EP2038212A1 - Verfahren zur oxidation eines chlorwasserstoff enthaltenden gases - Google Patents

Verfahren zur oxidation eines chlorwasserstoff enthaltenden gases

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EP2038212A1
EP2038212A1 EP07725288A EP07725288A EP2038212A1 EP 2038212 A1 EP2038212 A1 EP 2038212A1 EP 07725288 A EP07725288 A EP 07725288A EP 07725288 A EP07725288 A EP 07725288A EP 2038212 A1 EP2038212 A1 EP 2038212A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen chloride
carbon monoxide
oxidation
reactor
oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07725288A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Haas
Markus Dugal
Knud Werner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
Publication of EP2038212A1 publication Critical patent/EP2038212A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B7/00—Halogens; Halogen acids
    • C01B7/01—Chlorine; Hydrogen chloride
    • C01B7/07—Purification ; Separation
    • C01B7/0706—Purification ; Separation of hydrogen chloride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B7/00—Halogens; Halogen acids
    • C01B7/01—Chlorine; Hydrogen chloride
    • C01B7/03—Preparation from chlorides
    • C01B7/04—Preparation of chlorine from hydrogen chloride

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of chlorine from a gas containing hydrogen chloride and carbon monoxide, which comprises the step of catalysed oxidation of carbon monoxide and optionally other oxidizable constituents to carbon dioxide with oxygen in an upstream reactor under adiabatic conditions.
  • CO carbon monoxide
  • a greater amount of carbon monoxide (CO) may be present as an impurity in the HCl exhaust.
  • CO contents in the range from 0 to 3% by volume are generally found in the HCl offgas of the phosgene wash-off column.
  • pioneering gas phase phosgenation DE 42 17 019 Al, DE 103 07 141 Al
  • higher CO amounts (0 to more than 5%) are to be expected because in this method preferably no condensation of phosgene, and a related extensive Separation of the unreacted carbon monoxide, before the phosgenation is carried out.
  • a wide variety of catalysts is used, for example based on ruthenium, chromium, copper, etc.
  • Such catalysts are described, for example, in DE 1 567 788 A1, EP 251 731 A2, EP 936 184 A2, EP 761 593 Al, EP 711 599 Al and DE 102 50 131 Al.
  • these can simultaneously act as oxidation catalysts for any secondary components such as carbon monoxide or organic compounds.
  • the catalytic carbon monoxide oxidation to carbon dioxide is extremely exothermic and causes uncontrolled local temperature increases at the surface of the heterogeneous catalyst (hot spot) in the way that deactivation of the catalyst can take place with respect to the HCl oxidation.
  • metal carbonyls can be reversible or irreversible and thus be in direct competition with HCl oxidation.
  • carbon monoxide may be mixed with some elements, e.g. Osmium, rhenium, ruthenium (see Chem. Rev. 103, 3707-3732, 2003), even at high temperatures very stable bonds and thus cause an inhibition of the desired target reaction.
  • Osmium, rhenium, ruthenium see Chem. Rev. 103, 3707-3732, 2003
  • Another disadvantage could arise from the volatility of these metal carbonyls (see Chem. Rev., 21, 3-38, 1937), whereby not inconsiderable amounts of catalyst are lost and, in addition, depending on the application, require a complicated purification step of the reaction product.
  • catalyst deactivation can be caused by both destruction of the catalyst and by limitation of stability. Competition between hydrogen chloride and carbon monoxide can also lead to inhibition of the desired HCl oxidation reaction. For an optimal operation of the Deacon process is therefore a very low content of carbon monoxide in the HCl gas necessary to ensure a long life of the catalyst used.
  • JP-2005289800-A describe the attempt to stabilize the catalytic phase for the HCl oxidation to the simultaneous oxidation of hydrogen chloride and carbon monoxide, and other minor components (eg phosgene, hydrogen and organic Connections).
  • this procedure is limited to small amounts of secondary constituents, preferably less than 0.5% by volume in the HCl gas stream.
  • the present invention thus relates to a process for the production of chlorine from a hydrogen chloride and carbon monoxide-containing gas comprising the steps:
  • the hydrogen chloride and carbon monoxide containing gas used in the process of the invention is generally the offgas of a phosgenation reaction to form organic isocyanates. It may also be exhaust gases from chlorination reactions of hydrocarbons.
  • the hydrogen chloride and carbon monoxide-containing gas according to the invention may comprise further oxidisable constituents, in particular hydrocarbons. These are generally also oxidized in step a) to form CO 2 .
  • the content of hydrogen chloride in the hydrogen chloride and carbon monoxide-containing gas entering the pre-reactor of step a) is, for example, in the range of 20 to 99.5% by volume.
  • the content of carbon monoxide in the hydrogen chloride and carbon monoxide-containing gas entering the pre-reactor of step a) is, for example, in the range of 0.5 up to 15% by volume.
  • the process according to the invention makes it possible to tolerate considerably higher amounts of carbon monoxide in the exhaust gas of the phosgenation process when coupled with an isocyanate process.
