WO1988000171A1 - Process for producing chlorine - Google Patents
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Description
明 細 書
塩素の製造方法
' 技 術 分 野
本発明 は 、 塩素の製造方法、 よ り 詳細 に は塩化水素 ガス を含酸素ガス で酸化 し塩素を製造す る 方法の改良 に関す る も の で あ る 。
背 景 技 術
塩素は 、 食塩電解 に よ り 大規模 に製造さ れて お り 、 近年大幅 に増大 し て い る 塩素の需要を满た し て い る 。 しか し なが ら 、 食塩電解の際 に 同時 に生成す る 苛性 ソ —ダの需要は 、 塩素の需要 に く ら べて 少な い ため、 塩 素 と 苛性 ソ ーダの需要を食塩電解 に よ り 充足 し ょ う と し て も 、 生産 と 需要の不均衡を う ま く 調整す る こ と は 困難な状況 に あ る 。
一方、 有機化合物の塩素化反応 ま た は ホ ス ゲ ン 化反 応の際に は大量の塩化水素が副生 し て い る 。 こ れ ら の 副生塩化水素の量は 、 塩酸の需要量 よ り 大幅 に 多い た め に、 大量の塩化水素が利用 さ れな い ま ま 廃棄さ れ、 その う え廃棄処理 に は か な り の 費用が必要であ る 。
し たが っ て 、 上記の よ う に大量 に廃棄さ れて い る 塩 化水素か ら 効率 よ く 塩素を回収出来れば、 食塩電解 に よ る 方法 と 副生塩化水素か ら の生産方法 と に よ っ て塩 素 と 苛性 ソ ーダの生産 と 需要の均衡を容易 に保つ こ と がで き る 。
塩化水素を酸化 して塩素を製造する 反応は、 古く か ら Deacon反応 と して知ら れて いる 。 塩化水素を酸化 し て塩素を製造する 反応で、 1868年に発明された銅系の いわ ゆ る Deacon触媒が、 従来最も優れた活性を示す触 媒であ る と さ れ、 塩化鎘お よび塩化カ リ に第三成分と して種々 の化合物を添加 し た蝕媒が多数提案さ れて い る 。 しか しなが ら 、 こ れ ら の触媒に よ り 工業的 に充分 な反応速度で塩化水素を酸化する ため に は、 反応温度 を 450 °C以上にする 必要があ り 、 触媒成分の飛散に伴 う 触媒寿命の低下等が問題に な っ て い た。
こ の よ う な問題点 を解消 する の に 、 銅系以外の触 媒、 例えば鉄系その他の触媒の使用が提案さ れて いる が 、 未だ充分実用的性能を示す触媒 は 知 ら れ て い な い。 例え ば、 酸化ク ロ ム系触媒は、 一般に、 鋸系触媒 等に比較 して高温 に対する 安定性、 »久性がある と し て提案さ れて い る が、 未だ充分な活性を示す結果は報 告されて いない。
すなわ ち 、 英国特許第 584 , 790 号は 、 無氷ク ロ ム酸 ま たは硝酸ク ロ ム水溶液を適当な担体に含浸さ せて熱 分解 し た触媒上に、 塩化水素を 400 前後で流通さ せ て塩素を発生させ、 触媒が失活 した と き 、 塩化水素の 供給を停止 し、 空気を流通さ せて蝕媒を再生し、 空気 の流通を断 っ て、 ふたたび、 塩化水素を流通さ せて塩 素を製造する不連続的方法を記載して いる 。
