Katalytischer Festbettreaktor zur Synthese von Propylen aus Erdgas

Abb. 1 MTP-Versuchsanlage bei Staoil im norwegischen Tjeldbergodden

Der stetig wachsende Propylenbedarf kann nicht mehr durch die traditionellen, erdölbasierten Quellen wie Steamcracker und FCC gedeckt werden. Eine Alternative bietet Lurgi Oel Gas Chemie mit einem erdgasbasierten Verfahren, das über die Zwischenstufe Methanol sehr kostengünstig Propylen erzeugt. Grundlagen des Verfahrens sind Lurgis Erfahrungen in der Festbetttechnologie und ein spezieller Zeolithkatalysator der Süd-Chemie, der sich durch seine Aktivität, Selektivität und Langzeitstabilität auszeichnet.

Die treibenden Kräfte zur Förderung der Katalysatortechnik und die verfahrenstechnischen Entwicklungen zur Umwandlung von Erdgas in Wertstoffe sind sowohl die damit verbundenen wirtschaftlichen als auch umwelttechnischen Vorteile. Die gesamten nachgewiesenen Erdgasreserven belaufen sich weltweit auf ca. 140 Billionen Kubikmeter, was umgerechnet eine Lebensdauer der Gasreserven von 61 Jahren bedeutet. Darüber hinaus werden vermutete zusätzliche Gasreserven eine Lebenszeit von 65 Jahren oder mehr abdecken. Weitere 100 Milliarden Kubikmeter Gas pro Jahr werden abgefackelt ? ein auch aus ökologischer Sicht relevanter Aspekt. Verglichen mit den Erdölreserven, die noch für 41 Jahre reichen, und den Kohlereserven mit 230 Jahren, ist Erdgas zweifelsfrei einer der wichtigsten Brennstoffe des 21. Jahrhunderts.

Mit den bestehenden Technologien für die Erdgasumwandlung über Synthesegase werden Wasserstoff und Ammoniak, Fischer-Tropsch-Produkte, Methanol und Dimethylether, DME erzeugt. Gegenwärtig stellt die Produktion von Chemikalien etwa 5% des weltweiten Gasverbrauchs dar.

Das verfahrenstechnische Wissen der Lurgi-Oel-Gas-Chemie und das Know-how der Süd-Chemie auf dem Gebiet der Katalysatortechnologie haben zur gemeinsamen Entwicklung einer neuen Route von C1 zu einem Wertstoff geführt, die auf kostengünstigem Erdgas und einer Kombination erprobter Lurgi-Technologien sowie auf Süd-Chemie-Katalysatoren für die industrielle Methanolproduktion und dem MTP (Methanol-to-Propylen)-Verfahren für die hochselektive Umwandlung von Methanol zu Propylen gründet (Abb. 1).

Weltweit beliefen sich im Jahr 2000 Angebot und Nachfrage für Propylen auf 53,5 Mio. Tonnen. Polypropylen ist das mit Abstand am meisten und schnellsten wachsende Propylenderivat mit einer geschätzten durchschnittlichen Wachstumsrate von ca. 6% und verbraucht mit etwa 60% den größten Teil der gesamten Propylenproduktion. Die steigende Substitution anderer Grundstoffe wie Papier, Stahl und Holz durch Polypropylen wird zu einem weiteren Anstieg der Nachfrage für Polypropylen und damit Propylen führen. Das wachsende Defizit in der Propylenproduktion muss folglich durch alternative Propylenquellen kompensiert werden. Ziel bei der Entwicklung des MTP-Verfahrens war es, dieses Defizit durch Nutzung der Erdgasreserven über Synthesegas und MegaMethanol auszugleichen.

Der Begriff MegaMethanol bezieht sich auf Anlagen mit einer Leistung von mehr als einer Million Tonnen Methanol pro Jahr. Um eine derartige Leistung in einer Anlage mit nur einem Produktionsstrang zu erzielen, ist eine besondere Verfahrensauslegung erforderlich. Zu diesem Zweck hat Lurgi die effizienteste Integration von Synthesegaserzeugung und Methanolsynthese zu einer möglichst wirtschaftlichen und zuverlässigen Technologie für Großanlagen ausgearbeitet. Bei der Niederdruck-Methanolsynthese kommt ein hochaktiver und selektiver Katalysator von Süd-Chemie auf der Basis von Kupfer und Zink zum Einsatz.

Aus umwelttechnischer Sicht wurde berechnet, dass die jährlich abgefackelten oder abgelassenen 100 Mrd. Kubikmeter Gas ausreichend wären, um etwa 74 Mega-Methanol-Anlagen mit einer Gesamtleistung von 130 Millionen Tonnen Methanol pro Jahr zu unterhalten.

Die besonderen Vorteile der MegaMethanol-Technologie machen diese zum idealen Verfahren als Teil der Route vom Erdgas über Synthesegas und Methanol bis hin zum Propylen.

Das MTP-Verfahren (Abb. 2) basiert auf einem für diese Anwendung entwickelten Festbettreaktor und dem MTPROP-Katalysator auf Zeolithbasis. Abbildung 2 zeigt gleichzeitig auch die Massenbilanz bei Einsatz einer Standard-MegaMethanol-Anlage mit einer Kapazität von 5000 t/d. Das Methanol wird in den adiabatisch betriebenen DME-Vorreaktor gegeben, wo es unter Verwendung eines hochaktiven und hochselektiven Al2O3-Katalysators zu DME und Wasser umgewandelt wird. Der Methanol/Wasser/DME-Strom wird zur ersten MTP-Reaktorstufe geleitet. Hier wird auch der Dampf zugeführt. Methanol/DME werden zu über 99% umgewandelt, wobei als Kohlenwasserstoffprodukt hauptsächlich Propylen entsteht. Weitere Umsetzungen erfolgen in der zweiten und dritten MTP-Reaktorstufe. Die Verfahrensbedingungen in den drei MTP-Reaktorstufen werden so gewählt, dass ähnliche Reaktionsbedingungen und ein maximaler Propylenertrag gewährleistet werden. Verschiedene olefinhaltige Ströme werden als zusätzliche Propylenquelle in den Hauptsynthesekreislauf rezirkuliert.

Abbildung 3 zeigt eine detaillierte Darstellung der Kohlenwasserstoff-Produkte, die mit dem MTP-Verfahren erzeugt werden. Propylen ist das Hauptprodukt der MTP-Anlage mit einem Anteil von über 70%, während alle anderen Bestandteile in viel kleineren Mengen anfallen. Die Menge des während des Normalbetriebs erzeugten Koks ist extrem niedrig. Dies ermöglicht lange Katalysatorstandzeiten.

Der mechanisch und thermisch stabile MTPROP-Katalysator auf Zeolithbasis bietet aufgrund seiner maßgeschneiderten Eigenschaften maximale Propylenselektivität, niedrige Verkokung, niedrige Propanbildung und eine geringe Bildung von Nebenprodukten.

Waldemar Liebner, Goetz Burgfels