Gegenstand der Erfindung ist ein mehrstufiges Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen aus Oxigenaten wie Methanol und/oder Dimethyl- ether, wobei die Dieselausbeute optimiert werden soll. Unter synthetischen Kraftstoffen werden Diesel, Kerojet und Benzin verstanden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es sind bereits mehrere Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen entwickelt worden. Insbesondere sind auch bereits Verfahren bekannt geworden, die ausgehend von Methanol die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen ermöglichen.

Prinzipiell sind diese Verfahren in zwei Verfahrensstufen aufzuteilen. Im der ersten Verfahrensstufe (Olefinerzeugung) werden Oxigenate mit Hilfe eines Ze- olith-Katalysators vorzugsweise zu C ₂ - C ₈ Olefinen umgesetzt. In einer zweiten Verfahrensstufe (Oligomerisierung) werden die genannten Olefine bei erhöhtem Druck mit Hilfe eines Zeolith-Katalysators zu höheren Kohlenwasserstoffen umgesetzt. Zwischen den beiden Verfahrensstufen können Teilströme bestehend aus Wasser und/oder Kohlenwasserstoff in einem ersten Separationsschritt abgetrennt werden. Nach der 2. Verfahrensstufe werden die erhaltenen höheren Kohlenwasserstoffe in einer zweiten Separation in eine leichte Fraktion, eine Benzin-Fraktion und eine schwere Fraktion aufgetrennt. Die schwere Fraktion bildet nach Hydrierung das Endprodukt Diesel und bei geeigneter Separation auch Kerojet. Aus der leichten Fraktion können die Produkte LPG (Flüssiggas) und Heizgas gewonnen werden.

Die im Folgenden betrachteten bekannten Verfahren stellen Teilschritte des oben beschriebenen Gesamtverfahrens dar:

Die erste Verfahrensstufe (Olefinerzeugung) ist zum Beispiel bei der Herstellung von insbesondere Propylen aus Methanol in den europäischen Patentschriften EP 0 448 000 B1und EP 0 882 692 B1 , sowie in den deutschen Patentanmeldungen DE 100 27 159 A1 und DE 101 17 248 A1 beschrieben. Zum Einsatz kommt hier das sogenannte MTP-Verfahren (MTP = Methanol to Propy- lene). Dieses Verfahren verwendet einen mehrstufigen Festbettreaktor. Als Katalysator wird ein Zeolith des Pentasiltyps verwendet. Zur Optimierung der Produktausbeute wird ein Gasstrom zum Olefinreaktor rezirkuliert, der reich an ungesättigten Kohlenwasserstoffen ist, und der aus dem Reaktorprodukt dieser Verfahrensstufe abgetrennt wird. Zusätzlich wird das bei der Olefinerzeugung produzierte Wasser teilweise rezirkuliert. Das angestrebte Produkt dieser Verfahrensstufe ist beim MTP-Verfahren allerdings Propylen und nicht etwa Olefi- ne.

Das Prinzip der ersten Verfahrensstufe (Olefinerzeugung) wird in anderen Patenten zur Erzeugung von Benzin eingesetzt. Zu nennen sind hier die US Patente 4,404,414 sowie 4,788,369 und 4,035,430. Die hier beschriebenen Verfahren arbeiten auch mit mehrstufigen Festbettreaktoren, die mit Zeolith Katalysator (ZSM 5 oder ähnlichen Katalysatoren) befüllt sind. Auch hier werden Gasströme zum Reaktor rezirkuliert, die je nach Patent aus gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen bestehen. Durch die Rezirkulation soll das Temperaturprofil im Reaktor eingestellt werden und die Produktausbeute zu Benzin optimiert werden. Diese Patente verwenden allerdings kein Wasser als Rezirku- lationsstrom, wie dies bei dem schon genannten MTP Verfahren der Fall ist.

