Katalysator und Verfahren zur Herstellung von Chlor durch Gasphasenoxidation von Chlorwasserstoff Catalyst and process for producing chlorine by gas phase oxidation of hydrogen chloride
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator und ein Verfahren zur Herstellung von Chlor durch katalytische Oxidation von Chlorwasserstoff. Der Katalysator umfasst eine aktive Komponente und ein Trägermaterial, wobei die aktive Komponente mindestens Uran oder eine Uranverbindung umfasst. Der Katalysator zeichnet sich durch eine hohe Stabilität und Aktivität bei einem im Vergleich zu den Edelmetallen niedrigeren Preis aus.The present invention relates to a catalyst and a process for the production of chlorine by catalytic oxidation of hydrogen chloride. The catalyst comprises an active component and a carrier material, wherein the active component comprises at least uranium or a uranium compound. The catalyst is characterized by a high stability and activity at a lower price compared to the precious metals.
Eine Reaktion von großem industriellem Interesse ist das von Deacon 1868 entwickelte Verfahren der katalytischen Chlorwasserstoffoxidation mit Sauerstoff:A reaction of great industrial interest is the process of catalytic hydrogen chloride oxidation with oxygen developed by Deacon in 1868:
4 HCl + O2 => 2 Cl2 + 2 H2O.4 HCl + O 2 => 2 Cl 2 + 2 H 2 O.
Durch die Chloralkalielektrolyse wurde das Deacon- Verfahren in der Vergangenheit stark in den Hintergrund gedrängt. Nahezu die gesamte Produktion von Chlor erfolgte durch Elektrolyse wässriger Kochsalzlösungen [Ulimann Encyclopedia of industrial chemistry, seventh release, 2006, p 3]. Die Attraktivität des Deacon- Verfahrens nimmt jedoch in jüngster Zeit wieder zu, da der weltweite Chlorbedarf stärker wächst als die Nachfrage nach Natronlauge. Dieser Entwicklung kommt das Verfahren zur Herstellung von Chlor durch Oxidation von Chlorwasserstoff entgegen, das von der Natronlaugenherstellung entkoppelt ist. Darüber hinaus fällt Chlorwasserstoff in großen Mengen beispielsweise bei Phosgenierungsreaktionen, etwa bei der Isocyanat-Herstellung, als Koppelprodukt an.Due to the chloralkali electrolysis, the Deacon process has been pushed to the background in the past. Nearly all of chlorine was produced by the electrolysis of aqueous saline [Ulimann Encyclopedia of Industrial Chemistry, Seventh Release, 2006, p 3]. However, the attractiveness of the Deacon process has increased again recently, as the global demand for chlorine is growing faster than the demand for caustic soda. This development is countered by the process for the production of chlorine by oxidation of hydrogen chloride, which is decoupled from the sodium hydroxide production. In addition, hydrogen chloride precipitates in large quantities, for example in phosgenation reactions, such as in isocyanate production, as by-product.
Die Oxidation von Chlorwasserstoff zu Chlor ist eine Gleichgewichtsreaktion. Die Lage des Gleichgewichts verschiebt sich mit zunehmender Temperatur zu Ungunsten des gewünschten Endproduktes. Es ist daher vorteilhaft, Katalysatoren mit möglichst hoher Aktivität einzusetzen, die die Reaktion bei niedriger Temperatur ablaufen lassen.The oxidation of hydrogen chloride to chlorine is an equilibrium reaction. The position of the equilibrium shifts with increasing temperature to the detriment of the desired end product. It is therefore advantageous to use catalysts with the highest possible activity, which allow the reaction to proceed at low temperature.
Erste Katalysatoren für die Chlorwasserstoffoxidation mit der katalytisch aktiven Komponente Ruthenium wurden schon 1965 in DE 1 567 788 beschrieben, in diesem Fall ausgehend von RuCl3.The first catalysts for the oxidation of hydrogen chloride with the catalytically active component ruthenium were described as early as 1965 in DE 1 567 788, in this case starting from RuCl 3 .
Weitere Ru-basierte Katalysatoren mit der aktiven Komponente aus Rutheniumoxid oder Rutheniummischoxid wurden in DE-A 197 48 299 beschrieben. Dabei beträgt der Gehalt an Rutheniumoxid 0,1 Gew.-% bis 20 Gew.-% und der mittlere Teilchendurchmesser von Rutheniumoxid 1,0 nm bis 10,0 nm.
Weitere auf Titanoxid oder Zirkoniumoxid geträgerte Ru-Katalysatoren sind aus DE-A 197 34 412 bekannt. Für die Herstellung der darin beschriebenen Rutheniumchlorid-Katalysatoren, die mindestens eine Verbindung Titandioxid und Zirkondioxid enthalten, wurden eine Reihe von Ru- Ausgangsverbindungen angegeben, wie beispielsweise Ruthenium-Carbonyl-Komplexe, Rutheniumsalze anorganischer Säuren, Ruthenium-Nitrosyl-Komplexe, Ruthenium-Amin- Komplexe, Rutheniumkomplexe organischer Amine oder Ruthenium-Acetylacetonat-Komplexe. In einer bevorzugten Ausführung wurde Titandioxid in Form von Rutil als Träger eingesetzt.Further Ru-based catalysts with the active component of ruthenium oxide or ruthenium mixed oxide were described in DE-A 197 48 299. In this case, the content of ruthenium oxide is from 0.1% by weight to 20% by weight and the average particle diameter of ruthenium oxide is from 1.0 nm to 10.0 nm. Other supported on titanium oxide or zirconium Ru catalysts are known from DE-A 197 34 412. For the preparation of the ruthenium chloride catalysts described therein, which contain at least one compound titanium dioxide and zirconium dioxide, a number of Ru starting compounds have been indicated, such as, for example, ruthenium-carbonyl complexes, ruthenium salts of inorganic acids, ruthenium-nitrosyl complexes, ruthenium-amine. Complex, ruthenium complexes of organic amines or ruthenium-acetylacetonate complexes. In a preferred embodiment, titanium dioxide in the form of rutile was used as carrier.
