Methanol, auch Methylalkohol genannt, ist ein einfacher Alkohol mit der chemischen Formel CH3OH. Es ist eine farblose, brennbare Flüssigkeit mit leicht süßlichem Geruch. Methanol ist der einfachste Alkohol und der am häufigsten hergestellte Alkohol der Welt.
Methanol ist eine äußerst vielseitige Chemikalie mit vielen Einsatzmöglichkeiten. Es wird als Brennstoff, Lösungsmittel und Baustein für viele andere Chemikalien verwendet und ist außerdem eine erneuerbare Energiequelle.
Inhaltsverzeichnis
1. Verwendung von Methanol für chemische Synthesen
Etwa 70 % der weltweiten Methanolproduktion werden als Rohstoff für verschiedene chemische Synthesen verwendet. Die wichtigsten Anwendungen von Methanol sind Formaldehyd, Methyl-tert-butylether (MTBE), Essigsäure, Dimethylether (DME), Propen, Methylmethacrylat und Dimethylterephthalat (DMT).
Auch Methanol wird vor allem in Schwellenländern zunehmend direkt oder als Vorprodukt für Energie- und Kraftstoffzwecke genutzt.
Formaldehyd aus Methanol
Formaldehyd ist das wichtigste Produkt aus Methanol. Im Jahr 2011 wurden etwa 28 % der weltweiten Methanolproduktion zur Herstellung von Formaldehyd verwendet. Obwohl die Formaldehydproduktion in den letzten Jahren weiter zugenommen hat, ist ihr Anteil am Methanolverbrauch aufgrund des schnelleren Wachstums in anderen Sektoren wie Propen und Kraftstoffanwendungen zurückgegangen.
Formaldehyd entsteht aus Methanol durch Oxidation mit Luftsauerstoff. Das konkret verwendete Verfahren hängt von der Temperatur und der Art des verwendeten Katalysators ab.
Methyl-tert-butylether (MTBE) wird durch die Reaktion von Methanol mit Isobuten unter Verwendung saurer Ionenaustauscher hergestellt. Dies ist ein ausgezeichneter Oktanzahlverbesserer und hat mit der Einführung bleifreier Benzinqualitäten und dem zunehmenden Bewusstsein für die potenziellen Schäden, die mit aromatischen Komponenten mit hoher Oktanzahl verbunden sind, in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen.
Aufgrund von Sicherheitsbedenken, wie der Freisetzung von MTBE aus Lagertanks mit hohem Dampfdruck, stieß dieses Produkt in den letzten Jahren insbesondere in westlichen Ländern auf Widerstand.
Infolgedessen ist der Methanolverbrauch für die MTBE-Produktion von 27 % im Jahr 1996 auf lediglich 11 % im Jahr 2011 gesunken, und das kommerzielle Interesse verlagert sich hin zu Ethyl-tert-butylether (ETBE) als Ersatz für MTBE.
Es wird erwartet, dass die Gesamtproduktion von MTBE aufgrund der erhöhten Nutzung und Produktionskapazitäten in Schwellenländern wie Asien und dem Nahen Osten wieder steigen wird.
Essigsäure macht 11 % des Methanolverbrauchs aus, mit geschätzten jährlichen Wachstumsraten von 4 % bis 2013. Essigsäure wird durch Carbonylierung von Methanol mit Kohlenmonoxid in der flüssigen Phase unter Verwendung homogener Katalysatoren, einschließlich Kobalt-Jod, Rhodium-Jod, synthetisiert. oder Nickel-Jod.
Das ältere BASF-Verfahren arbeitet mit 65 MPa, während modernere Verfahren, wie das Monsanto-Verfahren, mit 5 MPa arbeiten. Durch Anpassung der Betriebsbedingungen kann die Synthese auch so modifiziert werden, dass Essigsäureanhydrid oder Methylacetat hergestellt werden.
Methanol wird in verschiedenen Prozessen zur Herstellung von Benzin, Olefinen, Propen und aromatischen Verbindungen als alternative Kraftstoffe eingesetzt. Diese Entwicklungen entstanden als Reaktion auf die Ölkrise und beinhalten die Umwandlung von Synthesegas in Kraftstoffe unter Verwendung von Methanol als Zwischenprodukt.
