DE102021131890A1 - Process for the production of synthetic jet fuel or fuel additive - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff umfassend die Umsetzung flüssiger und/oder gasförmiger Kohlenwasserstoffe in ein Produktgemisch enthaltend Acetylen und mindestens eine andere ungesättigte Produktgemischkomponente, welche 2 bis 5 C-Atome aufweist, und die Umsetzung des dabei erhaltenen Acetylens und/oder der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente zu Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff.The present invention relates to a process for the production of synthetic aircraft turbine fuel or fuel additive comprising the conversion of liquid and/or gaseous hydrocarbons into a product mixture containing acetylene and at least one other unsaturated product mixture component which has 2 to 5 carbon atoms, and the conversion of thereby obtained acetylene and/or the at least one other unsaturated product mixture component to jet turbine fuel or fuel additive.
Description
Gebiet der Erfindungfield of invention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff umfassend die Umsetzung flüssiger und/oder gasförmiger Kohlenwasserstoffe in ein Produktgemisch enthaltend Acetylen und mindestens eine andere ungesättigte Produktgemischkomponente, welche 2 bis 5 C-Atome aufweist, und die Umsetzung des dabei erhaltenen Acetylens und/oder der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente zu Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff.The present invention relates to a process for the production of synthetic aircraft turbine fuel or fuel additive comprising the conversion of liquid and/or gaseous hydrocarbons into a product mixture containing acetylene and at least one other unsaturated product mixture component which has 2 to 5 carbon atoms, and the conversion of thereby obtained acetylene and/or the at least one other unsaturated product mixture component to jet turbine fuel or fuel additive.
Technischer Hintergrund und Stand der TechnikTechnical background and state of the art
Der weltweite Verbrauch von Flugturbinenkraftstoffen war vor der COVID-19 Pandemie enorm und betrug etwa 340 Milliarden Liter pro Jahr. Es ist zu erwarten, dass dieses Niveau langfristig und mit zunehmender Kontrolle über die Pandemielage wieder erreicht wird. Angesichts begrenzter Erdölreserven muss zur Sicherstellung der langfristigen Verfügbarkeit intensiv an Möglichkeiten zur Produktion synthetischer Kraftstoffe und Kraftzusatzstoffe geforscht werden.The global consumption of jet fuel before the COVID-19 pandemic was enormous, amounting to about 340 billion liters per year. It can be expected that this level will be reached again in the long term and with increasing control over the pandemic situation. In view of limited petroleum reserves, intensive research must be carried out into ways of producing synthetic fuels and fuel additives in order to ensure long-term availability.
Mit Blick auf die international vereinbarten Klimaziele ist es zudem notwendig, die ökologischen Auswirkungen des Flugverkehrs zu minimieren und Flugturbinenkraftstoffe nachhaltig oder auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen zu produzieren. Dies gilt insbesondere, da, anders als z.B. bei der Straßenmobilität, eine reine Elektrifizierung des Flugverkehrs auf absehbare Zeit nur in sehr wenigen Fällen möglich erscheint. Nicht zuletzt deswegen zählt der Flugverkehr zu den sogenannten „hard to abate“-Sektoren.With a view to the internationally agreed climate targets, it is also necessary to minimize the ecological impact of air traffic and to produce jet fuel sustainably or based on renewable raw materials. This is particularly true because, unlike e.g. road mobility, pure electrification of air traffic only appears possible in very few cases in the foreseeable future. Not least because of this, air traffic is one of the so-called "hard to abate" sectors.
Für die Erzeugung nachhaltiger synthetischer Flugturbinenkraftstoffe und -kraftzusatzstoffe wurden bereits in der Vergangenheit verschiedene Herstellungsverfahren vorgeschlagen. Jedes Herstellungsverfahren führt zu einem Produkt mit individueller Zusammensetzung und kann sich potentiell nachteilig auf Flugzeugkomponenten, zum Beispiel Funktion und Einsatzdauer des Triebwerks, auswirken. Daher ist es üblich, dass jedes neue Produkt ein Zulassungsverfahren durchläuft.Various manufacturing processes have already been proposed in the past for the production of sustainable synthetic jet fuels and fuel additives. Each manufacturing process results in a product with an individual composition and can potentially have an adverse effect on aircraft components, such as the function and service life of the engine. Therefore, it is common for every new product to go through an approval process.
Nach ASTM International sind aktuell sieben Verfahren zur Herstellung von nachhaltigen Kraftstoffen zugelassen (siehe Zusätze zum ASTM D7566 Standard).According to ASTM International, seven processes for the production of sustainable fuels are currently approved (see additions to the ASTM D7566 standard).
Eines der bereits zertifizierten Verfahren ist das in der kommerziellen Anwendung vielversprechende sogenannte „Alcohol-to-Jet“ (AtJ) Verfahren. Das im industriellen Maßstab realisierbare Verfahren geht beispielsweise von Bioethanol als Alkohol aus. Das Bioethanol kann beispielsweise auf verschiedenen biochemischen und/oder thermochemischen Wegen aus organischem Material gewonnen werden. In dem Herstellungsverfahren wird Bioethanol in einem ersten Schritt dehydratisiert, wobei Ethylen als Zwischenprodukt erhalten wird. Dieses kann durch Oligomerisation und zumindest teilweise Hydrogenierung zu einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffen umgesetzt werden, das eine Fraktion enthält, die sich als Flugturbinenkraftstoff eignet. Eine weitere nach ASTM D7566 zertifizierte „Alcohol-to-Jet“-Verfahrensvariante, die sich voraussichtlich auch im industriellen Maßstab umsetzen lässt, geht von Isobutanol aus, das ebenfalls auf biochemischem Weg unter Fermentation mit Hefe gewonnen werden kann. Vorteilhaft an den AtJ-Routen sind die vergleichsweise hohen Ausbeuten an Flugturbinenkraftstoff bzw. -kraftzusatzstoff (vgl. IEA Bioenergy, „Progress in Commercialization of BiojetlSustainable Aviation Fuels (SAF): Technologies potential and challenges“, IEA Bioenergy Task 39, May 2021).One of the processes that has already been certified is the so-called “Alcohol-to-Jet” (AtJ) process, which is promising for commercial use. The process, which can be implemented on an industrial scale, starts with bioethanol as the alcohol, for example. The bioethanol can, for example, be obtained from organic material in various biochemical and/or thermochemical ways. In the production process, bioethanol is dehydrated in a first step, with ethylene being obtained as an intermediate product. This can be converted by oligomerization and at least partial hydrogenation to a mixture of hydrocarbons containing a fraction suitable as jet fuel. Another "alcohol-to-jet" process variant certified according to ASTM D7566, which can probably also be implemented on an industrial scale, is based on isobutanol, which can also be obtained biochemically by fermentation with yeast. An advantage of the AtJ routes is the comparatively high yield of jet fuel or fuel additive (cf. IEA Bioenergy, "Progress in Commercialization of Biojet/Sustainable Aviation Fuels (SAF): Technologies potential and challenges", IEA Bioenergy Task 39, May 2021).
Dennoch ist auch die Rohstoffbasis für die Herstellung von Bioethanol und von biochemisch hergestelltem Isobutanol begrenzt, weswegen Bedarf an weiteren bzw. ergänzenden Lösungen zur nachhaltigen Herstellung von Flugturbinenkraftstoff besteht.Nevertheless, the raw material base for the production of bioethanol and biochemically produced isobutanol is limited, which is why there is a need for further or supplementary solutions for the sustainable production of jet fuel.