Die bekannten Ru-Katalysatoren besitzen zwar bereits eine recht hohe Aktivität, für eine industrielle Anwendung in der Chlorwasserstoffoxidation ist jedoch eine weitere Steigerung der Aktivität bei guter Langzeitstabilität wünschenswert. Durch eine Erhöhung der Reaktionstemperatur könnte zwar die Aktivität der Ru-Katalysatoren gesteigert werden, jedoch neigen diese bei höheren Temperaturen zur Versinterung und damit zur Deaktivierung.Although the known Ru catalysts already have a fairly high activity, for industrial use in the hydrogen chloride oxidation, a further increase in activity with good long-term stability is desirable. Although the activity of the Ru catalysts could be increased by increasing the reaction temperature, they tend to sinter and thus deactivate at higher temperatures.
Es ist bekannt, dass sich Uranoxide als Oxidationskatalysatoren für eine Reihe von Komplettbzw. Selektivoxidationen eignen. Ein typisches Beispiel für den Einsatz von uranbasierten Katalysatoren ist die Oxidation von CO zu CO2, wie beispielsweise von Campbell at al in J. Molec. Cat. A: Chem., (2006), 245(1-2), 62-68 beschrieben wurde. Weitere bekannte von uranhaltigen Mischoxiden katalysierte Oxidationen sind beispielsweise die von Isobuten zu Acrolein (Corberan et. al., Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., (1984), 24, 546, und 1985, 24, 62) und die von Propylen zu Acrolein und Acrylnitril (US 3 308 151 und US 3 198 750). Weiterhin ist noch die Totaloxidation von VOC (volatile organic Compounds) an UjOg die insbesondere von Hutchings et. al. (Nature, (1996), 384, p341) untersucht wurde, bekannt. Eine Eignung von Uranverbindungen für die katalytische Chlorwasserstoffoxidation mit Sauerstoff wird jedoch in diesem Zusammenhang nicht offenbart.It is known that uranium oxides are used as oxidation catalysts for a number of Komplettbzw. Selective oxidations are suitable. A typical example of the use of uranium-based catalysts is the oxidation of CO to CO 2 , as described, for example, by Campbell et al in J. Molec. Cat. A: Chem., (2006), 245 (1-2), 62-68. Further known oxidations catalyzed by uranium-containing mixed oxides are, for example, those of isobutene to acrolein (Corberan et al., Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., (1984), 24, 546, and 1985, 24, 62) and that of propylene to acrolein and acrylonitrile (US Pat. Nos. 3,308,151 and 3,198,750). Furthermore, the total oxidation of VOC (volatile organic compounds) to UjOg the particular of Hutchings et. al. (Nature, (1996), 384, p341). A suitability of uranium compounds for the catalytic hydrogen chloride oxidation with oxygen, however, is not disclosed in this context.
In der DE 1 078 100 werden Katalysatoren umfassend Salze oder Oxide von Silber, Uran oder Thorium offenbart, die sich auf inerten Trägern aus Kaolin, Kieselgel, Kieselgur oder Bimsstein befinden. Es wird nicht offenbart, dass die resultierenden Katalysatoren kalziniert werden, wodurch mit einer geringen Stabilität der offenbarten Katalysatoren zu rechnen ist. Es wird stets eine Zusammensetzung offenbart, die die Anwesenheit von Silber und Salzen oderDE 1 078 100 discloses catalysts comprising salts or oxides of silver, uranium or thorium which are located on inert carriers of kaolin, silica gel, diatomaceous earth or pumice. It is not disclosed that the resulting catalysts are calcined, which results in low stability of the disclosed catalysts. It is always disclosed a composition that the presence of silver and salts or
Oxiden von seltenen Erden voraussetzt. Demzufolge ist in Ermangelung weiterer Offenbarung davon auszugehen, dass die technische Lehre auf einen Co-katalytischenOxides of rare earths required. Accordingly, in the absence of further disclosure, it can be assumed that the technical teaching is based on a co-catalytic
Effekt zielt, der im Zusammenspiel der einzelnen katalytisch aktiven Bestandteile erst einen Umsatz ermöglicht.The effect is aimed at first enabling a turnover in the interaction of the individual catalytically active constituents.