  • step a) The oxidation of carbon monoxide and the optionally present further oxidizable constituents in step a) is expedient by the addition of oxygen, oxygen-enriched
  • oxygen or oxygen-containing gas can be stoichiometric based on the carbon monoxide content or operated with an excess of oxygen. By adjusting the oxygen excess and optionally an optional
  • Addition of inert gas, preferably nitrogen, optionally, the heat removal from the catalyst in step a) and the outlet temperature of the process gases can be controlled.
  • the inlet temperature of the hydrogen chloride and carbon monoxide-containing gas at the inlet of the pre-reactor in step a) is preferably 0 to 300 ° C., in particular 0 to 150 ° C., preferably 0 to 100 ° C. and more suitably 20 to 100 ° C.
  • the outlet temperature of the gas containing hydrogen chloride at the outlet of the prereactor of step a) is, for example, 100 to 600 ° C., preferably 150 to 400 ° C.
  • the average operating temperature of the prereactor in step a) is generally about 50 to 400 ° C. These comparatively low temperatures enable more economical operation under increased safety conditions.
  • the pre-reactor is operated adiabatically in step a), i. there is no heat to or from the outside.
  • the adiabatic operation of the reactor is ensured by a suitable isolation of the reactor.
  • the heat of reaction released can be used for the adiabatic heating of the starting materials in order to be conducted in the subsequent step to HCl oxidation.
  • This effect was calculated for different CO contents, as well as different ratios of oxygen, at an entrance temperature of 5O 0 C ( Figure 1).
  • step a) of the process according to the invention preference is given to using at least one catalyst which contains at least one element from the group consisting of: chromium, Ruthenium, palladium, platinum, nickel, rhodium, iridium, gold iron, copper, manganese, cobalt, zirconium. These elements may be used alone or in combination, and may be in the form of their oxides. The catalysts may optionally also be supported.
  • catalysts in step a) are those based on palladium, platinum, ruthenium, rhodium or iridium with a promoter (nickel, manganese, copper, silver, lanthanum,...) (See US Pat. No. 4,639,432).
  • Supported gold particles are also suitable for low temperature CO oxidation (J. Catal., 144, 175-192, 1993; Appl. Catal. A: General, 299, 266-273, 2006; Catal. Today, 112, 126-129, 2006), as well as cobalt compounds, eg in the form of cobalt spinels (Appl. Catal.
  • Cerium nanoparticles can also be used for CO oxidation (Phys. Chem. Chem. Phys., 7, 2936-2941, 2005).
  • the step a) is preferably carried out under such pressure conditions which correspond to the operating pressure of the HCl oxidation in step b).
  • Such operating pressures are generally between 1 and 100 bar, preferably between 1 and 50 bar, more preferably between 1 and 25 bar.
  • a slightly increased pressure is preferably used.
  • the content of carbon monoxide in the prereactor of step a) is expediently reduced to less than 1% by volume, preferably to less than 0.5% by volume, more preferably to less than 0.1% by volume, according to the invention.
  • the gas leaving the prereactor of the step contains essentially HCl, CO2, O2 and other minor components, such as nitrogen.
  • the unreacted oxygen can then be used in the further course for the HCl oxidation in step b).
  • the CO-lean gas leaving the prereactor according to step a) optionally passes via a heat exchanger into the reactor for the oxidation of the hydrogen chloride of step b).
  • the heat exchanger between the reactor of step b) and the prereactor of step a) is expediently coupled via a temperature control to the prereactor of step a).
  • the temperature of the gas, which is forwarded to HCl oxidation in the further course can be set exactly. In this case, heat can be dissipated as needed, if the outlet temperature is too high, for example by steam generation. If the outlet temperature is too low, the process gases can be brought to the desired temperature with a small amount of heat.
  • step b) of the process according to the invention the oxidation of the hydrogen chloride is carried out with oxygen to form chlorine in a conventional manner. It is therefore possible to refer to the prior art (cf., for example, WO04 / 014845-A1), the disclosure content of which belongs to the present invention.
  • step b hydrogen chloride is oxidized to chlorine in an exothermic equilibrium reaction with oxygen to produce water vapor.
  • Typical reaction temperatures are between 150 and 500 0 C, usual reaction pressures are between 1 and 50 bar. Since it is an equilibrium reaction, it is expedient to work at the lowest possible temperatures at which the catalyst still has sufficient activity.
  • oxygen in superstoichiometric amounts. For example, a two- to four-fold excess of oxygen is customary. Since no selectivity losses are to be feared, it may be economically advantageous to work at relatively high pressures and, accordingly, at longer residence times than normal pressure.
  • Suitable catalysts include ruthenium oxide, ruthenium chloride or other ruthenium compounds supported on silica, alumina, titania or zirconia. Suitable catalysts can be obtained, for example, by applying ruthenium chloride to the support and then drying or drying and calcining. Suitable catalysts may further contain chromium (III) oxide.
  • Conventional reactors in which the catalytic hydrogen chloride oxidation is carried out are a fixed bed or fluidized bed reactor. The microreactor technology is also a possible alternative. The hydrogen chloride oxidation can be carried out in several stages.
