CH687004A5 - Membranreaktor fuer die Umsetzung von gasfoermigen Ausgangsstoffen. - Google Patents

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CH687004A5
CH687004A5 CH01050/94A CH105094A CH687004A5 CH 687004 A5 CH687004 A5 CH 687004A5 CH 01050/94 A CH01050/94 A CH 01050/94A CH 105094 A CH105094 A CH 105094A CH 687004 A5 CH687004 A5 CH 687004A5
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Ruud Dr Struis
Samuel Dr Stucki
Michael Dr Wiedorn
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Methanol Casale Sa
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Description

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CH 687 004 A5
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Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen von im wesentlichen gasförmigen Ausgangsstoffen in mindestens ein im wesentlichen dampfförmiges Produkt, ein Verfahren zum Erzeugen von Methanol aus Synthesegas sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Ursprünglich geht beispielsweise die technische Methanolsynthese als typische Reaktion von gasförmigen Edukten von einem aus Erdgas oder Naphta durch Dampfreformierung gewonnenen Synthesegas aus mit den Hauptkomponenten CO und H2. Dieser Synthese liegt folgendes Gleichgewicht zugrunde:
CO + 2HZ - CH3OH.
Bei dem sog. Niederdruckverfahren wird diese klassische Synthese in einem Druckreaktor über einem hochaktiven Cu/Zn Katalysator bei Temperaturen zwischen 230-280°C und Drücken von ca. 50-100 bar technisch durchgeführt. Bei den angegebenen Reaktionsbedingungen liegt für z.B. 260°C und 50 bar die theoretisch maximale Konversion, d.h. der Umsatz bezogen auf den Kohlenstoffeinsatz bei 45%. Durch Anheben des Synthesedruckes auf z.B. 100 bar kann der Umsatz auf 65% erhöht werden. Druckerhöhung ist aber mit Mehrkosten für die Gaskompression und die Auslegung der unter Druck stehenden Anlageteile verbunden und wird in der Praxis deshalb nicht bevorzugt.
Um die Einsatzstoffe gut auszunutzen, wird statt dessen eine mehrfache Rezirkulierung des nicht umgesetzten Synthesegases praktiziert. Das angereicherte Gas aus dem Reaktor wird auf ca. 30°C abgekühlt, und Methanol kondensiert aus dem nicht umgesetzten Synthesegas aus. Die nicht umgesetzten Reaktanden werden rekomprimiert, wiederum aufgeheizt und für die weitere Umsetzung in den Reaktor zurückgeführt. In der Praxis wird unter Zu-rückführung von dem nicht umgesetzten Synthesegas mit einem Kreisgasverhältnis von 5 und einer Rezirkulationsrate von üblicherweise 4-6 die gesamte Konversion auf ungefähr 88% gesteigert. In diesem Zusammenhang sei verwiesen auf E. Supp, Chem.Technol. 3 (1973) Nr. 7, S. 430-435.
Mehr und mehr aber gewinnt die Methanolsynthese aus Kohlendioxyd und Wasserstoff an Bedeutung. Dieser Synthese liegt fügendes Gleichgewicht zugrunde:
C02 + 3H2~ CH3OH + H20
Diese Reaktion zeigt, dass neben Methanol zusätzlich auch Wasser anfällt. Im Vergleich zu der Methanolsynthese aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff, ist die Konversion aus CO2 und H2 wesentlich niedriger. Für 250°C und 50 bar z.B. beträgt die theoretisch maximale Konversion ca. 16%. Dies bedeutet, dass nach einem Durchgang durch den Reaktor im besten Fall 16% des Gasgemisches (1 Teil CO2 und 3 Teile H2) umgesetzt werden. Um eine optimale Gasausnutzung zu gewährleisten, ist auch hier mehrfache Rezirkulierung notwendig, wobei jetzt Methanol und Wasser aus dem Reichgas entfernt werden müssen.
