Innovative Membranreaktoren für die nachhaltige, regionale Produktion von grünen Basischemicalien aus Methanol

Im beantragten Projekt soll die Selektivoxidation von grünem Methanol (MeOH) auf Basis von grünem Wasserstoff mit Luft-Sauerstoff (0₂) zu den Basischemikalien Methylformiat (MF), Dimethoxymethan (DMM) und Dirnethylether (DME) in Membranreaktoren mithilfe von Vanadiumoxid-Katalysatoren in skalierbaren Verfahren realisiert werden.
Für den nachfolgenden internationalen Stand der Wissenschaft und Technik wurden Referenzen im Zeitraum von 1990 bis 2023 analysiert und eigene abgeschlossene Arbeiten zur Grundlagenforschung berücksichtigt.
Die Basischemikalien MF, DMM und DME sind für die Herstellung etablierter Produkte essentiell und sichern den Komfort und Wohlstand in unserem täglichen Leben. Der aktuelle Gesamtmarkt von > 10 Mio. Tonnen pro Jahr wird bisher mit konventionellen Katalysatoren und klassischen mehrstufigen Reaktor-Trennoperationen mit hoher Apparateanzahl bzw. Rücklaufströmen und limitierter Prozesseffizienz gedeckt. Derzeitige Syntheserouten von DMM basieren auf zwei apparativ getrennten Reaktionsschritten, der Dehydrierung von MeOH zu Formaldehyd in der
Gasphase und der anschließenden Umsetzung von MeOH und Formaldehyd zu DMM in der Flüssigphase. Die Herstellung von MF basiert auf einer homogen-katalysierten, limitierten Gleichgewichtsreaktion von MeOH und Kohlenstoffmonoxid unter Drücken von bis zu 45 bar. DME wird konventionell durch die Dehydratisierung von MeOH in einem Festbettreaktor an sauren Katalysatoren hergestellt. Dieser Prozess benötigt hohe Temperaturen (T=300°C) und Drücke (p=80 bar) und zeigt eine starke Katalysatordeaktivierung. Die etablierten Prozesse zur Synthese von DMM, MF und DME offenbaren erhebliche Nachteile hinsichtlich Korrosion, Apparateanzahl, limitierter
Katalysatorstabilitätl-standzeit bzw. der Notwendigkeit sehr hoher Drücke.
Fazit: Es besteht signifikanter Bedarf an alternativen, ressourcen-, material- und energieschonenden Prozessen. Diese Nachteile können im Rahmen des beantragten Vorhabens durch die Selektivoxidation von grünem MeOH und durch innovative Kopplung mittels Membranen in Membranreaktoren bei milden Bedingungen (T <150°C, p=1 bar) überwunden werden.

Für die heterogen katalysierte Selektivoxidation von MeOH mit 0₂ werden bifunktionale Katalysatoren benötigt. Insbesondere das Verhältnis aus redox- und aziden Zentren ist dabei relevant, um das Produktspektrum über die Reaktionsführung (Temperatur, Verweilzeit, 0₂) lenken zu können. ln den letzten Jahren sind zahlreiche Katalysatorsysteme untersucht worden. Dabei wurden Vanadium-Oxid (VOx)-Systeme als aussichtsreiche Katalysatoren mit industrieller Relevanz (Verfügbarkeit, Preis, Standzeit) für die Entwicklung ressourcenschonender Prozesse identifiziert.

Der für das Projekt entwickelte Katalysator zeichnet sich durch hohe Aktivität bei niedrigen
Temperaturen (100-200°C) und Drücken (1 bar) aus. Es wurden hohe MeOH-Umsätze bis 100 % und Selektivitäten der Basischemikalien DMM von 100 % und MF von 40 % im konventionellen Festbettreaktor (FBR) erreicht. ln konventionellen Reaktoren werden jedoch schnell Grenzen zur Optimierung der Reaktion erreicht, da lediglich die Temperatur und die Konzentration von MeOH und 0₂ am Eingang (Co-Feed-Modus) variiert werden können. 0₂ nimmt eine Schlüsselrolle zur Steuerung der Produktverteilung für MF, DME und DMM ein. Eine örtlich verteilte und notwendige Dosierung an 0₂ zur Optimierung der Reaktion kann durch innovative Membranreaktoren erzielt werden. Sie ermöglichen eine bedarfsgerechte, dem Markt angepasste, Steuerung der Produktion für grünes MF, DME, DMM.

Membranreaktoren kombinieren effiziente Katalyse und membranbasierte Stoffdosierung/-trennung in einem Apparat. Sie gehören zukünftig zu den wichtigsten Werkzeugen zur Prozessintensivierung und Ressourcenschonung in der zukünftigen Chemischen Industrie. Es wurden Membranreaktoren zur Steigerung der Selektivität entwickelt, welche Oxidationen sowie oxidative und thermische Dehydrierungen v. Alkanen in der Gasphase ermöglichen. Das Grundprinzip von Membranverfahren bzw. Membrandistributoren mit partikulären Katalysatorschüttungen mit verteilter 0₂-Zufuhr und katalytisch aktiven Membranen im Extraklarprinzip mit C0₂ als aktives Sweepgas, ist im Rahmen einschlägiger Vorarbeiten experimentell und simulativ erprobt und bis zum Technikumsmaßstab erfolgreich validiert worden. Dieses Know-how steht dem beantragten Projekt für die neue Reaktion zur Verfügung, um auf einer erneuerbaren Rohstoffbasis grüne Basischemikalien regional in Sachsen-Anhalt zu produzieren.