  • the catalytic hydrogen chloride oxidation may also adiabatically but preferably isothermally or approximately isothermally, discontinuously, preferably continuously or as a fixed bed process, preferably as a fixed bed process, particularly preferably in tube bundle reactors to heterogeneous catalysts at reactor temperatures of 180 to 500 0 C, preferably 200 to 400 0 C. , Particularly preferably 220 to 350 0 C and a pressure of 1 to 30 bar, preferably 1, 2 to 25 bar, more preferably 1.5 to 22 bar and in particular 2.0 to 21 bar are performed.
  • adiabatic, isothermal or approximately isothermal mode of operation it is also possible to use a plurality of reactors with intermediate cooling, that is to say 2 to 10, preferably 2 to 6, more preferably 2 to 5, in particular 2 to 3, reactors connected in series.
  • the oxygen can be added either completely together with the hydrogen chloride before the first reactor or distributed over the various reactors.
  • This series connection of individual reactors can also be combined in one apparatus.
  • a preferred embodiment is that one uses a structured catalyst bed, in which the catalyst activity increases in the flow direction. Such structuring of the catalyst bed can by different impregnation of the catalyst support with active material or by different dilution of the catalyst with an inert material.
  • rings, cylinders or balls of titanium dioxide, zirconium dioxide or mixtures thereof, alumina, steatite, ceramic, glass, graphite or stainless steel can be used.
  • Ruthenium compounds or copper compounds on support materials, which may also be doped, are particularly suitable as heterogeneous catalysts, preference being given to optionally doped ruthenium catalysts.
  • suitable carrier materials are silicon dioxide, graphite, rutile or anatase titanium dioxide, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, preferably titanium dioxide, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, particularly preferably ⁇ - or ⁇ -aluminum oxide or mixtures thereof.
  • the copper or ruthenium-supported catalysts can be obtained, for example, by impregnation of the support material with aqueous solutions of CuCl 2 or RuCl 3 and optionally a promoter for doping, preferably in the form of their chlorides.
  • the conversion of hydrogen chloride in a single pass can be limited to 15 to 95%, preferably 40 to 95%, particularly preferably 50 to 90%. After conversion, unreacted hydrogen chloride can be partly or completely recycled to the catalytic hydrogen chloride oxidation.
  • the catalytic hydrogen chloride oxidation has the advantage over the generation of chlorine by hydrogen chloride electrolysis on the advantage that no expensive electrical energy is required that no questionable safety issues hydrogen is obtained as by-product and that the supplied hydrogen chloride must not be completely pure.
  • the heat of reaction of the catalytic hydrogen chloride oxidation can be used advantageously for the production of high-pressure steam. This can be used to operate the phosgenation reactor and the isocyanate distillation columns. From the chlorine-containing gas resulting in step b), the chlorine is separated in a conventional manner. Chlorine obtained by the process according to the invention can then be reacted with carbon monoxide to phosgene by the processes known from the prior art, which can be used for the preparation of TDI or MDI from TDA or MDA. The hydrogen chloride which is formed in turn during the phosgenation of TDA and MDA can then be converted into chlorine according to step b) by the processes described.
  • Figure 2 shows the process of the invention, as it can be included in the isocyanate synthesis.
  • the carbon monoxide content is significantly reduced in the HCl stream, whereby a deactivation of the Deacon catalyst is slowed down at the next stage by uncontrolled temperature increase.
  • the HCl gas feed gas is heated to the operating temperature required for HCl oxidation without much external energy input.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Chlor aus einem Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gas, das den Schritt der katalysierten Oxidation des Kohlenmonoxids sowie gegebenenfalls weiterer oxidierbarer Bestandteile zu Kohlendioxid mit Sauerstoff in einem vorgeschalteten Reaktor unter adiabatischen Bedingungen umfasst.

Description

Verfahren zur Oxidation eines Chlorwasserstoff enthaltenden Gases
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Chlor aus einem Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gas, das den Schritt der katalysierten Oxidation des Kohlenmonoxids sowie gegebenenfalls weiterer oxidierbarer Bestandteile zu Kohlendioxid mit Sauerstoff in einem vorgeschalteten Reaktor unter adiabatischen Bedingungen umfasst.
Eine Vielzahl von chemischen Verfahren zur Umsetzung mit Chlor oder Phosgen, wie die Herstellung von Isocyanaten oder Chlorierungen von Aromaten, führen zu einem Zwangsanfall an Chlorwasserstoff. In der Regel wird dieser Chlorwasserstoff durch Elektrolyse wieder in Chlor umgewandelt. Gegenüber dieser sehr energieaufwändigen Methode, bietet die direkte Oxidation von Chlorwasserstoff mit reinem Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas an heterogenen Katalysatoren (den sogenannten Deacon-Prozess) gemäß
4 HCl + O2 <=> 2 Cl2 + 2 H2O
deutliche Vorteile hinsichtlich des Energieverbrauchs.