Weitere Routen zur Erzeugung von nachhaltigen Flugturbinenkraftstoffen sind beispielsweise das HEFA-Verfahren oder Verfahren, die auf der Fischer-Tropsch-Synthese basieren. Auch diese Routen haben ein erhebliches Potential, die mit dem Luftverkehr verbundenen CO2-Emissionen zu senken, vorausgesetzt es werden nachhaltige Rohstoffe und Energien eingesetzt, z.B. die Fischer-Tropsch-Synthese nutzt Synthese-Gas aus nachhaltigen Quellen wie der Vergasung von nachhaltiger Biomasse. Für das HEFA-Verfahren ist die verfügbare Menge nachhaltiger Rohstoffe, z.B. Abfallöle wie Gebrauchte Speiseöle (Used Cooking Oil), allerdings ebenfalls begrenzt. Für die Fischer-Tropsch-Synthese ist die verfügbare Menge nachhaltiger Rohstoffe zwar größer, nachteilig ist jedoch, dass in der Regel der Anteil von Nebenprodukten, die nicht als Flugturbinenkraftstoff geeignet sind, besonders groß ist.Other routes for producing sustainable jet fuels include the HEFA process or processes based on Fischer-Tropsch synthesis. These routes also have considerable potential to reduce the CO 2 emissions associated with air traffic, provided sustainable raw materials and energies are used, eg the Fischer-Tropsch synthesis uses synthesis gas from sustainable sources such as the gasification of sustainable biomass. However, the amount of sustainable raw materials available for the HEFA process, eg waste oils such as used cooking oil, is also limited. Although the amount of sustainable raw materials available for the Fischer-Tropsch synthesis is larger, the disadvantage is that the proportion of by-products that are not suitable as jet fuel is usually particularly large.
Die Fachwelt hat diesen Nachteil bei dem HEFA-Verfahren und Verfahren, die auf der Fischer-Tropsch-Synthese basieren, bereits erkannt, aber noch nicht bestmöglich gelöst. Starck et al. (Starck L., Pidol L., Jeuland N., Chapus T., Bogers P., Bauldreay J., „Production of Hydroprocessed Esters and Fatty Acids (HEFA) - Optimisation of Process Yield“, Rev. IFP Energies Nouvelles, 71(10), 2016) beklagen beispielsweise die geringe Ausbeute an Flugturbinenkraftstoff im HEFA-Verfahren. Sie sehen eine der Ursachen für den Ausbeuteverlust in der Isomerisierungsreaktion, welche für ein verbessertes Fließverhalten bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist. Gemäß der Analyse von Starck et al. wird die Isomerisierung von unerwünschten Abbaureaktionen begleitet, die zur Bildung von leichtsiedenden Kohlenwasserstoffen führen, welche nicht als Flugturbinenkraftstoff geeignet sind. Aus diesem Grund schlagen sie vor, mildere Bedingungen im Isomerisierungsschritt anzuwenden. Die Brauchbarkeit derart erzeugter HEFA als Flugturbinenkraftzusatzstoff wird dadurch aus Sicht der Autoren nicht wesentlich beeinträchtigt. Sie zeigen, dass die Mischung der HEFA mit konventionellem Flugturbinenkraftstoff alle wesentlichen Spezifikationen erfüllt.Experts have already recognized this disadvantage in the HEFA process and processes based on the Fischer-Tropsch synthesis, but have not yet solved it in the best possible way. Starck et al. (Starck L, Pidol L, Jeuland N, Chapus T, Bogers P, Bauldreay J, "Production of Hydroprocessed Esters and Fatty Acids (HEFA) - Optimization of Process Yield", Rev. IFP Energies Nouvelles, 71 (10), 2016) complain, for example, about the low yield of flight doors Binary fuel in the HEFA process. They see one of the causes of the yield loss in the isomerization reaction, which is required for improved flow behavior at low temperatures. According to the analysis by Starck et al. the isomerization is accompanied by undesired degradation reactions which lead to the formation of low-boiling hydrocarbons which are unsuitable as jet fuel. For this reason, they propose to apply milder conditions in the isomerization step. From the authors' point of view, the usefulness of HEFA produced in this way as an aircraft turbine fuel additive is not significantly affected by this. They show that the mixture of HEFA with conventional jet fuel meets all essential specifications.
Dieses Konzept mag vielleicht bei Verwendung der HEFA als Zusatzstoff zu konventionellem Flugturbinenkraftstoff hilfreich sein, ist jedoch mit dem langfristigen Ziel, den Flugverkehr auf vollwertige, rein nachhaltig produzierte Flugturbinenkraftstoffe umzustellen, nicht vereinbar.This concept may be helpful when using HEFA as an additive to conventional jet fuel, but it is not compatible with the long-term goal of switching air traffic to fully-fledged, purely sustainably produced jet fuel.
Zudem lässt sich die Bildung von leichtsiedenden Kohlenwasserstoffen auch bei milderen Isomerisierungsbedingungen nicht vollständig verhindern und es stellt sich weiterhin die Frage, wie die leichtsiedende Fraktion einer ökologisch sinnvollen Verwendung zugeführt werden kann.In addition, the formation of low-boiling hydrocarbons cannot be completely prevented, even under milder isomerization conditions, and the question remains as to how the low-boiling fraction can be put to ecologically sensible use.
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von synthetischem Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff zur Verfügung zu stellen. Insbesondere sollte ein Verfahren angegeben werden, das die Herstellung von synthetischem Flugturbinenkraftstoff oder - kraftzusatzstoff mit hoher Ausbeute erlaubt, dabei überwiegend von leichtsiedenden Kohlenwasserstoffen ausgeht, die nicht direkt als Flugturbinenkraftstoff genutzt werden können, und selbst nur geringe Mengen leichtsiedender Kohlenwasserstoffe erzeugt. Beabsichtigt war auch, das Mengenpotenzial für die nachhaltige Produktion von Flugturbinenkraftstoff oder - kraftzusatzstoff ohne zusätzlichen Verbrauch an nachhaltigen, z.B. biogenen Rohstoffen und/oder Energien zu erhöhen.Against this background, it was an object of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art and to provide an improved process for the production of synthetic aircraft turbine fuel or fuel additive. In particular, a process should be specified that allows the production of synthetic jet fuel or fuel additive with a high yield, starting mainly from low-boiling hydrocarbons that cannot be used directly as jet fuel, and only producing small amounts of low-boiling hydrocarbons. It was also intended to increase the volume potential for the sustainable production of jet fuel or fuel additive without additional consumption of sustainable, e.g. biogenic raw materials and/or energies.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen in Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Varianten des Verfahrens lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.This object is achieved by the method having the features in
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von synthetischem Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff umfasst die folgenden Schritte: a) Umsetzen flüssiger und/oder gasförmiger Kohlenwasserstoffe in ein Produktgemisch enthaltend Acetylen und mindestens eine andere ungesättigte Produktgemischkomponente, welche 2 bis 5 C-Atome aufweist, b) Umsetzen des in Schritt a) erhaltenen Acetylens und/oder der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente zu Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff.The process according to the invention for the production of synthetic aircraft turbine fuel or fuel additive comprises the following steps: a) converting liquid and/or gaseous hydrocarbons into a product mixture containing acetylene and at least one other unsaturated product mixture component which has 2 to 5 carbon atoms, b) converting the acetylene obtained in step a) and/or the at least one other unsaturated product mixture component to jet turbine fuel or fuel additive.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass in Schritt a) Acetylen und eine andere ungesättigte Produktgemischkomponente, welche 2 bis 5 C-Atome aufweist, erhalten wird. Sowohl Acetylen als auch die andere ungesättigte Produktgemischkomponente sind vielfach nutzbare Zwischenprodukte, da sie aufgrund ihrer Mehrfachbindungen hohe Reaktivitäten aufweisen und sich dadurch leicht stofflich umwandeln lassen. Sie können somit nicht nur zur Herstellung von Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff, sondern auch zur Produktion einer ganzen Reihe an Chemikalien eingesetzt werden. Dies ist hilfreich, da das erfindungsgemäße Verfahren so in gewissen Grenzen unabhängig von der jeweiligen Nachfrage nach Flugturbinenkraftstoff ausgelegt und/oder betrieben werden kann. Wird weniger Flugturbinenkraftstoff benötigt, kann ein Teil der Zwischenprodukte abgezogen werden und, je nach Bedarf, zu spezifischen anderen Chemikalien weiterverarbeitet werden.An advantage of the process according to the invention is that in step a) acetylene and another unsaturated product mixture component which has 2 to 5 carbon atoms is obtained. Both acetylene and the other unsaturated product mixture components are intermediates that can be used in many ways, since they have high reactivities due to their multiple bonds and can therefore be easily converted into materials. They can therefore be used not only for the production of jet fuel or fuel additives, but also for the production of a whole range of chemicals. This is helpful because the method according to the invention can be designed and/or operated within certain limits independently of the respective demand for jet fuel. If less jet fuel is needed, some of the intermediate products can be withdrawn and further processed into specific other chemicals as needed.