Dies ist nachteilig, weil sowohl die Verwendung von Silber und von den Salzen oder Oxiden der seltenen Erden dazu führen, dass der Katalysator wirtschaftlich unvorteilhaft
gegenüber Alternativen ohne diese Bestandteile ist. Insbesondere die Verwendung von Silber kann hier in Anbetracht der kontinuierlich steigenden Preise dieses Edelmetalls als besonders nachteilig angesehen werden.This is disadvantageous because both the use of silver and the rare earth salts or oxides cause the catalyst to be economically disadvantageous versus alternatives without these ingredients. In particular, the use of silver may be considered particularly disadvantageous in view of the continuously increasing prices of this precious metal.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand demnach darin, einen Katalysator bereitzustellen, welcher die Oxidation von Chlorwasserstoff mit hohen Aktivitäten bei guter Langzeitstabilität und möglichst geringen Kosten bewerkstelligt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Verfahren zur katalytischen Gasphasenoxidation von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff unter Verwendung eines solchen Katalysators bereitzustellen.The object of the present invention was therefore to provide a catalyst which accomplishes the oxidation of hydrogen chloride with high activities with good long-term stability and the lowest possible cost. Another object of the present invention was to provide a process for the catalytic gas phase oxidation of hydrogen chloride with oxygen using such a catalyst.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass uranbasierte Katalysatoren eine hohe Aktivität bei guter Langzeitstabilität für die Oxidation von Chlorwasserstoff zu Chlor aufweisen. Gleichzeitig bieten uranbasierte Katalysatoren wirtschaftliche Vorteile, da sie billiger als die herkömmlich im Stand der Technik verwendeten Stoffe sind.Surprisingly, it has now been found that uranium-based catalysts have a high activity with good long-term stability for the oxidation of hydrogen chloride to chlorine. At the same time, uranium-based catalysts offer economic advantages since they are cheaper than the materials conventionally used in the prior art.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Katalysator zur katalytische Oxidation von Chlorwasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er als katalytisch aktive Komponenten mindestens Uran oder eine Uranverbindung und ein Trägermaterial umfasst.The present invention therefore provides a catalyst for the catalytic oxidation of hydrogen chloride, characterized in that it comprises at least uranium or a uranium compound and a carrier material as catalytically active components.
Geeignete Trägermaterialien für den Katalysator sind beispielsweise Siliziumdioxid, Aluminiumoxid (z.B. in α- oder γ- Modifikationen), Titandioxid (als Rutil, Anatas usw.), Zinndioxid, Zirkondioxid, Cerdioxid, Carbon Nano Tubes (Kohlenstoffhanoröhrchen) oder deren Gemische.Suitable support materials for the catalyst include, for example, silica, alumina (e.g., in α or γ modifications), titania (as rutile, anatase, etc.), tin dioxide, zirconia, ceria, carbon nanotubes, or mixtures thereof.
Geeignete Uranverbindungen sind beispielsweise Uranoxide, Uranchloride und Uranoxychloride. Geeignete Uranoxide sind beispielsweise - ohne darauf beschränkt zu sein- UO3, UO2, UO bzw. die aus den Gemischen resultierenden nichtstöchimoetrischen Phasen wie beispielsweise U3O5, U2O51U3O7, U3O8, U4O9 und/oder Uj3O34. Suitable uranium compounds are, for example, uranium oxides, uranium chlorides and uranium oxychlorides. Examples of suitable uranium oxides include, but are not limited to, UO 3 , UO 2 , UO or the non-stoichiometric phases resulting from the mixtures, such as U 3 O 5 , U 2 O 51 U 3 O 7 , U 3 O 8 , U 4 O 9 and / or Uj 3 O 34.
Bevorzugt sind Uranoxide oder Gemische von Uranoxiden mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung von UO2ii bis UO2,9.Preference is given to uranium oxides or mixtures of uranium oxides having a stoichiometric composition of UO 2i i to UO 2 , 9 .
Diese bevorzugten Katalysatoren umfassend Uranoxid oder Gemische von Uranoxid als Katalysatoren sind besonders vorteilhaft, weil sie überraschenderweise eine außerordentlich hohe Aktivität und Stabilität für Oxidationsreaktionen aufweisen.These preferred catalysts comprising uranium oxide or mixtures of uranium oxide as catalysts are particularly advantageous because they surprisingly have an extremely high activity and stability for oxidation reactions.
In einer bevorzugten Ausführungsform können als Vorstufe für die Uranoxide auch die Chloridverbindungen oder die Oxychloridverbindungen (UOxCly) eingesetzt werden.
Das Uran beziehungsweise die Uranverbindung kann alleine oder gemeinsam mit weiteren katalytisch aktiven Komponenten eingesetzt werden. Geeignete weitere katalytisch aktive Komponenten sind jene ausgewählt aus der Liste enthaltend Ruthenium, Osmium, Rhodium, Iridium, Palladium, Platin, Kupfer, Silber, Gold, Rhenium, Bismut, Kobalt, Eisen, Antimon, Zinn, Mangan und Chrom. Ebenfalls geeignet sind deren Mischungen oder chemische Verbindungen umfassend mindestens eines der oben genannten Elemente der Liste. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Ruthenium, Gold, Bismut, Cer oder Zr und seine Verbindungen eingesetzt. In einer ganz bevorzugten Ausführung wird Ruthenium in oxidischer Form oder als Chloridverbindung oder als Oxychloridverbindung eingesetzt.In a preferred embodiment, as a precursor for the uranium oxides, the chloride compounds or the oxychloride compounds (UO x Cl y ) can be used. The uranium or the uranium compound can be used alone or together with other catalytically active components. Suitable further catalytically active components are those selected from the list containing ruthenium, osmium, rhodium, iridium, palladium, platinum, copper, silver, gold, rhenium, bismuth, cobalt, iron, antimony, tin, manganese and chromium. Also suitable are their mixtures or chemical compounds comprising at least one of the above-mentioned elements of the list. In a preferred embodiment, ruthenium, gold, bismuth, cerium or Zr and its compounds are used. In a very preferred embodiment, ruthenium is used in oxidic form or as a chloride compound or as an oxychloride compound.
Üblicherweise liegt der Anteil der aktiven Komponente im Bereich von 0,1 bis 90 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 1 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 50 Gew.- % bezogen auf die Gesamtmasse aus aktiver Komponente und Trägermaterial.The proportion of the active component is usually in the range from 0.1 to 90% by weight, preferably in the range from 1 to 60% by weight, more preferably in the range from 1 to 50% by weight, based on the total mass of active Component and carrier material.