Sowohl für die erstgenannte klassische als auch für die zweitgenannte alternative Methanolsynthese können nur wesentliche Ersparnisse bei den Investitionskosten sowie an Energie und bei den Rohstoffen erreicht werden, wenn die Umsetzung pro Durchgang so verbessert wird, dass eine Rückführung des nicht umgesetzten Synthesegases vermieden werden kann. Dieser Sachverhalt gilt generell für alle Reaktionen, wo gasförmige Edukte in dampfförmige Produkte umgesetzt werden, wie dies spezifisch bei der Methanolsynthese der Fall ist.
In diesem Zusammenhang schlagen K. R. Westerterp, M. Kuczynski, T. N. Bodewes und M. S. A. Vrijland in einem Artikel «Neue Konvertersysteme für die Methanol-Synthese», Chem.-Ing.-Tech. 61 (1989) Nr. 3, auf den S. 193-199, vor, die während der Synthese anfallenden Produkte kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch abzutrennen. Prinzipiell ist ja bekannt, dass der Umsatz pro Durchgang bei unverändertem Druck und Temperatur gesteigert werden kann, wenn man in der Lage ist, während der Synthese die Produkte gleichzeitig und kontinuierlich abzutrennen. Zu diesem Zwecke wird ein Reaktorkonzept vorgeschlagen, wobei die in situ Abtrennung von Methanol (aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff) mittels Adsorption zugrunde liegt, nämlich der Gas/Feststoff/Feststoff-Rieselreaktor, wobei hierzu im Reaktor ein herunterrieselndes Feststoffadsorbens eingesetzt wird. Dadurch werden Umsätze von bis zu 100% auf an sich einfache Art und Weise erreicht, und die Notwendigkeit der Rezirkulation entfällt. Allerdings ist dieses vorgeschlagene Verfahren verfahrenstechnisch sehr aufwendig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren generell für Reaktionen von gasförmigen Edukten zur Bildung von dampfförmigen Produkten und im speziellen für die Methanolsynthese vorzuschlagen, wobei während der Reaktion bzw. der Synthese durch gleichzeitiges Abtrennen eines oder mehrerer der Produkte der Umsatz bzw. die Konversion gesteigert werden kann. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens nach dem Wortlaut von Anspruch 1 gelöst.
Generell wird ein Verfahren zum Umsetzen von im wesentlichen gasförmigen Ausgangsstoffen vorgeschlagen, welche Ausgangsstoffe in mindestens ein im wesentlichen dampfförmiges Produkt umgesetzt werden, wobei für die Erhöhung der Reaktionsausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Produkt(e) dadurch verschoben wird, dass dem Reaktionsgemisch mindestens ein Produkt mittels Membranpermeation entzogen wird.
Dabei wird vorgeschlagen, dass der Entzug des mindestens einen Produktes mittels sog. Dampfper-meation erfolgt.
Im weiteren wird ein Verfahren zum Erzeugen von Methanol aus Synthesegas vorgeschlagen, wobei erneut zur Erhöhung der Ausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Methanol dadurch verschoben wird, dass dem Reaktionsgemisch Methanol und/oder ggf. ein weiteres bei der Reaktion
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anfallendes Produkt mittels Membranpermeation entzogen wird.
Als Membrane werden dünne Schichten bezeichnet, die zwar sehr unterschiedliche Strukturen besitzen können, aber alle die gemeinsame Eigenschaft haben, dem Durchtritt verschiedener Stoffe unterschiedlichen Widerstand entgegenzusetzen. Es ist bekannt, mit Membranen einzelne Komponenten von fluiden Gemischen zu trennen. Hierzu sei verwiesen auf den Artikel von Y. Cen, K. Meckl und R. N. Lichtenthaler mit dem Titel «Nichtporöse Membranen und ihre Anwendungen», Chem.-Ing.-Tech. 65 (1993) Nr. 8, auf den S. 901-913.