Ein bemerkenswerter Prozess ist die Methanol-zu-Benzin-Synthese (MTG), bei der die neuseeländische Regierung und Mobil eine Anlage betreiben, die 4.500 t/d Methanol aus Erdgas produziert und es anschließend in 1.700 t/d Benzin umwandelt.
Weitere wichtige Synthesewege sind Methanol-zu-Olefine (MTO), Methanol-zu-Propen (MTP) und Methanol-zu-aromatische Verbindungen (MTA). Die ersten beiden Technologien wurden in den letzten Jahren erfolgreich eingesetzt.
Die ersten DMTO- (DICP methanol-to-olefins, Shenhua Baotou) und MTP- (Lurgi) Anlagen wurden 2010/2011 in Betrieb genommen und verbrauchten 2011 3 Millionen Tonnen Methanol. Diese alternative Syntheseroute in China ermöglicht die Produktion von Propen-Polypropylen-Basis auf Kohle als einziger Kohlenstoffquelle.
Dimethylether (DME) hat sich als Alternative zu Fluorchlorkohlenwasserstoffen herausgestellt. Aufgrund seiner höheren Polarität und überlegenen Lösungskraft für Sprayprodukte ist es ein besseres Treibmittel für Sprays als Propan-Butan-Gemische.
DME wird als Lösungsmittel, organisches Zwischenprodukt und in Klebstoffen verwendet. Es macht etwa 7 % des Methanolverbrauchs aus. Bei der Integration mit herkömmlichen Methanol-Großanlagen profitiert der DME-Produktionsprozess von der betrieblichen Effizienz, was zu DME-Produktionskapazitäten von über 3.000 Tonnen pro Tag führt.
Methanol ist der Vorläufer für verschiedene andere organische Verbindungen, darunter Ameisensäure, Methylester organischer Säuren, Methylester anorganischer Säuren, Methylamin, Trimethylphosphin, Natriummethoxid, Methylhalogenide und Ethylen, die jeweils spezifische industrielle Zwecke erfüllen, wie z. B. Lösungsmittel und Monomere , Katalysatoren und organische Zwischenprodukte.
2. Verwendung von Methanol als Energiequelle
Methanol ist eine vielversprechende Alternative zu erdölbasierten Kraftstoffen, insbesondere da die Bedeutung von Kohle in Schwellenländern zunimmt. Die Kohle-zu-Methanol-Synthese und Fischer-Tropsch sind die vielversprechendsten chemischen Verwertungswege für Kohle.
Methanol kann zusammen mit Folgeprodukten wie MTBE, DME oder MTG-Benzin wertvolle Energie- und Kraftstoffquellen liefern. Einige stellen sich eine „Methanolwirtschaft“ vor, die auf Methanol aus verschiedenen Quellen basiert, darunter Kohle, Rückstände, Biogas, CO2 oder andere Kohlenstoffquellen, die in der Lage ist, das gesamte Spektrum an Anforderungen für zukünftige Transport- und Energieanwendungen zu erfüllen.
2.1. Methanol als Kraftstoff für Ottomotoren
Methanol gilt seit den 1920er Jahren als Kraftstoff, vor allem in Hochleistungsrennwagen und Flugzeugen. Die Forschung zur Methanolverbrennung in Viertaktmotoren ist im Gange. Methanol hat als Kraftstoff mehrere Vorteile.
Seine hohe Verdampfungswärme und sein relativ niedriger Heizwert führen zu deutlich niedrigeren Brennraumtemperaturen im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen. Dies trägt zu verringerten Emissionen von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bei, geht jedoch mit erhöhten Formaldehydemissionen einher.
- M3 ist eine Mischung aus 3 % Methanol mit 2–3 % Lösungsvermittlern in handelsüblichem Kraftstoff. Es sind keine Änderungen an Kraftfahrzeugen und Kraftstoffverteilungssystemen erforderlich.
- M15 ist eine Mischung aus 15 % Methanol und einem Lösungsvermittler mit Motorkraftstoff, was Fahrzeugänderungen erforderlich macht. Der ursprüngliche Vorschlag, M15 zur Erhöhung der Oktanzahl in bleifreiem Benzin zu verwenden, wurde durch die weit verbreitete Einführung von MTBE weitgehend ersetzt.
- M85 ist Methanol mit 15 % C4–C5-Kohlenwasserstoffen zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften. Modifizierte Fahrzeuge und Kraftstoffverteilungssysteme sind unerlässlich.