ま た、 英国特許第 676 , 667 号は 、 重ク ロ ム酸塩 ま た は暗緑色の酸化ク ロ ム す なわ ち 、 ア ン グロ ウ ド ク ロ ミ ァ を担体上 に担持 し た触媒を用 い、 塩化水素 と 含酸素 ガス を 420 〜 430 °C の 反応温度 で 流通 さ せ て 反応 さ せ 、 空間速度 380 h r - 1 で は 平衡値の 67 .4 % の 転化率 で、 ま た空間速度 680 h r - 1 で は 63 %の転化率で塩化水 素 を得 た こ と を 開示 し て い る 。 そ の 際 、 反応温度が 340 °C と 低 く て も 、 反応は認め ら れ る が、 こ の場合 に は空間速度を 65 h r- 1の よ う な低い值 に保 っ て 、 52 %の 転化率を得て い る に過 ぎ な い。 そ し て 、 こ の先行技術 は 、 全て の ク ロ ミ ア が塩酸の酸化 に対 して 活性な触媒 に は成 り 得な レヽ こ と を開示 し て い る 。 す なわ ち 、 塩化 水素な酸化 に活性な ク ロ ミ ア は無定形で あ り 、 無定形 の ク ロ ミ ア触媒を製造す る に は 、 無水ク ロ ム 酸を 400 °C 以下で熱処理す る こ と が必要で あ り 、 500 °C 以上 に 加熱 し た ク ロ ミ ァ は結晶化 して HC £ 酸化活性を消失す る こ と を明示 し て レ、 る 。
さ ら id 、 英 国 特 許 第 846 , 852 号 (米 国 特 許 第 3 , 006 , 732 に対応 ) は 、 ク ロ ミ ア触媒は塩化水素の酸 化 に対 して触媒寿命が短 く 、 工業的 な操業 に は 耐 え得 な い ため、 こ れを克服す る 手段 と して 反応原料 に 少量 の塩化ク ロ ミ ル (Cr02G 2)を同伴さ せる こ と に よ り 触 媒寿命を延長で き る こ と を示 し て い る 。 こ の よ う に 、 ク ロ ミ ア 触媒 は 寿命が短 い た め に 、 そ の ま ま で は 、
長期の練続運転 に は 供 し得な い こ と を示 し て い る 。 ま た、 こ の特許に も、 ク ロ ミ ア触媒に関 して、 重ク ロ ム酸ア ン モニ ゥ ム ま た は無水ク ロ ム酸を 500 °C以下、 好 ま し く は 350 〜 40ひ °C に焼成 し た無定形ク ロ ミ アが 高活性を示す こ と を開示 して いる 。
こ の よ う に、 従来公知の方法は、 酸化ク ロ ム を触媒 に用 いて も新たな反応試薬を加えない限 り 、 触媒寿命 が短 く 、 反応温度も高く 、 空間速度も低いの で、 工業 的な操業に は耐え得ない ものであ っ た。 すなわ ち 、 従 来の酸化ク ロ ム触媒は、 銹系触媒に比較 して特に優れ た性能を示すも のでは なか っ た。
発 明 の 開 示
以上の問題点に鑑み、 本発明者 ら は、 高活性で かつ 触媒寿命が長く 、 分子状酸素に よ る塩化水素の酸化反 応が比較的低温で効率よ く 進行する触媒の提供を検討 した結果、 用 い る酸化珪素担体、 担持量お よ び熱処理 温度を選択 しかつ制御する こ と に よ っ て達成で き る こ と を見出 して本発明 に到達した。
すなわち 、 本発明の分子状酸素で塩化水素を酸化す る こ と に よ る 塩素の製造方法ほ 、 細孔容積が 0.3 〜 1.8cc/g の範囲に あ る酸化珪素担体上にク ロ ミ ア と し て 20〜 90重量% と な る 量の酸化ク ロ ム を担持さ せ、 450 〜 700 °C の温度で熱処理して得ら れる酸化ク ロ ム 触媒の存在下 に酸化す る こ と に よ っ て 特徴づ け ら れ
る 。
本発明で 用 い ら れ る酸化ク ロ ム触媒は 、 酸化反応温 度が 350 〜 430 °C で あ り 、 塩化水素 に 対す る 含酸素ガ ス中の分子状酸素の モ ル比が 0.25〜 5 であ り 、 塩化水 素の量が每時 200 〜 1800 N SL /Kg 触媒で かつ反応形式 が流動床反応であ る よ う な、 比較的低温でかつ原料ガ ス の高い空間速度 に よ る 酸化反応に お け る 採用 に対 し て特 に好適で あ る 。 '