Die Stofftrennung mittels beispielsweise nicht-porösen Membranen beruht auf den Unterschieden in der Löslichkeit und der Diffusionsgeschwindigkeit von verschiedenen Mischungskomponenten im Membranmaterial. Dabei erfolgt der Stofftransport im wesentlichen in drei aufeinanderfolgenden Schritten:
1. Sorption der Komponenten aus der Feedmi-schung bzw. aus der Reaktionsmischung,
2. Diffusion der adsorbierenden Komponenten durch die selektive Membran, und
3. Desorption der Komponenten in die Permeat-phase.
Es ist bekannt, dass Dämpfe in geeigneten Polymermembranen eine erheblich höhere Permeabilität besitzen als Gase. Das wesentliche dabei ist, dass das aufzubereitende bzw. zu klassierende Gemisch neben den eigentlichen Gasen auch solche Komponenten enthält, die bei Standardbedingungen (1 bar und 0°C) kondensierbar sind. Die Triebkraft für den Stofftransport durch eine sog. nicht poröse Membran ist durch den Unterschied des chemischen Potentials der permeierenden Komponenten zwischen Feed- und Permeatseite gegeben. Bei der Dampf-permeation wird dieser Unterschied dadurch erzeugt, dass die Partialdrücke der einzelnen Komponenten feedseitig viel höher sind als permeatseitig. Aufgrund der oben angeführten Beobachtungen wird vorgeschlagen, dass bei der Synthese von Methanol gemäss der nachfolgenden Reaktionsgleichung:
XCO2 + (1-X) CO+ (2+X) H2^ CH3OH + XH2O (1),
wobei X einen Wert zwischen 0 bis 1 betragen kann, das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Methanol verschoben wird unter Verwendung der oben beschriebenen Membranpermeation.
Im speziellen wird ein Verfahren zum Erzeugen von Methanol aus Kohlendioxyd und Wasserstoff gemäss der nachfolgenden Reaktionsgleichung vorgeschlagen:
CO2 + 3H2- CH3OH + H2O (2),
wobei für die Erhöhung der Produktausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Methanol verschoben wird, indem dem Reaktionsgemisch Methanol und/oder Wasser mittels Membranpermeation entzogen wird.
Aufgrund der höheren Permeabilität von Dämpfen durch geeignete Polymermembrane wird erfin-dungsgemäss vorgeschlagen, dass als Membran für das Entziehen von Methanol und/oder ggf. Wasser eine Polymermembran verwendet wird, welche, wie oben erwähnt, eine höhere Permeabilität für Dämpfe aufweist als für Gase. Somit werden während der Durchführung der Reaktion kontinuierlich Methanol und/oder ggf. Wasser abgetrennt, wodurch, wie erfindungsgemäss gefordert, der Umsatz bei unverändertem Druck und Temperatur wesentlich gesteigert werden kann.
Bevorzugt wird vorgeschlagen, eine Membran aus einem perfluorierten lonomeren wie beispielsweise eine perfluorierte Kationenaustauschermembran zu verwenden. Derartige Fluorpolymere mit Sulfonsäure und/oder Carboxylgruppen werden normalerweise als ionomere Membrane in der Chlor-Alkali-Elektrolyse verwendet. Verwiesen sei in diesem Zusammenhang auch auf einen Artikel von R. S. Yeo mit dem Titel «Applications of Perfluoro-sulfonated Polymer Membranes in Fuel Cells, Electrolyzers, and Load Leveling Devices» in «Perfluorinated lonomer Membranes», Edit. A. Eisenberg, H. L. Yeager, ACS Symposium, Ser. 180, Washington D. C. (1982).