Bei den meisten Prozessen wie der Phosgenierung, kann eine größere Menge Kohlenmonoxid (CO) als Verunreinigung im HCl-Abgas enthalten sein. In der allgemein verbreiteten Flüssigphasen- Phosgenierung werden im HCl Abgas der Phosgenauswaschkolonne in der Regel CO-Gehalte im Bereich von 0-3 Vol-% gefunden. Bei der zukunftsweisenden Gasphasen Phosgenierung (DE 42 17 019 Al, DE 103 07 141 Al) sind auch höhere CO-Mengen (0 bis mehr als 5% ) zu erwarten, da bei diesem Verfahren bevorzugt keine Kondensation von Phosgen, und eine damit verbundene weitgehende Abtrennung des nicht umgesetzten Kohlenmonoxids, vor der Phosgenierung durchgeführt wird.
Bei der konventionellen katalytischen HCl-Oxidation mit Sauerstoff bedient man sich verschiedenster Katalysatoren z.B. auf Basis von Ruthenium, Chrom, Kupfer, etc. Solche Katalysatoren sind beispielsweise in DE 1 567 788 Al, EP 251 731 A2, EP 936 184 A2, EP 761 593 Al, EP 711 599 Al und DE 102 50 131 Al beschrieben. Diese können allerdings gleichzeitig als Oxidationskatalysatoren für eventuell vorhandene Nebenkomponenten wie Kohlenmonoxid oder organische Verbindungen fungieren. Die katalytische Kohlenmonoxidoxidation zu Kohlendioxid ist jedoch äußerst exotherm und verursacht unkontrollierte lokale Temperaturerhöhungen an der Oberfläche des heterogenen Katalysators (Hot-Spot) in der Art, dass eine Deaktivierung des Katalysators hinsichtlich der HCl-Oxidation stattfinden kann. In der Tat würde die Oxidation von 5% Kohlenmonoxid in einem inerten Gas (N2) bei einer Eintrittstemperatur von 2500C (Betriebstemperaturen Deacon 200-4500C) eine Temperaturerhöhung von weit über 200 Grad bei einer adiabatischen Umsetzung verursachen. Eine Ursache für die Katalysatordeaktivierung liegt in der mikrostrukturellen Veränderung der Katalysatoroberfläche, z.B. durch Sinterprozesse, aufgrund der Hot-Spot-Bildung.
Weiterhin ist die Adsorption von Kohlenmonoxid an der Oberfläche des Katalysators nicht auszuschließen. Die Bildung von Metallcarbonylen kann reversibel oder irreversibel erfolgen und somit in direkter Konkurrenz zur HCl-Oxidation stehen. In der Tat kann Kohlenmonoxid mit einigen Elementen, wie z.B. Osmium, Rhenium, Ruthenium (siehe Chem. Rev. 103, 3707-3732, 2003), auch bei hohen Temperaturen sehr stabile Bindungen eingehen und somit eine Inhibierung der gewünschten Zielreaktion verursachen. Ein weiterer Nachteil könnte durch die Flüchtigkeit dieser Metallcarbonyle entstehen (siehe Chem. Rev., 21, 3-38, 1937), wodurch nicht unerhebliche Mengen an Katalysator verloren gehen und zusätzlich je nach Anwendung einen aufwändigen Aufreinigungsschritt des Umsetzungsprodukts erforderlich machen.
Auch beim Deacon Verfahren kann eine Katalysatordeaktivierung sowohl durch Zerstörung des Katalysators als auch durch Einschränkung der Stabilität verursacht werden. Eine Konkurrenz zwischen Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid kann auch zu einer Inhibierung der gewünschten HCl-Oxidationsreaktion führen. Für ein optimales Betreiben des Deacon-Verfahrens ist demnach ein möglichst geringer Gehalt an Kohlenmonoxid im HCl-Gas notwendig, um eine lange Lebensdauer des eingesetzten Katalysators zu gewährleisten.
Um solche Probleme zu vermeiden, wurden verschiedene Ansätze beschrieben, um in einem seriell vorgeschalteten Reaktor auf Basis bekannter Katalysatoren eine Oxidation von CO im HCl-Strom vorzunehmen (JP 62-270404, JP 2003-369657). Hierbei wird das Gasgemisch in Anwesenheit von Sauerstoff isotherm bei erhöhter Temperatur auf einen geträgerten Ruthenium- oder Palladium- Katalysator geleitet.
Die Betriebstemperaturen dieser Katalysatoren liegen weit über Raumtemperatur, üblicherweise bei über 3000C. Die Verfahren werden dabei isotherm betrieben. Nachteile dieser Verfahren sind zum einen, dass die Vermeidung eines Hot-Spots nicht gewährleistet ist und aufwändige Vorrichtungen zur Wärmeabfuhr notwendig sind. Zum anderen führen die in JP 62-270404 und JP2003-369657 angegebenen Bedingungen nicht zu einer selektiven Oxidation von CO, sondern es findet auch bereits eine teilweise Oxidation von HCl zu Chlor statt. Weiterhin müssen die Feedgase von außen stark aufgeheizt werden, bevor sie zum Katalysator geführt werden.