Die aktive Komponente kann durch verschiedene Verfahren auf das Trägermaterial aufgebracht werden. Beispielsweise können Feucht- und Nass-Imprägnierung eines Trägermaterials mit geeigneten in Lösung vorhandenen Ausgangsverbindungen oder Ausgangsverbindungen in flüssiger oder kollodialer Form, Auf- und Co-Auffällverfahren, sowie Ionenaustausch und Gasphasenbeschichtung (CVD, PVD) eingesetzt werden. Geeignete Katalysatoren können beispielsweise durch Aufbringen von Uran- bzw. Uranverbindungen auf das Trägermaterial und anschließendes Trocknen oder Trocknen und Kalzinieren erhalten werden.The active component can be applied to the substrate by various methods. For example, wet and wet impregnation of a support material with suitable solution starting compounds or starting compounds in liquid or collodial form, up and co-impingement methods, as well as ion exchange and gas phase coating (CVD, PVD) can be used. Suitable catalysts can be obtained, for example, by applying uranium or uranium compounds to the support material and then drying or drying and calcining.
Bevorzugt ist ein Katalysator, bei dem die aktive Komponente in Form einer wässrigen Lösung oder Suspension auf das Trägermaterial aufgebracht und das Lösungsmittel anschließend entfernt wird.A catalyst is preferred in which the active component is applied to the carrier material in the form of an aqueous solution or suspension and the solvent is subsequently removed.
Besonders bevorzugt ist eine Kombination aus Imprägnierung und anschließendem Trocknen/Kalzinieren bzw. eine Auffällung mit reduzierenden (vorzugsweise Wasserstoff, Hydride oder Hydrazinverbindungen) oder alkalischen Substanzen (vorzugsweise NaOH, KOH oder Ammoniak).Particularly preferred is a combination of impregnation and subsequent drying / calcining or precipitation with reducing (preferably hydrogen, hydrides or hydrazine compounds) or alkaline substances (preferably NaOH, KOH or ammonia).
hi einer weiteren Ausführungsform kann die aktive Komponente in einer nicht-oxidischen Form auf das Trägermaterial aufgebracht und im Laufe der Reaktion in die oxidierte Form umgewandelt werden.In a further embodiment, the active component may be applied to the support material in a non-oxidic form and converted to the oxidized form in the course of the reaction.
Besonders bevorzugt ist ein Katalysator, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der katalytisch aktive Bestandteil als wässrige Lösung oder Suspension von Uran-Halogeniden, -Oxiden, -Hydroxiden oder -Oxyhalogeniden, -Uranyl-Halogeniden, -Oxiden, -Hydroxiden,
Oxyhalogeniden, -Nitraten, -Acetaten oder Acetylacetonaten jeweils allein oder in beliebiger Mischung auf den Träger aufgebracht ist und das Lösungsmittel anschließend entfernt ist.Particular preference is given to a catalyst which is characterized in that the catalytically active constituent is in the form of an aqueous solution or suspension of uranium halides, oxides, hydroxides or oxyhalides, uranyl halides, oxides, hydroxides, Oxyhalides, nitrates, acetates or acetylacetonates each alone or in any mixture is applied to the carrier and the solvent is then removed.
Der Katalysator kann als weitere Komponente Promotoren enthalten. Als Promotoren kommen basisch wirkende Metalle in Frage (z.B. Alkali, Erdalkali und Seltenerdmetalle), bevorzugt sind Alkalimetalle insbesondere Na und Cs und Erdalkalimetalle, besonders bevorzugt sind Erdalkalimetalle, insbesondere Sr, Ba, und das Seltenerdenmetall Ce. Die Promotoren können, ohne darauf beschränkt zu sein, durch Imprägnier- und CVD-Verfahren auf den Katalysator aufgebracht werden, bevorzugt ist eine Imprägnierung, insbesondere bevorzugt nach Aufbringen der katalytischen Hauptkomponente.The catalyst may contain promoters as further component. Suitable promoters are basic-acting metals (for example alkali, alkaline earth and rare earth metals), preference is given to alkali metals, in particular Na and Cs, and alkaline earth metals, particularly preferably alkaline earth metals, in particular Sr, Ba, and the rare earth metal Ce. The promoters may, but are not limited to, be applied to the catalyst by impregnation and CVD processes; preference is given to impregnation, particularly preferably after application of the main catalytic component.
Der Katalysator kann als weitere Komponente Verbindungen zur Stabilisierung der Dispersion der aktiven Komponente enthalten. Geeignete Dispersionsstabilisatoren sind beispielsweise Scandiumverbindungen, Manganoxide und Lanthanoxide. Die Verbindungen zur Stabilisierung der Dispersion werden bevorzugt zusammen mit der aktiven Komponente durch Imprägnierung und/oder Fällung aufgebracht.The catalyst may contain as further component compounds for stabilizing the dispersion of the active component. Suitable dispersion stabilizers are, for example, scandium compounds, manganese oxides and lanthanum oxides. The compounds for stabilizing the dispersion are preferably applied together with the active component by impregnation and / or precipitation.
Die Katalysatoren können unter Normaldruck oder vorzugsweise bei vermindertem Druck unter Stickstoff-, Argon- oder Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 40 bis 2000C getrocknet werden. Die Trocknungsdauer beträgt bevorzugt 10 min bis 6 h.The catalysts can be dried under normal pressure or preferably under reduced pressure under a nitrogen, argon or air atmosphere at a temperature of 40 to 200 ° C. The drying time is preferably 10 minutes to 6 hours.
