed-RD oberhalb oder unterhalb der Reaktionszone RZ, beispielsweise in einer katalysatorfreien destillativen Trennzone einzuleiten.

Der sehr flüchtige Dimethylether verlässt die Reaktivdestillationseinheit RD als Kopfstrom SKOPT-RD, während Wasser (d.h. die Komponente mit dem höchsten Siedepunkt) die Reaktivdestillationseinheit RD als Sumpfstrom Ssum _P f-RD verlässt. Der Kopfstrom SKOPT-RD weist beispielsweise eine Dimethyletherkonzentration von mindestens 50 Mol%, bevorzugter mindestens 95 Mol%, noch bevorzugter mindestens 99 Mol% auf.

Der Sumpfstrom weist beispielsweise eine Wasserkonzentration von mindestens 50 Mol%, bevorzugter mindestens 90 Mol%, noch bevorzugter mindestens 99 Mol% auf.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein methanolhaltiger Seitenstrom Sseite- RD aus der Reaktivdestillationseinheit RD (z.B. aus der Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD) abgezogen und in einen Seitenreaktor SR eingeleitet. In dem Seitenreaktor SR erfolgt die Umsetzung des Methanols zu Dimethylether und Wasser in Gegenwart eines sauren Katalysators unter Erhalt eines Produktstroms Sp _rO dukt-sR, der Dimethylether, Wasser und Methanol enthält und aus dem Seitenreaktor SR abgezogen wird.

In der Reaktivdestillationseinheit RD reichern sich der Dimethylether aufgrund seiner hohen Flüchtigkeit im Kolonnenkopf und das Wasser als Komponente mit dem höchsten Siedepunkt im Kolonnensumpf an, während sich in den dazwischen liegenden Bereichen der Kolonne Fraktionen mit hoher Methanolkonzentration als Seitenstrom abziehen lassen. Sofern die Reaktivdestillationseinheit RD mit Rohmethanol gespeist wird, können diese als Seitenstrom abziehbaren Fraktionen sogar eine höhere Methanolkonzentration (und damit auch eine niedrigere Wasserkonzentration) als das Rohmethanol aufweisen.

Beispielsweise weist der aus der Reaktivdestillationseinheit RD abgezogene methanolhaltige Seitenstrom Sseite-RD eine Wasserkonzentration C2(H2O) von maximal 25 Mol%, bevorzugter maximal 10 Mol%, noch bevorzugter maximal 5 Mol% auf. Dimethylether und, sofern vorhanden, Komponenten, die nicht Methanol, Wasser und Dimethylether sind, liegen in dem methanolhaltigen Seitenstrom Sseite- RD beispielsweise in einer Gesamtkonzentration von maximal 10 Mol% vor.

Eine geeignete Position oder Höhe in der Reaktivdestillationseinheit RD, bei der sich ein Seitenstrom mit hoher Methanolkonzentration bzw. geringer Wasserkonzentration abführen lässt, kann der Fachmann aufgrund seines Fachwissens ohne weiteres ermitteln. Beispielsweise wird der methanolhaltige Seitenstrom Sseite-RD an einer Position relativ weit oben in der Reaktionszone RZ abgezogen, beispielsweise im oberen Drittel oder im oberen Viertel der Reaktionszone RZ. Wenn also die Reaktionszone RZ ein oberes (d.h. dem Kopf der Reaktivdestillationseinheit RD zugewandtes) Ende und ein unteres (d.h. dem Sumpf der Reaktivdestillationseinheit RD zugewandtes) Ende und eine Länge L (d.h. Abstand zwischen dem oberen und unteren Ende der Reaktionszone RZ) aufweist und der methanolhaltige Seitenstrom Sseite-RD an einer Position Ps aus der Reaktionszone RZ abgezogen wird, kann die Position Ps beispielsweise einen Abstand I vom oberen Ende der Reaktionszone RZ aufweisen, so dass l/L < 0,33, bevorzugter l/L < 0,25.