Andere Ansätze (JP-2005289800-A) beschreiben den Versuch, die katalytische Phase für die HCl- Oxidation zu stabilisieren um die gleichzeitige Oxidation von Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid, sowie weiteren Nebenbestandteilen (z.B. Phosgen, Wasserstoff und organische Verbindungen) zu ermöglichen. Dieses Vorgehen beschränkt sich allerdings auf geringe Mengen an Nebenbestandteilen, bevorzugt unter 0,5 Volumen-% im HCl-Gasstrom.
In den beschriebenen Deacon- oder Deacon-ähnlichen Verfahren muss für die effiziente Durchführung der katalytischen HCl-Oxidation dass HCl-Gas durch Energiezufuhr von aussen, z.B. über Wärmetauscher vor Reaktoreintritt von einer Ausgangstemperatur im Bereich von etwa - 10-600C auf eine Temperatur im Bereich von 150 - 3500C vorgeheizt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Energiekosten und Investitionskosten einer technischen Anlage.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst effizientes, d.h. insbesondere energiesparendes sowie preiswertes Verfahren zur Abtrennung des Kohlenmonoxids aus einem HCl-haltigen Gas, das anschließend insbesondere einem Deacon- oder Deacon- ähnlichen Verfahren zur Oxidation des Chlorwasserstoffs mit Sauerstoff zugeführt werden soll, bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung von Chlor aus einem Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gas, das die Schritte umfasst:
Katalytische Oxidation des Kohlenmonoxids sowie gegebenenfalls weiterer oxidierbarer Bestandteile zu Kohlendioxid mit Sauerstoff in einem vorgeschalteten Reaktor unter adiabatischen Bedingungen,
Katalytische Oxidation des Chlorwasserstoffs in dem in Schritt a) resultierenden Chlorwasserstoff enthaltenden Gas mit Sauerstoff unter Bildung von Chlor.
Das Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltende Gas, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, ist im Allgemeinen das Abgas einer Phosgenierungsreaktion zur Bildung organischer Isocyanate. Es kann sich aber auch um Abgase von Chlorierungsreaktionen von Kohlenwasserstoffen handeln.
Das erfindungsgemäß umgesetzte Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltende Gas kann weitere oxidierbare Bestandteile, wie insbesondere Kohlenwasserstoffe umfassen. Diese werden im Allgemeinen in Schritt a) ebenfalls unter Bildung von CO2 oxidiert.
Der Gehalt an Chlorwasserstoff in dem in den Vorreaktor des Schrittes a) eintretenden Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases liegt beispielsweise im Bereich von 20 bis 99,5 Vol.-%.
Der Gehalt an Kohlenmonoxid in dem in den Vorreaktor des Schrittes a) eintretenden Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases liegt beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 15 Vol.-%. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, bei der Kopplung mit einem Isocyanat-Prozess erheblich höhere Mengen an Kohlenmonoxid im Abgas des Phosgenierprozesses zu tolerieren.
Die Oxidation von Kohlenmonoxid und den gegebenenfalls vorhandenen weiteren oxidierbaren Bestandteilen in Schritt a) wird zweckmäßig durch Zusatz von Sauerstoff, sauerstoffangereicherter
Luft oder Luft betrieben. Die Zugabe von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas kann bezogen auf den Kohlenmonoxidgehalt stöchiometrisch erfolgen oder mit einem Sauerstoffüberschuss betrieben werden. Durch Einstellung des Sauerstoffüberschusses sowie gegebenenfalls einem optionalen
Zusatz von inertem Gas, bevorzugt Stickstoff, kann gegebenenfalls die Wärmeabfuhr vom Katalysator in Schritt a) sowie die Austrittstemperatur der Prozessgase kontrolliert werden.
Die Eintrittstemperatur des Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases am Eingang des Vorreaktors im Schritt a) beträgt bevorzugt 0 bis 300 0C, insbesondere 0 bis 1500C, vorzugsweise 0 bis 1000C und noch geeigneter 20 bis 1000C.
Je nach Menge der in der Oxidation in Schritt a) frei werdenden Wärme liegt die Austrittstemperatur des Chlorwasserstoff enthaltenden Gases am Ausgang des Vorreaktors des Schrittes a) beispielsweise bei 100 bis 6000C, bevorzugt 150 bis 400 0C.
Das bedeutet, dass die mittlere Betriebstemperatur des Vorreaktors in Schritt a) im Allgemeinen bei etwa 50 bis 400 0C liegt. Diese vergleichsweise niedrigen Temperaturen ermöglichen einen wirtschaftlicheren Betrieb unter erhöhten Sicherheitsbedingungen.
Es stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, dass der Vorreaktor in Schritt a) adiabatisch betrieben wird, d.h. es wird von bzw. nach außen weder Wärme zu- noch abgeführt. Technisch wird die adiabatische Fahrweise des Reaktors durch eine geeignete Isolierung des Reaktors sichergestellt.
Erfindungsgemäß kann also die freiwerdende Reaktionswärme zur adiabatischen Aufheizung der Einsatzstoffe eingesetzt werden, um im Folgeschritt zur HCl-Oxidation geführt zu werden. Diese Wirkung wurde für verschiedene CO-Gehalte, sowie verschiedene Verhältnisse an Sauerstoff, bei einer Eintritsttemperatur von 5O0C berechnet (Abbildung 1).
