Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Ethanol aus Synthesegas gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Ein Überblick über Eigenschaften, Herstellung und Verwendung von Ethanol findet sich in gängigen Nachschlagewerken, beispielsweise im Artikel "Ethanol" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineveröffentlichung 15. Oktober 201 1 , DOI: 10, 20.10, 2002/14356007.a09_587.pub2.

Die Herstellung von Ethanol erfolgt derzeit überwiegend fermentativ aus Biomasse. Neben Biomasse kann auch Synthesegas fermentativ zu Ethanol umgesetzt werden. Entsprechende Verfahren werden auch als Gasfermentation bezeichnet und sind beispielsweise bei Brown, R.C.: "Biorenewable Resources: Engineering New Products from Agriculture", Arnes, Iowa State Press, 2008, beschrieben.

Die chemische Synthese von Ethanol aus Synthesegas ist ebenfalls bekannt. Sie kann beispielsweise über das Intermediat Methanol erfolgen, das anschließend zu Ethanol und ggf. anderen höheren Alkoholen homologisiert wird. Entsprechende Verfahren sind in der US 4,882,360 A und der US 2013/0123377 A1 offenbart. Eine weitere Route ist die Umsetzung von Methanol zu Essigsäure und die anschließende Hydrierung der Essigsäure zu Ethanol. Beispiele hierfür sind der sogenannte TCX- und der sogenannte SaaBre-Prozess. Die Herstellung von Ethanol durch Carbonylierung von Methanol oder die Hydratisierung von Ethylen ist ebenfalls bekannt.

Auch die chemische Direktsynthese von Ethanol aus Synthesegas, basierend auf Katalysatorsystemen mit den Elementen Rhodium, Ruthenium, Cobalt und/oder Eisen, ist möglich. Die vorliegende Erfindung betrifft entsprechende Verfahren. Ein Überblick über die Katalysatoren findet sich bei Subramani, S.K. und Gangwal: "A Review of Recent Literature to Search for an Efficient Catalytic Process for the Conversion of Syngas to Ethanol", Energy & Fuels 22, 814-839, 2008. Ein entsprechender Katalysator, der sehr selektiv Ethanol und insbesondere kaum höhere Alkohole erzeugt, ist bei Hu et al., "Conversion of Biomass-Derived Syngas to Alcohols and C2 Oxygenates using Supported Rh Catalysts in a MicroChannel Reactor", Catalysis Today 120, 90-95, 2007, beschrieben.

Bei der Direktsynthese von Ethanol aus Synthesegas, wie sie zuvor erläutert wurde, fallen Stoffgemische an, die neben dem Zielprodukt Ethanol auch Wasser, Methanol und leichtere Verbindungen enthalten können. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Anlage anzugeben mittels dessen bzw. derer aus einem entsprechenden Stoffgemisch effizient und mit geringem Energieaufwand ein hinreichend reines Ethanolprodukt gebildet werden kann.

Die vorliegende Erfindung stellt sich damit die Aufgabe, bekannte Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Synthesegas zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Ethanol aus Synthesegas mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol vor, bei dem ein Wasserstoff sowie Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid, also die Komponenten von Synthesegas, enthaltendes Einsatzgemisch unter Erhalt eines Produktgemischs, das Methanol, Ethanol, Wasser, Kohlendioxid und tiefer als Kohlendioxid siedende Verbindungen enthält, einer katalytischen Ethanoldirektsynthese unterworfen wird. Unter Verwendung des Produktgemischs wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Trenneinsatz gebildet, der Methanol, Ethanol, Wasser, Kohlendioxid und tiefer als Kohlendioxid siedende Verbindungen enthält. Ist nachfolgend von "Synthesegas" die Rede, wird hierunter im hier verwendeten Sprachgebrauch, wie üblich, ein Gasgemisch verstanden, das zumindest überwiegend Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält. In dem in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Gasgemisch kann auch Kohlendioxid enthalten sein und entsprechend umgesetzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt die eingangs erwähnte katalytischen Ethanoldirektsynthese von Ethanol zum Einsatz. Dies bedeutet, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ethanol zumindest zum Teil ohne Bildung von abtrennbaren Intermediaten aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff synthetisiert wird. Möglicherweise bei der Direktsynthese von Ethanol gebildete Intermediate reagieren zumindest teilweise, insbesondere noch am Katalysator, sofort weiter zu Ethanol und können daher nicht abgetrennt werden. Ein Verfahren zur Direktsynthese von Ethanol unterscheidet sich daher von den eingangs erwähnten Verfahren zur zweistufigen Synthese über Methanol oder Essigsäure, die als gesondert handhabbare und insbesondere abtrennbare Zwischenprodukte gebildet und erst anschließend weiter umgesetzt werden.