Wie oben bereits erwähnt, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch dann eine sehr effiziente Herstellung des Dimethylethers, wenn als Ausgangsmaterial ein Methanol mit hohem Wasseranteil (Rohmethanol) zum Einsatz kommt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Reaktivdestillationseinheit RD nicht nur für die Synthese und destillative Abtrennung des Dimethylethers genutzt, sondern auch für die Bereitstellung einer Methanolquelle, die gegenüber dem Rohmethanol eine geringere Wasserkonzentration aufweist und somit in einem nachgeschalteten DM E-Synthesereaktor eine (im Vergleich zum Rohmethanol) höhere DME-Ausbeute ermöglicht.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist der in die Reaktivdestillationseinheit RD eingeleitete methanolhaltige Strom Sp _ee d-RD eine Wasserkonzentration CI(H2Ü) von 15-60 Mol%, bevorzugter 25-50 Mol% auf und der aus der Reaktivdestillationseinheit RD abgezogene methanolhaltige Seitenstrom Sseite-RD weist eine Wasserkonzentration C2(H2Ü) auf, die der folgenden Bedingung genügt:

C ₂ (H ₂ O) < 0.75 x CI(H ₂ O).

Bevorzugter gilt folgende Bedingung:

C ₂ (H ₂ O) < 0.60 x CI(H ₂ O).

Beispielsweise weist der in die Reaktivdestillationseinheit RD eingeleitete methanolhaltige Strom Speed-RD eine Wasserkonzentration CI(H2Ü) von 15-60 Mol%, bevorzugter 25-50 Mol% auf und der aus der Reaktivdestillationseinheit RD abgezogene Seitenstrom Sseite-RD weist eine Wasserkonzentration C2(H2Ü) von maximal 10 Mol% auf.

Wie oben bereits erwähnt, enthält der in die Reaktivdestillationseinheit RD eingeleitete methanolhaltige Strom Sp _ee d-RD Komponenten, die nicht Methanol und Wasser sind, bevorzugt in einer Gesamtkonzentration von höchstens 5 Mol%. Wie außerdem oben bereits erwähnt, enthält der aus der Reaktivdestillationseinheit RD abgezogene methanolhaltige Seitenstrom Sseite-RD Dimethylether und Komponenten, die nicht Methanol, Wasser und Dimethylether sind, in einer Gesamtkonzentration von höchstens 10 Mol%. Bei dem Seitenreaktor SR kann es sich um einen Reaktortyp handeln, der üblicherweise für die DM E-Synthese eingesetzt wird. Beispielsweise ist der Seitenreaktor SR ein Festbettreaktor.

Für die Umsetzung des Methanols zu Dimethylether und Wasser enthält der Seitenreaktor SR einen oder mehrere saure Katalysatoren, insbesondere einen oder mehrere saure Feststoff-Katalysatoren. Geeignete saure Katalysatoren für die Dehydratisierungsreaktion von Methanol zu Dimethylether und Wasser sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise ist der saure Katalysator ein saure Gruppen aufweisendes lonenaustauscherharz, ein Zeolith, ein Aluminosilicat, ein Aluminiumoxid oder eine saure ionische Flüssigkeit (die bevorzugt auf einem Träger immobilisiert ist).

Um möglichst energieeffizient zu arbeiten, kann es vorteilhaft sein, wenn der Seitenreaktor SR bei einem Druck und einer Temperatur betrieben wird, bei denen der eingeleitete methanolhaltige Seitenstroms Sseite-RD und der erhaltene Produktstrom Sp _rO dukt-sR zumindest teilweise als flüssige Phase vorliegen.

Beispielsweise wird der Seitenreaktor SR bei einer Temperatur im Bereich von 130- 200°C betrieben.

Bevorzugt wird der Seitenreaktor SR isotherm betrieben. Ein isothermer Betrieb liegt vor, wenn die Temperatur des Reaktors im Bereich des sauren Katalysators maximal um +/- 10°C, bevorzugter +/- 5°C schwankt.

Der Seitenreaktor SR wird beispielsweise bei einem Druck von 20-150 bar betrieben.