Erfindungsgemäss hat es sich nun gezeigt, dass speziell bei der Verwendung von perfluorierten lonomeren, wie beispielsweise einer perfluorierten Polysulfonsäure-Membran, eine selektive Abtrennung von Methanol und ggf. Wasser aus dem Reaktionsgemisch erzielt werden kann. Dabei hängen sowohl die chemische und physikalische Stabilität wie auch die Permeationseigenschaften vom Typ des sog. Gegenions ab. Erfindungsgemäss wird entsprechend vorgeschlagen, die perfluorierte Poly-sulfonsäure-Membran mittels Lithiumionen zu versetzen, beispielsweise indem eine Lithiumchlorid-Lösung über die Membran vor der Durchführung der Synthese geleitet wird.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene perfluorierte Polysulfonsäure-Membran in Lithiumform weist einerseits hervorragende Chemikalienbeständigkeit auf und andererseits auch gute Temperaturbeständigkeit bis zu ca. 250°C. Entsprechend ist es also möglich, die Reaktion bei Temperaturen bis zu ca. 220°C durchzuführen, wobei die bei Methanolsynthesen üblichen Katalysatoren wie Kupfer, Zink, Chrom und/oder Aluminium, bzw. Gemische davon, bzw. wenigstens teilweise Oxydgemische davon, verwendet werden können.
Die Erfindungsidee soll beispielsweise anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Fig. 1 anhand einer Prinzipskizze einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäss beanspruchten Membranreaktors für die Durchführung der Methanolsynthese;
Fig. 2 ein Membranmodul, wie es in einer labor-mässigen Versuchsanordnung verwendet wurde, um das erfindungsgemässe Verfahren durchzuführen bzw. zu überprüfen, und
Fig. 3 ein Beispiel für das Auslegen eines technischen bzw. industriellen Reaktors für die Herstellung von Methanol gemäss dem Erfindungsprinzip.
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In Fig. 1 ist schematisch das Prinzip eines erfin-dungsgemässen Membranreaktors dargestellt, geeignet für die Durchführung der Methanolsynthese. Dabei umfasst der Reaktor eine semi-permeable Membran 1, welche an ihrer äusseren Oberfläche mit Katalysatorpartikeln beschichtet bzw. umgeben ist. Bei der semi-permeablen Membran handelt es sich um eine sog. nicht poröse Membran, wobei sich als Membranmaterial perfluorierte Polysulfon-säure in Lithiumform als bevorzugtes Material erwiesen hat. Wie bereits oben erwähnt, weisen perfluorierte Ionomere eine hohe Selektivität für den Transport von Wasser auf. Perfluorierte Polysulfon-säure ist im Markt erhältlich beispielsweise unter dem Markennamen «NAFION» und wird hergestellt von der Firma Du Pont. Wie ebenfalls oben erwähnt, hängen die Permeationseigenschaften derartiger perfluorierter Ionomere vom Typ des Gegenions ab. Zu diesem Zweck wurde die erfindungsgemäss verwendete perfluorierte Polysulfonsäure-Membran vor der Durchführung der Methanolsynthesereaktion mit Lithiumchlorid-Lösung behandelt, wodurch das Gegenion durch Lithium-Ionen gebildet wird. Als Katalysatoren eignen sich sämtliche, üblicherweise bei der Methanolsynthese verwendeten Katalysatoren, wie Kupfer, Zink, Chrom, Aluminium, Mischungen davon oder wenigstens teilweise Oxyde dieser Metalle.