Die Katalysatoren können unkalziniert oder kalziniert eingesetzt werden. Die Kalzinierung kann in reduzierender, oxidierender oder inerter Phase erfolgen, bevorzugt ist die Kalzinierung in einem Luft- oder im Stickstoffstrom. Die Kalzinierung erfolgt üblicherweise bei Ausschluss von Sauerstoff in einem Temperaturbereich von 150 bis 1000C, bevorzugt im Bereich 200 bis 11000C. In Anwesenheit von oxidierenden Gasen erfolgt die Kalzinierung in einem Temperaturbereich von 150 bis 15000C, bevorzugt im Bereich 200 bis 11000C.The catalysts can be used uncalcined or calcined. The calcination can be carried out in reducing, oxidizing or inert phase, preferably the calcination in an air or nitrogen stream. The calcination is usually carried out in the absence of oxygen in a temperature range from 150 to 100 0 C, preferably in the range 200 to 1100 0 C. In the presence of oxidizing gases calcination takes place in a temperature range of 150 to 1500 0 C, preferably in the range 200 bis 1100 0 C.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Erfindung kann der Katalysator umfassend eine Uran oder eine Uranverbindung einem Vorbehandeln unterzogen werden.In a preferred further development of this invention, the catalyst comprising a uranium or a uranium compound may be subjected to a pretreatment.
Das Vorbehandeln ist üblicherweise ein Vorbehandeln unter den Prozessbedingungen der Verwendung des Katalysators. Da die hier offenbarten Katalysatoren bevorzugt in der Oxidation von HCl mit Sauerstoff verwendet werden, ist ein Vorbehandeln mit einem stöchiometrischen Gemisch aus Sauerstoff und HCl bevorzugt. Besonders bevorzugt ist ein Vorbehandeln mit einem stöchiometrischen Gemisch aus HCl und Sauerstoff bei mindestens 4000C, bevorzugt mindestens 5000C. Das Vorbehandeln erfolgt üblicherweise mindestens für 10 h. Bevorzugt mindestens für 50 h, besonders bevorzugt mindesten für 100 h.
Das Vorbehandeln kann beliebig lange bei beliebigen Temperaturen erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass ein längeres und heißeres Vorbehandeln besser ist als ein kürzeres und kälteres. Es sind auch kürzere und kältere Vorbehandlungen denkbar. Es ist eine Frage der Abwägung, in wiefern ein Mehraufwand im Vorbehandeln, der sich in gesteigerter Aktivität niederschlägt durch diesen Aktivitätsgewinn wieder kompensiert werden kann. Daher sind die gerade angegebenen Temperaturbereiche und Zeitspannen als sinnvolle Empfehlungen, nicht aber als technische Beschränkungen zu verstehen.The pretreatment is usually a pretreatment under the process conditions of use of the catalyst. Since the catalysts disclosed herein are preferably used in the oxidation of HCl with oxygen, pretreatment with a stoichiometric mixture of oxygen and HCl is preferred. Particularly preferred is a pretreatment with a stoichiometric mixture of HCl and oxygen at at least 400 0 C, preferably at least 500 0 C. The pretreatment is usually carried out for at least 10 h. Preferably at least for 50 h, more preferably at least for 100 h. The pretreatment can be carried out as long as desired at any temperatures. It has been shown that a longer and hotter pretreatment is better than a shorter and colder one. There are also shorter and colder pretreatments conceivable. It is a question of weighing how much additional work in pretreatment, which is reflected in increased activity, can be compensated for by this gain in activity. Therefore, the temperature ranges and periods just given are to be understood as meaningful recommendations, but not as technical limitations.
Der wie oben erhaltene Katalysator zeichnet sich durch eine hohe Aktivität in der Chlorwasserstoffoxidation bei niedriger Temperatur aus. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass Uranoxide „Sauerstoffdefekt-Gitterstellen" bilden und so aktiv Redoxzyklen unterstützen können. Gleichzeitig besitzen Uranoxide eine hohe Stabilität gegenüber Chlorwasserstoff. Dies gilt insbesondere für die besonders bevorzugten Uranoxide oder Gemische von Uranoxiden mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung von UO2, i bis UO2,9.The catalyst obtained as above is characterized by high activity in the hydrogen chloride oxidation at low temperature. Without being bound by theory, it is believed that uranium oxides form "oxygen defect lattice sites" and can thus actively support redox cycles, while uranium oxides have high stability to hydrogen chloride, particularly the most preferred uranium oxides or mixtures of uranium oxides with a stoichiometric Composition of UO 2, i to UO 2.9 .
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Chlor durch katalytische Oxidation von Chlorwasserstoff in Gegenwart eines Katalysators, der eine aktive Komponente und ein Trägermaterial umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Komponente Uran oder eine Uranverbindung umfasst.Another object of the present invention is a process for the production of chlorine by catalytic oxidation of hydrogen chloride in the presence of a catalyst comprising an active component and a carrier material, characterized in that the active component comprises uranium or a uranium compound.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Chlorwasserstoff mit Sauerstoff in einer exothermen Gleichgewichtsreaktion in Gegenwart des oben bereits beschriebenen Katalysators zu Chlor oxidiert, wobei Wasserdampf anfällt. Die Reaktionstemperatur beträgt üblicherweise 150 bis 7500C, der übliche Reaktionsdruck beträgt 1 bis 25 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 zum Chlorwasserstoff einzusetzen. Üblich ist beispielsweise ein zwei- bis vierfacher Sauerstoff-Überschuss. Da keine Selektivitätsverluste zu befürchten sind, kann es wirtschaftlich vorteilhaft sein, bei relativ hohem Druck und dementsprechend bei gegenüber Normaldruck längerer Verweilzeit zu arbeiten.In carrying out the process according to the invention, hydrogen chloride is oxidized to chlorine with oxygen in an exothermic equilibrium reaction in the presence of the catalyst already described above to produce water vapor. The reaction temperature is usually 150 to 750 0 C, the usual reaction pressure is 1 to 25 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. Furthermore, it is expedient to use oxygen in excess of stoichiometric amounts of hydrogen chloride. For example, a two- to four-fold excess of oxygen is customary. Since no loss of selectivity is to be feared, it may be economically advantageous to work at relatively high pressure and, accordingly, longer residence time than normal pressure.
