JP2014520742A - 断熱反応カスケードにおける酸化セリウム触媒を使用する塩素の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
4HCl+O2→2Cl2+2H2O
しかしながら、ディーコン法は、塩素アルカリ工業の導入をもってかなり目立たないものとなった。事実上、塩素の全体の生産は、塩化ナトリウム水溶液の電気分解によるものであった(Ullmann Encyclopedia of Industrial Chemistry、第7版、2006)。しかしながら、ディーコン法は、最近では目を引くものとなり改めて関心が持たれている。それというのも、塩素の世界中の需要が水酸化ナトリウム溶液の需要よりも速く拡大しているからである。塩化水素の酸化による塩素の製造方法であって、水酸化ナトリウム溶液の製造と関連していない方法はこの需要を支えることができる。更に、塩化水素は、例えばイソシアネートの製造でのようなホスゲン化反応において関連生成物として多量に得られる。
a)酸化セリウムを、触媒中の触媒活性成分として使用することと、
b)前記反応ガスを、酸化セリウム触媒において断熱的反応カスケードで転化させることと、
を特徴とし、前記断熱的反応カスケードは、触媒床を有する少なくとも2つの断熱的反応帯域を含み、前記帯域は、前記反応生成物の冷却のための中間冷却帯域によって直列に接続されており、O2/HClのモル比が酸化セリウムを含む前記触媒床のあらゆる部分で少なくとも0.75であることを特徴とする前記方法である。
例1(本発明による):担持型触媒の製造
担持型の酸化セリウム触媒を、(1)Saint-Gobain Norpro社製のアルミナ担体(SA 6976、1.5mm、254m2/g)を市販の塩化セリウム(III)七水和物(Aldrich、99.9純度)で初期湿潤含浸(Incipient wetness impregnation)させ、引き続き(2)80℃で6時間にわたり乾燥させ、(3)700℃で2時間にわたりか焼することによって製造した。か焼後のCeO2として計算された最終負荷量は、触媒の全体量に対して15.6質量%であった。
例1からの酸化セリウム触媒を篩分級物(100〜250μmの粒径)にまで破砕した。
例1からの製造されたままの1gの酸化セリウム触媒をそれぞれの実験のためにチューブ(8mmの内径)に充填した。触媒をチューブ中で窒素流のもと加熱した。定常状態に達した後に、HClと酸素のガス混合物(第1表を参照)を、前記チューブへと430℃でほぼ大気圧下で供給した。前記チューブのトレース加熱によって、温度を430℃で一定に保った。生成物流を、ヨウ化ナトリウム溶液(水中20質量%)へと約15分にわたり数回通過させ、それにより生成したヨウ素を0.1Nのチオ硫酸塩溶液で滴定した。空時収量(STY)は、以下の式:
空時収量[g/gh]=mCl2×mcatalyst -1×tsampling -1
[式中、mCl2は、塩素の量であり、mcatalystは、使用した触媒の量であり、かつtsamplingは、試料採取時間である]を使用することによって計算した。
例1からの1gの酸化セリウム触媒をそれぞれの実験のために使用した。実験の装置と実施は、ガス流が変更されたことを除き、例3におけるのと同じである。結果は、第2表に列挙されている。
例2からの篩分級物(100〜250μm)1gを、4gのガラスビーズ(spheri glass)によって希釈し、それぞれの実験のためにチューブに充填した。触媒をチューブ中で窒素流のもと加熱した。定常状態に達した後に、第3表に示されるようにHClと酸素のガス混合物を、前記チューブへと400℃でほぼ大気圧下で供給した。前記チューブのトレース加熱によって、温度を運転中の時間にわたり400℃で一定に保った。生成物流を、ヨウ化ナトリウム溶液(水中20質量%)へと数回通過させ、それにより生成したヨウ素を0.1Nのチオ硫酸塩溶液で滴定した。HCl転化率を、以下の式:
HCl転化率[%]=2×nCl2×nHCl -1×100%
[式中、nCl2は、滴定された塩素のモル量であり、かつnHClは、同じ時間における供給されたHClのモル量である]を使用することによって計算した。
例2からの篩分級物(100〜250μm)1gを使用した。実験の装置と実施は、ガス流が変更されたことを除き、例4におけるのと同じである(第4表)。