Bei der Durchführung der Reaktion wird der Reaktor mit Synthesegas 5 beschickt, wobei es sich dabei um Kohlendioxyd und Wasserstoffgas handelt. Nahe der Oberfläche der semi-permeablen Membran 1, d.h. im Bereich der Katalysatorpartikel 3, erfolgt die Reaktion zu Methanol und Wasser, wobei diese an sich kondensierbaren Produkte gemäss den dargestellten Pfeilen 7 bevorzugt durch die Membran 1 permeieren, um auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Membran beispielsweise mittels eines Gasstromes oder mittels Vakuum in Pfeilrichtung 9 abgeführt zu werden. Durch das kontinuierliche Abziehen von Methanol und/oder Wasser durch die Membran wird selbstverständlich das Gleichgewicht der Reaktion produkteseits verschoben, wodurch der Umsatz der Reaktionsgleichung CO2 + 3H2= CH3OH + H2O wesentlich gesteigert werden kann.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wurde erhärtet, dass mittels des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens der Umsatz bei der Methanolsynthese durch die Verwendung einer semi-permeablen Membran deutlich gesteigert werden kann. Der Aufbau des im Ausführungsbeispiel verwendeten Membranmoduls ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Dabei umfasst das verwendete Modul 11 eine äussere Hülle 13, sowie eine innere schlauchförmige Membran 15, geliefert von der Firma Perma Pure Products Inc. in Thom's River, N. J. 08754, USA, mit einem Einlassende 17 und einem Auslass 19. Wiederum wird eine perfluorierte Polysulfonsäure-Membran verwendet, wobei die Membranfläche 0,0122 m2 betrug mit einer Membrandicke von 3,15 10~6 m. Das innere Schlauchvolumen betrug 6,6 10-6 m3. Bei der äusseren Hülle 13 handelt es sich um einen Stahlrohrmantel. Die Membran trennt das Schlauchvolumen vom Mantelvolumen, sodass unabhängig voneinander Gasart (Medium), Druck, Flussgeschwindigkeit und Flussrichtung in beiden Teilen des Reaktormoduls 11 eingestellt werden können.
Die äussere Stahlrohrmantelhülle 13 umfasst ihrerseits einen Einlass 20, sowie einen Auslass 21.
Vor der Durchführung der Methanolreaktion wurde mit Hilfe einer Schlauchpumpe parallel je 750 ml einer etwa 50°C warmen 1 N-Lithiumchlorid-Lösung innerhalb von 90 min durch das Reaktormembranmodul 11 geleitet. D.h. die Lithiumchlorid-Lösung wurde sowohl innerhalb der schlauchförmigen Membran 15 als auch durch die Mantelhülle geleitet. Danach wurde mit 1 Liter destilliertem Wasser gespült und anschliessend mit Druckluft getrocknet.
In das Schlauchvolumen wurden 7,0 g Katalysator (mit einer Komgrösse von 500-1000 jim) gefüllt und die Enden jeweils mit Glaswolle locker verschlossen. Der eingegebene Katalysator war auf Kupfer-, Zink- bzw. Aluminiumbasis aufgebaut. Der Katalysator wurde gemäss den von den Katalysatorlieferanten vorgeschlagenen üblichen Verfahren in die aktive Form umgesetzt.
Für die Durchführung der Methanolsynthese im Membranreaktor 11 wurde mit Hilfe von Massen-durchflussreglern bei einem Druck von 4,3 bar im Mantel- und Schlauchvolumen ein Spülgasfluss von 200 ml/min (100 Vol% Argon) und ein Synthese-gasfluss von 64 ml/min (76,2 Vol% Wasserstoff, 23,8 Vol% Kohlendioxyd) eingestellt. Das Spülgas und das Synthesegas wurden in entgegengesetzter Richtung geführt (Gegenstromprinzip). Mit anderen Worten wurde das Synthesegas bei Pfeil 17 in das Innere der schlauchförmigen Membran 15 geführt und bei Pfeil 19 ausgegeben. Demgegenüber wurde der Spülgasfluss von Argon bei Pfeil 20 in die Mantelhülle eingegeben und bei Pfeil 21 abgeführt. Die Trockenschranktemperatur betrug während der Durchführung der Methanolsynthese 200°C. Die Methanolausbeute wurde integral durch Auskondensieren der Gase in zwei hintereinander geschalteten, mit Wasser gefüllten Waschflaschen ermittelt. Der Methanolgehalt wurde quantitativ gaschromato-grafisch bestimmt. Die auf das Kohlendioxydange-bot bezogene Methanolausbeute betrug 3,6%.