Die katalytische Chlorwasserstoff- Oxidation kann adiabatisch oder bevorzugt isotherm oder annähernd isotherm, diskontinuierlich, bevorzugt aber kontinuierlich als Fließ- oderThe catalytic hydrogen chloride oxidation may adiabatically or preferably isothermally or approximately isothermally, discontinuously, but preferably continuously as flow or
Festbettverfahren, bevorzugt als Festbettverfahren, besonders bevorzugt in Rohrbündelreaktoren an Heterogenkatalysatoren bei einer Reaktortemperatur von 180 bis 750 0C, bevorzugt 200 bisFixed bed process, preferably as a fixed bed process, particularly preferably in tube bundle reactors of heterogeneous catalysts at a reactor temperature of 180 to 750 0 C, preferably 200 to
6500C, besonders bevorzugt 220 bis 6000C und einem Druck von 1 bis 25 bar (1000 bis 25000 hPa), bevorzugt 1,2 bis 20 bar, besonders bevorzugt 1,5 bis 17 bar und insbesondere 2,0 bis 15 bar durchgeführt werden.
Übliche Reaktionsapparate, in denen die katalytische Chlorwasserstoff-Oxidation durchgeführt wird, sind Festbett- oder Wirbelbettreaktoren. Die katalytische Chlorwasserstoff- Oxidation kann bevorzugt auch mehrstufig durchgeführt werden.650 0 C, more preferably 220 to 600 0 C and a pressure of 1 to 25 bar (1000 to 25000 hPa), preferably 1.2 to 20 bar, more preferably 1.5 to 17 bar and in particular 2.0 to 15 bar be performed. Typical reactors in which the catalytic hydrogen chloride oxidation is carried out are fixed bed or fluidized bed reactors. The catalytic hydrogen chloride oxidation can preferably also be carried out in multiple stages.
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 Chlorwasserstoff kann entweder vollständig zusammen mit dem Sauerstoff vor dem ersten Reaktor oder über die verschiedenen Reaktoren verteilt zugegeben werden. Diese Reihenschaltung einzelner Reaktoren kann auch in einem Apparat zusammengeführt werden.In the case of the 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, particularly preferably 2 to 5, in particular 2 to 3, connected in series. The hydrogen chloride can be added either completely together with the oxygen before the first reactor or distributed over the various reactors. This series connection of individual reactors can also be combined in one apparatus.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer für das Verfahren geeigneten Vorrichtung 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 aktiver Komponente 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. Beim bevorzugten Einsatz von Katalysatorforrnkörpern sollte das Inertmaterial bevorzugt ähnliche äußere Abmessungen haben.A further preferred embodiment of a device suitable for the method consists in using a structured catalyst bed in which the catalyst activity increases in the flow direction. Such structuring of the catalyst bed can be carried out by different impregnation of the catalyst support with active component or by different dilution of the catalyst with an inert material. As an inert material, for example, rings, cylinders or balls of titanium dioxide, zirconium dioxide or mixtures thereof, alumina, steatite, ceramic, glass, graphite or stainless steel can be used. In the preferred use of Katalysatorforrnkörpern the inert material should preferably have similar outer dimensions.
Als Katalysatorformkörper eignen sich Formkörper mit beliebigen Formen, bevorzugt sind Tabletten, Ringe, Zylinder, Sterne, Wagenräder oder Kugeln, besonders bevorzugt sind Kugeln, Ringe, Zylinder oder Sternstränge als Form.Suitable shaped catalyst bodies are shaped bodies with arbitrary shapes, preference being given to tablets, rings, cylinders, stars, carriage wheels or spheres, particular preference being given to spheres, rings, cylinders or star strands as molds.
Die Formgebung des Katalysators kann nach oder bevorzugt vor der Tränkung des Trägermaterials erfolgen.The shaping of the catalyst can take place after or preferably before the impregnation of the support material.
Der Umsatz an Chlorwasserstoff im einfachen Durchgang kann bevorzugt auf 15 bis 90 %, bevorzugt 40 bis 85%, besonders bevorzugt 50 bis 70% begrenzt werden. Nicht umgesetzter Chlorwasserstoff kann nach Abtrennung teilweise oder vollständig in die katalytische Chlorwasserstoff-Oxidation zurückgeführt werden. Das Volumenverhältnis von Chlorwasserstoff zu Sauerstoff am Reaktoreintritt beträgt bevorzugt zwischen 1:1 und 20: 1, bevorzugt zwischen 2:1 und 8: 1, besonders bevorzugt zwischen 2:1 und 5:1.The conversion of hydrogen chloride in a single pass may preferably be limited to 15 to 90%, preferably 40 to 85%, particularly preferably 50 to 70%. After conversion, unreacted hydrogen chloride can be partly or completely recycled to the catalytic hydrogen chloride oxidation. The volume ratio of hydrogen chloride to oxygen at the reactor inlet is preferably between 1: 1 and 20: 1, preferably between 2: 1 and 8: 1, more preferably between 2: 1 and 5: 1.