In der Tat ist hier eine genauere Kontrolle des Ablaufs der CO-Oxidation möglich sowie eine weitere Temperaturspanne bis zu der Temperatur, die eine Deaktivierung des Katalysators verursachen würde. Diese Kontrolle kann mit den bisher bestehenden Verfahren nicht stattfinden.
In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt mindestens ein Katalysator verwendet, der mindestens ein Element aus der Gruppe enthält, die besteht aus: Chrom, Ruthenium, Palladium, Platin, Nickel, Rhodium, Iridium, Gold Eisen, Kupfer, Mangan, Kobalt, Zirkon. Diese Elemente können allein oder in Kombination verwendet werden, und können in der Form ihrer Oxide vorliegen. Die Katalysatoren können gegebenenfalls auch geträgert sein.
Besonders bevorzugte Katalysatoren in Schritt a) sind solche auf Basis von Palladium, Platin, Ruthenium, Rhodium oder Iridium mit einem Promotor (Nickel, Mangan, Kupfer, Silber, Lanthan,...) (siehe US 4639432). Geträgerte Goldpartikel eignen sich auch für die Niedrigtemperatur CO-Oxidation (J. Catal. 144, 175-192, 1993; Appl. Catal. A: General, 299, 266- 273, 2006; Catal. Today, 112, 126-129, 2006), sowie Kobaltverbindungen, z.B. in Form von Kobaltspinellen (Appl. Catal. A: General, 146, 255-267, 1996) oder kobalt- oder manganhaltige Mischoxidkatalysatoren (siehe WO2004103556-A1). Cer Nanopartikel können für die CO- Oxidation auch eingesetzt werden (Phys. Chem. Chem. Phys., 7, 2936-2941, 2005).
Der Schritt a) wird bevorzugt unter solchen Druckbedingungen durchgeführt, die dem Betriebsdruck der HCl-Oxidation in Schritt b) entsprechen. Derartige Betriebsdrücke liegen im Allgemeinen zwischen 1 und 100 bar, bevorzugt zwischen 1 und 50 bar, besonders bevorzugt zwischen 1 und 25 bar. Um den Druckabfall in der Katalysatorschüttung auszugleichen, wird bevorzugt ein leicht erhöhter Druck, bezogen auf den Austrittsdruck, verwendet.
Der Gehalt an Kohlenmonoxid im Vorreaktor des Schrittes a) wird erfϊndungsgemäß zweckmäßig auf weniger als 1 Vol.-%, vorzugsweise auf weniger als 0,5 Vol.-%, noch bevorzugter auf weniger als 0,1 Vol.-% verringert.
Das aus dem Vorreaktor des Schritts austretende Gas enthält im Wesentlichen HCl, CO2, O2 und weitere Nebenbestandteile, wie Stickstoff. Der nicht umgesetzte Sauerstoff kann dann im weiteren Verlauf für die HCI-Oxidation im Schritt b) eingesetzt werden.
Das aus dem Vorreaktor gemäß Schritt a) austretende CO-arme Gas gelangt gegebenenfalls über einen Wärmeübertrager in den Reaktor zur Oxidation des Chlorwasserstoffs des Schritts b). Der Wärmeübertrager zwischen dem Reaktor des Schrittes b) und dem Vorreaktor des Schritts a) ist zweckmäßig über eine Temperaturregelung mit dem Vorreaktor des Schrittes a) gekoppelt. Mit dem Wärmeübertrager kann die Temperatur des Gases, das im weiteren Verlauf, zur HCl- Oxidation weitergeleitet wird, genau eingestellt werden. Hierbei kann je nach Bedarf Wärme abgeführt werden, wenn die Austritttemperatur zu hoch ist, z.B. durch Wasserdampferzeugung. Wenn die Austrittstemperatur zu niedrig ist, können die Prozessgase mit geringfügiger Wärmezufuhr auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Ein solches Verfahren trägt zusätzlich dazu bei, Schwankungen im CO-Gehalt und somit Veränderungen in der Aufheizrate auszugleichen. Im Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Oxidation des Chlorwasserstoffs mit Sauerstoff unter Bildung von Chlor in an sich bekannter Weise. Es kann somit auf den Stand der Technik verwiesen werden (vgl. z.B. WO04/014845-A1), dessen Offenbarungsgehalt zur vorliegenden Erfindung gehört.