Bevorzugt werden die flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe in Schritt a) des Verfahrens in ein Produktgemisch umgesetzt, bei dem die mindestens eine andere ungesättigte Produktgemischkomponente Ethylen ist. Acetylen und Ethylen sind diejenigen Vertreter der ungesättigten Verbindungen, die eine minimale Anzahl an C-Atomen aufweisen. Sie können durch Oligomerisierung zu gesättigten Kohlenwasserstoffen mit einer höheren Anzahl an C-Atomen reagieren (im Fall des Acetylens optional nach vorheriger partieller Hydrierung zu Ethylen). Durch Einstellung der Prozessbedingungen kann die Anzahl der C-Atome in den erzielten Produkten über eine große Bandbreite variieren.In step a) of the process, the liquid and/or gaseous hydrocarbons are preferably converted into a product mixture in which the at least one other unsaturated product mixture component is ethylene. Acetylene and ethylene are those representatives of the unsaturated compounds that have a minimal number of carbon atoms. They can react by oligomerization to form saturated hydrocarbons with a higher number of carbon atoms (in the case of acetylene, optionally after prior partial hydrogenation to form ethylene). By adjusting the process conditions, the number of carbon atoms in the products obtained can vary over a wide range.
Das Produktgemisch, das in Schritt a) erhalten wird, kann mindestens 10 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 20 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 30 Gew.-%, insbesondere mindestens 40 Gew.-% einer Mischung aus Acetylen und Ethylen enthalten.The product mixture obtained in step a) can contain at least 10% by weight, more preferably at least 20% by weight, very preferably at least 30% by weight, in particular at least 40% by weight, of a mixture of acetylene and contain ethylene.
In Schritt b) des Verfahrens wird mindestens eine Komponente des in Schritt a) erhaltenen Produktgemischs weiter umgesetzt, so dass Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff hergestellt wird. Das Umsetzen von Acetylen und/oder der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente, beispielsweise Ethylen, erfolgt dabei bevorzugt ohne Bildung von Methan. Weiterhin kann das Umsetzen von Acetylen und/oder der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente so erfolgen, dass das Molekulargewicht während des Umsetzens ausschließlich erhöht wird. Anders ausgedrückt werden unter dem Begriff „Umsetzen des in Schritt a) erhaltenen Acetylens und/oder der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt Reaktionen verstanden, die nicht zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen unter Erhalt von Kohlenwasserstoffen mit geringerer Anzahl von C-Atomen führen. Ein Cracken soll von dem „Umsetzen“ in Schritt b) bevorzugt nicht umfasst sein.In step b) of the method, at least one component of the product mixture obtained in step a) is reacted further, so that jet turbine fuel or fuel additive is produced. The conversion of acetylene and/or the min At least one other unsaturated product mixture component, for example ethylene, preferably takes place without the formation of methane. Furthermore, the reaction of acetylene and/or the at least one other unsaturated product mixture component can be carried out in such a way that the molecular weight is only increased during the reaction. Expressed differently, the term "reacting the acetylene obtained in step a) and/or the at least one other unsaturated product mixture component" in the context of the present invention is preferably understood to mean reactions that do not result in the splitting of hydrocarbons to obtain hydrocarbons with a lower number of C lead atoms. Cracking should preferably not be included in the “reacting” in step b).
Das Umsetzen in Schritt b) kann erfordern, dass ein oder mehrere aliphatische Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff zu Acetylen und/oder der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente hinzugefügt werden. Die aliphatischen Kohlenwasserstoffe bzw. der Wasserstoff stammen in diesem Fall bevorzugt aus anderen Verfahren, d.h. sie wurden nicht in Schritt a) des vorliegenden Verfahrens erzeugt.The reacting in step b) may require that one or more aliphatic hydrocarbons and/or hydrogen be added to acetylene and/or the at least one other unsaturated product mixture component. In this case, the aliphatic hydrocarbons or the hydrogen preferably originate from other processes, i.e. they were not produced in step a) of the present process.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine neue Rohstoffbasis für die Herstellung von synthetischem Flugturbinenkraftstoff zugänglich. Mit dem Verfahren können nun insbesondere auch solche Kohlenwasserstoffe als Ausgangsstoffe verwendet werden, die bislang als weniger erwünscht galten. Dies sind zum Beispiel Nebenprodukte oder Koppelprodukte, die bei der Produktion von synthetischen Flugturbinenkraftstoffen oder -kraftzusatzstoff nach dem Stand der Technik anfielen.The method according to the invention makes a new raw material base available for the production of synthetic jet fuel. With the process, it is now possible in particular to use hydrocarbons as starting materials that were previously considered less desirable. These are, for example, by-products or by-products that accrue in the production of synthetic jet fuels or fuel additives according to the prior art.
Beispielsweise können mindestens 10 Gew.-%, bevorzugt mindestens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 75 Gew.-%, insbesondere mindestens 90 Gew.-% der flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe ausgewählt sein aus einer Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die bei der Produktion von HEFA (hydroprozessierten Estern und Fettsäuren) erhalten wird, und/oder einer Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die durch Fischer-Tropsch-Synthese erhalten wird, und/oder einer Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die bei der Produktion von Flugturbinenkraftzusatzstoff aus Alkohol (AtJ) erhalten wird.For example, at least 10% by weight, preferably at least 40% by weight, particularly preferably at least 75% by weight, in particular at least 90% by weight, of the liquid and/or gaseous hydrocarbons can be selected from a fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 C-atoms, which is obtained in the production of HEFA (hydroprocessed esters and fatty acids) and/or a fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 C-atoms, which is obtained by Fischer-Tropsch synthesis , and/or a fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms, which is obtained in the production of aircraft turbine fuel additive from alcohol (AtJ).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante bestehen die flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe, die in Schritt a) des Verfahrens umgesetzt werden, zu mindestens 10 Gew.-%, bevorzugt mindestens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 75 Gew.-%, insbesondere mindestens 90 Gew.-% aus einer Fraktion bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die bei der Produktion von HEFA erhalten wird, und/oder einer Fraktion bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die durch Fischer-Tropsch-Synthese erhalten wird, und/oder einer Fraktion bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die bei der Produktion von Flugturbinenkraftzusatzstoff aus Alkohol (AtJ) erhalten wird.In a particularly preferred embodiment variant, the liquid and/or gaseous hydrocarbons which are reacted in step a) of the process consist of at least 10% by weight, preferably at least 40% by weight, particularly preferably at least 75% by weight, in particular at least 90% by weight of a fraction consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms obtained in the production of HEFA and/or a fraction consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms obtained by Fischer-Tropsch -Synthesis, and/or a fraction consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms, obtained in the production of aircraft turbine fuel additive from alcohol (AtJ).
Die Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die bei der Produktion von HEFA erhalten wird, kann als Nebenprodukt oder Koppelprodukt, das bei der Produktion von synthetischen Flugturbinenkraftstoffen oder -kraftzusatzstoff nach dem Stand der Technik anfällt, gelten. Gleiches gilt für die Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die durch Fischer-Tropsch-Synthese erhalten wird, oder die Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die bei der Produktion von Flugturbinenkraftzusatzstoff aus Alkohol (AtJ) erhalten wird.The fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms, which is obtained in the production of HEFA, can be regarded as a by-product or co-product arising in the production of synthetic jet fuels or fuel additive according to the prior art. The same applies to the fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms, which is obtained by Fischer-Tropsch synthesis, or the fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms, in the production of aircraft turbine fuel additive is obtained from alcohol (AtJ).
Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die bei der Produktion von HEFA erhalten wird, auf pflanzlichen und/oder tierischen Ölen und/oder Fetten verschiedener Herkunft basiert. Besonders bevorzugt stammen die pflanzlichen und/oder tierischen Öle und/oder Fette aus nachhaltigen Quellen (z.B. aus Tallöl, Algen, Abfallspeiseölen, Produktionsabfällen, ...). Bei der Produktion von HEFA werden die Öle und/oder Fette hydriert, gegebenenfalls in H2-haltiger Atmosphäre gespalten und/oder isomerisiert (Hydrotreatment) und anschließend fraktioniert. Eine Fraktion, die Kohlenwasserstoffe mit mehr als 10 C-Atomen umfasst oder daraus besteht bzw. eine Fraktion, die im Mittel eine Anzahl von mehr als 10 C Atomen aufweist, kann, sofern die Bedingungen nach ASTM D7566 eingehalten werden, Flugturbinenkraftstoffen beigemischt werden. Die leichte Fraktion, die Kohlenwasserstoffe mit bis zu 10 C-Atomen aufweist bzw. eine mittlere Anzahl von weniger als 10 C-Atomen aufweist, kann nicht als Flugturbinenkraftzusatzstoff verwendet werden. Durch das das erfindungsgemäße Verfahren ist es jetzt allerdings möglich, die leichte Fraktion ebenfalls zu Flugturbinenkraftstoff bzw. - kraftzusatzstoff aufzuwerten.Furthermore, it is preferred if the fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms, which is obtained in the production of HEFA, is based on vegetable and/or animal oils and/or fats of various origins. The vegetable and/or animal oils and/or fats particularly preferably come from sustainable sources (eg from tall oil, algae, waste cooking oils, production waste, ...). In the production of HEFA, the oils and/or fats are hydrogenated, optionally split and/or isomerized (hydrotreatment) in an atmosphere containing H 2 and then fractionated. A fraction that includes or consists of hydrocarbons with more than 10 carbon atoms, or a fraction that has an average number of more than 10 carbon atoms, can be admixed to jet fuels provided the conditions of ASTM D7566 are met. The light fraction, which contains hydrocarbons with up to 10 carbon atoms or has an average number of less than 10 carbon atoms, cannot be used as an aviation turbine fuel additive. However, the method according to the invention now makes it possible to also upgrade the light fraction to aircraft turbine fuel or fuel additive.
Auch die Umstände, unter denen die Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen bei der Fischer-Tropsch-Synthese oder bei der Produktion von Flugturbinenkraftzusatzstoff aus Alkohol (AtJ) erhalten wird, sind dem Fachmann bekannt. Angemerkt sei aber, dass es sich bei der Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die durch Fischer-Tropsch-Synthese erhalten wird, nicht um die üblicherweise als „FT-Crude“ bezeichnete Fraktion handeln muss. Die Fraktion kann einer nachbehandelten „FT-Crude“-Fraktion entsprechen, wobei die Nachbehandlung beispielsweise in einem Hydrotreatment, insbesondere einem Hydrocracking, und/oder in einem Raffinieren bestehen kann. Gleiches gilt für die Fraktion umfassend oder bestehend aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu 10 C-Atomen, die bei der Produktion von Flugturbinenkraftzusatzstoff aus Alkohol (AtJ) erhalten wird. Auch diese Fraktion muss kein direktes Produkt eines AtJ-Verfahrens sein, das auf seine wesentlichen Schritte beschränkt ist. Vielmehr darf diese Fraktion noch verschiedene Nachbehandlungsschritte durchlaufen haben.The circumstances under which the fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms in the Fischer-Tropsch synthesis or in the production of aircraft turbine fuel additive from alcohol (AtJ) are obtained are known to the person skilled in the art. noted however, that the fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms, which is obtained by Fischer-Tropsch synthesis, does not have to be the fraction usually referred to as "FT Crude". The fraction can correspond to an after-treated “FT Crude” fraction, the after-treatment being able to consist, for example, of hydrotreatment, in particular hydrocracking, and/or refining. The same applies to the fraction comprising or consisting of hydrocarbons with up to 10 carbon atoms, which is obtained from alcohol (AtJ) in the production of aircraft turbine fuel additive. Again, this fraction does not have to be a direct product of an AtJ process that is limited to its essential steps. Rather, this fraction may have gone through various post-treatment steps.
Optional können die flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe, die in Schritt a) des Verfahrens umgesetzt werden, auch Anteile von Biomethan enthalten. Biomethan ist dabei Methan, das nicht fossilen Ursprungs ist. Biomethan kann beispielsweise aus biogenen Stoffen mittels Fermentation erzeugt werden. Methan, das aus Synthesegas (Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und erneuerbarem Wasserstoff, z.B. Wasserstoff aus biogenen Quellen und/oder gewonnen mit Hilfe von regenerativem Strom) erzeugt wurde, kann ebenfalls als Biomethan im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Um zu vermeiden, dass der Verbrauch an nachhaltigen biogenen Rohstoffen oder anderen erneuerbaren Energiequellen durch das erfindungsgemäße Verfahren unnötig erhöht wird, wird auf Biomethan aber in der Regel nur zurückgegriffen, wenn nicht genügend Neben- oder Koppelprodukt, das bei der Produktion von synthetischen Flugturbinenkraftstoffen oder -kraftzusatzstoff nach dem Stand der Technik anfällt, zur Verfügung steht. Bevorzugt bestehen die flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe, die in Schritt a) des Verfahrens umgesetzt werden, zu maximal 60 Gew.-%, besonders bevorzugt zu maximal 25 Gew.-%, insbesondere zu maximal 10 Gew.-% aus Biomethan.Optionally, the liquid and/or gaseous hydrocarbons that are converted in step a) of the process can also contain fractions of biomethane. Biomethane is methane that is not of fossil origin. Biomethane can, for example, be produced from biogenic substances by means of fermentation. Methane generated from synthesis gas (carbon monoxide and/or carbon dioxide and renewable hydrogen, e.g. hydrogen from biogenic sources and/or obtained with the help of renewable electricity) can also be understood as biomethane in the context of the present invention. In order to avoid that the consumption of sustainable biogenic raw materials or other renewable energy sources is increased unnecessarily by the method according to the invention, biomethane is generally only used if there is not enough by-product or co-product that is used in the production of synthetic jet fuel or - state-of-the-art fuel additive is available. The liquid and/or gaseous hydrocarbons which are reacted in step a) of the process preferably consist of at most 60% by weight, particularly preferably at most 25% by weight, in particular at most 10% by weight, of biomethane.
Für den Fall, dass Biomethan zumindest einen Teil der flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe ausmacht, muss dieses nicht unmittelbar aus einer Biogasanlage entnommen werden. Stattdessen kann Biomethan kann auch über das Erdgasnetz transportiert werden.In the event that biomethane makes up at least part of the liquid and/or gaseous hydrocarbons, it does not have to be taken directly from a biogas plant. Instead, biomethane can also be transported via the natural gas network.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte synthetische Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff zu mindestens 90 Gew.-% Kohlenwasserstoffe, die 6 bis 24 C-Atome, besonders bevorzugt 7 bis 20 C-Atome, insbesondere 8 bis 18 C-Atome, beispielsweise 8 bis 16 C-Atome, aufweisen. Vorzugsweise umfasst oder besteht der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte synthetische Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff aus Kohlenwasserstoffen, die molar gemittelt eine Anzahl von 10 bis 14 C-Atomen aufweisen.In a preferred embodiment, the synthetic jet fuel or fuel additive produced by the process according to the invention comprises at least 90% by weight hydrocarbons which have 6 to 24 carbon atoms, particularly preferably 7 to 20 carbon atoms, in particular 8 to 18 carbon atoms, for example 8 to 16 carbon atoms. The synthetic jet fuel or fuel additive produced by the process according to the invention preferably comprises or consists of hydrocarbons which have a molar average number of 10 to 14 carbon atoms.
Das Umsetzen der Kohlenwasserstoffe in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst bevorzugt eine partielle Oxidation oder läuft - zumindest teilweise - im Plasmazustand ab.The conversion of the hydrocarbons in step a) of the method according to the invention preferably comprises a partial oxidation or takes place—at least partially—in the plasma state.
Wenn das Umsetzen der Kohlenwasserstoffe eine partielle Oxidation umfasst, entsprechen die Verfahrensbedingungen in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt denen des Sachsse-Bartholome-Verfahrens oder des Montecatini-Verfahrens.If the reaction of the hydrocarbons includes partial oxidation, the process conditions in step a) of the process according to the invention preferably correspond to those of the Sachse-Bartholome process or the Montecatini process.
Wenn das Umsetzen der Kohlenwasserstoffe zumindest teilweise im Plasmazustand abläuft, kann der Plasmazustand entweder bei niedriger oder moderater Temperatur erzeugt werden (kaltes oder nicht-thermisches Plasma) oder bei hoher Temperatur (thermisches Plasma). When the conversion of the hydrocarbons occurs at least partially in the plasma state, the plasma state can be generated either at low or moderate temperature (cold or non-thermal plasma) or at high temperature (thermal plasma).
Bevorzugt erfolgt das Umsetzen der Kohlenwasserstoffe in Schritt a) im Zustand des thermischen Plasmas.The conversion of the hydrocarbons in step a) preferably takes place in the thermal plasma state.