Die zweite Verfahrensstufe (Oligomerisierung), in der aus Olefinen höhere Kohlenwasserstoffe oligomerisiert werden, die dann zu Dieselkraftstoff hydriert werden können, ist aus den südafrikanischen Patenten 9,101 ,969, 9,101 ,970 und 9,200,642 bekannt. Für die Oligomerisierung werden hier Katalysatoren auf der Basis von kristallinen Aluminiumsilikaten des Pentasiltyps eingesetzt, die insbesondere in der europäischen Patentschrift 369 364 beschrieben sind. Auch hier kommt ein mehrstufiger Festbettreaktor zur Anwendung. Eingesetzt wird dieses Verfahren vor allem zur Herstellung von Diesel aus Kohlenwasser-

Stoffen, die vorzugsweise C ₂ bis Cs Olefine enthalten. Auch in diesem Verfahren wird zur Optimierung der Produktausbeute mit einem Rezirkulationsstrom gearbeitet.

Auch die Kombination eines Verfahrens zur Herstellung von Olefinen aus Methanol mit einem Verfahren zur Herstellung von Benzin und Diesel aus Olefinen ist bereits Gegenstand von mehreren Patenten.

Hierbei ist insbesondere auf die US-Patentschriften 4,579,999 und 4,689,205 sowie 4,898,717 hinzuweisen. Die vorstehend genannten Patente beschreiben ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Diesel und Benzin aus Methanol. Zum Einsatz kommt hierbei das sogenannte MTO-Verfahren (MTO = Methanol to Olefins) in Kombination mit dem MOGD-Verfahren (MOGD = Mobil Olefins to Gasoline/Distillate), das die Oligomerisierung von Olefinen zum Gegenstand hat. Alle drei Patente setzen Katalysatoren vom Zeolith-Typ ein und beschreiben, unter welchen Betriebsbedingungen vorzugsweise der Kraftstoff Diesel herzustellen ist.

In den ersten beiden US-Patentschriften 4,689,205 sowie 4,898,717 kommt hierbei in der ersten Verfahrensstufe ein Wirbelbettreaktor zum Einsatz. Außerdem wird vom Benzinprodukt ein Teilstrom als ungesättigter Kohlenwasserstoffstrom zur ersten und zur zweiten Verfahrensstufe recycelt. Zur ersten Verfahrensstufe wird zusätzlich Ethylen und Ethan recycelt.

In der dritten US-Patentschrift 4,898,717 wird in beiden Verfahrensstufen ein mehrstufiger Festbettreaktor eingesetzt. Die erste Verfahrensstufe wird hier ohne Rezirkulierung betrieben. Aus dem MTO-Reaktorprodukt der ersten Verfahrensstufe wird als Nebenprodukt ein C- ₂ -Strom separiert, aus dem Ethylen gewonnen wird. Dies ist in diesem Verfahren sinnvoll, da bei den beschriebenen Betriebsbedingungen ca. 26 Gew.-% des MTO-Reaktorprodukts aus Ethylen besteht. Dies reduziert offensichtlich den Gesamtumsatz von Methanol zu Diesel.

Sowohl das MTP-Verfahren als auch das mit Wirbelbettreaktor betriebene MTO-Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass man die Olefinerzeugung in der ersten Verfahrensstufe in Gegenwart eines Gasstromes durchführt, der angereichert ist mit ungesättigten Kohlenwasserstoffen, die aus dem Produktstrom der ersten oder der zweiten Verfahrensstufe abgetrennt und wieder der ersten Verfahrensstufe zugeführt werden. Damit erreicht man beim MTP-Verfahren, dass die Ausbeute an Propylen optimiert wird. Beim MTO-MOGD-Verfahren werden ungesättigte Kohlenwasserstoffe aus dem Nebenprodukt Benzin rezirkuliert, wodurch die Produktausbeute an Diesel erhöht und die Produktausbeute an Benzin reduziert wird.

Die Rezirkulierung olefinreicher Ströme zum Olefin-Reaktor führt allerdings dazu, dass die Olefine teilweise zu Paraffinen und sonstigen Komponenten umgesetzt werden. Paraffine und sonstige Komponenten stehen im Oligomerisie- rungs-Reaktor nicht mehr für die Bildung langkettigerer Kohlenwasserstoffe zur Verfügung, was im Endeffekt die Dieselausbeute reduziert.

