CN104310310B - 一种氯碱工业尾氯催化脱氢的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氯碱工业尾氯催化脱氢的装置及方法，属于氯碱工业尾氯催化脱氢技术领域。该装置包括反应流化床和还原流化床两个装置，尾氯脱氢反应和催化剂再生由两个流化床组合完成；尾氯进入反应流化床进行催化低温脱氢反应，失活的催化剂在还原流化床用氢气进行还原再生；脱氢反应和还原再生同时进行。该工艺方法满足工业生产要求，解决催化剂快速失活问题，便于催化剂的装填和卸料，也可彻底解决尾氯含氢的安全问题。

Description

一种氯碱工业尾氯催化脱氢的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种氯碱工业尾氯催化脱氢的装置及方法，属于氯碱工业尾氯催化脱氢技术领域。
背景技术
氯碱工业的尾氯是电解槽产生的氯气中经液化后剩余的不可再液化的混合气体。以氯气为主要成分，包含氧气、氮气和氢气等混合气体，其总量可观。其中，氯气65-85%，氮气10-15%，氧气5-10%，氢气4%以下，由于氢气爆炸极限4%的限制，安全问题一直制约着其应用。最常见处理方法的是将尾氯和氢气燃烧生产盐酸。因此，尾氯的经济价值也较低。
利用催化脱氢的方法，可以有效的降低尾氯中氢气的含量，或彻底脱除。这样，尾氯可以重新液化处理，也可用于氯化反应等，大幅度的提高了尾氯的利用价值，同时，解决了尾氯含氢的安全问题。英国专利GB1388292，使用活性炭，在125-250℃固定床反应器中，催化氯气-氢气反应脱除氯气中的氢气。美国专利US4224293，使用活性炭、金属钯、氯化铜等盐为催化剂，在200-400℃固定床反应器中，催化氯气-氢气反应脱除尾气中的氢气，得到含氢量较低的尾氯。
现有专利报道的氯氢反应温度为100-400℃（在200~350℃区间脱氢效果较好），由于反应温度高，催化剂活性组分易流失和被酸性气体腐蚀，导致催化剂寿命短。而且由于强氧化性的氯气存在，催化剂活性金属会很快失活，活性炭也会与氧气反应而很快减少。因此，如英国专利GB1388292和美国专利US4224293等专利的尾氯脱氢方法没有工业化价值。
发明内容
本发明旨在提供一种氯碱工业尾氯催化脱氢的装置及方法，通过低温催化氧氢反应和氯氢反应的方法处理尾氯，催化剂活性组分为Cu，Ag，Pd，Pt，Au金属中的一种或多种，其载体为活性炭，三氧化二铝，二氧化硅，碳化硅中的任一种，选用易于装卸的流化床来完成脱氢工艺。尾氯进入流化床反应器催化反应脱氢，失活的催化剂进入还原流化床进行还原再生，该方法解决了催化剂失活速率快问题，也解决了反应温度高和载体腐蚀的问题。为氯碱工业尾气除氢提供了一种高效、经济、安全的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种氯碱工业尾氯催化脱氢的装置，包括流化床、进料仓、旋风分离器，其特征在于：该装置由反应体系和还原体系组成，反应体系包括反应流化床，反应流化床进料仓，第一旋风分离器；还原体系包括还原流化床，还原流化床进料仓，第二旋风分离器；反应流化床底部设有尾氯入口，尾氯入口管道上设有尾氯加热器，反应流化床顶部连接第一旋风分离器，反应流化床中部设有催化剂出口，催化剂出口连接还原流化床进料仓，还原流化床进料仓连接还原流化床中部，还原流化床底部设有氢气入口，氢气入口管道上设有氢气加热器，顶部连接第二旋风分离器，还原流化床中部设有催化剂出口，催化剂出口与反应流化床进料仓连接，反应流化床进料仓另一端连接反应流化床中部。