Eine Direktsynthese von Ethanol schließt die Bildung anderer Verbindungen nicht aus. So kann bei der Direktsynthese von Ethanol auch Methanol in nicht unerheblichen Mengen gebildet werden. Eines der Hauptprodukte der Direktsynthese ist jedoch Ethanol. Unter einem Hauptprodukt einer Synthese wird dabei hier ein Produkt verstanden, das einen Molanteil von mehr als 10%, insbesondere mehr als 10%, mehr als 20%, mehr als 30%, mehr als 40%, mehr als 50%, mehr als 60%, mehr als 70%, mehr als 80% oder mehr als 90%, bezogen auf alle in der Synthese gebildeten

Produkte, umfasst. Werden beispielsweise in einer Direktsynthese von Ethanol 50% Ethanol und 50% Methanol gebildet, handelt es sich bei dem gebildeten Ethanol noch immer um ein bzw. eines der Hauptprodukte der Synthese. Bei der im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Direktsynthese von Ethanol werden neben Methanol vorzugsweise nur geringe Mengen an anderen, d.h. höheren, Alkoholen gebildet. Diese bilden also vorzugsweise nur Nebenprodukte. Es bilden sich jedoch ggf. nicht unerhebliche Mengen an Methan. Das jeweils gebildete Produktspektrum hängt wesentlich vom eingesetzten Katalysator ab.

Ist hier davon die Rede, dass ein Trenneinsatz "unter Verwendung" des

Produktgemischs gebildet wird, sei hierunter verstanden, dass nicht das vollständige Produktgemisch zur Bildung des Trenneinsatzes verwendet werden muss und gegebenenfalls auch zusätzliche Verbindungen, Gemische und dergleichen bei der Bildung eines derartigen Einsatzgemischs zum Einsatz kommen können.

Beispielsweise kann ein Produktgemisch, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Bildung eines Trenneinsatzes verwendet wird, beliebigen Umsetzungs-,

Aufbereitungs- und Trennschritten unterworfen werden. Entsprechendes gilt auch für andere hier erwähnte Gemische.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden das Methanol, das Ethanol und das Wasser unter Verbleib einer Restfraktion, die arm an Methanol, Ethanol und Wasser ist und Kohlendioxid und tiefer als Kohlendioxid siedende Verbindungen enthält, zumindest zum überwiegenden Anteil aus dem Trenneinsatz abgetrennt, indem der Trenneinsatz in mehreren Abkühlschritten, insbesondere stufenweise mittels mehrerer Wärmetauscher, wie auch nachfolgend erläutert, auf ein Temperaturniveau von weniger als 10 °C abgekühlt wird und stromab der Abkühlschritte jeweils Methanol, Ethanol und Wasser enthaltende Kondensate aus dem Trenneinsatz abgeschieden werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung der Kondensate durch Destillation eine zumindest überwiegend Methanol, eine zumindest überwiegend Ethanol und eine zumindest überwiegend Wasser enthaltende Fraktion gebildet und zumindest ein Teil der Restfraktion wird an Kohlendioxid abgereichert, insbesondere von Kohlendioxid befreit.

Flüssige und gasförmige Gemische können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 10%, 5%, 1 %, 0,1 % oder 0,01 % auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Enthält ein Gemisch dabei "überwiegend" eine oder mehrere Komponenten, ist sie insbesondere reich an dieser oder diesen im Sinne der soeben getroffenen Definition. Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und

Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen in einer

entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1 %, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen.

Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere umfassen beispielsweise Druckniveaus auch unterschiedliche Drücke, die sich durch

unvermeidliche Druckverluste ergeben. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.