Vergleichsweise dazu wurde ein analoger Rohrreaktor ohne Membran verwendet, wobei die Durchführung der Reaktion wie im oben angeführten Ausführungsbeispiel erfolgte. Bei gleicher Katalysatorbelastung betrug die auf das Kohlendioxyd angebotene bezogene Methanolausbeute nur 2,5%. Mit anderen Worten kann durch die Verwendung der schlauchförmigen Membran bzw. mittels der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Prozessführung eine Ausbeutesteigerung im dargestellten Laborversuch von ca. 50% erzielt werden. Selbstverständlich handelt es sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Laborversuch, um die Wirksamkeit des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens zu überprüfen und zu erhärten. Für den technischen bzw. industriellen Masstab sind selbstverständlich andere Reaktorauslegungen zu verwenden, wobei an sich Methanolsynthesereaktoren industriell bestens bekannt sind. Es ist schliesslich eine Frage der Optimierung, wie der Reaktor aus5
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zulegen ist, wobei sowohl Faktoren wie Prozessbedingungen (Druck, Temperatur), verwendeter Katalysator, verwendetes Membranmaterial, Membrandicke wie auch Anlagegrösse, etc. zu berücksichtigen sind.
In Fig. 3 ist anhand eines Beispieles schematisch eine mögliche Auslegung eines industriellen Metha-nolsynthese-Reaktors dargestellt, in welchem, wie erfindungsgemäss vorgeschlagen, für das Abtrennen von Methanol und/oder Wasser aus dem Reaktionsgemisch das Anordnen einer Membran vorgesehen ist.
Ausgehend von einem typischen Reaktor in einer 1000 t/Tag Methanol-Anlage (wie beschrieben in: «Neue Konvertersysteme für die Methanol-Synthese»; K. R. Westerterp, M. Kuczynski, T. N. Bode-wes und M. S. A. Vrijland; Chem.-Ing.-Tech. 61 (1989) Nr. 3, S. 193-199) sind 4000 Rohre, je mit ca. 20 kg Katalysator 3 gefüllt. Ein derartiges Rohr 4 ist in Fig. 3 dargestellt. Jedes Rohr 4 ist 10 m lang und besitzt einen Durchmesser von 0.05 m. In so einer Anlage wird eine Raumzeitausbeute (RZA) von Methanol von ca. 0,5 mol/stunde*kg Kat. eingestellt.
Für eine technische Realisierung wird folgendes vorgeschlagen: In einem Rohr 4, gefüllt mit Katalysator 3 kann die Methanol-Ausbeute pro Durchgang ausgehend von z.B. CO2 und H2 bei 30 bar und 220°C erfindungsgemäss gesteigert werden, wenn in diesem Rohr perfluorierte Kationenaustausch-membrane 1 eingebaut sind. Hierbei wird die kontinuierliche Produktabtrennung 9 mittels Vakuum auf der Permeatseite aufrechterhalten.
Bei der Membran kann es sich um Hohlfasern (z.B. je 10 m lang, Durchmesser 120 um und Dicke 10 [im) handeln, die der Druckdifferenz (Synthesedruck minus Vakuumdruck) standhalten. Ebenfalls denkbar wären aber auch andere Konstruktionen, bei denen die Membran in Form von dünnen Folien (Schichten) oder Schläuchen vorliegt. In diesen Fällen könnte hierbei ein Stützkörper den Differenzdruck aufnehmen.
Zur Abtrennung der obgenannten RZA wird eine Gesamt-Membranfläche von etwa 0,3 m2 pro Rohr benötigt. Dies bedeutet ca. 80 Hohlfasern der oben erwähnten Grösse pro Rohr 4, in Pfeilrichtung 6 wird das Restgas abgeführt.
Selbstverständlich handelt es sich bei dem in Fig. 3 dargestellten Reaktorrohr 4 nur um ein mögliches Beispiel, das in x-beliebiger Art und Weise abgeändert, modifiziert und ergänzt werden kann. Fig. 3 dient einzig dazu zu zeigen, dass sich der in den Fig. 1 und 2 schematisch bzw. im Labormassstab dargestellte Reaktortyp auf den industriellen Massstab transformieren lässt.