DARSTELLUNG DES ERFINDUNGSGEMÄSSEN VERFAHRENS

Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, ein von Methanol und/oder Di- methylether und/oder einem anderen Oxigenat ausgehendes Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen zu entwickeln, bei dem die Dieselausbeute deutlich erhöht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen, bei dem

- in einer ersten Verfahrensstufe ein aus Oxigenaten wie zum Beispiel Methanol und/oder Dimethylether und Wasserdampf bestehendes Gasgemisch bei Temperaturen zwischen 300 und 600 ⁰ C zu Olefinen mit vorzugsweise 2 bis 8 Kohlenstoffatomen umgesetzt wird und

- in einer zweiten Verfahrensstufe das erhaltene Olefingemisch bei erhöhtem Druck zu höheren Olefinen mit überwiegend mehr als 5, vorzugsweise 10 bis 20 Kohlenstoffatomen, oligomerisiert wird.

Erfindungsgemäß wird dabei in der ersten Verfahrensstufe Olefine in Gegenwart eines Gasstromes erzeugt, der im wesentlichen aus gesättigten Kohlenwasserstoffen besteht, welche aus dem Produktstrom der zweiten Verfahrensstufe abgetrennt und wieder der ersten Verfahrensstufe zugeführt werden. Anschließend wird dann in einer zweiten Verfahrensstufe die Olefinerzeugung in Gegenwart eines Wasserdampfstromes durchgeführt, welcher aus dem Produktstrom der ersten Verfahrensstufe abgetrennt und wieder der ersten Verfahrensstufe zugeführt wird.

Diese Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass die Produktausbeute an Diesel sowohl durch die Rezirkulierung eines Gasstroms, der überwiegend aus gesättigten Kohlenwasserstoffen besteht, als auch durch die Rezirkulierung von Wasser zur ersten Verfahrensstufe deutlich erhöht wird.

Die Rezirkulierung von Wasser zur ersten Verfahrensstufe reduziert hierbei die Verkokung des Katalysators. Beide Rezirkulationsströme zur ersten Verfahrensstufe, also Wasser und Kohlenwasserstoffe, reduzieren den Partialdruck der reaktiven Komponenten und die adiabate Temperaturerhöhung im Reaktor, was die Selektivität des Katalysators zu den gewünschten Produkten verbessert.

Der zur ersten Verfahrensstufe rezirkulierte Kohlenwasserstoffstrom besteht überwiegend aus gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 3 bis 5 Kohlenstoffatomen, und wird in der Separation nach der zweiten Verfahrensstufe aus dem Reaktorprodukt der zweiten Verfahrenstufe abgetrennt.

Der rezirkulierte Wasserstrom besteht aus einem Teilstrom des Reaktionswassers, welches in der Separation nach der ersten Verfahrensstufe vom Reaktor-

produkt der ersten Verfahrensstufe abgetrennt wird. Zusätzlich kann eine leichte Fraktion mit weniger als 3 Kohlenstoffatomen aus dem Produkt der ersten Verfahrensstufe abgetrennt werden, und zumindest teilweise zum Einsatzstrom der ersten Verfahrensstufe recycelt werden. Weiter ist es prinzipiell möglich nach der ersten Verfahrensstufe eine Benzinfraktion zu separieren. Dies würde allerdings die Dieselausbeute reduzieren.

Die in dem Reaktionsprodukt der ersten Verfahrensstufe enthaltenen Olefine werden in der zweiten Verfahrensstufe durch Oligomerisierung weitgehend zu höheren Kohlenwasserstoffen umsetzt.

In der anschließenden Separation werden zwei Kohlenwasserstoffströme bereitgestellt, von denen der erste vorzugsweise aus gesättigten Kohlenwasserstoffen besteht und zur ersten Verfahrensstufe rezirkuliert wird. Der zweite Kohlenwasserstoffstrom unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung vom ersten, und wird zur zweiten Verfahrensstufe rezirkuliert. Außerdem werden die Produkte Diesel, Benzin, LPG und Heizgas separiert, wobei Diesel aus der schweren Fraktion des Reaktorproduktes durch Hydrierung gewonnen wird.

Sowohl der Olefin-Reaktor als auch der Oligomerisierungs-Reaktor wird als mehrstufiger adiabater Festbettreaktor ausgeführt, wobei verschiedene Ausführungen der Reaktoren möglich sind, wie zum Beispiel Schichtreaktor, Radialreaktor, Rohrreaktor oder andere. Bei diesem Verfahren wird sowohl zur Olefiner- zeugung als auch zur Oligomerisierung vorzugsweise ein Zeolith-Katalysator vom Pentasiltyp eingesetzt. Dieser Katalysator weist vorzugsweise ein Si/Al- Atomverhältnis größer 10, auf und hat eine BET-Oberfläche von 300 bis 600 m ² /g sowie ein Porenvolumen (bestimmt nach der Quecksilber-Porosimetrie) von 0,3 bis 0,8 cm ³ /g. Abweichend von dem hier genannten Aluminiumsilikat- Katalysatortyp können auch Katalysatoren basierend auf Silikalit-Material oder Aluminiumphosphat (SAPO Typ) eingesetzt werden. Darüber hinaus kann der Katalysator entweder in Form von Extrudaten oder in Form eines mit Zeolithen beschichteten keramischen Trägers vorliegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der ersten Verfahrensstufe bei einer Temperatur zwischen 300 ⁰ C bis 600 ⁰ C, vorzugsweise zwischen 400 ⁰ C bis 500 ⁰ C, insbesondere zwischen 450 ⁰ C bis 48O ⁰ C und bei einem Druck von 0 bis 12 bar , vorzugsweise 1 bis 5 bar , insbesondere bei 1 bis 2 bar durchgeführt.

Das verbleibende Reaktionsprodukt der ersten Verfahrensstufe wird in der zweiten Verfahrensstufe einer Oligomerisierung zugeführt. Durch die Oligomeri- sierung der Olefine ist das Reaktionsprodukt der zweiten Verfahrensstufe weitgehend von C- ₃ bis C ₅ Olefinen befreit. Bei einer Rezirkulierung eines aus dem Reaktorprodukt des Oligomerisierungs-Reaktors separierten kurzkettigen Kohlenwasserstoffstroms (Cg und kürzer, vorzugsweise C ₅ und kürzer) werden daher nur geringe Mengen Olefine in die erste Verfahrensstufe zurückgeführt. Hierdurch wird ein Verlust an Olefinen weitgehend vermieden, der auch eine Verminderung der Ausbeute an synthetischem Diesel in der zweiten Verfahrenstufe zur Folge hätte.

Im Gegensatz zur Rezirkulierung gesättigter Kohlenwasserstoffe zum Olefin- Reaktor kann die Ausbeute des Oligomerisierungs-Reaktors durch Rezirkulierung ungesättigter Kohlenwasserstoffe optimiert werden. Die Qualität des Kraftstoffes wird dabei maßgeblich durch die Einstellung des Olefin/Paraffin- Verhältnisses in dem der Oligomerisierung zugeführten Gasstrom beeinflusst. Durch Regulierung dieses Mischungsverhältnisses lassen sich die Eigenschaften des so hergestellten synthetischen Kraftstoffes weitgehend beeinflussen.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Übersicht die wichtigsten Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens:

Das zur Kraftstoffherstellung eingesetzte Methanol wird verdampft und ggf. daraus teilweise Dimethylether hergestellt. Dieses Gasgemisch 1 wird nach Einleitung von Wasserdampf 2 und einem Gasstrom 3, der vorzugsweise leichte Paraffine enthält, in der 1. Verfahrensstufe (Olefinerzeugung) bei Temperaturen von 300 bis 600 ⁰ C, vorzugsweise 450 bis 480 ⁰ C, und einem Druck von 0 bis

12 bar, vorzugsweise 1 bis 2 bar, in Gegenwart von Zeolith-Katalysatoren vom Pentasiltyp zu einem Olefingemisch umgesetzt. Die hierbei entstehenden Olefi- ne weisen vorzugsweise 2 bis 9 Kohlenstoffatome auf. Das in der ersten Verfahrensstufe produzierte Wasser wird aus dem Reaktorprodukt abgetrennt und teilweise rezirkuliert. Anschließend kann zur Optimierung der Ausbeute eine leichte Fraktion (C ₂ ) abgetrennt werden und teilweise zur ersten Verfahrensstufe rezirkuliert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das molare Verhältnis der gesättigten Kohlenwasserstoffe im Recyclestrom 3 zu den Oxigenaten im Einsatzstrom 1 zwischen 0,5 und 10 liegt.

Das verbleibende Kohlenwasserstoffgemisch wird dann in die 2. Verfahrensstufe (Oligomerisierung) überführt, wo bei Temperaturen zwischen vorzugsweise 200 bis 450 ⁰ C und bei einem Druck von 40 bis 100 bar ebenfalls in Gegenwart von Zeolith-Katalysatoren vom Pentasiltyp die Oligomerisierung erfolgt. Die durch Oligomerisierung entstehenden Olefine weisen überwiegend mehr als 5, vorzugsweise zwischen 10 bis 20 Kohlenstoffatome auf. Das erhaltene Gemisch wird in einer anschließenden Separation aufgearbeitet, wobei ein Destillat abgetrennt wird, welches nach Hydrierung das Hauptprodukt Diesel bildet. Weiter werden zwei Kohlenwasserstoffströme unterschiedlicher Zusammensetzung bereitgestellt, von denen der Strom 3 zur ersten Verfahrensstufe und der Strom 4 zur zweiten Verfahrensstufe rezirkuliert wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das molare Verhältnis von Wasserdampf im Recyclestrom 3 zu den Oxigenaten im Einsatzstrom 1 zwischen 0,1 und 5 liegt.

Schließlich werden die Nebenprodukte Benzin und LPG sowie Heizgas separiert.

Zum experimentellen Nachweis der Erhöhung der Olefinausbeute durch das erfindungsgemäße Verfahren wurde entsprechend dem Stand der Technik dem Einsatzstrom des Olefin-Reaktors, bestehend aus Methanol, Dimethylether und Wasser, ein C ₅ -Olefinstrom zudosiert. In dem erhaltenen Produkt wurden die entstandenen Mengen von Propylen, Gesamtolefinen, Paraffinen, Naphthenen und Aromaten bestimmt.

Zum Vergleich wurde dann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gaszusammensetzung des erhaltenen Produktstromes bestimmt, wobei ein weitgehend inertes Paraffinträgergas in der ersten Verfahrensstufe eingesetzt wurde. Auch bei dieser Betriebsweise des Olefin-Reaktors wurde die Menge des erhaltenen Propylens sowie die Menge der Gesamtolefine, außerdem aber auch die Menge der entstandenen Paraffine, Naphthene und Aromaten bestimmt. Das Ergebnis ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. Angegeben ist hier die Kohlenstoffausbeute bezogen auf 100 Teile Kohlenstoff im eingesetzten Methanol.

Tabelle 1

Zur Berechnung der Umsätze in der Tabelle wurden die Mole des rezirkulierten Olefinstroms bzw. des rezirkulierten Paraffinträgergases sowohl vom Reaktoreinsatz als auch vom Reaktorprodukt abgezogen, da diese bezogen auf das Gesamtverfahren interne Kreislauf ströme sind.

Die Tabelle zeigt also den Methanolumsatz mit oder ohne Rezirkulierung von Olefinen. Deutlich erkennbar ist dabei die Optimierung der Propylenausbeute bei Durchführung einer Rezirkulierung von Olefinen. Demgegenüber ist beim erfindungsgemäßen Verfahren die gebildete Propylenmenge vermindert, dafür aber die Gesamtausbeute an Olefinen mit 80,7 besonders hoch.

Im Gegensatz zum Stand der Technik werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die bevorzugte Rezirkulierung von Paraffinen und die Rezirkulierung von Wasser die Reaktionsbedingungen im Festbettreaktor der 1. Verfahrensstufe bezüglich Temperaturprofil und Partialdruck der reaktiven Komponen-

ten so geändert, dass mehr reaktionsfähige Olefine zum Oligomerisierungs- reaktor gelangen, wodurch die Dieselausbeute erheblich vergrößert wird.

Die Prozessstufen Olefinerzeugung und Oligomerisierung wurden in Labor- und Technikumsversuchen über 10000 Stunden bei verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht. Die Auswertung dieser Versuche ermöglichte eine Prozesssimulation der drei Verfahrensschritte Olefinerzeugung, Oligomerisierung und Separation.