Die Destillation im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt insbesondere in zwei Destillationssäulen. Zur baulichen Ausgestaltung von Destillationssäulen sei auf einschlägige Lehrbücher verwiesen, beispielsweise K. Sattler: Thermische

Trennverfahren. Grundlagen, Auslegung, Apparate. Weinheim: Wiley-VCH, 3. Auflage 2001 . Einer Destillationssäule ist typischerweise immer zumindest eine flüssige Fraktion ("Sumpfflüssigkeit") und eine gasförmige Fraktion ("Kopfgas") in einem unteren ("Sumpf") bzw. oberen Bereich ("Kopf") entnehmbar.

Bei einer Destillationssäule handelt es sich um eine Trenneinrichtung, die dafür eingerichtet ist, ein gasförmig oder flüssig oder in Form eines Zweiphasengemischs mit flüssigen und gasförmigen Anteilen, ggf. auch im überkritischen Zustand,

bereitgestelltes Stoffgemisch zumindest teilweise aufzutrennen, also aus dem

Stoffgemisch jeweils Reinstoffe oder Stoffgemische zu erzeugen, die gegenüber dem Stoffgemisch bezüglich zumindest einer Komponente angereichert bzw. abgereichert oder reich bzw. arm im oben erläuterten Sinne sind. Typischerweise sind

Destillationssäulen als zylindrische Metallbehälter ausgebildet, die mit Einbauten, beispielsweise Siebböden oder geordneten oder ungeordneten Packungen, ausgerüstet sind. Eine Destillationssäule zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Sumpfflüssigkeit teilweise mittels eines Sumpf Verdampfers erwärmt wird, so dass kontinuierlich ein Teil verdampft und in der Destillationssäule gasförmig aufsteigt. Eine Destillationssäule ist ferner typischerweise mit einem sogenannten

Kopfkondensator versehen, in dem zumindest ein Teil des Kopfgases zu einem

Kondensat verflüssigt und als flüssiger Rücklauf am Kopf der Destillationssäule aufgegeben wird. Ein Teil des Kopfgases kann aber auch anderweitig, beispielsweise als Produkt, verwendet werden.

Durch die spezifische Behandlung des Trenneinsatzes durch Abkühlen auf das Temperaturniveau von weniger als 10 °C kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung erreicht werden, dass die Restfraktion besonders arm an Methanol, Ethanol und Wasser ist, weil diese Verbindungen nahezu vollständig in die gewonnenen

Kondensate übergehen. Auf diese Weise kann die Restfraktion einer

Kohlendioxidabtrennung unterworfen werden, beispielsweise einer bekannten Amin- oder Laugenwäsche, ohne dass hier Wertprodukte wie Methanol und Ethanol verloren gehen bzw. aufwendig aus der Ablauge zurückgewonnen werden müssten.

Bekanntermaßen umfassen entsprechende Kohlendioxidentfernungsschritte, ein Kohlendioxid enthaltendes Gasgemisch in einer Waschsäule einer aminhaltigen Flüssigkeit oder Lauge entgegenzuschicken. Eine entsprechende aminhaltige

Flüssigkeit kann beispielsweise Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA), Methyldiethanolamin (MDEA) und/oder Diglycolamin (DGA) enthalten. Zur

Regeneration der aminhaltigen Flüssigkeit oder Lauge kann aus dieser in einer zweiten Säule das Kohlendioxid nach Erwärmung und Entspannung wieder desorbiert werden. Eine entsprechende Desorption von in die aminhaltige Flüssigkeit übergegangenem Methanol und Ethanol ist hingegen nicht ohne weiteres möglich. Methanol und Ethanol müssten aus der aminhaltigen Flüssigkeit aufwendig abdestilliert werden. Sofern die Komponetenten nicht abgetrennt werden, reichern sie sich in der Flüssigkeit oder Lauge an und führen zu einer Verschlechterung der Absorption.

