Einstufige Dimethylethersynthese

Dimethylether (DME) findet Verwendung als Treibgas in Spraydosen, bei der Herstellung von hochreinem Glas und als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge. Zusätzlich kann DME es als wichtiger Ausgangsstoff für zahlreiche Produkte der chemischen Industrie eingesetzt werden. Dimethylether (DME) wird derzeit kommerziell ausschließlich nach dem zweistufigen Verfahren in zwei separaten Reaktoren hergestellt. Im ersten Reaktor wird Methanol aus Synthesegas hergestellt. Das Synthesegas besteht aus H₂ und CO im Verhältnis 2:1. Danach erfolgt die Dehydratisierung des Methanols zu Dimethylether.

Forschung und Entwicklung

Aktuelle vorindustrielle Entwicklungen gehen von einer einstufigen DME-Synthese aus. Im Gegensatz zur zweistufigen DME-Synthese wird die Umsetzung des Synthesegases zu DME über Methanol als Zwischenprodukt in einem einzigen Reaktor durchgeführt.

Durch eine einstufige Synthese lassen sich höhere Umsätze erzielen, ohne die Reaktionsgase im Kreis zu führen. Grund hierfür ist die thermodynamische Gleichgewichtslimitierung der reinen Methanolsynthese (1), welche hohe Drücke und niedrige Temperaturen benötigt. Die direkte Synthese von DME beinhaltet synergetische Effekte, da durch die direkte Weiterreaktion von gebildetem Methanol zu DME (2) das gebildete Wasser unmittelbar mit Kohlenmonoxid gemäß der Wassergas-Shift-Reaktion (3) zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt wird. Wasser wird somit direkt aus unmittelbar aus dem chemischen Gleichgewicht entfernt, wodurch die DME-Bildung weiter begünstigt wird. Der gemäß Reaktion (3) gebildete Wasserstoff steht wiederum zur erneuten Methanolbildung gemäß Reaktion (1) zur Verfügung. Gleichung (4) gibt die Bruttoreaktionsgleichung der einstufigen DME-Synthese wieder. Insgesamt wird ein H₂/CO-Verhältnis von 1 benötigt, welches deutlich unter dem H₂/CO-Verhältnis von 2 für die zweistufige Synthese liegt. Synthesegase mit einem H₂/CO-Verhältnis von ca. 1 können beispielsweise durch die Vergasung von Biomasse erzeugt werden. Aus diesem Grund wird erwartet, dass durch das einstufige Verfahren eine deutliche CO₂-Einsparung möglich ist.

Die direkte einstufige Dimethylethersynthese ist bekannt, wird aber bisher noch nicht großtechnisch umgesetzt. Die Methanolsynthese und die anschließende Dehydratisierung zu Dimethylether laufen an einem bifunktionalen Katalysator ab. Diese Katalysatoren werden im Wesentlichen durch physikalisches (mechanisches) Vermischen von MeOH-Synthesekatalysatoren mit Dehydratationskatalysatoren erhalten. Typischen MeOH-Synthesekatalysatoren bestehen aus Cu/ZnO/Al₂O₃. Als Dehydratationskomponente dienen feste Säurekatalysatoren wie beispielsweise γ-Al₂O₃ oder Zeolithe.

Die Vereinigung beider Reaktionsschritte in einem Reaktor bedingt eine Anpassung der Betriebsbedingungen gegenüber der zweistufigen DME-Synthese. Diese liegen bei ca. 240–280 °C und 40-60 bar. Da die Teilreaktionen jeweils exotherm sind, muss für eine gute Wärmeabfuhr gesorgt werden.

Potenzial

Durch die einstufige Dimethylethersynthese werden gegenüber dem herkömmlichen zweistufigen Verfahren wirtschaftliche Vorteile prognostiziert. zum einen kann durch den Wegfall eines Synthesereaktors der Aufwand für die Anlagentechnik reduziert werden. zum anderen ergeben sich Vorteile bei der Prozessführung. Es werden höhere Reaktionsumsätze erwartet, und damit der Prozessaufwand verringert. Außerdem können Synthesegase mit einem kleinen H₂/CO-Verhältnis verwendet werden. Hierdurch werden andere Rohstoffquellen, u. a. holzartige Rohstoffe für die Synthesegaserzeugung leichter zugänglich.

Englische Übersetzung(en):

direct dimethyl ether synthesis