Grundsätzlich ist auch zu ergänzen, dass die Erfindung anhand der Methanolsynthese beispielsweise erläutert werden soll, jedoch grundsätzlich auf sämtliche chemischen Umsetzungen anwendbar ist, bei welchen aus gasförmigen Edukten zumindest teilweise dampfförmige Produkte hergestellt werden.
Erfindungswesentlich ist, dass bei der Umsetzung von gasförmigen Edukten in mindestens ein dampfförmiges Produkt, das (die) erhaltene(n) Produkt(e) mittels einer semipermeablen Membran vom Reaktionsgemisch abgeführt wird (werden), um so das Gleichgewicht in Richtung Produkte zu verlagern und um so eine Erhöhung des Umsatzes zu erzielen.

Claims (13)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Umsetzen von im wesentlichen gasförmigen Ausgangsstoffen in mindestens ein im wesentlichen dampfförmiges Produkt, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erhöhung der Reaktionsausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Produkt(e) verschoben wird, indem dem Reaktionsgemisch mindestens ein Produkt mittels Membranpermeation entzogen wird.
2. Verfahren, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entzug des mindestens einen Produktes mittels Dampfpermeation erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 zum Erzeugen von Methanol aus Synthesegas, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Ausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Methanol verschoben wird, indem dem Reaktionsgemisch Methanol und/oder ein weiteres, bei der Reaktion anfallendes Produkt mittels Membranpermeation entzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthese von Methanol gemäss der nachfolgenden Reaktionsgleichung erfolgt:
XCO2 + (1-x) CO + (2+X) H2= CH3OH + XH2O (1),
wobei X einen Wert zwischen 0 und 1 einnehmen kann.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zum Erzeugen von Methanol aus Kohlendioxyd und Wasserstoff gemäss der Reaktionsgleichung:
CO2+ 3H2= CH3OH + HzO (2),
wobei für die Erhöhung der Produktionsausbeute das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Methanol verschoben wird, indem dem Reaktionsgemisch Methanol und/oder Wasser mittels Membranpermeation entzogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Membran für das Entziehen von Methanol und/oder Wasser eine Polymermembran verwendet wird, welche eine wesentlich höhere Permeabilität für Dämpfe aufweist als für Gase.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus einem perfluorierten lonomeren besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine perfluorierte Kationenaustauschermembran verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine perfluorierte Polysulfonsäure-Membran verwendet wird, wobei beispielsweise die perfluorierte Polysulfonsäure-Membran vor dem Durchführen der Reaktion gemäss Formel (1) oder (2) mittels Lithium-Ionen versetzt wird, beispielsweise durch Leiten einer Lithiumchlorid-Lösung über die Membran.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
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9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion unter Venwendung eines Kupfer-, Zink-, Chrom- und/oder Aluminium-Katalysators bzw. eines Gemisches davon bzw. wenigstens teilweise eines Oxydgemisches davon durchgeführt wird, wobei die Temperatur im Reaktor den Wert von ca. 220°C nicht überschreiten sollte.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator vorzugsweise nahe der reaktionsseitigen Oberfläche der Membrane angeordnet wird und dass im Reaktor strömungserzeugende Mittel vorgesehen werden, um an der Membranoberfläche eine optimale Strömungsführung des Reaktionsgemisches zu erreichen, um eine möglichst grosse Ableitung des Permeates, bestehend aus Methanol und/oder Wasser, durch die Membran hindurch zu erzeugen.
12. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine nicht poröse Membran aufweist, welche geeignet ist, dampfförmige Substanzen von Gasen abzutrennen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Methanolsynthese-Reaktor vorliegt, umfassend mindestens eine perfluorierte Kationenaustauschermembran, wie beispielsweise eine perfluorierte Polysulfonsäure-Membran, mittels welcher (welchen) der eigentliche Reaktionsraum für die Durchführung der Methanolsynthese und ein Raum für das Abziehen von Methanol und/oder-Wasser voneinander abgetrennt werden.
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