Insbesondere ist in einem entsprechenden Verfahren vorgesehen, dass der letzte der mehreren Abkühlschritte eine Abkühlung des Trenneinsatzes in einem mit einem organischen flüssigen Kältemittel gekühlten Wärmetauscher umfasst. Auf diese Weise kann das zuvor erwähnte Temperaturniveau von weniger als 10 °C erreicht werden. Die Kühlung stromauf dieses letzten Wärmetauschers kann hingegen

vorteilhafterweise in besonders einfacher und kostengünstiger Weise mittels

Kühlwasser bzw. Luft erfolgen. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass ein stromauf des letzten Abkühlschritts vorgenommener vorheriger Abkühlschritt eine Abkühlung des Trenneinsatzes in einem mit Kühlwasser gekühlten Wärmetauscher umfasst, und dass stromauf des vorherigen Abkühlschritts wenigstens ein weiterer Abkühlschritt des Trenneinsatzes in einem mit Luft gekühlten Wärmetauscher vorgenommen wird. Der Abkühlschritt des Trenneinsatzes in dem mit Luft gekühlten Wärmetauscher kann in bestimmten Fällen auch entfallen. Die vorliegende Erfindung eignet sich dabei insbesondere für Verfahren bei denen der Trenneinsatz in den mehreren Abkühlschritten ausgehend von einem

Temperaturniveau von 100 bis 250 °C abgekühlt wird. Diese Temperaturniveau liegt typischerweise stromab eines Ethanoldirektsynthesereaktors vor. Die mehreren Abkühlschritten werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise auf einem Druckniveau von anfänglich 20 bis 100 bar durchgeführt.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Destillation vorteilhafterweise auf einem Druckniveau von 2 bis 10 bar vorgenommen. Insbesondere können hierbei zwei auf unterschiedlichen Druckniveaus betriebene Destillationssäulen zum Einsatz kommen, wodurch eine besonders energiesparende Trennung erzielt werden kann.

So können in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kondensate zur Destillation insbesondere zunächst in eine erste Destillationssäule eingespeist werden, in der eine Sumpfflüssigkeit gebildet und zum Teil als die zumindest überwiegend Wasser enthaltende Fraktion entnommen wird. Bei der zumindest überwiegend Wasser enthaltenden Fraktion handelt es sich um jene Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt, die sich deshalb, und aufgrund des Siedepunktsabstands zu Methanol und Ethanol vergleichsweise einfach abtrennen lässt. Auch Reste an Methanol und Ethanol können in dieser Fraktion enthalten sein.

Kopfgas der ersten Destillationssäule wird vorteilhafterweise einer ersten

Kopfgasabkühlung unterworfen, stromab derer unter Verbleib einer ersten

Kopfgasrestfraktion ein erstes Kopfgaskondensat abgeschieden wird, das zum Teil in die erste Destillationssäule zurückgeführt und zum Teil in eine zweite Destillationssäule überführt wird. Die erste Kopfgasrestfraktion enthält insbesondere noch einen Teil der in dem Kopfgas der ersten Destillationssäule enthaltenen Alkohole. Zu deren

Rückgewinnung wird vorteilhafterweise die erste Kopfgasrestfraktion einer zweiten Kopfgasabkühlung unterworfen, stromab derer unter Verbleib einer an Methanol, Ethanol und Wasser armen oder freien gasförmigen zweiten Kopfgasrestfraktion ein zweites Kopfgaskondensat abgeschieden wird, das zumindest zum Teil in die zweite Destillationssäule überführt wird. Weil sich das erste und das zweite Kopfgaskondensat in ihren Zusammensetzungen unterscheiden, werden diese bzw. deren entsprechende Anteile dabei vorteilhafterweise in unterschiedlichen Höhen in die zweite

Destillationssäule eingespeist. Durch die erläuterte Behandlung des Kopfgases der ersten Destillationssäule, also einer nur teilweisen Kondensation nach der ersten Kopfgasabkühlung und der weiteren Kondensation nach der zweiten Kopfgasabkühlung, ist es möglich, einen zur ersten Kopfgasabkühlung verwendeten Wärmetauscher auf einem Temperaturniveau zu betreiben, das höher ist als das Temperaturniveau, das in einem Sumpfverdampfer der zweiten Destillationssäule zum Einsatz kommt. Auf diese Weise ist es möglich, den zur ersten Kopfgasabkühlung verwendeten Wärmetauscher und den Sumpfverdampfer der zweiten Destillationssäule thermisch zu koppeln. Die zweite Destillationssäule ist hierzu auf einem geringeren Druckniveau zu betreiben als die erste Destillationssäule. Der Sumpf verdampf er der zweiten Destillationssäule wird dabei mit Abwärme des zur ersten Kopfgasabkühlung verwendeten Wärmetauschers betrieben.