So wird in dem Deacon-Prozess des Schritts b) Chlorwasserstoff mit Sauerstoff in einer exothermen Gleichgewichtsreaktion zu Chlor oxidiert, wobei Wasserdampf anfällt. Übliche Reaktionstemperaturen liegen zwischen 150 und 5000C, übliche Reaktionsdrucke liegen zwischen 1 und 50 bar. Da es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, ist es zweckmäßig, bei möglichst niedrigen Temperaturen zu arbeiten, bei denen der Katalysator noch eine ausreichende Aktivität aufweist. Ferner ist es zweckmäßig, Sauerstoff in überstöchiometrischen Mengen einzusetzen. Üblich ist beispielsweise ein zwei- bis vierfacher Sauerstoff-Überschuss. Da keine Selektivitätsverluste zu befürchten sind, kann es wirtschaftlich vorteilhaft sein, bei relativ hohen Drücken und dementsprechend bei gegenüber Normaldruck längeren Verweilzeiten zu arbeiten. Geeignete Katalysatoren enthalten Rutheniumoxid, Rutheniumchlorid oder andere Rutheniumverbindungen auf Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid oder Zirkondioxid als Träger. Geeignete Katalysatoren können beispielsweise durch Aufbringen von Rutheniumchlorid auf den Träger und anschließendes Trocknen oder Trocknen und Calcinieren erhalten werden. Geeignete Katalysatoren können ferner Chrom(III)oxid enthalten. Übliche Reaktionsapparate, in denen die katalytische Chlorwasserstoff-Oxidation durchgeführt wird, sind ein Festbett- oder Wirbelbettreaktor. Die Mikroreaktortechnik stellt auch eine mögliche Alternative dar. Die Chlorwasserstoff-Oxidation kann mehrstufig durchgeführt werden. Die katalytische Chlorwasserstoff-Oxidation kann ebenfalls adiabat bevorzugt aber isotherm oder annähernd isotherm, diskontinuierlich, bevorzugt kontinuierlich als Fließ- oder Festbettverfahren, bevorzugt als Festbettverfahren, besonders bevorzugt in Rohrbündelreaktoren an Heterogenkatalysatoren bei Reaktortemperaturen von 180 bis 5000C, bevorzugt 200 bis 4000C, besonders bevorzugt 220 bis 3500C und einem Druck von 1 bis 30 bar, bevorzugt 1 ,2 bis 25 bar, besonders bevorzugt 1,5 bis 22 bar und insbesondere 2,0 bis 21 bar durchgeführt werden. Bei der adiabatischen, der isothermen oder annähernd isothermen Fahrweise können auch mehrere, also 2 bis 10, bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 2 bis 5, insbesondere 2 bis 3 in Reihe geschaltete Reaktoren mit Zwischenkühlung eingesetzt werden. Der Sauerstoff kann entweder vollständig zusammen mit dem Chlorwasserstoff vor dem ersten Reaktor oder über die verschiedenen Reaktoren verteilt zugegeben werden. Diese Reihenschaltung einzelner Reaktoren kann auch in einem Apparat zusammengeführt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass man eine strukturierte Katalysatorschüttung einsetzt, bei der die Katalysatoraktivität in Strömungsrichtung ansteigt. Eine solche Strukturierung der Katalysatorschüttung kann durch unterschiedliche Tränkung der Katalysatorträger mit Aktivmasse oder durch unterschiedliche Verdünnung des Katalysators mit einem Inertmaterial erfolgen. Als Inertmaterial können beispielsweise Ringe, Zylinder oder Kugeln aus Titandioxid, Zirkondioxid oder deren Gemischen, Aluminiumoxid, Steatit, Keramik, Glas, Graphit oder Edelstahl eingesetzt werden. Als Heterogenkatalysatoren eignen sich insbesondere Rutheniumverbindungen oder Kupferverbindungen auf Trägermaterialen, die auch dotiert sein können, bevorzugt sind gegebenenfalls dotierte Rutheniumkatalysatoren. Als Trägermaterialen eignen sich beispielsweise Siliciumdioxid, Graphit, Titandioxid mit Rutil- oder Anatas-Struktur, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische, bevorzugt Titandioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische, besonders bevorzugt γ- oder δ-Aluminiumoxid oder deren Gemische. Die Kupfer- bzw. die Rutheniumträgerkatalysatoren können beispielsweise durch Tränkung des Trägermaterials mit wässrigen Lösungen von CuCl2 bzw. RuCl3 und gegebenenfalls eines Promotors zur Dotierung, bevorzugt in Form ihrer Chloride, erhalten werden. Der Umsatz an Chlorwasserstoff im einfachen Durchgang kann auf 15 bis 95 %, bevorzugt 40 bis 95 %, besonders bevorzugt 50 bis 90 % begrenzt werden. Nicht umgesetzter Chlorwasserstoff kann nach Abtrennung teilweise oder vollständig in die katalytische Chlorwasserstoff-Oxidation zurückgeführt werden. Die katalytische Chlorwasserstoff-Oxidation weist gegenüber der Erzeugung von Chlor durch Chlorwasserstoff-Elektrolyse den Vorteil auf, dass keine teure elektrische Energie benötigt wird, dass kein unter Sicherheitsaspekten bedenkliche Wasserstoff als Koppelprodukt anfällt und dass der zugeführte Chlorwasserstoff nicht vollständig rein sein muss. Die Reaktionswärme der katalytischen Chlorwasserstoff-Oxidation kann in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserdampf genutzt werden. Dieser kann zum Betrieb des Phosgenierungsreaktors und der Isocyanat-Destillationskolonnen genutzt werden. Aus dem in Schritt b) resultierenden Chlor-haltigen Gas wird das Chlor in an sich bekannter Weise abgetrennt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenes Chlor kann anschließend nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mit Kohlenmonoxid zu Phosgen umgesetzt werden, welches für die Herstellung von TDI oder MDI aus TDA beziehungsweise MDA eingesetzt werden kann. Der bei der Phosgenierung von TDA und MDA wiederum entstehende Chlorwasserstoff kann anschließend nach den beschriebenen Verfahren zu Chlor gemäß Schritt b) umgesetzt werden. Abbildung 2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, wie es in die Isocyanat-Synthese eingebunden werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Kohlenmonoxid-Gehalt im HCl-Strom deutlich verringert, wodurch eine Deaktivierung des Deacon-Katalysators auf der nächsten Stufe durch unkontrollierte Temperaturerhöhung verlangsamt wird. Gleichzeitig wird das Feedgas für die HCl- Oxidation ohne großen externen Energieaufwand auf die für die HCl-Oxidation erforderlichen Betriebstemperatur aufgeheizt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Chlor aus einem Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gas, das die Schritte umfasst:
a) Katalytische Oxidation des Kohlenmonoxids sowie gegebenenfalls weiterer oxidierbarer Bestandteile zu Kohlendioxid mit Sauerstoff in einem vorgeschalteten
Reaktor unter adiabatischen Bedingungen,
b) Katalytische Oxidation des Chlorwasserstoffs in dem in Schritt a) resultierenden Chlorwasserstoff enthaltenden Gas mit Sauerstoff unter Bildung von Chlor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die weiteren oxidierbaren Bestandteile Kohlenwasserstoffe umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Oxidation in Schritt a) und/oder b) mit Sauerstoff, sauerstoffangereicherter Luft oder Luft betrieben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Eintrittstemperatur des Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases in den Vorreaktor des Schritts a) 0 bis 300 0C, insbesondere 0 bis 1500C, vorzugsweise 0 bis 1000C, und noch geeigneter
20 bis 1000C beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Austrittstemperatur des Chlorwasserstoff enthaltenden Gases am Ausgang des Vorreaktors des Schrittes a) 150 bis 6000C beträgt und damit zur Vorheizung der Reaktionsgase für den Schritt b) dient.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin zwischen dem Vorreaktor des Schrittes a) und dem Reaktor des Schrittes b) ein Wärmeübertrager zwischengeschaltet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, worin der Wärmeübertrager zum Reaktor des Schrittes b) über eine Temperaturregelung mit dem Vorreaktor des Schrittes a) gekoppelt ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Austrittstemperatur der Prozessgase durch Einstellung des Inertgasanteil geregelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der Gehalt an Chlorwasserstoff in dem in den Vorreaktor des Schrittes a) eintretenden Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases im Bereich von 20 bis 99,5 Vol.-% liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin der Gehalt an Kohlenmonoxid in dem in den Vorreaktor des Schrittes a) eintretenden Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases im Bereich von 0,5 bis 15 Vol.-% liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der Gehalt an Kohlenmonoxid im Vorreaktor des Schrittes a) auf weniger als 1 Vol.-%, vorzugsweise auf weniger als 0,5
Vol.-%, noch bevorzugter auf weniger als 0,1 Vol.-% verringert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin in Schritt a) mindestens ein Katalysator verwendet wird, der mindestens ein Element aus der Gruppe enthält, die besteht aus: Chrom, Ruthenium, Palladium, Platin, Nickel, Rhodium, Iridium, Gold Eisen, Kupfer, Mangan, Kobalt, Zirkon.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin in Schritt b) mindestens ein Katalysator verwendet wird, der mindestens ein Element aus der Gruppe enthält, die besteht aus: Ruthenium (beispielsweise als Rutheniumoxid, Rutheniumchlorid oder andere Rutheniumverbindungen), Gold, Palladium, Platin, Osmium, Iridium, Silber, Kupfer, Kalium, Rhenium, Chrom.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin der Katalysator in Schritt a) und/oder b) auf einen Träger aufgezogen ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, worin der Träger in Schritt b) aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Zeolith, Zinnoxid, Carbon Nano Tubes .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dass die folgenden Schritte umfasst:
■ Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Chlor in Gegenwart eines Katalysators (bevorzugt Aktivkohle) zu Phosgen, wobei Kohlenmonoxid im stöchiometrischen Überschuss verwendet wird,
■ Umsetzung des entstandenen Phosgens mit organischen Aminen unter Bildung von organischen Isocyanaten und Chlorwasserstoff- und Kohlenmonoxid enthaltendem Gas,
■ Abtrennung der organischen Isocyanaten,
■ ggf. Reinigung des Chlorwasserstoff- und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases,
• Unterwerfung des gereinigten Chlorwasserstoff- und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases der katalytischen Kohlenmonoxid-Oxidation unter adiabatischen Bedingungen, ■ Gegebenenfalls Zu- oder Abführung von Wärme über einen Wärmeübertrager,
■ Unterwerfen des Chlorwasserstoff-enthaltenden Gases der katalytischen Oxidation mit Sauerstoff unter Bildung von Chlor,
■ Abtrennung des resultierenden Chlors, und
■ Gegebenenfalls Rückführung des abgetrennten Chlors in die Phosgensynthese.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung des Phosgens mit organischen Aminen in der Gasphase stattfindet.
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