Die Reaktionswärme der katalytischen Chlorwasserstoff-Oxidation kann in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Hochdruck- Wasserdampf genutzt werden. Dieser kann zum Betrieb eines Phosgenierungsreaktors und oder von Destillationskolonnen, insbesondere von Isocyanat- Destillationskolonnen genutzt werden.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
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 a phosgenation reactor and / or distillation columns, in particular of isocyanate distillation columns. The following examples illustrate but do not limit the present invention.
BeispieleExamples
Beispiel 1: Uranoxid-Katalysator auf Zinn(TV)-TrägerExample 1: Uranium Oxide Catalyst on Tin (TV) Support
In einem Becherglas wurden 2 g Zinn(IV)-oxid Kugeln (Fa. Saint-Gobain, Oberfläche nach BET von 44,6 m2/g), mit einer ca. 10 Gew.%-igen wässrigen Lösung aus Uranylacetat-dihydrat (Fa. Riedel-de-Haen) mittels Besprühen und nachfolgenden Wiegen imprägniert, so dass sich umgerechnet eine Beladung von 2 Gew.-% U auf den Träger ergibt. Nach einer Wartezeit von 60 min wurde der Katalysator in einem Luftstrom bei 80 0C für 2 h getrocknet. Das anschließende Kalzinieren erfolgte für vier Stunden bei 8000C im Luftstrom, wobei ein Uranoxidkatalysator geträgert auf Zinn(rV)-oxid erhalten wurde.2 g of stannic oxide spheres (Saint-Gobain, BET surface area of 44.6 m 2 / g) were mixed with a ca. 10% strength by weight aqueous solution of uranyl acetate dihydrate ( Fa. Riedel-de-Haen) impregnated by spraying and subsequent weighing, so that the result is a load of 2 wt .-% U on the carrier. After a waiting time of 60 minutes, the catalyst was dried in an air stream at 80 ° C. for 2 hours. The subsequent calcining was carried out for four hours at 800 0 C in the air stream, whereby a uranium oxide catalyst supported on tin (rV) oxide was obtained.
Beispiel 2: Uranoxid-Katalysator auf TiO2-TrägerExample 2: Uranium Oxide Catalyst on TiO 2 Support
In einem Becherglas wurden 2 g Titandioxid (BET von 8,8 m2/g, Fa. Saint Gobain), mit einer ca. 10 gew.%-igen wässrigen Lösung aus Uranylacetat-dihydrat (Fa. Riedel-de-Haen) analog zu Beispiel 1 imprägniert, so dass sich umgerechnet eine Beladung von 2 Gew.-% U auf den Träger ergibt. Nach einer Wartezeit von 60 min wurde der Katalysator in einem Luftstrom bei 80 0C für 2 h getrocknet. Die anschließende Kalzinierung erfolgte für vier Stunden bei 8000C im Luftstrom, wobei ein Uranoxidkatalysator geträgert auf Titan(rV)-oxid erhalten wurde.2 g of titanium dioxide (BET of 8.8 m 2 / g, from Saint Gobain) were analogously mixed with a ca. 10% strength by weight aqueous solution of uranyl acetate dihydrate (Riedel-de-Haen) in a beaker impregnated to Example 1, so that the converted results in a loading of 2 wt .-% U on the support. After a waiting time of 60 minutes, the catalyst was dried in an air stream at 80 ° C. for 2 hours. The subsequent calcining was carried out for four hours at 800 0 C in the air stream, whereby a uranium oxide catalyst supported on titanium (rV) oxide was obtained.
Beispiel 3: Uranoxid-Katalysator auf alpha-Al2O3-TrägerExample 3: Uranium oxide catalyst on alpha-Al 2 O 3 support
In einem Becherglas wurden 2 g alpha-A^C^ (BET von 0,02 m2/g, Fa. Saint Gobain), mit einer ca. 10 Gew.%-igen wässrigen Lösung aus Uranylacetat-dihydrat (Fa. Riedel-de-Haen) analog zu Beispiel 1 imprägniert, so dass sich umgerechnet eine Beladung von 2 Gew.-% U auf den Träger ergibt. Nach einer Wartezeit von 60 min wurde der Katalysator in einem Luftstrom bei 80 0C für 2 h getrocknet. Die anschließende Kalzinierung erfolgte für vier Stunden bei 8000C im Luftstrom, wobei ein Uranoxidkatalysator geträgert auf alpha- Aluminiumoxid erhalten wurde.In a beaker were 2 g of alpha-A ^ C ^ (BET of 0.02 m 2 / g, Fa. Saint Gobain), with an approximately 10 wt .-% - aqueous solution of uranyl acetate dihydrate (Riedel). de-Haen) are impregnated analogously to Example 1, so that the conversion results in a loading of 2% by weight of U on the support. After a waiting time of 60 minutes, the catalyst was dried in an air stream at 80 ° C. for 2 hours. The subsequent calcination was carried out for four hours at 800 0 C in the air stream, whereby a uranium oxide catalyst supported on alpha alumina was obtained.