Auch ohne thermische Kopplung der Destillationssäulen ist die Verwendung einer zweiten Abkühlstufe zur Rückgewinnung der Wertprodukte sinnvoll. Weil die vergleichsweise die hohe Temperatur in der ersten Kopfgasabkühlung einen Verlust an den Wertprodukten Methanol und Ethanol in die erste Kopfgasrestfraktion bewirkt, wird diese der zweiten Kopfgasabkühlung, insbesondere auf ein Temperaturniveau unterhalb der Kühlwassertemperatur, unterworfen. Weil die erste Kopfgasabkühlung aber bereits erfolgt und damit ein großer Teil von Methanol und Ethanol bereits abgeschieden sind, und weil durch die erste Kopfgasabkühlung die Temperatur bereits beträchtlich reduziert wurde, ist die zweite Kopfgasabkühlung energiesparend, d.h. unter Einsatz vergleichsweise geringer Kältemittelströme und klein bauender

Wärmetauscher, möglich.

Insbesondere erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung die erste

Kopfgasabkühlung auf ein Temperaturniveau von 140 bis 80 °C und die zweite

Kopfgasabkühlung auf ein Temperaturniveau von 40 bis -20 °C. Auf diese Weise lässt sich bei den zuvor erwähnten Druckniveaus eine nahezu vollständige oder vollständige Abscheidung von Methanol und Ethanol bewirken.

Wie erwähnt, ist insbesondere für die erläuterte thermische Kopplung der ersten und zweiten Destillationssäule ein Druckunterschied erforderlich. Daher wird die zweite Destillationssäule vorteilhafterweise auf einem Druckniveau betrieben, das unterhalb eines Druckniveaus liegt, auf dem die erste Destillationssäule betrieben wird. Der Druckunterschied kann beispielsweise bei 1 bis 10 bar liegen, wobei die erste

Destillationssäule beispielsweise bei 2 bis 10 bar und die zweite Destillationssäule beispielsweise bei 1 bis5 bar betrieben werden kann. Durch die erläuterten Maßnahmen und einen entsprechenden Betrieb der zweiten Destillationssäule wird in dieser eine Sumpfflüssigkeit gebildet, die zum Teil als die zumindest überwiegend Ethanol enthaltende Fraktion entnommen werden kann.

Kopfgas der zweiten Destillationssäule kann einer dritten Kopfgasabkühlung unterworfen werden, stromab derer unter Verbleib einer an Methanol armen oder freien gasförmigen dritten Kopfgasrestfraktion ein drittes Kopfgaskondensat abgeschieden wird, das zum Teil in die zweite Destillationssäule zurückgeführt und zum Teil als die zumindest überwiegend Methanol enthaltende Fraktion entnommen wird.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich ferner auf eine Anlage zur Herstellung von Ethanol, die dafür eingerichtet ist, ein Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Einsatzgemisch unter Erhalt eines Produktgemischs, das Methanol, Ethanol, Wasser, Kohlendioxid und tiefer als Kohlendioxid siedende Verbindungen enthält, einer katalytischen Ethanoldirektsynthese zu unterwerfen. Diese weist Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung des Produktgemischs einen Trenneinsatz zu bilden, der ebenfalls Methanol, Ethanol, Wasser, Kohlendioxid und tiefer als

Kohlendioxid siedende Verbindungen enthält. Erfindungsgemäß ist eine

Trenneinrichtung vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, das Methanol, das Ethanol und das Wasser unter Verbleib einer Restfraktion, die arm an Methanol, Ethanol und Wasser ist und Kohlendioxid und tiefer als Kohlendioxid siedende Verbindungen enthält, zumindest zum überwiegenden Anteil aus dem Trenneinsatz abzutrennen, indem der Trenneinsatz in mehreren Abkühlschritten auf ein Temperaturniveau von weniger als 10 °C abgekühlt wird und stromab der Abkühlschritte jeweils Methanol, Ethanol und Wasser enthaltende Kondensate aus dem Trenneinsatz abgeschieden werden. Ferner sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung der Kondensate durch Destillation eine zumindest überwiegend Methanol, eine zumindest überwiegend Ethanol und eine zumindest überwiegend Wasser enthaltende Fraktion zu bilden und zumindest einen Teil der Restfraktion an Kohlendioxid abzureichern. Eine entsprechende Anlage ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor ausführlich erläutert wurde, und weist hierzu entsprechende Mittel auf. Auf die zuvor bezüglich des Verfahrens in seinen Ausgestaltungen genannten Merkmale und Vorteile wird daher ausdrücklich verwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung In Figur 1 ist ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die in Figur 1 gezeigten Elemente stellen zugleich Teile einer

entsprechenden Anlage dar, weshalb die nachfolgenden Erläuterungen eine solche Anlage gleichermaßen betreffen.