Der Begriff „Plasma“ bezeichnet nach A. Fridman (Plasma Chemistry, Cambridge University Press, 2009) allgemein ein Gas, das freie Elektronen und Ionen enthält. Von einem Plasmazustand wird aber oft erst dann gesprochen, wenn ein Gas elektrisch geladene Teilchen in einer Menge enthält, die ausreicht, um seine elektrischen Eigenschaften und sein Verhalten im Vergleich zum normalen Gaszustand zu beeinflussen und hinreichend zu verändern. Ein Beispiel für eine elektrische Eigenschaft ist die elektrische Leitfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit ist im Plasmazustand, insbesondere in dem Plasmazustand, der bei erhöhten Temperaturen eingenommen wird (d.h. im Zustand des thermischen Plasmas) gegenüber der elektrischen Leitfähigkeit im Gaszustand erhöht (siehe z. B. tabellarische Daten für Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Luft und ausgewählte Edelgase in M. I. Boulos, Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications, Vol. 1, 1994).The term "plasma" according to A. Fridman (Plasma Chemistry, Cambridge University Press, 2009) generally refers to a gas containing free electrons and ions. However, a plasma state is often only spoken of when a gas contains electrically charged particles in an amount sufficient to influence and sufficiently change its electrical properties and behavior compared to the normal gas state. An example of an electrical property is electrical conductivity. Electrical conductivity is increased in the plasma state, particularly in the plasma state assumed at elevated temperatures (i.e., thermal plasma state) over electrical conductivity in the gaseous state (see, e.g., tabulated data for hydrogen, nitrogen, oxygen, air, and selected noble gases in M.I. Boulos, Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications, Vol. 1, 1994).
Aus dem Bereich der Acetylenproduktion mittels eines Plasmas sind dem Fachmann verschiedene Verfahren und Apparaturen bekannt, die zur Erzeugung des Plasmas geeignet sind. Sie können in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, um die Kohlenwasserstoffe in einen Plasmazustand zu versetzen. Für weitere Details geeigneter Verfahren und Apparaturen wird an dieser Stelle ausdrücklich auf den Eintrag zu „Acetylen“ in der Ullmann's Enzyklopädie verwiesen (vgl. zum Beispiel die Erläuterungen zu den Verfahren und Reaktoren die von Hoechst und den Chemischen Werken Hüls entwickelt wurden in der englischen Auflage der Ullmann's Enzyklopädie von 2012).From the field of acetylene production by means of a plasma, the person skilled in the art is familiar with various methods and apparatuses which are suitable for generating the plasma. They can be used in step a) of the method according to the invention in order to convert the hydrocarbons into a plasma state. For further details on suitable processes and apparatus, reference is made at this point to the entry on "acetylene" in Ullmann's Encyclopedia (cf., for example, the explanations on the processes and Reactors developed by Hoechst and Chemische Werke Hüls in the 2012 English edition of Ullmann's Encyclopedia).
Die oben genannten Bedingungen für die Umsetzung in Schritt a), d.h. die Umsetzung umfassend eine partielle Oxidation oder die Umsetzung zumindest teilweise im Plasmazustand, machen das erfindungsgemäße Verfahren robust und tragen dazu bei, dass die Zusammensetzung der Ausgangsstoffe in gewissem Umfang geändert werden kann. Außerdem lassen sich die Apparaturen und Prozessbedingungen, die für diese Umsetzung in Schritt a) verwendet werden, auch an die Zusammensetzung der Ausgangsstoffe anpassen. Aufgrund der Vielzahl dieser Freiheitsgrade ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders flexibel in der Benutzung.The conditions mentioned above for the reaction in step a), i.e. the reaction comprising partial oxidation or the reaction at least partially in the plasma state, make the method according to the invention robust and contribute to the fact that the composition of the starting materials can be changed to a certain extent. In addition, the apparatus and process conditions used for this reaction in step a) can also be adapted to the composition of the starting materials. Due to the large number of these degrees of freedom, the method according to the invention is particularly flexible in use.
Es können Mischungen aus verschiedensten Kohlenwasserstoffen in unterschiedlichen Gewichtsanteilen als Ausgangsstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Bevorzugt ist, dass die Kohlenwasserstoffe, die als Ausgangsstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren dienen, bei Normaldruck und Raumtemperatur flüssig und/oder gasförmig sind, oder zumindest nach entsprechender Erwärmung vor dem Umwandlungsschritt a) flüssig und/oder gasförmig sind. Dadurch lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig betreiben. Steigt der Marktpreis für einen der verwendeten Kohlenwasserstoffe, kann auf einen anderen, bevorzugt kostengünstigeren Kohlenwasserstoff ausgewichen werden.Mixtures of a wide variety of hydrocarbons in different proportions by weight can be used as starting materials for the process according to the invention. It is preferred that the hydrocarbons used as starting materials for the process according to the invention are liquid and/or gaseous at normal pressure and room temperature, or are liquid and/or gaseous at least after appropriate heating before conversion step a). As a result, the method according to the invention can be operated cost-effectively. If the market price for one of the hydrocarbons used increases, another, preferably cheaper, hydrocarbon can be used instead.
Das Umsetzen der Kohlenwasserstoffe in Schritt a) kann einen Schritt a1) umfassen, bei dem mindestens ein Teil der Kohlenwasserstoffe in einer ersten Reaktionszone einer Apparatur umgesetzt wird. Sofern die Umsetzung in Schritt a) eine partielle Oxidation umfasst oder zumindest teilweise im thermischen Plasma abläuft, weist die erste Reaktionszone bevorzugt an mindestens einer Position eine mittlere Temperatur von 1200 bis 2500 °C, besonders bevorzugt 1300 bis 2200 °C, insbesondere 1400 bis 2000 °C, auf.The reaction of the hydrocarbons in step a) can comprise a step a1) in which at least some of the hydrocarbons are reacted in a first reaction zone of an apparatus. If the reaction in step a) includes partial oxidation or takes place at least partially in the thermal plasma, the first reaction zone preferably has an average temperature of 1200 to 2500° C., particularly preferably 1300 to 2200° C., in particular 1400 to 2000° C., at at least one position °C, on.
Dabei ist die mittlere Temperatur bevorzugt der arithmetische Mittelwert, der sich aus den Temperaturen an mehreren gleichmäßig über den Querschnitt der Apparatur verteilten Punkten ergibt (der Querschnitt ist dabei senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Kohlenwasserstoffe und/oder der Produktgemischkomponenten zu verstehen). Diese Temperaturen können gemessen, aber auch durch Simulation, beispielsweise CFD-Simulation, ermittelt worden sein.The mean temperature is preferably the arithmetic mean which results from the temperatures at several points evenly distributed over the cross section of the apparatus (the cross section is to be understood perpendicular to the main flow direction of the hydrocarbons and/or the product mixture components). These temperatures can be measured, but they can also be determined by simulation, for example CFD simulation.
In einer weiter bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden die Kohlenwasserstoffe, die in Schritt a) umgesetzt werden, vor Eintritt in die Apparatur aufgeteilt. Ein erster Teil der Kohlenwasserstoffe wird in die erste Reaktionszone der Apparatur eingespeist, so dass zumindest ein Teil der Kohlenwasserstoffe gemäß Schritt a1) umgesetzt wird. Ein weiterer Teil der Kohlenwasserstoffe kann separat von dem ersten Teil der Kohlenwasserstoffe stromabwärts der ersten Reaktionszone in die Apparatur eingespeist und mit dem zumindest teilweise umgesetzten ersten Teil der Kohlenwasserstoffe vereint werden.In a further preferred variant of the process according to the invention, the hydrocarbons which are reacted in step a) are divided before they enter the apparatus. A first portion of the hydrocarbons is fed into the first reaction zone of the apparatus, so that at least some of the hydrocarbons are converted in step a1). Another portion of the hydrocarbons can be fed into the apparatus downstream of the first reaction zone separately from the first portion of the hydrocarbons and combined with the at least partially reacted first portion of the hydrocarbons.
So kann der weitere Teil der Kohlenwasserstoffe zusammen mit dem zumindest teilweise umgesetzten ersten Teil der Kohlenwasserstoffe einem Schritt a2) zugeführt werden. In Schritt a2) wird der weitere Teil der Kohlenwasserstoffe in einer zweiten Reaktionszone der Apparatur zumindest teilweise ebenfalls umgesetzt. In diesem Fall ist die zweite Reaktionszone stromabwärts der ersten Reaktionszone angeordnet. Sofern die Umsetzung in Schritt a) eine partielle Oxidation umfasst oder zumindest teilweise im thermischen Plasma abläuft, weist die zweite Reaktionszone bevorzugt an mindestens einer Position eine mittlere Temperatur zwischen 500 und 1200 °C, besonders bevorzugt zwischen 600 und 1100 °C, insbesondere zwischen 700 und 1000 °C auf, wobei die Methode, gemäß der die mittlere Temperatur bestimmt wird, bereits oben beschrieben wurde. In diesem Temperaturbereich können beispielsweise Dehydrierungsreaktionen ablaufen, z.B. kann ein Alkan aus dem weiteren Teil der Kohlenwasserstoffe zum entsprechenden Alken und Wasserstoff umgesetzt werden. Alternativ oder ergänzend können Transferhydrierungsreaktionen ablaufen, z.B. durch Umsetzung von Acetylen und einem Alkan zu Ethylen und dem betreffenden Alken. Solche Transferhydrierungsreaktionen und Verfahrensbedingungen, unter denen es zu diesen Reaktionen kommen kann, sind im Zusammenhang mit der Herstellung von Ethylen beispielsweise aus der
Der weitere Teil der Kohlenwasserstoffe kann in der oben beschriebenen Verfahrensvariante, in der die erste Reaktionszone eine Temperatur von 1200 bis 2500 °C aufweist, auf mehrere Weisen als Quench-Strom wirken. Einerseits durch die sensible Wärme, die zum Aufheizen des weiteren Teils der Kohlenwasserstoffe erforderlich ist, wenn die Temperatur des weiteren Teils der Kohlenwasserstoffe niedriger ist als die mittlere Temperatur in der Apparatur an der Einspeisestelle des weiteren Teils der Kohlenwasserstoffe. Andererseits durch die latente Wärme, die zum Verdampfen des weiteren Teils der Kohlenwasserstoffe erforderlich ist, falls dieser weitere Teil flüssig zugespeist wird. Ferner durch endotherme Reaktionen, welche der weitere Teil der Kohlenwasserstoffe nach Einspeisen in die Apparatur eingehen kann, z.B. Dehydrierungsreaktionen (gewissermaßen chemisches Quenchen).In the process variant described above, in which the first reaction zone has a temperature of from 1200 to 2500° C., the other part of the hydrocarbons can act as a quench stream in a number of ways. On the one hand by the sensible heat that is required to heat up the other part of the hydrocarbons when the temperature of the other part of the hydrocarbons is lower than the average temperature in the apparatus at the feed point of the other part of the hydrocarbons. On the other hand, by the latent heat that is required to vaporize the other part of the hydrocarbons if this other part is fed in liquid. Furthermore, by endothermic reactions, which enter the other part of the hydrocarbons after feeding into the apparatus can, for example, dehydrogenation reactions (a kind of chemical quenching).
Das Gewichtsverhältnis zwischen dem ersten Teil der Kohlenwasserstoffe, der Schritt a1) durchläuft, und dem weiteren Teil der Kohlenwasserstoffe, der separat davon stromabwärts der ersten Reaktionszone eingespeist wird, sollte bevorzugt so eingestellt werden, dass sich nach Einspeisen des weiteren Teils der Kohlenwasserstoffe an mindestens einer Position in der zweiten Reaktionszone eine mittlere Temperatur von mindestens 500 °C, besonders bevorzugt mindestens 600 °C, insbesondere mindestens 700 °C, ergibt. Das Gewichtsverhältnis kann von verschiedenen Parametern abhängen, beispielsweise von dem spezifischen Energieeintrag in den ersten Teil der Kohlenwasserstoffe in Schritt a1), der Zusammensetzung, der Temperatur und/oder dem Aggregatzustand des weiteren Teils der Kohlenwasserstoffe an der Einspeisestelle und kann daher in weiten Bereichen variieren.The weight ratio between the first part of the hydrocarbons that goes through step a1) and the further part of the hydrocarbons that is fed separately therefrom downstream of the first reaction zone should preferably be adjusted so that after feeding in the further part of the hydrocarbons at least one Position in the second reaction zone an average temperature of at least 500 ° C, more preferably at least 600 ° C, especially at least 700 ° C results. The weight ratio can depend on various parameters, for example on the specific energy input into the first part of the hydrocarbons in step a1), the composition, the temperature and/or the state of aggregation of the other part of the hydrocarbons at the feed point and can therefore vary within wide ranges.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren sind die Kohlenwasserstoffe, die in Schritt a) umgesetzt werden, unterschiedlichen Quellen bzw. unterschiedlichen Vorräten entnommen. Beispielsweise stammt ein erster Teil der Kohlenwasserstoffe, der gemäß Schritt a1) in einer ersten Reaktionszone einer Apparatur umgesetzt wird, aus einer ersten Quelle bzw. einem ersten Vorrat, während ein weiterer Teil der Kohlenwasserstoffe, der zusammen mit dem zumindest teilweise umgesetzten ersten Teil der Kohlenwasserstoffe dem Schritt a2) zugeführt wird, aus einer zweiten Quelle bzw. aus einem zweiten Vorrat stammt.In a further preferred process, the hydrocarbons which are converted in step a) are taken from different sources or different stocks. For example, a first part of the hydrocarbons, which is reacted according to step a1) in a first reaction zone of an apparatus, comes from a first source or a first supply, while another part of the hydrocarbons, together with the at least partially reacted first part of the hydrocarbons fed to step a2) originates from a second source or from a second supply.
Der Apparatur, in der die Umsetzung gemäß Schritt a) abläuft, werden bevorzugt zwei separate Kohlenwasserstoffströme zugeführt, wobei sich die zwei Ströme aus unterschiedlichen Quellen bzw. unterschiedlichen Vorräten speisen und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen können. Besonders bevorzugt hat der erste Kohlenwasserstoffstrom der gemäß Schritt a1) in einer ersten Reaktionszone einer Apparatur umgesetzt wird, eine höhere mittlere Molmasse als der zweite Kohlenwasserstoffstrom, der zusammen mit dem zumindest teilweise umgesetzten ersten Teil der Kohlenwasserstoffe dem Schritt a2) zugeführt wird.Two separate hydrocarbon streams are preferably fed to the apparatus in which the reaction of step a) takes place, it being possible for the two streams to be fed from different sources or different supplies and to have different compositions. The first hydrocarbon stream which is reacted in step a1) in a first reaction zone of an apparatus particularly preferably has a higher average molar mass than the second hydrocarbon stream which is fed to step a2) together with the at least partially reacted first part of the hydrocarbons.
Die Verfahrensführung im Bezug auf die Temperatur und das optionale separate Einleiten eines weiteren Teils der Kohlenwasserstoffe in Schritt a) kann derart kontrolliert werden, dass ein Teil des Acetylens mittels Transferhydrierung zu Ethylen und/oder mittels anderer Reaktionen zu anderen Folgeprodukten umgewandelt wird, insbesondere zu elementarem Kohlenstoff und Wasserstoff. Auf diese Weise kann ein gewünschtes Verhältnis von Acetylen zu der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente eingestellt werden. Wird beispielsweise ein geringes Verhältnis angestrebt, kann es von Vorteil sein, die Bedingungen in Schritt a2) in der zweiten Reaktionszone derart zu wählen, dass ein möglichst hoher Umsatz von Acetylen erfolgt, so dass am Ende von Schritt a) das molare Verhältnis von Acetylen zu der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente kleiner als 1,0 ist, insbesondere kleiner als 0,5.The process control with regard to the temperature and the optional separate introduction of a further part of the hydrocarbons in step a) can be controlled in such a way that part of the acetylene is converted to ethylene by means of transfer hydrogenation and/or to other downstream products, in particular to elemental, by means of other reactions carbon and hydrogen. In this way, a desired ratio of acetylene to the at least one other unsaturated product mixture component can be set. If, for example, a low ratio is desired, it can be advantageous to choose the conditions in step a2) in the second reaction zone in such a way that the highest possible conversion of acetylene takes place, so that at the end of step a) the molar ratio of acetylene increases of the at least one other unsaturated product mixture component is less than 1.0, in particular less than 0.5.