そ し て本発明 に 用 い ら れ る 酸化ク ロ ム触媒は 、 無水 ク ロ ム酸 ま た は ク ロ ム塩類永溶液を酸化珪素担体 と 接 触 さ せ次いで乾燥お よ び熱処理 し た も の で あ る こ と が 好 ま し い 。 ま た こ の 場合 に 用 い ら れ る 酸化珪素担体 は 、 表面積が 100 〜 600m2/g 、 平均細孔径が 20〜 300 k 、 ナ ト リ ウ ム お よ び鉄の含量がそれぞれ 0.5wt%以下 で あ る こ と が好 ま し い。 更 に ま た、 こ の 用 に し て得 ら れ る 酸化ク ロ ム触媒の微細晶サ イ ズは 200 〜 500 A で あ る こ と が好 ま し い。
発明が実施す る ための最良の形態
本発明の方法 に 用 い る 触媒の担体は酸化珪素で あ つ て 、 通常 は無定形の シ リ カ ゲルが多用 さ れる 。 シ リ カ 中 に少量の ア ル ミ ナ、 チ タ ニ ア 、 ジルコ ユ ア等が共存 して も使用で き る 。
好 ま し い担体 と し て の シ リ カ ゲ ル は 、 細孔容積 が 0.3 〜 1.8cc/g の範囲、 よ り 好 ま し く は 0.5 〜 1 .5cc/
の範囲で あ り 、 その表面積 は 100 〜 600m2/g の 範 囲、 平均細孔径が 20〜 300 人の範囲の ものが多用 さ れ る 。 こ の場合において、 細孔容積が 0 - 3 cc/gに満たな ぃ場 は、 酸化珪素表面が酸化ク ロ ム に よ っ て被覆さ れた形態 と な る ため に脱落 し易 く 、 一方、 1.8 cc/g以 上の細孔容積の シ リ カ ゲルは製造し難く 、 製造で き た と して も触媒強度が低下し利用で き ない。
酸化珪素に は不純物 と して 、 通常、 Na,Fe 等が含有 さ れるが、 本発明で使用する触媒に は、 Naの含有量が 0.5 重量%以下、 Feの含有量が Q .5 重量%以下、 よ り 好ま し く は Q .1 重量%以下の酸化珪素が使用 さ れる。 上記の不純物濃度が 0 - 5 重量%を越え る と 、 触媒は活 性の低い も の しか得 ら れない。
本発明 に 用 い ら れる 酸化珪素担体は、 一般にク ロ ミ ァ を担持する 前に 300 〜 500 °Cの温度で 1 〜 10時間熱 処理 して使用する こ と が好ま しい。
本発明で用い ら れる酸化ク ロ ム の原料 と して、 通常 無水ク ロ ム酸 (Cr03)ま た はク ロ ム塩類永溶液が用い ら れ、 用い ら れる ク ロ ム塩 と して は、 例え ば、 硫酸ク ロ ム 、 硝酸ク ロ ム 、 塩化ク ロ ム等の ク ロ ム無機塩、 酢酸 ク ロ ム 等の ク ロ ム有機酸塩等の 、 加熱に よ り 分解 して ク ロ ミ ア (Cr 203 ) を与え る塩類が多用 さ れる 。 通常、 こ れ ら の化合物を水に溶解 し た水溶液中に担体を浸漬 し、 担体を分離した.の ち乾燥して調整する のが最も便
利で あ り 、 こ の方法 に よ れ ば製造 コ ス ト も低い。
ク ロ ミ ア と 担体への担持量は 、 比較的高担持量で あ る 20〜 90重量%の範囲で あ り 、 例 え ば 20〜 60重量%濃 度の無水ク ロ ム酸の水溶液を用 い 1 〜 3 回の操作で担 体に 含浸 して担持さ せ る 。 特 に担持量が 60重量%以上 の場合は 2 回以上の浸漬操作で担持さ せ る のが好 ま し い。 第 1 回 目 で 目 的担持量の 1/3〜 1/2 を含浸さ せ、 乾燥後、 更 に無水ク ロ ム酸水溶液を含浸さ せ乾燥す る 操作を繰返 し、 所定量のク ロ ミ ア を担持さ せ る こ と が 好 ま し い。
