CN101130428B - 一种氯化氢催化氧化制氯气的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由氯化氢催化氧化生产氯气的工艺方法，属于化工工艺过程技术领域。本发明工艺流程由多组反应器与水分离装置组成。在催化剂存在的条件下，氯化氢与氧在反应器中进行化学反应，生成氯气和水；从反应器中流出的气体在水分离装置中冷凝除水，未冷凝的气体进入下一个反应器。由于去除了水，打破了化学平衡，有利于未反应的氯化氢与氧气在下一个反应器中继续反应。经过多组反应和除水操作，可使氯化氢或氧气的转化率接近100％。本发明具有氯化氢或氧转化率高、设备简单、操作平稳和控制容易等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种由氯化氢催化氧化生产氯气的工艺方法，属于化工工艺过程技术领域。
背景技术
在氯碱工业中，氯和烧碱是氯碱工业的两大主要产品，这两种产品的产量有着密切的联系。当市场对含氯产品的需求增加时，烧碱的产量也将上升。如果不能够处理好两者的关系，使得氯和烧碱的需求量呈现不平衡发展，则将对氯碱工业的经济效益和持续发展产生不良影响。目前，含氯产品的需求不断增长，单纯靠发展氯碱工业来补充氯的供给不足势必导致烧碱的过剩，因此，化学工业氯碱消耗平衡的问题十分重要。
工业上许多过程以氯气为原料产生氯化氢副产物，而副产氯化氢是一种价格便宜、需求量小、腐蚀性强、很难处理的化学品。因此，人们希望找到一种既经济又安全的氯化氢制氯气过程。这不仅能够解决氯化氢对环境的污染问题，而且在一定程度上还会满足工业上对氯气不断增长的需求。文献和专利中有很多氯化氢制备氯气的方法，主要有电解法、无机氧化剂直接氧化法、催化剂空气/氧气氧化法(即Deacon过程)。电解法能耗太大，成本高；无机氧化剂直接氧化法的缺点是设备比较复杂，产物分离困难，同时能耗较大；Deacon过程是在CuCl2催化剂存在的条件下，氧气或空气氧化氯化氢的过程。一般认为Deacon过程的反应机理(CuO为催化剂)如下：
上述反应是可逆反应，产物气体包含为反应的氯化氢(HCl)、氧气和原料气体中的惰性气体以及产物氯气、水蒸气，HCl转化率通常小于80％。
为了提高HCl的转化率，Benson实验室(M.Mortensen，R.G.Minet，T.T.Tsotis，S.W.Benson，The development of a dual fluidized-bed reactor system for the conversion of hydrogenchloride to chlorine，Chem.Eng.Sci.54：2131-2139，1999)提出了采用二个循环流化床反应器的氯化氢制氯气过程，韩明汉等(中国专利，ZL 02146784.6)提出了一种采用二段循环流化床反应器的氯化氢催化氧化制氯气工艺方法及装置。二种方法均是根据反应机理将该过程分为氧氯化和氯化二个步骤，高温下进行氧氯化反应，低温下进行氯化反应，从而提高HCl的转化率。但是，这二种方法催化剂颗粒在高温反应区和低温区器之间不断循环，增加了能耗。另外，催化剂的循环还会增加了操作的难度，对催化剂的要求也相应地提高。
为此，本发明提出了一种简单易行的氯化氢催化氧化制氯气工艺方法。
发明内容
本发明的目的是针对采用循环流化床反应器技术的不足，提供一种采用简单反应器(催化剂不循环的)的氯化氢催化氧化制氯气工艺方法，具有氯化氢或氧转化率高、设备简单、操作平稳和控制容易等优点。
本发明提出的一种氯化氢催化氧化制氯气的工艺方法，其特征在于：所述工艺方法包括以下各步骤：
(1)反应原料氯化氢与氧气或者空气首先进入反应器I[1]，发生化学反应；
(2)从反应器I[1]中流出的气体在水分离装置I[2]中冷凝除水，未冷凝的气体进入反应器II[3]；
(3)在反应器II[3]中氯化氢与氧气继续进行化学反应，从反应器II中流出的气体在水分离装置II中冷凝除水，经过多组反应和除水操作，使氯化氢或氧气的转化率接近100％；
(4)在反应器中，反应原料与催化剂在温度为320～550℃，压力为0.05～0.5MPa条件下在反应器内接触，发生化学反应，生成氯气和水。
在水分离装置I[2]中，来自反应器的气体冷凝除水，未冷凝的气体进入下一个反应器。
在上述的工艺方法中，所述步骤2未冷凝的气体为氯化氢、氯气、氧气和其他惰性组分。
在上述的工艺方法中，所述步骤4反应原料氯化氢与氧气或空气的摩尔比为1∶2～10∶1，反应器内原料的重量空速为0.1h-1～1.0h-1。
在上述的工艺方法中，所述步骤4水分离装置I[2]上部的温度为0～50℃，下部的温度为50～150℃。
在上述的工艺方法中，所述工艺由多组反应器与水分离装置组成，所述每组反应器后面连接一个水分离装置。
在上述的工艺方法中，所述工艺中在反应产物需要除去氯化氢的情况下，将工艺流程中最后一个水分离装置改为氯化氢水吸收装置。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点及有益效果：
①反应器结构简单，容易加工；
②操作平稳、控制容易，操作费用少；
③能耗较低；
④对催化剂的要求低。
附图说明
图1为本发明的氯化氢催化氧化生产氯气、盐酸工艺流程示意图。
图2为本发明的两级串联的氯化氢催化氧化生产氯气、盐酸工艺流程示意图。