In dem Verfahren 100 wird mittels katalytischer Ethanoldirektsynthese (nicht veranschaulicht) ein Produktstrom erzeugt, der zur Bildung eines Trenneinsatzes in Form eines Stoffstroms a verwendet wird. Dieser wird einer Abkühl- und

Kondensationskette 10 zugeführt.

Der Stoffstrom a weist insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, nicht

umgesetztes Kohlenmonoxid, Methanol, Ethanol, Methan, Wasser, Kohlendioxid und andere Nebenkomponenten (letztere in geringen Mengen) auf. Er kann bereits durch Wärmeintegration vorgekühlt sein und typischerweise auf einem Temperaturniveau von 70 bis 250 °C und einem Druckniveau von 20 bis 100 bar vorliegen.

Der Stoffstrom a wird dabei zunächst durch einen Wärmetauscher HX1 geführt, der beispielsweise mit Luft gekühlt werden kann. Durch die Abkühlung bildet sich eine flüssige Phase aus, die anschließend in einem Abscheider D1 abgeschieden und in Form eines Stoffstroms b abgezogen werden kann. Ein gasförmig bleibender Anteil wird vom Kopf des Abscheiders D1 abgezogen (nicht gesondert bezeichnet) und durch einen Wärmetauscher HX2 geführt, geführt, der beispielsweise mit Wasser gekühlt werden kann. Durch die Abkühlung bildet sich eine flüssige Phase aus, die anschließend in einem Abscheider D2 abgeschieden und in Form eines Stoffstroms c abgezogen werden kann.

Ein gasförmig bleibender Anteil wird vom Kopf des Abscheiders D2 abgezogen (erneut nicht gesondert bezeichnet) und durch einen Wärmetauscher HX3 geführt, geführt, der mit einem geeigneten Kühlmittel gekühlt werden kann. Durch die Abkühlung bildet sich auf einem Temperaturniveau von weniger als 10°C eine flüssige Phase aus, die anschließend in einem Abscheider D3 abgeschieden und in Form eines Stoffstroms d abgezogen werden kann. Ein gasförmig bleibender Anteil wird in Form eines Stoffstroms e vom Kopf des

Abscheiders D3 abgezogen. Der Stoffstrom e ist arm an Methanol, Ethanol und Wasser und ggf. weiteren flüssigen Nebenkomponenten und kann beispielsweise in einen Kohlendioxidentfernungsschritt eingeleitet werden, ohne die Wertprodukte aufwendig zurückgewinnen zu müssen oder zu verlieren. Er besteht i.d.R.

hauptsächlich aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan sowie ggf. weiteren gasförmigen Nebenkomponenten.

Die Stoffströme b bis d enthalten im Wesentlichen die Komponenten Methanol, Ethanol und Wasser sowie ggf. weitere flüssige Nebenkomponenten und aus der Gasphase gelöste leichtere Komponenten. Die so gewonnen Kondensatströme b bis d werden in Drosselorganen V1 , V2, V3 entspannt und in unterschiedlichen Höhen in eine erste Destillationssäule C1 eingeleitet. Die Destillationssäule C1 wird auf einem niedrigeren Druck als jenem des Stoffstroms a betrieben, üblicherweise bei 2 bis 10 bar. Als Sumpfflüssigkeit der ersten Destillationssäule C1 wird Wasser, ggf. mit schwereren Verunreinigungen, in Form eines Stoffstroms f gewonnen, wobei ein Sumpfverdampfer in Form eines Wärmetauschers HX5 und ein Abscheider D5 eingesetzt werden. Als Kopfgas der ersten Destillationssäule C1 werden die Alkohole (vor allem Methanol und Ethanol) mit einem gewissen Wasseranteil gewonnen. Das Kopfgas wird dabei in Form eines Stoffstroms g abgezogen, in einem Wärmetauscher HX4 abgekühlt ("erste Kopfgasabkühlung") und teilweise kondensiert. Ein in einem Abscheider HX4 abgeschiedenes Kondensat ("erstes Kopfgaskondensat") wird zum Teil in Form eines Stoffstroms h als Rücklauf auf die erste Destillationssäule C1 genutzt. Der andere Teil des Kondensats wird in Form eines Stoffstroms i an einem Drosselorgan V4 weiter entspannt und in eine zweite Destillationssäule C2 eingeleitet.