例1からの製造されたままの1gの酸化セリウム触媒をチューブ(8mmの内径)に充填した。触媒をチューブ中で窒素流のもと加熱した。定常状態に達した後に、1L/hのHCl、4L/hのO2および5L/hのN2を、前記チューブへと430℃でほぼ大気圧下で供給した。前記チューブのトレース加熱によって、温度を430℃で一定に保った。生成物流を、ヨウ化ナトリウム溶液(水中20質量%)へと約15分にわたり数回通過させ、それにより生成したヨウ素を0.1Nのチオ硫酸塩溶液で滴定した(第5表)。空時収量は、以下の式:
空時収量[g/gh]=mCl2×mcatalyst -1×tsampling -1
[式中、mCl2は、塩素の量であり、mcatalystは、使用した触媒の量であり、かつtsamplingは、試料採取時間である]を使用することによって計算した。
例1からの製造されたままの80gの酸化セリウム触媒をチューブ(14mmの内径、1.5mの長さ、可動式の熱電対を有する内管を含む)に充填した。チューブ内側の触媒を、予熱された窒素流のもと加熱した。定常状態に達した後に、0.3モル/hのHClおよび0.75モル/hの酸素(O2/HCl比2.5)をほぼ大気圧下で前記チューブへと供給した。ガス混合物の予熱とチューブのトレース加熱によって、温度プロフィールは、運転中5005時間にわたってほぼ一定に保った(第6表)。生成物流を、ヨウ化ナトリウム溶液(水中20質量%)へと約15分にわたり数回通過させ、それにより生成したヨウ素を0.1Nのチオ硫酸塩溶液で滴定した(第7表)。HCl転化率を、以下の式:
HCl転化率[%]=2×nCl2×nHCl -1×100%
[式中、nCl2は、滴定された塩素のモル量であり、かつnHClは、同じ時間における供給されたHClのモル量である]を使用することによって計算した。
酸化セリウム粉末(Aldrich、ナノ粉末)を900℃で5時間にわたりか焼した。各実験のために、0.5gのか焼された試料(粒度=0.4〜0.6mm)を、チューブ(8mmの内径)中に充填した。チューブの内側の触媒粉末を、窒素流のもと加熱した。定常状態に達した後に、HCl、O2およびN2をほぼ大気圧下で前記チューブへと供給した。前記チューブのトレース加熱によって、触媒温度を430℃で一定に保った。O2/HCl比を、HClの分圧を一定に保って0.5と7の間で変動させ、かつO2/HCl比を、酸素分圧を一定に保って0.25と2の間で変動させた。それぞれのO2/HCl比での運転中1時間後に、出口ガスを、ヨウ化ナトリウム溶液(水中2質量%)へと約5分にわたり通過させ、それにより生成したヨウ素を0.1Mのチオ硫酸ナトリウム溶液で滴定した。HCl転化率を、以下の式:
HCl転化率[%]=2×nCl2×nHCl -1×100%
[式中、nCl2は、滴定された塩素のモル量であり、かつnHClは、同じ時間における供給されたHClのモル量である]を使用することによって計算した。
X線回折相分析(PAN分析によるX'Pert PRO-MPD回折計、10〜70°の2θ範囲、0.017°の角度のステップサイズ、ステップ毎の計数時間0.26秒;図3、パターンa−f)を、種々の条件で処理された(すなわち900℃でか焼し(a)、430℃で3時間にわたりそれぞれO2/HCl比0(e)もしくは0.25(d)もしくは0.75(c)もしくは2(b)を有する反応混合物にさらされるか、または500℃でか焼して430℃で3時間にわたりO2/HCl比0を有するフィードにおいて処理される(f))酸化セリウム試料(Aldrich、ナノ粉末)のキャラクタリゼーションのために適用した。CeO2(JCPDS 73-6328)は、XRDパターンにおいて排他的または優勢な相として明らかにされる。CeCl3・6H2O(JCPDS 01-0149)の反射は、回折図の幾つかについて灰色のボックスでマークした2θ範囲に見られる。
酸化セリウム粉末(Aldrich、ナノ粉末)を、それぞれ、500℃と900℃で5時間にわたってか焼し(第9表)、300℃〜1100℃で5時間にわたってか焼した(第10表)。か焼された触媒試料を、更に、O2/HCl=2において430℃で3時間にわたり処理し(第9表、第10表における表示O2/HCl=2)、またはO2/HCl=0において430℃で3時間にわたり処理した(第9表における表示O2/HCl=0)。新たな試料(第10表)および処理された試料(第9表)を、窒素吸着によって分析してその表面積を測定し(Quantachrome Quadrasorb-SIガス吸着分析器、BET法)、そしてX線光電子分光法によって分析して表面塩素化の程度を測定した(Phoibos 150、SPECS、単色化されていないAl Kα(1486.6eV)励起、半球状分析器)。
酸化セリウム粉末(Aldrich、ナノ粉末)を900℃で5時間にわたりか焼した。各実験のために、0.5gのか焼された粉末を、チューブ(8mmの内径)中に充填した。チューブの内側の触媒粉末を、窒素流のもと加熱した。定常状態に達した後に、触媒を本発明によるものでないフィード組成O2HCl=0(3時間)もしくは0.25(5時間)にさらす失活工程と、触媒の再酸化の調査のために過剰の酸素を2時間にわたって供給(O2/HCl=2もしくは7)する再生工程とを組み合わせて実験を430℃で実施した。
フィード流として、1.37キロモル/hのHCl、0.69キロモル/hのO2、0.03キロモル/hのCl2、0.08キロモル/hのH2Oおよび0.38キロモル/hのN2を、ほぼ5バール(ゲージ)で供給する。HCl供給の分割、断熱段階の入口温度と出口温度ならびに他の関連パラメータは第1表に提供される。最低のO2/HCl比は、第四の断熱段階の入口についての0.84である。前記の最低のO2/HCl比は、常に反応化学量論比(1モルの酸素当たりの転化されたHCl4モル)のため触媒床の入口でのものであることに留意する。
フィード流は例13におけるものと等しく、フィード流はほぼ5バール(ゲージ)で供給される。HCl供給の分割、断熱段階の入口温度と出口温度ならびに他の関連パラメータは第13表に提供される。2つの反応下位帯域が第一の断熱段階(1a/b)と第二の断熱段階(2a/b)に存在する。前記の第一の反応下位帯域は、ルテニウムを基礎とする触媒(a)を含み、第二の反応下位帯域は、酸化セリウム触媒(b)を含む。第三の断熱段階では、ルテニウムを基礎とする触媒だけが適用される。酸化セリウム触媒についての最低のO2/HCl比は、前記の(酸化セリウム触媒を含む)第二の反応帯域(2b)の入口については0.75である。前記の最低のO2/HCl比は、常に反応化学量論比(1モルの酸素当たりの転化されたHCl4モル)のため触媒床の入口でのものであることに留意する。
例1からの製造されたままの25gの酸化セリウム触媒をチューブ(21mmの内径、330mmの長さ、可動式の熱電対を有する内管を含む)に充填した。チューブ内側の触媒を、予熱された窒素流のもと加熱した。定常状態に達した後に、様々なガスフィードを約4バール(ゲージ)において前記チューブに供給した(例14)。生成物流を、ヨウ化ナトリウム溶液(水中20質量%)へと2回(60分後と120分後)通過させ、それにより生成したヨウ素を0.1Nのチオ硫酸塩溶液で滴定した(第7表)。HCl転化率は、以下の式:
空時収量[g/gh]=mCl2×mcatalyst -1×tsampling -1
[式中、mCl2は、塩素の量であり、mcatalystは、使用した触媒の量であり、かつtsamplingは、試料採取時間である]を使用することによって計算した。第14表においては、2つの滴定の平均値が示されている。
Claims (15)
- 触媒の存在下で塩化水素ガスを酸素により熱触媒的に気相酸化させ、そして塩素、塩化水素、酸素および水を含む反応生成物から塩素を分離することによって塩素を製造するための方法において、
a)酸化セリウムを、触媒中の触媒活性成分として使用することと、
b)前記反応ガスを、酸化セリウム触媒において断熱的反応カスケードで転化させることと、
を特徴とし、前記断熱的反応カスケードは、触媒床を有する少なくとも2つの断熱的反応帯域を含み、前記帯域は、前記反応生成物の冷却のための中間冷却帯域によって直列に接続されており、O2/HClのモル比が酸化セリウムを含む前記触媒床のあらゆる部分で少なくとも0.75、特に少なくとも1、特に好ましくは少なくとも1.5であることを特徴とする前記方法。 - 請求項1に記載の方法であって、3〜7つの断熱反応段階が提供されることを特徴とする前記方法。