图3为本发明的三级串联的氯化氢催化氧化生产氯气、盐酸工艺流程示意图。
图4为本发明的三级串联的氯化氢催化氧化生产氯气、氯化氢工艺流程示意图。
其中：1.反应器I 2.脱水装置I 3.反应器II 4.脱水装置II 5.反应器III 6.脱水装置III 7.尾气吸收装置。
具体实施方式
下面结合附图3和图4说明本发明的工艺流程和具体实施方式：
(a)反应原料氯化氢与氧气(空气)首先进入反应器I(1)，发生化学反应，从反应器I中流出的气体在水分离装置I(2)中冷凝除水，未冷凝的气体(氯化氢、氯气、氧气和其他惰性组分)进入反应器II(3)；
(b)在反应器II中氯化氢与氧气继续进行化学反应，从反应器II中流出的气体在水分离装置II(4)中冷凝除水，未冷凝的气体(氯化氢、氯气、氧气和其他惰性组分)进入反应器III(5)；
(c)从反应器III中流出的气体在水分离装置III(6)中冷凝除水(图3)，气体产物为氯气以及未反应的氯化氢和氧(空气)；或者从反应器III中流出的气体在尾气吸收装置(7)中由水吸收氯化氢，气体产物为氯气以及未反应的氧和其他惰性组分。
(d)经过上述多次反应和除水操作，可使氯化氢或氧气的转化率接近100％。
(e)在反应器中，反应原料与催化剂在温度为320～550℃，压力为0.05～0.5MPa条件下在反应器内接触，发生化学反应，生成氯气和水。反应原料氯化氢与氧气(空气)的摩尔比为1∶2～10∶1，反应器内原料的重量空速为0.1h-1～1.0h-1。
(f)在水分离装置中，来自反应器的气体冷凝除水，未冷凝的气体进入下一个反应器。(水分离装置上部的温度为0～50℃，下部的温度为50～150℃。
实施例1：
采用如图1所示的氯化氢催化氧化生产氯气、盐酸工艺流程。催化剂中的主要活性组分为在氧化铝上负载的氯化铜，氯化铜含量为5％。进料为氯化氢和氧气，摩尔比为1∶2；反应器中的温度为380℃，压力为0.05MPa；氯化氢重量空速为0.3小时-1。产物氯气收率为85％，氯气摩尔浓度为19.2％，氧摩尔浓度为80.8％，未反应的HCl全部吸收为副产盐酸。
实施例2：
采用如图2所示的氯化氢催化氧化生产氯气、盐酸工艺流程。
(1)操作条件
催化剂与实施例1相同。
进料为氯化氢和氧气，摩尔比为1∶1；
反应器温度为390℃，氯化氢重量空速为0.2小时-1；
水分离器底部温度为110℃，顶部温度为35℃。
(2)实验结果
产物氯气收率为87％，氯气摩尔浓度为36％，氧摩尔浓度为64％，未反应的HCl全部吸收为副产盐酸。
实施例3：
在如图3所示的氯化氢催化氧化生产氯气、盐酸工艺流程。
(1)操作条件
催化剂与实施例1相同。
进料为氯化氢和氧气，摩尔比为1∶1；
反应器温度为400℃，氯化氢重量空速为0.25小时-1；
水分离器底部温度为110℃，顶部温度为35℃。
(2)实验结果
产物氯气收率为93％，氯气摩尔浓度为38％，氧摩尔浓度为62％，未反应的HCl全部吸收为副产盐酸。
实施例4：
在如图4所示的氯化氢催化氧化生产氯气、氯化氢工艺流程。
(1)操作条件
催化剂与实施例1相同。
进料为氯化氢和氧气，摩尔比为8∶1；
反应器温度为400℃，氯化氢重量空速为0.25小时-1；
水分离器底部温度为110℃，顶部温度为35℃。
(2)实验结果
氯气收率为49.26％，氯气摩尔浓度为32.6％，氯化氢摩尔浓度为67％，氧摩尔浓度为0.4％。
Claims (6)
1.一种氯化氢催化氧化制氯气的工艺方法，其特征在于：所述工艺方法包括以下各步骤：
(1)反应原料氯化氢与氧气或者空气首先进入反应器I[1]，发生化学反应；
(2)从反应器I[1]中流出的气体在水分离装置I[2]中冷凝除水，未冷凝的气体进入反应器II[3]；
(3)在反应器II[3]中氯化氢与氧气继续进行化学反应，从反应器II中流出的气体在水分离装置II中冷凝除水，经过多组反应和除水操作，使氯化氢或氧气的转化率接近100％；
(4)在反应器中，反应原料与催化剂在温度为320～550℃，压力为0.05～0.5MPa条件下在反应器内接触，发生化学反应，生成氯气和水。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤2未冷凝的气体为氯化氢、氯气、氧气和其他惰性组分。
3.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤4反应原料氯化氢与氧气或空气的摩尔比为1∶2～10∶1，反应器内原料的重量空速为0.1h-1～1.0h-1。
4.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述水分离装置I[2]上部的温度为0～50℃，下部的温度为50～150℃。
5.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述工艺由多组反应器与水分离装置组成，所述每组反应器后面连接一个水分离装置。
6.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述工艺中在反应产物需要除去氯化氢的情况下，将工艺流程中最后一个水分离装置改为氯化氢水吸收装置。
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