Der Stoffstrom g wird nur teilweise kondensiert, um den Wärmetauscher HX4 bei einer höheren Temperatur als die eines Sumpfverdampfers der zweiten Destillationssäule C2 bzw. dessen Wärmetauschers HX8 betreiben zu können. Dadurch ist eine thermische Kopplung der Destillationssäulen C1 und C2 möglich. Voraussetzung hierfür ist jedoch der Betrieb der zweiten Destillationssäule C2 auf einem niedrigeren Druckniveau als der Destillationssäule C1 . Durch die thermische Kopplung wird die Abwärme des Wärmetauschers HX4 genutzt, um den Wärmetauscher HX8 zu betreiben, was eine Steigerung der Energieeffizienz des Verfahrens ermöglicht.

Allerdings führt die hohe Temperatur in HX4 zu Verlusten an Wertprodukten.

Daher wird der nach der ersten Kopfgasabkühlung gasförmig verbliebende Rest ("erste Kopfgasrestfraktion") in Form eines Stoffstroms k einer weiteren Abkühlung ("zweite Kopfgasabkühlung") in einem Wärmetauscher HX6 auf zumindest ein tieferes

Temperaturniveau als Kühlwasserniveau unterworfen, um auf diese Weise weitere

Wertprodukte (Alkohole) aus dem Stoffstrom k zu entfernen. Die Wertprodukte werden auf diese Weise energieeffizient durch eine Abkühlung des Stoffstroms k in dem Wärmetauscher HX6 mit anschließender Trennung in einem Abscheider D6 zurückgewonnen. Das Kondensat aus dem Abscheider D6 ("zweites

Kopfgaskondensat") wird ggf. über ein Drosselorgan V5 entspannt und in Form eines Stoffstroms I in die zweite Destillationssäule C2 eingeleitet. Ein gasförmiger Rest des Stoffstroms k ist arm an Alkoholen und Wasser und wird in Form eines Stoffstroms m ausgeleitet. Er kann beispielsweise mit dem Stoffstrom e vereinigt, thermisch verwertet oder zur Synthesegaserzeugung rezykliert werden.

Auch ohne thermische Kopplung der Destillationssäulen C1 und C2 ist die Verwendung einer zweiten Abkühlstufe aus dem Wärmetauscher HX6 und dem Abscheider D6 zur Rückgewinnung an Wertprodukten sinnvoll. Der Wärmetauscher HX6 wird dabei bei einer geringeren Temperatur als der Wärmetauscher HX4 betrieben. Als Sumpfflüssigkeit der zweiten Destillationssäule C2 wird überwiegend Ethanol, ggf. mit einem Anteil Wasser, in Form eines Stoffstroms n gewonnen, wobei ein

Sumpfverdampfer in Form des erwähnten Wärmetauschers HX8 und ein Abscheider D8 eingesetzt werden. Das Kopfgas der zweiten Destillationssäule C2 enthält überwiegend Methanol. Es wird in Form eines Stoffstroms o abgezogen, in einem Wärmetauscher HX7 abgekühlt ("dritte Kopfgasabkühlung") und teilweise kondensiert. Ein in einem Abscheider D7 abgeschiedenes Kondensat ("drittes Kopfgaskondensat") wird zum Teil in Form eines Stoffstroms p als Rücklauf auf die zweite Destillationssäule C1 genutzt. Der andere Teil des Kondensats wird in Form eines Stoffstroms q als Produkt abgegeben oder beispielsweise in die Ethanoldirektsynthese rezykliert. Ein gasförmig verbleibender Rest wird in Form eines Stoffstroms r abgezogen und kann ähnlich wie der Stoffstrom m behandelt werden.