- 請求項1または2に記載の方法であって、追加の塩化水素ガス流を、好ましくは後続の断熱的反応帯域に入る前に、中間冷却帯域で反応生成物と混合することを特徴とする前記方法。
- 請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法であって、酸化セリウム触媒の温度を、断熱的反応カスケードのあらゆる反応帯域で200〜600℃の範囲に、特にあらゆる反応帯域の入口ガス温度を少なくとも200℃の温度に保ち、かつそれぞれの反応帯域の反応ガスの出口温度を少なくとも600℃の温度に保つことによって、特に好ましくはそれぞれの触媒床の温度をガス流の制御によって制御することによって、特に極めて好ましくはその都度の反応帯域への入口ガス流全体の量に対してHClガスの量を制御することによって保つことを特徴とする前記方法。
- 請求項4に記載の方法であって、最後の断熱反応帯域の出口ガス温度は、先行する反応段階に入る出発物質ガス流の組成を介して、少なくとも450℃、より好ましくは少なくとも420℃となるように制御されることを特徴とする前記方法。
- 請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法であって、最後の断熱段階の反応帯域の出口ガス温度を、他の断熱段階のそれぞれの先行する反応帯域の出口ガス温度よりも低く保つことを特徴とする前記方法。
- 請求項1から6までのいずれか1項に記載の方法であって、断熱的反応カスケードにおける絶対圧力を、2〜10バール(2000〜10000hPa)の範囲に保つことを特徴とする前記方法。
- 請求項1から7までのいずれか1項に記載の方法であって、ルテニウム金属および/またはルテニウム化合物および酸化セリウムを触媒活性成分として含む触媒を使用することを特徴とする前記方法。
- 請求項1から7までのいずれか1項に記載の方法であって、少なくとも2種の異なる種類の触媒が、異なる反応帯域に存在し、その際、第一の種類の触媒は、ルテニウム金属および/またはルテニウム化合物を触媒活性成分として含み、かつ第二の種類の触媒は、酸化セリウムを触媒活性成分として含むことを特徴とする前記方法。
- 請求項9に記載の方法であって、ルテニウムを基礎とする触媒を、200〜400℃の範囲のガス温度を有する反応帯域で適用し、その一方で、酸化セリウム触媒を、300〜600℃の範囲のガス温度を有する反応帯域で適用することを特徴とする前記方法。
- 請求項9または10に記載の方法であって、少なくとも1つの断熱的反応帯域が、少なくとも2つの反応下位帯域、すなわちルテニウムを基礎とする触媒を含む第一の反応下位帯域と酸化セリウム触媒を含む第二の反応下位帯域を含むことを特徴とする前記方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記方法の運転中に、酸化セリウム触媒の初期活性を、O2/HClの比率を高めることによって、好ましくはHClの量を減らすことによって、特に好ましくはO2/HClの比率を二倍に高めることによって、特に高められたO2/HClの比率をほぼ少なくとも30分の間にわたって保ち、次いで元のO2/HClの比率に戻すことによって回復させることを特徴とする前記方法。
- 請求項1から12までのいずれか1項に記載の方法であって、酸化セリウム触媒であって、その製造の間に500℃〜1100℃の温度に、好ましくは酸化性条件下で加熱された触媒が適用されることを特徴とする前記方法。
- 請求項1から13までのいずれか1項に記載の方法であって、前記方法で酸化セリウム触媒であって、CeCl3・6H2OもしくはCeCl3相を含まず、かつ特にCeCl3・6H2OもしくはCeCl3相に特徴的な大きなX線回折反射を示さない触媒を使用することを特徴とする前記方法。
- 請求項1から14までのいずれか1項に記載の方法であって、前記方法で使用される酸化セリウム触媒は、前記触媒の使用中に酸化セリウム触媒中の3より多くの理論的酸素層が塩素によって交換されたら、高められたO2/HClモル比での活性回復処理がなされるか、または新たな触媒によって交換されることを特徴とする前記方法。
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