Das Produktgemisch aus Schritt a) kann weiterhin elementaren Kohlenstoff enthalten, der vor Schritt b) abgetrennt wird. Vor dem Abtrennen des elementaren Kohlenstoffs wird das in Schritt a) erhaltene Produktgemisch bevorzugt zumindest teilweise abgekühlt. Dies geschieht beispielsweise unter Einsatz eines Wärmetauschers, bevorzugt unter gleichzeitiger Erzeugung von Wasserdampf. Alternativ oder zusätzlich kann das Produktgemisch in einem Wärmetauscher unter Vorheizung der in Schritt a) verwendeten flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe gekühlt werden. Letzteres ist energetisch bevorzugt, da die Wärme des Produktgemischs direkt im erfindungsgemäßen Verfahren wieder genutzt werden kann. Das abgekühlte Produktgemisch wird bevorzugt in einen Feststoffabscheider überführt. Dort kann elementarer Kohlenstoff vorzugsweise als Carbon Black abgetrennt werden, beispielsweise mittels eines Zyklons, eines Filters oder eines Wäschers oder einer Kombination aus diesen Vorrichtungen.The product mixture from step a) can also contain elemental carbon, which is removed before step b). Before the elemental carbon is separated off, the product mixture obtained in step a) is preferably at least partially cooled. This is done, for example, using a heat exchanger, preferably with the simultaneous generation of steam. Alternatively or additionally, the product mixture can be cooled in a heat exchanger with preheating of the liquid and/or gaseous hydrocarbons used in step a). The latter is preferred in terms of energy, since the heat of the product mixture can be reused directly in the process according to the invention. The cooled product mixture is preferably transferred to a solids separator. There, elementary carbon can preferably be separated as carbon black, for example by means of a cyclone, a filter or a scrubber or a combination of these devices.
Der abgetrennte Kohlenstoff wird bevorzugt sequestriert oder einer Verwendung zugeführt, bei der keine Umsetzung des abgetrennten Kohlenstoffs zu CO2 stattfindet.The separated carbon is preferably sequestered or put to a use in which the separated carbon is not converted into CO 2 .
Eine Verwendung, bei der keine Umsetzung des abgetrennten Kohlenstoffs zu CO2 stattfindet, ist jede stoffliche Nutzung von Kohlenstoff, bei der keine vollständige Oxidation bzw. keine vollständige Verbrennung erfolgt. Zum Beispiel kann Kohlenstoff als Ersatz von Industrie-Rußen verwendet oder Asphalt, Bitumen oder Zement zugemischt werden. In dieser Weise trägt das erfindungsgemäße Verfahren dazu bei, der Atmosphäre Kohlenstoff zu entziehen. Damit wirkt sich die Nutzung des anfallenden Kohlenstoffs ohne vollständige Oxidation oder Verbrennung positiv auf den CO2-Fußabdruck des Verfahrens und der erzeugten Produkte aus, insbesondere dem synthetischen Flugturbinenkraftstoff oder -kraftzusatzstoff.A use in which the separated carbon is not converted into CO 2 is any material use of carbon in which complete oxidation or combustion does not take place. For example, carbon can be used to replace industrial carbon black or added to asphalt, bitumen or cement. In this way, the method of the present invention helps remove carbon from the atmosphere. The use of the carbon produced without complete oxidation or combustion thus has a positive effect on the CO 2 footprint of the process and the products produced, in particular the synthetic jet fuel or fuel additive.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Menge an elementarem Kohlenstoff, die erzeugt und sequestriert oder ohne CO2-Bildung stofflich genutzt wird, abhängig vom CO2-Fußabdruck der als Ausgangsstoffe verwendeten Kohlenwasserstoffe gemacht werden. Je höher CO2-Fußabdruck der Ausgangsstoffe, umso größer ist bevorzugt die Menge an elementarem Kohlenstoff.In a variant of the method according to the invention, the amount of elementary carbon that is generated and sequestered or used as a material without CO 2 formation can be made dependent on the CO 2 footprint of the hydrocarbons used as starting materials. The higher CO 2 footprint of the starting materials, the greater is preferably the amount of elemental carbon.
Es ist ebenso möglich, insbesondere wenn die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe in Schritt a) zumindest teilweise im Plasmazustand abläuft, die Menge an elementarem Kohlenstoff, die erzeugt und sequestriert oder ohne CO2-Bildung stofflich genutzt wird, abhängig von der Verfügbarkeit an erneuerbarer oder anderer CO2-arm erzeugter elektrischer Energie zu machen, speziell dem CO2-Fußabdruck des eingesetzten Stroms. Unter dem Begriff erneuerbare Energien werden in diesem Zusammenhang regenerative Energien aus Windkraft und/oder PV-Quellen und/oder Wasserkraft und/oder geothermischen Kraftwerken und/oder Gezeitenkraftwerken und/oder Kraftwerken mit biogenen Einsatzstoffen verstanden. Besonders bevorzugt wird das Verfahren so betrieben, dass die Erzeugung des Kohlenstoffs und Sequestrierung oder Nutzung ohne CO2-Bildung an den zeitlich veränderlichen CO2-Fußabdruck des Stroms angepasst wird. Besteht beispielsweise ein großes Angebot an erneuerbarer elektrischer Energie oder ist der CO2-Fußabdruck des eingesetzten Stroms gering, ist die Menge an elementarem Kohlenstoff vorzugsweise kleiner.It is also possible, especially if the conversion of the hydrocarbons in step a) takes place at least partially in the plasma state, the amount of elemental carbon that is generated and sequestered or used as a material without CO 2 formation depends on the availability of renewable or other CO 2 low electrical energy generated, especially the CO 2 footprint of the electricity used. In this context, the term renewable energies is understood to mean regenerative energies from wind power and/or PV sources and/or hydroelectric power and/or geothermal power plants and/or tidal power plants and/or power plants with biogenic input materials. The method is particularly preferably operated in such a way that the generation of the carbon and sequestration or use without CO 2 formation is adapted to the time-varying CO 2 footprint of the stream. For example, if there is a large supply of renewable electrical energy or if the CO 2 footprint of the electricity used is small, the amount of elemental carbon is preferably smaller.
Die Menge an elementarem Kohlenstoff, die in Schritt a) entsteht, kann der Fachmann durch Wahl geeigneter Verfahrensparameter einstellen. Dies ist ohne Unterbrechung des Verfahrens bzw. bei laufendem Betrieb möglich. Geeignete Verfahrensparameter, die einen direkten Einfluss auf die Menge an elementarem Kohlenstoff haben, sind beispielsweise die Temperatur und die Verweilzeit der Kohlenwasserstoffe in Schritt a), insbesondere die Temperatur und Verweilzeit in der zweiten Reaktionszone. Beispielsweise lässt sich eine höhere mittlere Temperatur und eine höhere Verweilzeit in der heißen Reaktionszone in den gegebenen Grenzen durch Drosseln des Einsatzstroms an flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei ansonsten gleichen Bedingungen erreichen. Alternativ oder ergänzend kann zur Erzielung einer höheren mittleren Temperatur und einer höheren Verweilzeit in der heißen Reaktionszone die mittlere Molmasse der Ausgangsstoffe (d.h. der flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe) unter ansonsten gleichbleibenden Verfahrensparametern erhöht werden.The person skilled in the art can set the amount of elemental carbon which is formed in step a) by choosing suitable process parameters. This is possible without interrupting the process or during ongoing operation. Suitable process parameters which have a direct influence on the amount of elemental carbon are, for example, the temperature and the residence time of the hydrocarbons in step a), in particular the temperature and residence time in the second reaction zone. For example, a higher mean temperature and a longer residence time in the hot reaction zone can be achieved within the given limits by throttling the feed stream of liquid and/or gaseous hydrocarbons under otherwise the same conditions. Alternatively or additionally, to achieve a higher average temperature and a longer residence time in the hot reaction zone, the average molar mass of the starting materials (i.e. the liquid and/or gaseous hydrocarbons) can be increased while the process parameters otherwise remain the same.
Die Verfahrensparameter können beispielsweise so gewählt werden, dass die Menge an elementarem Kohlenstoff, die in Schritt a) entsteht, 2 bis 80 %, bevorzugt 5 bis 60 %, insbesondere 10 bis 40 % der Menge an Kohlenstoff beträgt, die in den in Schritt a) verwendeten Kohlenwasserstoffen enthalten ist.The process parameters can be selected, for example, so that the amount of elemental carbon that is formed in step a) is 2 to 80%, preferably 5 to 60%, in particular 10 to 40% of the amount of carbon that is in step a ) used hydrocarbons.