所述反应流化床进料仓底部分别设有尾氯管道和第一氮气管道，所述还原流化床进料仓底部分别设有第二氮气管道和氢气管道。
本发明提供了一种氯碱工业尾氯催化脱氢的方法，采用上述氯碱工业尾氯催化脱氢的装置，包括以下步骤：
（1）从液化工段来的含氢尾氯首先经过加热器加热至30~100℃，然后进入反应流化床，经金属负载型催化剂催化氧氢反应和氯氢反应脱氢后，进入第一旋风分离器，在第一旋风分离器内将气体中催化剂固体除去后，脱氢尾氯进行脱水处理后返回氯碱液化工段或直接用于其它氯产品工段，失活催化剂和反应中脱除的氢气进入还原流化床进料仓；
（2）从氢气工段来的氢气经过加热器加热至150~300℃，然后进入还原流化床，将失活催化剂经氢气还原后进入第二旋风分离器，在第二旋风分离器内除去催化剂固体后，去下一工艺进行后处理，还原流化床中再生的催化剂与第二旋风分离器中回收的催化剂合并后进入反应流化床进料仓。
上述方法中，所述反应流化床进料仓和还原流化床进料仓均为气体输送进料，氮气吹扫是置换脱附催化剂上吸附的少量气体，两个进料仓阀门操作是防止两个流化床之间气体混合；
反应流化床进料仓的再生催化剂来料时，还原流化床和反应流化床进料仓之间阀门打开，反应流化床进料仓关联的其余阀门全部关闭，达到规定催化剂量后关闭该阀门，打开氮气阀门和含氢气混合气管道上的阀门，通过热氮气吹扫反应流化床进料仓，置换脱附催化剂上吸附的少量氢气，吹扫结束，关闭氮气阀门和含氢气混合气管道上的阀门，打开反应流化床进料仓和反应流化床之间的阀门和尾氯阀门，用尾氯进行气体输送催化剂进料，进料结束，关闭阀门；
还原流化床进料仓失活的催化剂来料时，反应流化床和还原流化床进料仓之间阀门打开，还原流化床进料仓关联其余阀门全部关闭，达到规定催化剂量后关闭该阀门，打开氮气阀门和含氮气混合气管道上的阀门，通过热氮气吹扫还原流化床进料仓，置换脱附催化剂上吸附的少量尾氯，吹扫结束，关闭氮气阀门和含氮气混合气管道上的阀门，打开还原流化床进料仓和还原流化床之间的阀门和氢气阀门，用氢气进行气体输送失活催化剂进料，进料结束，关闭阀门。
进一步地，所述金属负载型催化剂的金属活性组分为Cu，Ag，Pd，Pt，Au金属中的一种或多种，其载体为活性炭，三氧化二铝，二氧化硅，碳化硅中的任一种，金属负载量为0.1~5wt%。所述金属活性组分优选Cu或Ag。
进一步地，所述反应流化床采用低温催化反应，反应温度为30~150℃，催化剂在反应流化床停留时间0.5~5小时。
进一步地，所述还原流化床采用还原温度为150~350℃，催化剂在流化床再生停留时间0.5~3小时。
本发明采用两个流化床，其一用于尾氯气体脱氢反应，另一为催化剂还原。催化剂由于还原反应的产物中有水和氯化氢，活性组分的Cu，Ag，Pd，Pt，Au金属被转化为氯化物，因而催化剂失活快，需及时恢复活性。因而，反应装置和还原装置均采用流化床以便快速装卸催化剂。
脱氢反应原理为尾氯中包含氯气、氮气，氧气和氢气等，在催化剂作用下，其中的氧气和氢气能够反应生成水，氯气与氢气也可反应生成氯化氢，达到脱除氢气的目的。反应方程式反应如下：
氧氢反应O2+2H2→2H2O
氯氢反应Cl2+H2→2HCl