Der Produktstrom Sp _rO dukt-sR des Seitenreaktors SR enthält beispielsweise Methanol in einer Konzentration von nicht mehr als 50 Mol%, bevorzugter nicht mehr als 40 Mol%. Das molare Verhältnis von Dimethylether zu Wasser im Produktstrom Sp _rO dukt- SR liegt beispielsweise im Bereich von 4:6 bis 6:4. Sofern vorhanden, liegen Komponenten, die nicht Dimethylether, Wasser und Methanol sind, im Produktstrom Sprodukt-sR beispielsweise in einer Gesamtkonzentration von maximal 5 mol% vor.

Der in dem Produktstrom Sp _rO dukt-sR enthaltene Methanol kann beispielsweise zumindest teilweise als Edukt in die Reaktivdestillationseinheit RD zurückgeführt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform werden mindestens 20 Mol%, bevorzugter mindestens 50 Mol% des in dem Produktstrom Sp _rO dukt-sR enthaltenen Methanols in die Reaktivdestillationseinheit RD zurückgeführt.

In einer beispielhaften Ausführungsform wird der aus dem Seitenreaktor SR abgezogene und Dimethylether, Wasser und Methanol enthaltende Produktstrom Sprodukt-sR in die Reaktivdestillationseinheit RD zurückgeführt. Beispielsweise wird der Produktstrom Sp _rO dukt-sR in die Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD zurückgeführt.

Beispielsweise wird der aus dem Seitenreaktor SR abgezogene Produktstrom Sprodukt-sR direkt in die Reaktivdestillationseinheit RD zurückgeführt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es aber auch möglich, dass der aus dem Seitenreaktor SR abgezogene Produktstrom Sp _rO dukt-sR in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt wird und mindestens einer dieser Teilströme in die Reaktivdestillationseinheit RD zurückgeführt wird. Es können beispielsweise alle Teilströme in die Reaktivdestillationseinheit zurückgeführt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass mindestens einer der Teilströme nicht zurückgeführt wird, beispielsweise weil er Dimethylether (d.h. das erwünschte Produkt des Verfahrens) in hoher Konzentration enthält oder weil er unerwünschte Nebenprodukte enthält, die auf diesem Wege aus dem Verfahren entfernt werden können.

In einer beispielhaften Ausführungsform wird der aus dem Seitenreaktor SR abgezogene Produktstrom Sp _rO dukt-sR in drei oder mehr Teilströme aufgeteilt, wobei einer dieser Teilströme eine Dimethylether-Konzentration von mindestens 98 Mol% aufweist oder sogar aus Dimethylether besteht und dieser Dimethylether nicht in die Reaktordestillationseinheit RD zurückgeführt wird (da es sich um das erwünschte Produkt des Verfahrens handelt). Der im Wesentlichen aus Dimethylether bestehende Teilstrom wird beispielsweise über eine destillative Abtrennung (z.B. aus dem Produktstrom Sp _rO dukt-sR) erhalten. Alternativ enthält einer der Teilströme ein oder mehrere unerwünschte Nebenprodukte und diese Nebenprodukte werden nicht in die Reaktivdestillationseinheit zurückgeführt, sondern aus dem Verfahren entfernt. Bevorzugt werden mindestens zwei der Teilströme in die Reaktivdestillationseinheit zurückgeführt.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird der aus dem Seitenreaktor SR abgezogene Produktstrom Sp _rO dukt-sR in eine Gas-Flüssig-Trenneinheit SU eingeleitet. In dieser Gas-Flüssig-Trenneinheit SU erfolgt eine Auftrennung des Produktstroms Sp _rO dukt-sR in einen gasförmigen Strom SG, der Dimethylether und Methanol enthält (z.B. in einer Gesamtkonzentration von mindestens 80 Mol%), und einen flüssigen Strom Si_, der Wasser und Methanol enthält (z.B. in einer Gesamtkonzentration von mindestens 80 Mol%). Für die Auftrennung wird der Produktstrom Sp _rO dukt-sR beispielsweise einer Druckminderung ausgesetzt. Der gasförmige Strom SG und der flüssige Strom SL werden getrennt voneinander in die Reaktivdestillationseinheit RD, bevorzugt in die Reaktionszone der Reaktivdestillationseinheit RD, zurückgeführt.

Durch die Auftrennung des aus dem Seitenreaktor SR abgezogenen Produktstroms Sprodukt-sR in einen gasförmigen Strom SG und einen flüssigen Strom SL und die getrennte Rückführung dieser beiden Ströme SG und SL in die Reaktivdestillationseinheit RD kann gegenüber der direkten Rückführung des Produktstroms Sp _rO dukt-sR eine weitere Verbesserung des Umsatzes von Methanol zu Dimethylether realisiert werden.

In der Reaktivdestillationseinheit RD weist die Reaktionszone RZ in ihrem unteren Bereich eine hohe Wasserkonzentration und geringe DM E- Konzentration auf. In Richtung des Kopfes der Reaktivdestillationseinheit nimmt die Wasserkonzentration ab, so dass der obere Bereich der Reaktionszone eine sehr geringe Wasserkonzentration aufweist. Der aus dem Seitenreaktor SR abgezogene Produktstrom Sp _rO dukt-sR enthält Dimethylether und Wasser (d.h. die Reaktionsprodukte der im Seitenreaktion SR stattfindenden Hydratisierungsreaktion des Methanols) in relativ hoher Konzentration. Wird der Produktstrom Sp _rO dukt-sR beispielsweise unmittelbar in den oberen (d.h. sehr wenig Wasser enthaltenden) Bereich der Reaktionszone RZ zurückgeführt, führt dies zu einer Erhöhung der Wasserkonzentration und damit Hemmung der Hydratisierungsreaktion des Methanols in diesem Bereich der Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD. Wenn alternativ der Produktstrom Sp _rO dukt-sR beispielsweise in einen unteren (d.h. zwar viel Wasser, jedoch sehr wenig DME enthaltenden) Bereich der Reaktionszone RZ zurückgeführt wird, führt die erhöhte Konzentration der niedrig siedenden Komponente (d.h. Dimethylether) zu einer niedrigeren Temperatur und damit einem geringeren Umsatz der Hydratisierungsreaktion des Methanols in diesem Bereich der Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD. Durch die Auftrennung des aus dem Seitenreaktor SR abgezogenen Produktstroms Sp _rO dukt-sR in einen gasförmigen Strom SG, der überwiegend DME und Methanol, jedoch wenig Wasser enthält, und einen flüssigen Strom SL, der überwiegend Wasser und Methanol, jedoch wenig DME enthält, und die getrennte Rückführung dieser beiden Ströme SG und SL in die Reaktivdestillationseinheit RD an geeigneten Positionen kann somit im Vergleich zu einer direkten Rückführung des Produktstroms Sp _rO dukt-sR eine weitere Verbesserung des Umsatzes von Methanol zu Dimethylether realisiert werden.

Bevorzugt werden der gasförmige Strom SG an einer Position P1 und der flüssige Strom SL an einer Position P2 in die Reaktivdestillationseinheit RD (z.B. die Reaktionszone RZ) eingeleitet, so dass die Position P1 oberhalb der Position P2 liegt. „Oberhalb“ bedeutet, dass die Position P1 näher zum Kopf der Destillationseinheit liegt als die Position P2.

Beispielsweise befinden sich die Position P1 im oberen Drittel (bevorzugter im oberen Fünftel) der Reaktionszone RZ oder in einer oberhalb der Reaktionszone RZ liegenden katalysatorfreien destillativen Trennzone DT, und die Position P2 in der unteren Hälfte der Reaktionszone RZ oder in einer unterhalb der Reaktionszone RZ liegenden katalysatorfreien destillativen Trennzone DT. Eine Position P1 im oberen Drittel der Reaktionszone bedeutet Folgendes: Die Reaktionszone RZ weist ein oberes (d.h. dem Kopf der Reaktivdestillationseinheit RD zugewandtes) Ende und ein unteres (d.h. dem Sumpf der Reaktivdestillationseinheit RD zugewandtes) Ende und eine Länge L (d.h. Abstand zwischen dem oberen und unteren Ende der Reaktionszone RZ) auf und die Position P1 weist einen Abstand h vom oberen Ende der Reaktionszone RZ auf, so dass h/L < 0,33. Bei einer Position P1 im oberen Fünftel der Reaktionszone RZ gilt Folgendes: h/L < 0,2.

Eine Position P2 in der unteren Hälfte der Reaktionszone bedeutet Folgendes: Die Reaktionszone RZ weist ein oberes (d.h. dem Kopf der Reaktivdestillationseinheit RD zugewandtes) Ende und ein unteres (d.h. dem Sumpf der Reaktivdestillationseinheit RD zugewandtes) Ende und eine Länge L (d.h. Abstand zwischen dem oberen und unteren Ende der Reaktionszone RZ) auf und die Position P2 weist einen Abstand l ₂ vom unteren Ende der Reaktionszone RZ auf, so dass h/L < 0,5.

Geeignete Gas-Flüssig-Trenneinheiten zur Auftrennung in eine Gasphase und einen flüssige Phase sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise beinhaltet die Auftrennung, dass der Produktstrom Sp _rO dukt-sR in einem Behälter einer Druckminderung unterzogen wird, so dass sich eine gasförmige Phase, die Dimethylether und Methanol enthält, und eine flüssige Phase, die Wasser und Methanol enthält, ausbilden und die gasförmige und flüssige Phase voneinander separiert werden. Die Gas-Flüssig-Trenneinheit SU ist beispielsweise ein Entspannungsabscheider.

Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Figur 1 eingehender beschrieben:

Über Leitung 1 wird ein methanolhaltiger Strom Sp _ee d-RD in die Reaktionszone RZ einer Reaktivdestillationskolonne RD eingeleitet. Bei dem methanolhaltigen Strom Speed-RD handelt es sich beispielsweise um Rohmethanol, dass neben MeOH noch einen signifikanten Anteil an H ₂ O aufweist (ci(MeOH): Methanolkonzentration; Ci(H ₂ O): Wasserkonzentration). Sofern die Reaktionszone RZ aufgrund der verwendeten Einbauten bereits eine ausreichende destillative Trennwirkung aufweist, kann auf die Anwesenheit katalysatorfreier destillativer Trennzonen verzichtet werden. In der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform liegen oberhalb und unterhalb der Reaktionszone RZ jeweils noch eine katalysatorfreie destillative Trennzone DT vor.

In der Reaktivdestillationseinheit RD wird Methanol in Gegenwart eines sauren Katalysators zu Dimethylether und Wasser umgesetzt und erfolgt ein destillatives Auftrennen in eine Fraktion, die Dimethylether enthält und die Reaktivdestillationseinheit RD über Leitung als Kopfstrom SKOPPRD verlässt, und eine Fraktion, die Wasser enthält und die Reaktivdestillationseinheit RD über Leitung 3 als Sumpfstrom Ssum _P f-RD verlässt. Der Kopfstrom SKOPT-RD enthält im Wesentlichen Dimethylether (z.B. in einer Konzentration von mindestens 99 mol%) und der Sumpfstrom enthält im Wesentlichen Wasser (z.B. in einer Konzentration von mindestens 99 mol%).

Über Leitung 4 wird ein methanolhaltiger Seitenstrom Sseite-RD aus der Reaktivdestillationseinheit RD abgezogen und einem Seitenreaktor SR zugeführt. Der Seitenstrom Sseite-RD enthält überwiegend Methanol und geringe Mengen an Wasser und Dimethylether (C2(MeOH): Methanolkonzentration; C2(H2O): Wasserkonzentration; C2(DME): Dimethyletherkonzentration). Dieser abgezogene methanolhaltige Seitenstrom Sseite-RD weist gegenüber dem in die Reaktivdestillationseinheit RD eingeleiteten Strom Speed-RD eine höhere Methanol- und geringere Wasserkonzentration auf (d.h. C2(MeOH) > Ci(MeOH); C ₂ (H ₂ O)<CI(H ₂ O)).

Der Seitenreaktor SR wird isotherm betrieben (z.B. bei einer Temperatur im Bereich von 130-200°C) und enthält einen sauren Katalysator für die Dehydratisierungsreaktion von Methanol zu Dimethylether und Wasser. Um möglichst energieeffizient zu arbeiten, wird der Seitenreaktor SR so betrieben, dass der eingeleitete methanolhaltige Seitenstroms Sseite-RD und der erhaltene Produktstrom Sp _rO dukt-sR im Seitenreaktor SR nicht vollständig in der Gasphase, sondern zumindest teilweise als flüssige Phase vorliegen.

Über Leitung 5 wird der Dimethylether, Wasser und Methanol enthaltende Produktstrom Sp _rO dukt-sR aus dem Seitenreaktor SR abgezogen (c ₃ (DME): Dimethyletherkonzentration; c ₃ (H2O): Wasserkonzentration; C3(MeOH): Methanolkonzentration) und in die Reaktionszone RZ der Reaktivdestillationseinheit RD zurückgeführt. Da im Seitenreaktor SR Methanol zu Dimethylether (und Wasser) umgesetzt wird, weist der Produktstrom Sp _rO dukt-sR gegenüber dem Seitenstrom Sseite- RD eine höhere Dimethylether- und geringere Methanolkonzentration auf (c ₃ (DME) > C ₂ (DME); c ₃ (MeOH) < c ₂ (MeOH)).

Die Reaktivdestillationseinheit RD wird nicht nur für die Synthese und destillative Abtrennung des Dimethylethers genutzt, sondern auch in Form des über Leitung 4 abgezogenen methanolhaltigen Seitenstroms Sseite-RD für die Bereitstellung einer Methanolquelle, die gegenüber dem der Reaktivdestillationseinheit RD über Leitung 1 zugeführten Rohmethanols eine geringere Wasserkonzentration aufweist und somit in dem nachgeschalteten Seitenreaktor eine (im Vergleich zum Rohmethanol) höhere DM E-Ausbeute im Produktstrom Sp _rO dukt-sR ermöglicht. Die Rückführung des DME-reichen Produktstrom Sp _rO dukt-sR zur Reaktivdestillationseinheit RD hat wiederum einen vorteilhaften Einfluss auf die Ausbeute an Dimethylether in der Reaktivdestillationseinheit RD.

Eine weitere beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Figur 2 eingehender beschrieben. Die in Figur 2 veranschaulichte Prozessführung unterscheidet sich von der in Figur 1 veranschaulichten Prozessführung folgendermaßen:

Der über Leitung 5 aus dem Seitenreaktor SR abgezogene Produktstroms Sp _rO dukt-sR wird in eine Gas-Flüssig-Trenneinheit SU eingeleitet. In dieser Gas-Flüssig- Trenneinheit SU erfolgt eine Auftrennung des Produktstroms Sp _rO dukt-sR in einen gasförmigen Strom SG, der überwiegend Dimethylether und Methanol (z.B. in einer Gesamtkonzentration von mindestens 80 Mol%) enthält, und einen flüssigen Strom SL, der überwiegend Wasser und Methanol (z.B. in einer Gesamtkonzentration von mindestens 80 Mol%) enthält. Der gasförmige Strom SG wird über Leitung 6 und der flüssige Strom SL wird über Leitung 7 in die Reaktivdestillationseinheit RD zurückgeführt.

Wie oben bereits beschrieben, kann durch die Auftrennung des aus dem Seitenreaktor SR abgezogenen Produktstroms Sp _rO dukt-sR in einen gasförmigen Strom SG und einen flüssigen Strom SL und die getrennte Rückführung dieser beiden Ströme SG und SL in die Reaktivdestillationseinheit RD im Vergleich zu einer direkten Rückführung des Produktstroms Sp _rO dukt-sR eine weitere Verbesserung des Umsatzes von Methanol zu Dimethylether realisiert werden.

Hinsichtlich aller weiteren Merkmale der in Figur 2 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform kann auf die obige Beschreibung zu Figur 1 verwiesen werden.