Das Umsetzen in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst bevorzugt folgende Verfahrensschritte: b1) Fraktionieren, wobei eine olefinreiche Fraktion erhalten wird, und b2) Oligomerisieren der olefinreichen Fraktion. Die olefinreiche Fraktion kann dabei auch eine Fraktion sein, die ausschließlich aus Olefinen besteht. Der olefinreichen Fraktion können vor dem Oligomerisieren auch noch weitere olefinreiche Fraktionen aus anderen Verfahren zugegeben werden. Die weiteren olefinreichen Fraktionen können dabei einen Anteil von 10 bis 90 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt 25 bis 75 Gew.-% an der nach Zugabe resultierenden Fraktion haben. Bevorzugt enthält die olefinreiche Fraktion, die in Schritt b2) oligomerisiert wird, mindestens 20 Gew.-% Ethylen, bevorzugt mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 80 Gew.-% Ethylen, ganz besonders bevorzugt mindestens 97 Gew.-% Ethylen.The reaction in step b) of the process according to the invention preferably comprises the following process steps: b1) fractionation, with an olefin-rich fraction being obtained, and b2) oligomerization of the olefin-rich fraction. The olefin-rich fraction can also be a fraction that consists exclusively of olefins. Further olefin-rich fractions from other processes can also be added to the olefin-rich fraction before the oligomerization. The other olefin-rich fractions can have a proportion of 10 to 90% by weight, preferably 20 to 80% by weight, particularly preferably 25 to 75% by weight, of the fraction resulting after the addition. The olefin-rich fraction which is oligomerized in step b2) preferably contains at least 20% by weight of ethylene, preferably at least 50% by weight, particularly preferably at least 80% by weight of ethylene, very particularly preferably at least 97% by weight of ethylene .
In einer bevorzugten Ausführungsform werden für den Schritt b2) Katalysatoren und/oder Reaktionsbedingungen für die Umsetzung von Olefinen nach dem Stand der Technik der AtJ-Verfahren eingesetzt.In a preferred embodiment, catalysts and/or reaction conditions for the conversion of olefins according to the prior art of the AtJ process are used for step b2).
Zumindest ein Teil der Oligomere aus Schritt b2) wird gegebenenfalls in einem Schritt b3) hydriert und anschließend optional fraktioniert. Dies ist von der Höhe des Olefinanteils, der in dem herzustellenden Kraftstoff als akzeptabel angesehen wird, abhängig. In einer bevorzugten Ausführungsform werden für den Schritt b3) Katalysatoren und/oder Reaktionsbedingungen für die Hydrierung von Olefinen nach dem Stand der Technik der AtJ-Verfahren eingesetzt.At least some of the oligomers from step b2) are optionally hydrogenated in a step b3) and then optionally fractionated. This is dependent on the level of olefin content that is considered acceptable in the fuel to be produced. In a preferred embodiment, catalysts and/or reaction conditions for the hydrogenation of olefins according to the prior art of the AtJ process are used for step b3).
Das in Schritt a) erhaltene Acetylen oder ein Teil davon kann vor Schritt b) selektiv zu Ethylen hydriert werden. Die selektive Hydrierung verläuft bevorzugt an einem Katalysator. Ein Teil des Ethylens kann zurückgeführt und mit dem noch nicht hydrierten Produktgemisch aus Schritt a), von dem der gegebenenfalls vorhandene elementare Kohlenstoff bereits abgetrennt wurde, vereint werden. Durch die selektive Hydrierung stellen sich geringere Acetylenkonzentrationen ein, was vorteilhaft für das Wärmemanagement, die Katalysator-Standzeit und/oder die Selektivität ist, da die Hydrierung von Acetylen stark exotherm ist.The acetylene obtained in step a) or a portion thereof can be selectively hydrogenated to ethylene before step b). The selective hydrogenation preferably proceeds over a catalyst. Some of the ethylene can be recycled and combined with the product mixture from step a), which has not yet been hydrogenated, from which any elemental carbon present has already been separated off. The selective hydrogenation results in lower acetylene concentrations, which is advantageous for heat management, catalyst service life and/or selectivity, since the hydrogenation of acetylene is highly exothermic.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Teil des in Schritt a) erhaltenen Acetylens und/oder ein Teil der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente vor Schritt b) abgetrennt und zu von Flugturbinenkraftstoff und -kraftzusatzstoff unterschiedlichen Produkten weiterverarbeitet.In a preferred variant of the process according to the invention, at least part of the acetylene obtained in step a) and/or part of the at least one other unsaturated product mixture component is separated off before step b) and further processed into products other than aircraft turbine fuel and fuel additive.
Unter die von Flugturbinenkraftstoff und -kraftzusatzstoff unterschiedlichen Produkte fallen beispielsweise Polyolefine, insbesondere Polyethylen, Polypropylen sowie Copolymere und Blends der vorgenannten; Vinylacetat; Acrylsäure; Vinylchlorid; und Acrylnitril. Zur Herstellung der Polyolefine werden bevorzugt alle alpha-Olefine abgetrennt, die in der mindestens einen anderen ungesättigten Produktgemischkomponente enthalten sind, und anschließend polymerisiert. Zur Herstellung der Produkte Vinylacetat, Acrylsäure, Vinylchlorid und Acrylnitril wird Acetylen abgetrennt und mit verschiedenen Reaktionspartnern umgesetzt. Vinylacetat kann beispielsweise aus Acetylen und Essigsäure hergestellt werden, für die Herstellung von Vinylchlorid benötigt man neben Acetylen noch Chlorwasserstoff.The products that differ from jet fuel and fuel additive include, for example, polyolefins, in particular polyethylene, polypropylene and copolymers and blends of the aforementioned; vinyl acetate; acrylic acid; vinyl chloride; and acrylonitrile. To produce the polyolefins, all alpha-olefins contained in the at least one other unsaturated product mixture component are preferably separated off and then polymerized. To produce the products vinyl acetate, acrylic acid, vinyl chloride and acrylonitrile, acetylene is separated off and reacted with various reactants. Vinyl acetate can be produced from acetylene and acetic acid, for example, while hydrogen chloride is required in addition to acetylene to produce vinyl chloride.
Vorteile können sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch durch Abtrennen oder Verwenden des im Produktgemisch in Schritt a) weiterhin enthaltenen elementaren Wasserstoffs ergeben. Dieser kann in Schritt b) abgetrennt werden und/oder zumindest teilweise zum Hydrieren verwendet werden, insbesondere zum Hydrieren in Schritt b3). In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante wird zumindest ein Teil des abgetrennten Wasserstoffs genutzt, um die Kohlenwasserstoffe vor der Umsetzung in Schritt a) zu verdünnen.In the process according to the invention, advantages can also result from separating off or using the elemental hydrogen still present in the product mixture in step a). This can be separated off in step b) and/or at least partly used for the hydrogenation, in particular for the hydrogenation in step b3). In a further preferred process variant, at least some of the hydrogen separated off is used to dilute the hydrocarbons before the reaction in step a).
Ferner ist bevorzugt, dass diejenigen Produktgemischkomponenten, die weder zur Herstellung von Flugturbinenkraftstoff und -kraftzusatzstoff noch zur Herstellung anderer Produkte verwendet werden, ganz oder zumindest teilweise zurückgeführt und als flüssige und/oder gasförmiger Kohlenwasserstoffe in Schritt a) wiederverwendet werden.It is also preferred that those product mixture components that are not used either for the production of aircraft turbine fuel and fuel additive or for the production of other products are wholly or at least partially recycled and reused as liquid and/or gaseous hydrocarbons in step a).
Figurenlistecharacter list
Bevorzugte Ausführungsfonnen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung darauf beschränken zu wollen.
-
1 zeigt das AtJ-Verfahren nach dem Stand der Technik. -
2 zeigt ein Fließbild als Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren.
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1 shows the AtJ method according to the prior art. -
2 shows a flow chart as an example of the method according to the invention.
Bei dem in
Die Illustration in
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2007/003312 A1 [0040]WO 2007/003312 A1 [0040]
- WO 2007/082746 A1 [0040]WO 2007/082746 A1 [0040]
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