尾氯进气经加热后进反应流化床反应器，进行反应后，经旋风分离器除去气体夹带的催化剂固体后去下一工艺，失活催化剂可在还原流化床进料仓内经氮气置换后进入还原流化床，在还原流化床中用热氢气将失活催化剂还原，还原后气体进旋风分离器除去夹带的催化剂固体，后去下一工艺，还原后催化剂经氮气置换后进入反应流化床。
本发明中，两个金属负载催化剂流化床在装置中分别同时进行尾氯催化脱氢反应和催化剂还原再生过程，通过控制阀门和气速来控制催化剂进料及停留时间。
本发明的有益效果：
ⅰ、脱氢反应温度低，为30-150℃，实际反应温度可选在100℃以下；
ⅱ、尾氯脱氢工艺采用两个流化床组合装置，采用双流化床可满足催化脱氢反应和催化剂再生同时进行：尾氯脱氢反应在反应流化床中的催化剂上进行，脱氢反应分为氧氢反应与氯氢反应；失活催化剂在还原流化床中的氢气氛围下还原再生，该工艺有利于催化剂再生；
ⅲ、尾氯脱氢后，解决了其利用的安全问题。
附图说明
图1为本发明工业尾氯催化脱氢装置图。
图中标号为：1、尾氯加热器；2、反应流化床；3、第一旋风分离器；4、还原流化床进料仓；5、氢气加热器；6、还原流化床；7、第二旋风分离器；8、反应流化床进料仓；9、反应流化床气体分布隔板；10、还原流化床气体分布隔板；11、还原流化床进料仓气体分布隔板；12.反应流化床进料仓气体分布隔板；A、尾氯；B、氮气；C、氢气；D、脱氢后尾氯；E、含氮气混合气；F、含氢气混合气。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：一种氯碱工业尾氯催化脱氢的装置
图1为本发明工业尾氯催化脱氢装置图。该装置包括流化床、进料仓、旋风分离器，其特征在于：该装置由反应体系和还原体系组成，反应体系包括反应流化床2，反应流化床进料仓8，第一旋风分离器3；还原体系包括还原流化床6，还原流化床进料仓4，第二旋风分离器7；反应流化床2底部设有尾氯入口，尾氯入口管道上设有尾氯加热器1，反应流化床2顶部连接第一旋风分离器3，反应流化床2中部设有催化剂出口，催化剂出口连接还原流化床进料仓4；还原流化床进料仓4底部设有氮气入口和氢气入口，还原流化床进料仓4连接还原流化床6中部，还原流化床6底部设有氢气入口，氢气入口管道上设有氢气加热器5，顶部连接第二旋风分离器7，还原流化床6中部设有催化剂出口，催化剂出口与反应流化床进料仓8连接，反应流化床进料仓8底部设有氮气入口和尾氯入口，反应流化床进料仓8另一端连接反应流化床2中部。反应流化床2下部设有反应流化床气体分布隔板9；还原流化床6下部设有还原流化床气体分布隔板10；还原流化床进料仓4下部设有还原流化床进料仓气体分布隔板11；反应流化床进料仓8下部设有反应流化床进料仓气体分布隔板12。
所述氯碱工业尾氯催化脱氢的装置的应用包括以下步骤：
（1）从液化工段来的含氢尾氯首先经过加热器加热至30~100℃，然后进入反应流化床，经金属负载型催化剂催化氧氢反应和氯氢反应脱氢后，进入第一旋风分离器，在第一旋风分离器内将气体中催化剂固体除去后，脱氢尾氯进行脱水处理后返回氯碱液化工段或直接用于其它氯产品工段，失活催化剂和反应中脱除的氢气进入还原流化床进料仓；
（2）从氢气工段来的氢气经过加热器加热至150~300℃，然后进入还原流化床，将失活催化剂经氢气还原后进入第二旋风分离器，在第二旋风分离器内除去催化剂固体后，去下一工艺进行后处理，还原流化床中再生的催化剂与第二旋风分离器中回收的催化剂合并后进入反应流化床进料仓。
所述反应流化床进料仓和还原流化床进料仓均为气体输送进出料，氮气吹扫是置换脱附催化剂上吸附的少量气体，两个进料仓阀门操作是防止两个流化床之间气体混合。
反应流化床进料仓的再生催化剂来料时，还原流化床和反应流化床进料仓之间阀门打开，反应流化床进料仓关联的其余阀门全部关闭，达到规定催化剂量后关闭该阀门，打开氮气阀门和含氢气混合气管道上的阀门，通过热氮气吹扫反应流化床进料仓，置换脱附催化剂上吸附的少量氢气，吹扫结束，关闭氮气阀门和含氢气混合气管道上的阀门，打开反应流化床进料仓和反应流化床之间的阀门和尾氯阀门，用尾氯进行气体输送催化剂进料，进料结束，关闭阀门；
还原流化床进料仓失活的催化剂来料时，反应流化床和还原流化床进料仓之间阀门打开，还原流化床进料仓关联其余阀门全部关闭，达到规定催化剂量后关闭该阀门，打开氮气阀门和含氮气混合气管道上的阀门，通过热氮气吹扫还原流化床进料仓，置换脱附催化剂上吸附的少量尾氯，吹扫结束，关闭氮气阀门和含氮气混合气管道上的阀门，打开还原流化床进料仓和还原流化床之间的阀门和氢气阀门，用氢气进行气体输送失活催化剂进料，进料结束，关闭阀门。
实施例2：一种氯碱工业尾氯催化脱氢的方法
工业尾氯各组分分别为：H2，3.97%；Cl2，72.85%；O2，9.93%；N2，13.25%。
以活性炭负载的Cu为催化剂（Cu/C）。Cu/C的Cu负载量为5％。催化剂装填高度为0.45m，反应温度为80℃，表观操作气速Uf=0.3m/s。在该条件下对尾氯进行脱氢时，其氢气转化率能达到96.8%，氧氢反应的选择性能达到0.829。催化剂还原流化床温度为250℃，催化剂装填高度为0.50m，氢气表观操作气速Uf=0.15~0.22m/s。催化剂在反应流化床中的停留时间为2.5h，在还原流化床中停留时间为2h。
实施例3：一种氯碱工业尾氯催化脱氢的方法
工业尾氯各组分分别为：H2，3.05%；Cl2，72.36%；O2，10.31%；N2，14.25%。
以Al2O3负载的Pd为催化剂。Pd/Al2O3的Pd负载量为1％。催化剂装填高度为0.45m，催化剂反应流化床温度为60℃，表观操作气速Uf=0.35m/s。在该条件下对尾氯进行脱氢时，其氢气转化率能达到98.1%，氧氢反应的选择能能达到0.792。催化剂还原流化床温度为200℃，催化剂装填高度为0.50m，表观操作气速Uf=0.20m/s。催化剂在反应流化床中的停留时间为3h,在还原流化床中停留时间为2h。
实施例4：一种氯碱工业尾氯催化脱氢的方法
工业尾氯各组分分别为：H2，3.97%；Cl2，72.85%；O2，9.93%；N2，13.25%。
以Al2O3负载的Ag为催化剂。Ag/Al2O3的金属负载量为2％。催化剂装填高度为0.45m，催化剂反应流化床温度为60℃，混合气体表观操作气速Uf=0.30m/s。催在该条件下对尾氯进行脱氢时，其氢气转化率能达到97.3%，氧氢反应的选择能能达到0.761。催化剂还原流化床温度为320℃，催化剂装填高度为0.50m，氢气表观操作气速Uf=0.18m/s。催化剂在反应流化床中的停留时间为3.5h,在还原流化床中停留时间为2.5h。

Claims (6)

1.一种氯碱工业尾氯催化脱氢的方法，采用氯碱工业尾氯催化脱氢的装置，该装置由反应体系和还原体系组成，反应体系包括反应流化床，反应流化床进料仓，第一旋风分离器；还原体系包括还原流化床，还原流化床进料仓，第二旋风分离器；反应流化床底部设有尾氯入口，尾氯入口管道上设有尾氯加热器，反应流化床顶部连接第一旋风分离器，反应流化床中部设有催化剂出口，催化剂出口连接还原流化床进料仓；还原流化床进料仓连接还原流化床中部，还原流化床底部设有氢气入口，氢气入口管道上设有氢气加热器，顶部连接第二旋风分离器，还原流化床中部设有催化剂出口，催化剂出口与反应流化床进料仓连接，反应流化床进料仓另一端连接反应流化床中部；所述反应流化床进料仓底部分别设有尾氯管道和第一氮气管道，所述还原流化床进料仓底部分别设有第二氮气管道和氢气管道；其特征在于：包括以下步骤：
（1）从液化工段来的含氢尾氯首先经过加热器加热至30~100℃，进入反应流化床，经金属负载型催化剂催化氧氢反应和氯氢反应脱氢后，进入第一旋风分离器，在第一旋风分离器内将气体中催化剂固体除去后，脱氢尾氯进行脱水处理后返回氯碱液化工段或直接用于其它氯产品工段，失活催化剂进入还原流化床进料仓；
（2）从氢气工段来的氢气经过加热器加热至150~300℃，然后进入还原流化床，将失活催化剂经氢气还原后进入第二旋风分离器，在第二旋风分离器内除去催化剂固体后，去下一工艺进行后处理，还原流化床中再生的催化剂进入反应流化床进料仓。
2.根据权利要求1所述的氯碱工业尾氯催化脱氢的方法，其特征在于：所述反应流化床进料仓和还原流化床进料仓均为气体输送进料；
所述反应流化床进料仓的再生催化剂来料时，还原流化床和反应流化床进料仓之间阀门打开，反应流化床进料仓关联的其余阀门全部关闭，达到规定催化剂量后关闭该阀门，打开氮气阀门和含氢气混合气管道上的阀门，通过热氮气吹扫反应流化床进料仓，置换脱附催化剂上吸附的少量氢气，吹扫结束，关闭氮气阀门和含氢气混合气管道上的阀门，打开反应流化床进料仓和反应流化床之间的阀门和尾氯阀门，用尾氯进行气体输送催化剂进料，进料结束，关闭阀门；
所述还原流化床进料仓失活的催化剂来料时，反应流化床和还原流化床进料仓之间阀门打开，还原流化床进料仓关联其余阀门全部关闭，达到规定催化剂量后关闭该阀门，打开氮气阀门和含氮气混合气管道上的阀门，通过热氮气吹扫还原流化床进料仓，置换脱附催化剂上吸附的少量尾氯，吹扫结束，关闭氮气阀门和含氮气混合气管道上的阀门，打开还原流化床进料仓和还原流化床之间的阀门和氢气阀门，用氢气进行气体输送失活催化剂进料，进料结束，关闭阀门。
3.根据权利要求1所述的氯碱工业尾氯催化脱氢的方法，其特征在于：所述金属负载型催化剂的金属活性组分为Cu，Ag，Pd，Pt，Au金属中的一种或多种，其载体为活性炭，三氧化二铝，二氧化硅，碳化硅中的任一种，金属负载量为0.1~5wt%。
4.根据权利要求3所述的氯碱工业尾氯催化脱氢的方法，其特征在于：所述金属活性组分为Cu或Ag。
5.根据权利要求1所述的氯碱工业尾氯催化脱氢的方法，其特征在于：所述反应流化床采用低温催化反应，反应温度为30~150℃，催化剂在反应流化床停留时间0.5~5小时。
6.根据权利要求1所述的氯碱工业尾氯催化脱氢的方法，其特征在于：所述还原流化床采用还原温度为150~350℃，催化剂在流化床再生停留时间0.5~3小时。
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