- M100 ist reines Methanol. Die Fahrzeuge müssen erheblich umgebaut und vollständig an den Methanolbetrieb angepasst werden.
2.2. Methanol als Dieselkraftstoff
Ein ausschließlicher Betrieb mit Methanol ist bei Dieselmotoren aufgrund der niedrigen Cetanzahl von Methanol und der damit verbundenen unzuverlässigen Zündung nicht möglich.
Folglich muss Methanol in Folgeprodukte wie DME umgewandelt werden, das eine hervorragende Dieselalternative darstellt. In Kombination mit geeigneten Fetten und Ölen ergibt Methanol Fettsäuremethylester (FAME), allgemein bekannt als Biodiesel.
2.3. Andere energetische Nutzungen von Methanol
Methanol wird in Pilotprojekten zur Befeuerung von Spitzenlast-Gasturbinen in Kraftwerken, auch „Peak Shaving“ genannt, diskutiert und umgesetzt. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt in der einfachen Speicherung von Methanol und seiner umweltfreundlichen Verbrennung in Gasturbinen.
Sowohl Methanol als auch DME haben Potenzial als zukünftiger Kraftstoff für stationäre Turbinentriebwerke gezeigt. Darüber hinaus hat die Verwendung von Methanol als Brennstoff in konventionell befeuerten Kesseln das Potenzial, den Bedarf an kostspieligen Rauchgasbehandlungsanlagen zu überflüssig zu machen, auch wenn die Wirtschaftlichkeit weiterhin eine Herausforderung darstellt.
Die Vergasung von Methanol zur Herstellung von Synthesegas oder Brenngas wurde vorgeschlagen, wurde jedoch oft durch wirtschaftliche Bedenken behindert.
Die chemische Umwandlung von CO2 in Methanol mithilfe von durch Wasserelektrolyse erzeugtem Wasserstoff wird jedoch zunehmend als vielversprechende Methode zur Herstellung erneuerbarer Kraftstoffe oder zur Nutzung von Methanol als flüssigem Energieträger anerkannt. Obwohl das Konzept nicht neu ist und bereits diskutiert wurde, erhält es jetzt größere Aufmerksamkeit und wird aktiv untersucht.
3. Andere Verwendungen von Methanol
Die einzigartigen Eigenschaften von Methanol, wie sein niedriger Gefrierpunkt und die Fähigkeit, sich mit Wasser zu mischen, machen es für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich:
- Kältemittel: Methanol wird in Kühlsystemen sowohl rein (z. B. in Ethylenanlagen) als auch gemischt mit Wasser und Glykolen verwendet. Es wird auch als Frostschutzmittel in Heiz- und Kühlkreisläufen eingesetzt. Im Vergleich zu anderen gängigen Frostschutzmitteln wie Ethylenglykol, Propylenglykol und Glycerin weist Methanol bei niedrigen Temperaturen eine geringere Viskosität auf. Allerdings wird es nicht mehr als Motorfrostschutzmittel verwendet, sondern durch Produkte auf Glykolbasis ersetzt.
- Schutz von Erdgaspipelines: Große Mengen Methanol werden verwendet, um Erdgaspipelines vor der Bildung von Gashydraten bei niedrigen Temperaturen zu schützen. Methanol wird an Pumpstationen in Erdgas eingespritzt, als Flüssigkeit in der Pipeline transportiert und dann am Ende der Pipeline zurückgewonnen. Es kann recycelt werden, nachdem aus dem Erdgas absorbiertes Wasser durch Destillation entfernt wurde.
- Gaswäscher: Methanol wird als Absorptionsmittel in Gaswäschern zur Entfernung von CO2 und H2S bei niedrigen Temperaturen verwendet (z. B. Rectisol-Verfahren von Linde und Lurgi). Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass selbst Spuren von Methanol, die im gereinigten Gas verbleiben, die nachfolgende Verarbeitung normalerweise nicht beeinträchtigen.
- Lösungsmittel: Während reines Methanol als Lösungsmittel nicht häufig verwendet wird, wird es häufig Lösungsmittelmischungen zugesetzt, um deren Eigenschaften zu verbessern und ihre Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern.
Referenz
- Methanol; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a16_465.pub3