所定量の ク ロ ム 化合物 を 担持 さ せ た の ち 、 450 〜 700 で 、 好 ま し く は 490 〜 700 °C 、 よ り 好 ま し く は 500 〜 700 °C 、 場合 に よ り 500 °C を越え る 温度な い し 700 °C の温度で 、 通常、 1 ~ 10時間程度熱処理す る 。 熱処理温度が 450 で に満た ない場合は 、 触媒形態は 無 定型 と な り 、 触媒 ラ イ フ が短 く 、 換言すれば初期活性 が高 く て も低下が著 し く ま た触媒成分が揮散 し易い。 一方、 熱処理温度が 700 1C 以上 と な る 場合は 、 熱処理 に よ り 結晶が成長す る 結果、 微結晶サ イ ズが過大 と な り 、 結果 と し て触媒活性が低下する 。
な を、 熱処理後の触媒の ク ロ ミ ア の担持量が 20重量
%未满で は触媒活性が低 く 、 塩酸の処理量 も 少な い う え に 、 触媒の寿命 も短いの で、 担持量は 20重量%以上 と す る こ と が必要で あ り 、 好 ま し く は 40重量%以上 に
する こ と に よ り 、 長い触媒寿命を得る こ と が出来る 。 一方、 担持量が 90%を越えて も 、 活性お よ び蝕媒寿命 は更に向上せず、 触媒の機械的強度が低下する ので、 90重皇%を越える担持量では使用 で き ない。 特に、 流 動床用 の 触媒 と する 際 に は 摩耗損失量が増加す る の で、 担持量は 80重量%を上限と する こ と が好 ま し く 、 更に 60〜 70%程度に保持する のが好ま しい。
前記の温度範囲で熱処理した酸化ク ロ ム触媒は、 結 晶状で、 微結晶サイ ズは通常 200 〜 500 A の範囲に あ り 、 無定形で ほ ない。
本発明の方法において、 分子状酸素で塩化水素を酸 化する 際の反応温度は、 350 〜 430 °C の範囲に保つ こ と が好 ま し く 、 特 に 370 〜 420 °C の範囲が適 し て い る。 反応温度が高い程、 塩化水素の塩素への転化速度 は速 く なる が、 平衡転化率お よ び触媒成分の飛散が多 く なる ので、 上記の温度範囲が選ばれる 。
ま た、 本発明 において、 酸化剤と して 用 いる の は分 子状の酸素であ っ て、 通常 は酸素ガス又は空気が多用 される 。 反応に供する塩化水素と 含酸素ガス中の酸素 のモル比は 0.25〜 5 、 更に 0.3 〜 0.75であ る こ と が好 ま し い。 理論量の -25よ り 酸素が少ない と 、 塩化水素 の転化率が低 く 、 酸素のモル比が邊大にする こ と は、 経済性の面で好 ま し く ない。
触媒床に供給する塩化水素の量は、 毎時 200 〜 1800
/Kg 触媒、 更に 300 〜 1000 /Kg 触媒の範囲が 適 し て い る 。 ま た、 反応器は固定床 ま た は流動床であ り 、 特に流動床反応器が本発明の方法 に適 し て い る 。
前記 し た如 く 、 従来の知見 に よ れば、 塩化水素の酸 ィ匕 に対 し て触媒活性を示す ク ロ ミ ア は 500 °C 以下、 好 ま し く は 350 〜 400 °C で熱処理 し た無定形の触媒で あ つ て 、 500 °C 以上の高温 に処理 し た ク ロ ミ ア は結晶化 し触媒活性は消失す る と さ れて い た。 し か し なが ら 、 本発明の方法 に よれ ば、 酸化ク ロ ム触媒を高原料ガス 空間速度、 高転化率で使用す る こ と がで き 、 ま た、 英 国特許第 846 , 852 号に記載さ れて い る よ う な添加物を 反応原料 に同伴 して 供給す る こ と な し に長期間そ の活 性を維持す る こ と が で き る 。 す なわ ち 、 本発明 は 、 塩 化水素か ら 長期間安定 に効率良 く 塩素を製造で き る ェ 業的 に有利な製造法を提供する も の であ る 。
以下、 実施例 に よ り 本発明を詳細に説明す る 。
な お酸化珪素担体の表面積、 平均細孔径お よ び細孔 容積の測定は 、 窒素ガス吸着法すなわ ち 液体窒素温度 での窒素の吸着量の測定 に基いて行な っ た。 ( CLYDE ORR. Jr . お よ び J.M. DALLVALLE 著、 " Fine Particle Measurement " , The acmi 1 lan Co . NY . (1959)参照 ) 実施例 1
無水 ク 口 ム 酸 を 20重量% 濃度の 水溶液 に 粒径 80〜 250 メ ッ シ ュ の微小球シ リ カ ゲル ( 細孔容積 0.75 c c/
g)を浸漬 し液切 り したの ち 、 120 でで乾燥後、 350 〜 400 °C で 2 時藺空気中で熱処理 し た。 こ の操作を 3 回 繰返 し、 最終的 に 500 で で 3 時間熱 理 し触媒を調製 し た。 得 ら れた触媒の X線回析結果は結晶状を示 し、 回析ビーク の広が り から 算出 し た微結晶サイ ズは 104 面が 276 A 、 110 面が 280 A であ っ た。
触媒の分析值は ク ロ ミ ア 48重量%、 シ リ カ 52重量% であ っ た。 内径 4 イ ン チ の流動床反応器に上記の触媒
2 Kgを充塡 し、 塩化水素ガスを 800N /hr 、 酸素ガス を 400N j^ /hr で供給 し 、 反応温度 400 *C で 反応 さ せ た。 生成ガス を ヨ ウ化カ リ 水溶液に吸収させ、 チォ硫 酸 ソ ーダで滴定し た値か ら 求めた塩化水素の転化率は 78 % であ っ た。
本反応を連続し、 10日 後の塩化水素転化率は 73%で あ り 、 30日 後の転化率は 70 %、 30日 以降も長時間 こ の 転化率を保持 し た。
実施例 2
無水ク 口 ム 酸を 50重量%濃度の水溶液 に粒径 20〜 15ひ ミ ク 口 ン の微少球シ リ 力 ゲル (細孔容積 1.28cc/ g)を 浸 漬 し 、 液切 り し た の ち 、 120 °C で乾燥後 、
350 〜 400 で 2 時間空気中で熱処理し た。 こ の操作 を 3 回耪返 し、 最終的 に 500 でで 3 時間熱処理し触媒 を調製 した。 得ら れた触媒の X線回析結果は結晶状を 示 し、 回析ビーク の広が り か ら 算出 した微結晶サイ ズ
は 104 面が 280 A 、 110 面が 290 λ で あ っ た 。
触媒の分析値は ク ロ ミ ア 68重量%、 シ リ カ 32重量% であ っ た。 実旄例 と 同 じ流動床反応器に上記の触媒 2 Kgを充塡 し、 塩化水素ガス お よ び酸素ガス の供給条件 お よ び反応温度を同一 に し反応さ せ た。 生成ガス を ョ ゥ 化カ リ 水溶液 に吸収さ せ、 チ ォ硫酸 ソ ーダで滴定 し た値か ら 求め た塩化水素の転化率は 80 % で あ っ た。 本 反応 を連続 し 、 10日 後の 塩化水素転化率 は 74 % で あ り 、 30日 後の転化率は 72% 、 30日 以降 も 長時間 こ の転 化率を保持 し た。
実施例 3 〜 9 , 比較例 1 〜 2
実施例 1 と 同様の方法で触媒を調製 し ク ロ ミ ア の担 持量を種 々 に変え た触媒を調製 し た。 得 ら れた触媒を 用 い実施例 1 の方法で反応さ せた結果を表 1 に示す。
分 比較例 実 施 例
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ク αミア担持量 (wt¾) 10 15 20 25 30 40 60 70 85 初期活性 ( HC J2 転化率) 47 54 62 70 72 75 76 79 80 10日 後の活性 ( // ) 20 31 52 64 67 71 71 74 75
実施例 1 0 〜 1 4 , 比較例 3 〜 4
実施例 1 と 同様の方法で用 い る 担体を変え、 ク ロ
ァの担持量 38〜 43重量% と 55〜 60重量%の触媒を調製 した。 得ら れた触媒の活性を実施例 1 の方法で測定 し た結果を表 2 に示す。
表 2 区 分 比較 実施例 比較 例 3 i 10 11 12 13 14 例 4 シリ 細孔容積 0.22 ίθ .35 0.60 0.78 1.43 1.81 1.95 (cc/g) ;
クロミア担持量 38〜 〃 " 〃 55〜 " ノ /
(wt%) 43 60
初期活性
( HC il 転ィ匕率) 60 70 74 75 80 81 74 10日 後の活性
( ノ / ) ' 50 '66 71 71 73 74 70 実施例 1 5 〜 1 7 , 比較例 5 〜 6
細孔容積 1. Zcc/grの シ リ カ ゲルを無水ク ロ ム酸水溶 液に浸漬 し、 ク ロ ミ ァの担持量 70重量%の »媒を調製 した。
触媒の熱処理温度を 400 ¾ , 5001: , 600 "C , 700°C に 変えた場合の蝕媒性能を実施例 1 と同様の方法で測定 した。 結果を表 3 に示す。
区 分 比較例 実施例 比較例
5 15 16 17 6 熱処理温度 に c ) 400 500 600 700 800 初期活性 ( HC J2 転化率) 78 79 76 73 64
I
10日 後の活性 ( " ) 37 74 73 70! 60
比較例 7
実施例 1 で触媒の最終熱処理温度を 410 °C で実施 し た触媒を調製 し た。 得 ら れ た触媒の X線回折結果は 、 結晶性を示さ ず、 無定形で あ っ た。
本触媒を用 い、 実施例 1 と 同様の反応を行 っ た。 反 応開始 10時間後の塩化水素転化率は 76 % 、 2 日 後の転 化率は 62 % 、 - 5 日 後の転化率は 49 % で あ っ た。 な お反 応中 に触媒か ら の ク ロ ム の気化が認め ら れ、 出 口部分 に ク ロ ム化合物が析出 し た。
Claims
1、 酸化ク ロ ム触媒は、 無氷グロ ム酸ま たはク ロ ム塩 類水溶液を酸化珪素担体と 接触させ次いで乾燥お よ び熱処理 して得 ら れる も の であ る請求の範囲第 1 項 記載の塩素の製造方法。
3) 酸化反応温度が 350 〜 430 °C であ り 、 塩化水素に 対する含酸素ガス中の分子状酸素のモル比が 0.25〜 5 であ り 、 塩化氷素の量が毎時 200 〜 1800 N ϋ /Kg 触媒でかつ反応形式が流動床反応であ る請求の範囲 第 1 項記載の塩素の製造方法。
4) 酸化珪素担体の表面積が 100 〜 600m2/g であ る 請 求の範囲第 1 項記載の塩素の製造方法。
5) 酸化珪素担体の平均細孔径が 20〜 300 A であ る 請 求の範囲第 1 項記載の塩素の製造方法。
6) 酸化珪素担体のナ ト リ ウ ムの含有量が 0.5wt¾以下 で あ り 鉄の含有量が 0.5»^ 以下であ る請求の範囲第
1 項記載の塩素の製造方法。
7) 酸化珪素担体は グロ ミ ア を担持さ せる前に 300 〜
5 0 0 °C の温度で熱処理 し た も の であ る 請求の範囲第
1 項記載の塩素の製造方法。
) 酸化ク ロ ム触媒の微結晶サ イ ズが 2 0 0 〜 5 0 0 A で あ る 請求の範囲第 1 項記載の塩素の製造方法。
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