Beispiel 4: Uranoxid-Katalysator auf gamma- Al2C>3-TrägerExample 4: Uranium oxide catalyst on gamma-Al 2 C> 3 support
In einem Becherglas wurden 2 g gamma-Al2θ3 Formkörper (BET von 260 m2/g, Fa. Saint Gobain) mit einer 10 Gew-%igen wässirgen Lösung von Uranylacetatdihydrat (Fa. Riedel de Haen) analog zu Beispiel 1 imprägniert. Nach einer Einwirkzeit von 1 h wurde das Restwasser in einem Luftstrom bei 800C für 2 h abgetrennt. Der Vorgang wurde so lange wiederholt, bis sich 12 Gew.-% Uran auf den Formkörpern befanden.2 g of gamma-Al 2 O 3 shaped bodies (BET of 260 m 2 / g, from Saint Gobain) were impregnated in a glass beaker with a 10% strength by weight aqueous solution of uranyl acetate dihydrate (Riedel de Haen) analogously to Example 1 , After a contact time of 1 h, the residual water was separated in an air stream at 80 0 C for 2 h. The process was repeated until 12 wt .-% uranium were on the moldings.
Die Formkörper wurden anschließend für vier Stunden bei 8000C im Luftstrom kalziniert.
Beispiel 5: Uranoxid-Katalysator auf Al2O3-Träger mit Kalzinierung bei 800°C, sowie AnalyseThe moldings were then calcined for four hours at 800 0 C in an air stream. Example 5: Uranium oxide catalyst on Al 2 O 3 support with calcination at 800 ° C, and analysis
Analog zu Beispiel 4 wurden 40 g Formkörper aus gamma-Al2θ3 (BET von 200 m2/g, Fa. Saint Gobain) mit Uran imprägniert und kalziniert.Analogously to Example 4, 40 g of gamma-Al 2 O 3 shaped bodies (BET of 200 m 2 / g, Saint Gobain) were impregnated with uranium and calcined.
Eine Untersuchung mittels XRD (Theta/Theta-Reflexionsdiffraktometer SIEMENS D 5000) zeigte das Vorliegen von gamma-Al2θ3, sowie U3O8.Examination by XRD (theta / theta reflection diffractometer SIEMENS D 5000) showed the presence of gamma Al 2 O 3 , as well as U 3 O 8 .
Beispiel 6-8: Einsatz der Katalysatoren aus den Beispielen 1-3 in der HCl-Oxidation bei 5000CExample 6-8: Use of the catalysts from Examples 1-3 in the HCl oxidation at 500 ° C.
0,2 g der gemäß Beispiel 1-3 erhaltenen Katalysatoren wurden gemahlen und als Gemisch mit 1 g Quarzsand (100-200 μm) in ein Quarzreaktionsrohr (Durchmesser ~ 10 mm) eingebracht.0.2 g of the catalysts obtained according to Example 1-3 were ground and introduced as a mixture with 1 g of silica sand (100-200 microns) in a quartz reaction tube (diameter ~ 10 mm).
Das Quarzreaktionsrohr wurde auf 5000C erwärmt und im Folgenden bei dieser Temperatur betrieben.The quartz reaction tube was heated to 500 0 C and subsequently operated at this temperature.
Es wurde ein Gasgemisch aus 80 ml/min HCl und 80 ml/min Sauerstoff durch das Quarzreaktionsrohr geleitet. Nach 30 Minuten wurde der Produktgasstrom für 10 Minuten in eine 16 Gew.-%ige Kaliumiodidlösung geleitet und das somit entstandende Iod mit einer 0,1 N Thiosulfatlösung zurücktitriert, um die eingeleitete Chlormenge zu ermitteln.A gas mixture of 80 ml / min HCl and 80 ml / min oxygen was passed through the quartz reaction tube. After 30 minutes, the product gas stream was passed into a 16% by weight potassium iodide solution for 10 minutes, and the resulting iodine was back titrated with a 0.1 N thiosulfate solution to determine the amount of chlorine introduced.
Es ergaben sich die in Tabelle 1 gezeigten Produktivitäten der Katalysatoren bei 5000C.The productivities of the catalysts shown in Table 1 were found to be 500 ° C.
Beispiel 9: Einsatz des Katalysators aus Beispiel 4 in der HCl-Oxidation bei 5400CExample 9: Use of the catalyst from Example 4 in the HCl oxidation at 540 ° C.
Es wurde ein Versuch analog zu jenen der Beispiele 10-12 für den Katalysator gemäß des Beispiels 4 durchgeführt, wobei nun das Quarzreaktionsrohr auf 5400C erwärmt und im Folgenden bei dieser Temperatur betrieben wurde.An experiment was carried out analogously to those of Examples 10-12 for the catalyst according to Example 4, wherein now the quartz reaction tube was heated to 540 0 C and subsequently operated at this temperature.
Es ergab sich die in Tabelle 2 gezeigte Produktivität des Katalysators bei 54O0C.There the productivity of the catalyst shown in Table 2 at 54O 0 C. resulted
Beispiele 10: Einsatz der Katalysators aus Beispiel 4 in der HCl-Oxidation bei 6000CExamples 10: Use of the catalyst from Example 4 in the HCl oxidation at 600 0 C.
Es wurden ein Versuch analog zu jenen der Beispiele 10-12 für den Katalysator gemäß des Beispiels 4 durchgeführt, wobei nun das Quarzreaktionsrohr auf 6000C erwärmt und im Folgenden bei dieser Temperatur betrieben wurde.An experiment was carried out analogously to those of Examples 10-12 for the catalyst according to Example 4, wherein now the quartz reaction tube was heated to 600 0 C and subsequently operated at this temperature.
Es ergab sich die in Tabelle 2 gezeigte Produktivität des Katalysators bei 6000C.
Tabelle 1:
The productivity of the catalyst shown in Table 2 was found to be 600 ° C. Table 1:
Tabelle 2:
Table 2: