WO2009143971A1 - Process for preparing phosgene - Google Patents

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WO2009143971A1
WO2009143971A1 PCT/EP2009/003499 EP2009003499W WO2009143971A1 WO 2009143971 A1 WO2009143971 A1 WO 2009143971A1 EP 2009003499 W EP2009003499 W EP 2009003499W WO 2009143971 A1 WO2009143971 A1 WO 2009143971A1
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reaction zone
reaction zones
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Ralph Schellen
Evin Hizaler Hoffmann
Leslaw Mleczko
Stephan Schubert
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Bayer Technology Services Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of phosgene by catalytic gas phase oxidation of carbon monoxide with chlorine, wherein the reaction is carried out on 6 to 40 catalyst beds connected in series under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the process.
  • Phosgene is generally prepared under the catalytic effect of activated carbon from gaseous carbon monoxide and gaseous chlorine in an exothermic, catalytic equilibrium reaction according to formula (I):
  • the phosgene produced by the reaction of formula (I) forms an essential starting material for the synthesis of polymers such as polyurethanes (via isocyanates) and polycarbonates.
  • EP 1 135 329 (B1) discloses that it is advantageous to carry out the reaction according to formula (I) at low temperatures of not more than 30 to 80 ° C. and pressures of from 1.2 to 4 bar. Possible devices in which such a process can be carried out are disclosed in EP 1 135 329 (B1) as tubular reactors to which the educts are attached
  • EP 1 640 341 discloses a method and an apparatus which permit reaction according to formula (I) wherein a reaction zone is cooled during the reaction. By cooling the reaction zone, the temperature of the product stream is kept below 100 ° C. Here, the cooling medium is guided in a closed circuit, so that the energy disadvantages, as set out in the disclosure of EP 1 135 329 (B1), are no longer so serious. Nevertheless, the disadvantages, in particular with regard to the expected turnover of such a procedure, are the same as before.
  • EP 0 134 506 (B1) discloses a procedure with two reaction zones in tube bundle reactors, wherein at temperatures above 250 ° C. a first reaction takes place in a first reaction zone, then the resulting gas mixture is cooled down to a lower temperature and in a second reaction zone at temperatures from 50 ° C to 100 ° C, a further conversion is carried out.
  • the heat dissipated between the two reaction zones is used to generate steam. It is disclosed that the cooling is necessary for the conversion in the second reaction zone in order to shift the unfavorable position of the reaction equilibrium, as it is present at the temperatures of the first reaction zone, back into an advantageous position for the formation of the desired product (phosgene).
  • the process is disadvantageous in that overheating of the first reaction zone is tolerated, thereby necessitating heavy cooling before entering the second reaction zone. Overheating results in a detrimental shift in reaction equilibrium and increased catalyst inactivation as well as byproduct formation in the first reaction zone.
  • the adverse shift of the reaction equilibrium and the formation of the by-products can be at least partially compensated by the second reaction zone; the catalyst inactivation in the first reaction zone, however, is irreversible and thus leads to the need to replace the catalyst at regular intervals, which is economically unfavorable.
  • the tube bundle reactor used is structurally quite complex, which has an economically disadvantageous effect on the investment costs.
  • EP 1 251 951 (B1) discloses a device and the possibility of carrying out chemical reactions in the device, wherein the device is characterized by a cascade of reaction zones in contact with one another and heat exchanger devices which are arranged in a composite with one another. The method to be carried out here is thus characterized by the contact of the various reaction zones with a respective heat exchanger device in the form of a cascade. There is no disclosure as to the usability of the apparatus and method for the synthesis of phosgene from gaseous chlorine and carbon monoxide. It thus remains unclear how, starting from the disclosure of EP 1 251 951 (B1), such a reaction is to be carried out by means of the device and the method carried out therein.
  • EP 1 251 951 (B1) is carried out in a device the same as or similar to the disclosure regarding the device.
  • the disclosure with regard to the oscillating temperature profile can therefore only be understood as meaning that the temperature peaks ascertained here would be stronger if this contact did not exist.
  • Another indication of this is the exponential increase in the disclosed temperature profiles between the individual temperature peaks. These indicate that there is some heat sink of appreciable but limited capacity in each reaction zone which reduces its temperature rise can.
  • EP 1 251 951 (B1) discloses multi-stage processes in cascades of reaction zones from which heat in an undefined amount is removed by heat conduction. Accordingly, the disclosed method is disadvantageous in that accurate temperature control of the process gases of the reaction is not possible.
  • Carbon monoxide in the context of the present invention, refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises carbon monoxide. Essentially, in the context of the present invention, a proportion of more than 90% by weight.
  • Chlorine in the context of the present invention refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises chlorine.
  • chlorine and carbon monoxide can also include secondary components.
  • minor components which may be included in the process gases include nitrogen, carbon dioxide, water and carbon tetrachloride.
  • process gases are understood as gas mixtures which comprise chlorine and / or carbon monoxide and / or phosgene and / or secondary components. Essentially, however, process gases include chlorine and / or carbon monoxide and / or phosgene.
  • adiabat means that no heat supply or removal measures are taken.
  • isolation by means of well-known isolation means, e.g. Polystyrene insulating materials, or by sufficiently large distances to heat sinks or heat sources, wherein the insulating agent is air, a heat transfer can be reduced.
  • isolation means e.g. Polystyrene insulating materials
  • the insulating agent is air
  • An advantage of the adiabatic driving method according to the invention of the 6 to 40 reaction zones connected in series with respect to a non-adiabatic mode of operation is that no means for heat removal must be provided in the reaction zones, which entails a considerable simplification of the construction. This results in particular simplifications in the production of the reactor and in scalability of the process and an increase in reaction revenues.
  • the heat generated in the course of the exothermic reaction progress can be utilized in the individual reaction zone to increase the conversion in a controlled manner by allowing the process gases and the reaction zone to increase in temperature to near equilibrium limitation during the passage of the reaction zone.
  • Another advantage of the method according to the invention is the possibility of very accurate temperature control by the close staggering of adiabatic reaction zones. It can thus be adjusted in that reaction zone advantageous in the reaction progress temperature.
  • the catalysts used in the process according to the invention are usually catalysts which consist of a material which, in addition to its catalytic activity for the reaction according to formula (I), is characterized by sufficient chemical resistance to chlorine under the conditions of the process and by a high specific surface area.
  • Catalyst materials characterized by such chemical resistance to chlorine under the conditions of the process are, for example, silica gels, silicon carbides and / or activated carbon. Activated carbon is preferred because it also has a particularly high specific surface area.
  • Specific surface area in the context of the present invention refers to the area of the catalyst material that can be reached by the process gases, based on the mass of catalyst material used.
  • a high specific surface area is a specific surface area of at least 100 m 2 / g, preferably of at least 200 m / g.
  • the catalysts of the invention are each in the reaction zones and can be used in all known forms, e.g. Fixed bed, fluidized bed, fluidized bed, are present.
  • the fixed bed arrangement comprises a catalyst bed in the strict sense, ie loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings.
  • catalyst bed as used herein also includes contiguous areas of suitable packages on a carrier. material or structured catalyst support. These would be, for example, to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized.
  • a special form of packing in the context of the present invention, the presence of the catalyst in monolithic form is considered.
  • the catalyst is preferably present in beds of particles having average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 2 to 7 mm, particularly preferably 3 to 5 mm.
  • the catalyst is in a fixed bed arrangement in monolithic form.
  • a monolithic catalyst which consists of carbon is particularly preferred.
  • the catalyst is preferably present in loose beds of particles, as have also previously been described for the fixed bed arrangement.
  • Beds of such particles are advantageous because the particles have a high outer surface of the catalyst material compared to the process gases chlorine and carbon monoxide due to their size and thus a high conversion rate can be achieved.
  • the mass transport limitation of the reaction by diffusion can be kept low.
  • the particles are not yet so small that excessively increased pressure losses occur when the fixed bed flows through.
  • the ranges of the particle sizes given in the preferred embodiment of the process, comprising a reaction in a fixed bed are thus an optimum between the achievable conversion from the reaction according to formula (I) and the pressure drop produced when carrying out the process. Pressure loss is coupled in a direct manner with the necessary energy in the form of compressor performance, so that a disproportionate increase in the same would result in an inefficient operation of the method.
  • the conversion takes place from 8 to 30, particularly preferably 10 to 25 reaction zones connected in series.
  • a preferred further embodiment of the method is characterized in that the process gas emerging from at least one reaction zone is subsequently passed through at least one heat exchange zone downstream of said reaction zone.
  • each reaction zone is at least one, preferably exactly one heat exchange zone, through which the process gas leaving the reaction zone is passed.
  • the reaction zones can either be arranged in a reactor or arranged divided into several reactors.
  • the arrangement of the reaction zones in a reactor leads to a reduction in the number of apparatuses used.
  • the individual reaction zones and heat exchange zones can also be arranged together in a reactor or in any combination of reaction zones with heat exchange zones in several reactors.
  • reaction zones and heat exchange zones are present in a reactor, then in an alternative embodiment of the invention there is a heat insulation zone between them in order to be able to support the adiabatic operation of the reaction zone.
  • each of the series-connected reaction zones can be replaced or supplemented independently of one another by one or more reaction zones connected in parallel.
  • the use of reaction zones connected in parallel allows their replacement or supplementation during ongoing continuous operation of the process.
  • Parallel and successive reaction zones may in particular also be combined with one another.
  • the process according to the invention particularly preferably has exclusively reaction zones connected in series.
  • the reactors preferably used in the process according to the invention can consist of simple containers with one or more reaction zones, as described, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, pages 95-104, pages 210-216), wherein in each case between the individual reaction zones and / or heat exchange zones heat insulation zones can be additionally provided.
  • the catalysts or the fixed beds thereof are mounted in a manner known per se on or between gas-permeable walls comprising the reaction zone of the reactor. Especially with thin fixed beds can in the flow direction before the
  • Catalyst beds technical devices for uniform gas distribution can be attached. These can be perforated plates or other internals that cause a uniform entry of the process gas into the fixed bed by generating a small but uniform pressure loss.
  • the reaction can be accelerated and thus the space-time yield (produced amount of phosgene per mass of catalyst material) can be increased, on the other hand, the equilibrium of the reaction is positively shifted in the direction of the product (phosgene). As a result, the conversion of the educt chlorine can be increased.
  • the inlet temperature of the process gas entering the first reaction zone is from 10 to 350.degree. C., preferably from 40 to 250.degree. C., particularly preferably from 80 to 210.degree.
  • the absolute pressure at the inlet of the first reaction zone is between 1.1 and 40 bar, preferably between 1.5 and 10 bar, more preferably between 2 and 6 bar.
  • the residence time of the process gas in a reaction zone is between 0.1 and 100 s, preferably between 0.5 and 50 s, particularly preferably between 1 and 10 s.
  • the carbon monoxide and the chlorine are preferably fed only before the first reaction zone.
  • This has the advantage that the entire process gas can be used for the absorption and removal of the heat of reaction in all reaction zones.
  • the space-time yield can be increased, or the necessary catalyst mass can be reduced.
  • the temperature profile in the reaction zone can be controlled via the supply of gas between the reaction zones.
  • the process gas leaving the last reaction zone is at least partially reused by being introduced into one of the reaction zones.
  • the proportion of the carbon monoxide is reused by being introduced into the first reaction zone.
  • the process gas is cooled after at least one of the reaction zones used, more preferably after each of the catalyst beds used.
  • the process gas is passed after exiting a reaction zone through one or more of the above-mentioned heat exchange zones, which are located behind the respective reaction zones.
  • These may be used as heat exchange zones in the form of heat exchangers known to those skilled in the art, e.g. Tube bundle, plate, Ringnut-, spiral, finned tube, microstructured heat exchanger be executed. Preference is given to microstructured heat exchangers.
  • microstructured means that the heat exchanger for the purpose of heat transfer comprises fluid-carrying channels, which are characterized in that they have a hydraulic diameter between 50 ⁇ m and 5 mm.
  • the hydraulic diameter is calculated as four times the cross-sectional area of the fluid-carrying channel, divided by the circumference of the channel.
  • steam is generated during cooling of the process gas in the heat exchange zones by the heat exchanger.
  • the heat exchangers which include the heat exchange zones, to carry out evaporation on the side of the cooling medium, preferably partial evaporation.
  • Partial evaporation referred to in the context of the present invention, an evaporation in which a gas / liquid mixture of a substance is used as a cooling medium and in which there is still a GasTFlüsstechniksgemisch a substance even after heat transfer in the heat exchanger.
  • the carrying out of evaporation is particularly advantageous because in this way the achievable heat transfer coefficient from / to process gases on / from the cooling / heating medium becomes particularly high and thus efficient cooling can be achieved.
  • Performing a partial evaporation is particularly advantageous because the absorption / release of heat by the cooling medium thereby no longer results in a temperature change of the cooling medium, but only the gas / liquid equilibrium is shifted. This has the consequence that over the entire heat exchange zone, the process gas is cooled to a constant temperature. This in turn safely prevents the occurrence of temperature profiles in the flow of process gases, thereby improving control over the reaction temperatures in the reaction zones and, in particular, preventing the formation of local overheating by temperature profiles.
  • a mixing zone can also be provided upstream of the inlet of a reaction zone in order to standardize the temperature profiles in the flow of process gases which may arise during cooling by mixing transversely to the main flow direction.
  • the reaction zones connected in series are operated at an average temperature increasing or decreasing from reaction zone to reaction zone.
  • the temperature can be both increased and decreased from reaction zone to reaction zone.
  • the thickness of the flow-through reaction zones can be chosen to be the same or different and results according to laws generally known in the art from the residence time described above and the process gas quantities enforced in the process.
  • the mass flows of product gas (phosgene) which can be carried out according to the invention by the process, and from which the amounts of process gas to be used, are usually between 0.01 and 60 t / h, preferably between 1 and 50 t / h, particularly preferably between 10 and 40 t /H.
  • the maximum exit temperature of the process gas from the reaction zones is usually in a range from 150 ° C to 650 ° C, preferably from 180 ° C to 360 ° C, more preferably from 260 ° C to 320 ° C.
  • the control of the temperature in the reaction zones is preferably carried out by at least one of the following measures: dimensioning of the adiabatic reaction zone, control of heat dissipation between the reaction zones, addition of gas between the reaction zones, molar ratio of the reactants / excess of carbon monoxide used, addition of inert gases, in particular Nitrogen, carbon dioxide, before and / or between the reaction zones.
  • the composition of the catalysts in the reaction zones according to the invention may be identical or different. In a preferred embodiment, the same catalysts are used in each reaction zone. However, it is also advantageous to use different catalysts in the individual reaction zones. Thus, especially in the first reaction zone, when the concentration of the reaction educts is still high, a less active catalyst can be used and in the further reaction zones the activity of the catalyst can be increased from reaction zone to reaction zone.
  • the control of the catalyst activity can also be carried out by dilution with inert materials or carrier material. Also advantageous is the use of a catalyst in the first and / or second reaction zone, which is particularly stable against deactivation at the temperatures of the process in these reaction zones.
  • 0.1 kg / h to 50 kg / h preferably 1 kg / h to 20 kg / h, more preferably 3 kg / h to 10 kg / h of phosgene can be prepared by the process according to the invention per 1 kg of catalyst.
  • the inventive method is thus characterized by high space-time yields, combined with a reduction of the apparatus sizes and a simplification of the apparatus or reactors.
  • This surprisingly high space-time yield is made possible by the interaction of the inventive and preferred embodiments of the new method.
  • the interaction of staggered adiabatic reaction zones with intervening heat exchange zones and the defined dwell allows precise control of the process and the resulting high space-time yields, as well as a reduction of the by-products formed such as CCl. 4
  • Another object of the invention is a reactor system for the reaction of carbon monoxide and chlorine to phosgene, characterized in that it comprises leads (Z) for a process gas comprising carbon monoxide and chlorine or for at least two process gases, of which at least one carbon monoxide and at least one chlorine , and 6 to 40 successive reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, which are between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) in the form of plate heat exchangers the reaction zones are connected via supply and discharge lines for the process gases and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
  • the reactor system may also comprise 8 to 30 or 10 to 25 reaction zones in the form of fixed beds.
  • the insulating material of the heat insulating zones is preferably a material having a
  • the plate heat exchangers are preferably microstructured plate heat exchangers.
  • the present invention will be elucidated with reference to the drawings without, however, being limited thereto.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the reactor system according to the invention, the following reference symbols being used in the figures:
  • FIG. 2 shows reactor temperature (T), optimum temperature (T *) and conversion of chlorine (U) over a number of 11 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 1).
  • FIG 3 shows reactor temperature (T) and conversion of chlorine (U) over a number of 18 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example T).
  • the process gas flows through a total of 11 fixed catalyst beds of activated carbon, ie through 11 reaction zones.
  • Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled before it enters the next reaction zone.
  • the process gases used at the beginning of the first reaction zone are pure carbon monoxide and pure chlorine, the volume flow of the carbon monoxide being adjusted so that there is an excess of 3 mol% of the carbon monoxide relative to chlorine at the beginning of the first reaction zone.
  • the absolute inlet pressure of the process gases directly in front of the first reaction zone is 5 bar.
  • the length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones is between 0.1 and 1 m.
  • the exact lengths of the reaction zones is shown in Table 1.
  • the activity of the catalyst used is adjusted to be the same in all catalyst stages (for the other examples, this activity is 100% normalized). There is no replenishment of gas before the individual catalyst stages.
  • the residence time in the system is 2 seconds.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile over the individual reaction zones is shown as a thick, solid line; the temperature curve to be obtained in the best case at infinitesimal small reaction zones is shown as a thin dashed line.
  • On the right y-axis the total conversion of chlorine is indicated.
  • the course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line. It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 100 ° C.
  • the temperature in the first reaction zone rises to about 600 ° C before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again.
  • the inlet temperature before the next reaction zone is about 200 ° C.
  • exothermic adiabatic reaction it rises again to about 550 ° C.
  • the sequence of heating and cooling continues.
  • the inlet temperatures of the process gas upstream of the individual reaction zones decrease with increasing reaction zone number. This is advantageous since, in the course of the reaction later reaction zones, the amount of reactants capable of the reaction is lower and, accordingly, a more advantageous position of the reaction equilibrium is sought after the conversion. Consequently, the temperature of the process gas can be kept closer to the optimum for the particular composition.
  • a process according to this specific embodiment requires an acceptance of lower catalyst service lives, which is advantageous in the case of inexpensive catalysts, such as activated carbon, if the correspondingly increased conversions and the reduced reaction zone number and thus lower investment costs more than compensate for this.
  • FIG. Another feature of the operation of the reaction zones under adiabatic conditions is shown in FIG. Considering in particular the shape of the temperature profile within the first reaction zone and in particular the shape of the temperature profile within the ninth to eleventh reaction zone, it can be seen that the slope of the temperature increase over the reaction zone decreases. This shows the essential property of the process that no significant heat sink is present in the reaction zones. For all temperature profiles in FIGS. 4 to 5, the slope of the individual temperature curves in the reaction zones never increases, but always have a constant or falling value greater than zero, which is an indication of the adiabatic operation of the reaction zones, since the temperature in the reaction zones can be driven in the vicinity of the equilibrium limitation.
  • the process gas flows through a total of 18 reaction zones, ie over 18 fixed catalyst beds of activated carbon.
  • Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled before it enters the next reaction zone.
  • the length of the catalyst stages, ie the reaction zones, is shown in Table 2.
  • the activity of the catalyst is adjusted by dilution with catalytically inactive material so that the activity increases as indicated in Table 2. This achieves stable oscillation in a temperature window between 100 ° C and 200 ° C so that the temperature in the reaction zones never reaches a critical level at which catalyst deactivation would be feared.
  • the residence time in the system is 5 seconds in total.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line.
  • On the right y-axis the total conversion of chlorine is indicated.
  • the course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 100 ° C. Due to the exothermic reaction to phosgene under adiabatic conditions on the less active catalyst, the temperature rises to about 200 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone. The inlet temperature before the next reaction zone is again about 100 ° C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 200 ° C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the process gas upstream of the individual reaction zones no longer increase with an increasing number of reaction zones until, starting from reaction zone 15, a smaller increase in the upstream heat exchange zone allows a certain increase to achieve a residual turnover.
  • reaction temperature is maintained here in the range of 100 ° C to 200 ° C to achieve a minimum catalyst deactivation.
  • a process according to this specific embodiment requires acceptance of lower space-time yields, which is advantageous in the case of expensive catalysts or high standstill costs if the correspondingly increased catalyst service lives justify the increased investment costs due to the increased reaction zone number.
  • the process gas flows through a total of 17 reaction zones, ie over 17 fixed catalyst beds, of activated carbon.
  • Each after a reaction zone is a
  • Heat exchange zone in which the process gas is cooled before moving to the next Reaction zone occurs The process gas used in the beginning, as well as the inlet pressure before the first reaction zone, identical to that of Example 1. In contrast to the previous examples, the process gas used at the outset is not preheated to 100 ° C, but fed to the first reaction zone at 50 ° C. , The length of the catalyst stages, ie the reaction zones, is given in Table 3. The activity of the catalyst is adjusted by dilution with catalytically inactive material according to Table 3. This achieves a stable oscillation in a temperature window between 200 ° C and 300 ° C, so that the dissipated at this temperature in the heat exchange zones heat is well suited for the production of water vapor. There is no replenishment of gas before the individual reaction zones. The total residence time in the plant is 5.4 seconds.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile over the individual reaction zones is shown as a thick, solid line; the temperature curve to be obtained in the best case at infinitesimal small reaction zones is shown as a thin dashed line. Is on the right y-axis the total sales of chlorine indicated.
  • the course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the temperature in the first reaction zone rises from 50 ° C to about 300 ° C, before the process gas is cooled by the downstream heat exchange zone again.
  • the inlet temperature before the next reaction zone is about 200 ° C.
  • the sequence of heating and cooling continues.
  • the inlet temperatures of the process gas before the individual reaction zones no longer change with increasing reaction zone number up to reaction zone 15.
  • the reaction temperature can be kept within the stages 1 to 15 in the vicinity of an optimum temperature value for generating steam.
  • reaction zones 14 to 17 can be achieved by the low residual content of the reactants no increase in temperature of 100 ° C more.
  • reaction zones 14-16 the reaction gases in the heat exchange zones are cooled to individual inlet temperatures for the subsequent reaction zone. The adjusted temperatures allow further shifting of the thermodynamic equilibrium to the side of the phosgene.
  • example 4 a procedure substantially similar to that in example 3 is carried out. Different are the relative catalyst activities and lengths of the reaction zones (see Table 4). Next, the process gas is reheated to 100 ° C used. The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile over the individual reaction zones is shown as a thick, solid line; the temperature curve to be obtained in the best case at infinitesimal small reaction zones is shown as a thin dashed line. On the right y-axis the total conversion of chlorine is indicated. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the temperature in the first reaction zone rises from 100 ° C to about 350 ° C, before the process gas is cooled by the downstream heat exchange zone again.
  • the inlet temperature before the next reaction zone is about 250 0 C.
  • exothermic adiabatic reaction it rises again to about 350 ° C.
  • the sequence of heating and cooling continues.
  • the inlet temperatures of the process gas before the individual reaction zones no longer change with increasing number of reaction zones to reaction zone 13.
  • the reaction zones 14 to 17 can be achieved by the low residual content of the reactants no increase in temperature of 100 0 C more.
  • the reaction gases are cooled in the heat exchange zones to temperatures below 250 ° C. The low temperature allows further shifting of the thermodynamic equilibrium to the side of the phosgene.
  • the reaction temperature can be kept even closer to an optimal temperature value for generating steam within stages 1 to 13, whereby a steam thus produced is obtained at temperatures of about 200 ° C to 250 ° C and thus present at an overpressure of about 30 bar.

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Abstract

The present invention relates to a process for preparing phosgene by catalytic gas-phase oxidation of carbon monoxide by means of chlorine, wherein the reaction is carried out over from 6 to 40 catalyst beds connected in series under adiabatic conditions, and also a reactor system for carrying out the process.

Description

Verfahren zur Herstellung von Phosgen Process for the preparation of phosgene
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Phosgen durch katalytische Gasphasenoxidation von Kohlenmonoxid mit Chlor, worin die Umsetzung an 6 bis 40 hintereinander geschalteten Katalysatorbetten unter adiabaten Bedingungen durchgeführt wird, sowie ein Reaktorsystem zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a process for the preparation of phosgene by catalytic gas phase oxidation of carbon monoxide with chlorine, wherein the reaction is carried out on 6 to 40 catalyst beds connected in series under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the process.
Phosgen wird allgemein unter katalytischem Einfluss von Aktivkohle aus gasförmigem Kohlenmonoxid und gasförmigem Chlor in einer exothermen, katalytischen Gleichgewichtsreaktion gemäß Formel (I) hergestellt:Phosgene is generally prepared under the catalytic effect of activated carbon from gaseous carbon monoxide and gaseous chlorine in an exothermic, catalytic equilibrium reaction according to formula (I):
CO (g)+Cl2(g) <→ COCl2 (g); ΔH= - 108 kJ/mol (I)CO (g) + Cl 2 (g) <→ COCl 2 (g); ΔH = -108 kJ / mol (I)
Das mittels der Reaktion nach Formel (I) hergestellte Phosgen bildet einen wesentlichen Ausgangsstoff für die Synthese von Polymeren, wie etwa Polyurethanen (über Isocynate) und Polycarbonaten.The phosgene produced by the reaction of formula (I) forms an essential starting material for the synthesis of polymers such as polyurethanes (via isocyanates) and polycarbonates.
Die Abfuhr und Verwendung der Reaktionswärme ist ein wichtiger Punkt bei der Durchführung der Phosgen- Synthese. Ein unkontrollierter Temperaturanstieg, der im Rahmen der Reaktion bis zu 500°C betragen kann, kann zu einer dauerhaften Schädigung des Katalysators führen. Zum anderen kommt es bei hohen Temperaturen zu einer ungünstigen Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts in Richtung der Edukte mit einer entsprechenden Verschlechterung der Ausbeute. Außerdem existiert bei hohen Temperaturen die Möglichkeit von Nebenreaktionen unter Bildung mehr oder weniger großer Mengen unter anderem an Tetrachlorkohlenstoff (CCl4) als Verunreinigung. Es ist daher vorteilhaft die Temperatur der Katalysatorschüttung im Laufe des Verfahrens kontrolliert auf einem Niveau zu halten, das einen schnellen Umsatz unter Minimierung der Nebenreaktionen und/oder Katalysatorinaktivierung ermöglicht.The removal and use of the heat of reaction is an important issue in the practice of phosgene synthesis. An uncontrolled rise in temperature, which may be up to 500 ° C during the reaction, can lead to permanent damage to the catalyst. On the other hand, at high temperatures there is an unfavorable shift in the reaction equilibrium in the direction of the educts with a corresponding deterioration of the yield. In addition, at high temperatures, there is the potential for side reactions to produce more or less large amounts of, inter alia, carbon tetrachloride (CCl 4 ) as an impurity. It is therefore advantageous to maintain the temperature of the catalyst bed controlled in the course of the process at a level which allows a rapid conversion while minimizing side reactions and / or catalyst inactivation.
Die EP 1 135 329 (Bl) offenbart, dass es vorteilhaft ist, die Reaktion gemäß Formel (I) bei niedrigen Temperaturen von maximal 30 bis 80°C und Drücken von 1,2 bis 4 bar auszuführen. Mögliche Vorrichtungen, in denen ein solches Verfahren ausgeführt werden kann, werden in EP 1 135 329 (Bl) als Rohrreaktoren offenbart, denen die Edukte beiEP 1 135 329 (B1) discloses that it is advantageous to carry out the reaction according to formula (I) at low temperatures of not more than 30 to 80 ° C. and pressures of from 1.2 to 4 bar. Possible devices in which such a process can be carried out are disclosed in EP 1 135 329 (B1) as tubular reactors to which the educts are attached
Raumtemperatur zugeführt werden. Es wird weiter offenbart, dass die Vorrichtung, in der die Reaktion ausgeführt wird, gekühlt wird. Es wird nicht offenbart, wie hoch die Umsätze und Selektivitäten bezogen auf die Edukte nach dem offenbarten Verfahren sind. Durch die einstufige Verfahrensweise bei niedrigen Temperaturen ist jedoch davon auszugehen, dass die Umsätze gegenüber Verfahren bei höheren Temperaturen geringer ausfallen. Eine Temperaturkontrolle findet nur dahingehend statt, dass Edukte mit geringen Eingangstemperaturen in das Verfahren hineingeführt werden. Das Verfahren ist nachteilig, weil innerhalb des Verfahrens die Reaktionswärme bei einem Temperaturniveau von maximal 80°C abgeführt wird, was eine weitere Nutzung der Wärme erschwert, und womit der zu erwartende Umsatz gering ist.Room temperature to be supplied. It is further disclosed that the apparatus in which the reaction is carried out is cooled. It is not disclosed how high the conversions and selectivities are with respect to the educts according to the disclosed process. By the One-step operation at low temperatures, however, suggests that sales are lower than those at higher temperatures. A temperature control takes place only in that educts with low inlet temperatures are introduced into the process. The method is disadvantageous because within the process, the heat of reaction at a temperature level of up to 80 ° C is dissipated, which further complicates the use of heat, and thus the expected sales is low.
In EP 1 640 341 (A2) wird ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, die Reaktion gemäß Formel (I) erlauben, wobei eine Reaktionszone während der Reaktion gekühlt wird. Durch die Kühlung der Reaktionszone wird die Temperatur des Produktstromes auf unter 100°C gehalten. Hierbei wird das Kühlmedium in einem geschlossenen Kreislauf geführt, so dass die energetischen Nachteile, wie sie in der Offenbarung der EP 1 135 329 (Bl) dargelegt worden sind, nicht mehr so schwerwiegend sind. Dennoch sind die Nachteile insbesondere in Bezug auf den zu erwartenden Umsatz einer solchen Verfahrensweise die Gleichen wie zuvor.EP 1 640 341 (A2) discloses a method and an apparatus which permit reaction according to formula (I) wherein a reaction zone is cooled during the reaction. By cooling the reaction zone, the temperature of the product stream is kept below 100 ° C. Here, the cooling medium is guided in a closed circuit, so that the energy disadvantages, as set out in the disclosure of EP 1 135 329 (B1), are no longer so serious. Nevertheless, the disadvantages, in particular with regard to the expected turnover of such a procedure, are the same as before.
Weitere etablierte Verfahren umfassen mehr als ein Festbett von Katalysatorschüttungen nach denen Wärmeaustauscher installiert sind, um das Produktgasgemisch nach der exothermen Reaktion wieder zu kühlen und gegebenenfalls in einer weiteren Reaktionszone einem weiteren Umsatz zu zuführen. Hierdurch kann die Reaktionswärme auf höheren Temperaturniveaus gewonnen werden, sowie ein erhöhter Umsatz erzielt werden.Other established methods include more than a fixed bed of catalyst beds after which heat exchangers are installed to recool the product gas mixture after the exothermic reaction and optionally to add further conversion in another reaction zone. In this way, the heat of reaction can be obtained at higher temperature levels, as well as increased sales can be achieved.
In EP O 134 506 (Bl) wird eine Verfahrensweise mit zwei Reaktionszonen in Rohrbündelreaktoren offenbart, wobei bei Temperaturen oberhalb von 250°C in einer ersten Reaktionszone ein erster Umsatz stattfindet, dann das resultierende Gasgemisch auf eine niedrigere Temperatur heruntergekühlt wird und in einer zweiten Reaktionszone bei Temperaturen von 50°C bis 100°C ein weiterer Umsatz ausgeführt wird. Die zwischen den beiden Reaktionszonen abgeführte Wärme wird zur Erzeugung von Dampf verwendet. Es wird offenbart, dass die Kühlung für den Umsatz in der zweiten Reaktionszone notwendig ist, um die unvorteilhafte Lage des Reaktionsgleichgewichtes, wie es bei den Temperaturen der ersten Reaktionszone vorliegt, wieder in eine vorteilhafte Lage zur Bildung des gewünschten Produktes (Phosgen) zu verschieben. Das Verfahren ist nachteilig, da ein Überhitzen der ersten Reaktionszone toleriert wird und hierdurch das starke Herunterkühlen vor Eintritt in die zweite Reaktionszone notwendig wird. Durch das Überhitzen kommt es zu einer nachteiligen Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes und einer verstärkten Katalysatorinaktivierung sowie zur Bildung von Nebenprodukten in der ersten Reaktionszone. Die nachteilige Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes und die Bildung der Nebenprodukte können durch die zweite Reaktionszone zumindest teilweise wieder ausgeglichen werden; die Katalysatorinaktivierung in der ersten Reaktionszone hingegen ist irreversibel und fuhrt damit zur Notwendigkeit den Katalysator in regelmäßigen Abständen zu ersetzten, was wirtschaftlich unvorteilhaft ist. Weiter ist der verwendete Rohrbündelreaktor konstruktiv recht aufwändig, was sich in wirtschaftlich nachteiliger Weise auf die Investitionskosten auswirkt.EP 0 134 506 (B1) discloses a procedure with two reaction zones in tube bundle reactors, wherein at temperatures above 250 ° C. a first reaction takes place in a first reaction zone, then the resulting gas mixture is cooled down to a lower temperature and in a second reaction zone at temperatures from 50 ° C to 100 ° C, a further conversion is carried out. The heat dissipated between the two reaction zones is used to generate steam. It is disclosed that the cooling is necessary for the conversion in the second reaction zone in order to shift the unfavorable position of the reaction equilibrium, as it is present at the temperatures of the first reaction zone, back into an advantageous position for the formation of the desired product (phosgene). The process is disadvantageous in that overheating of the first reaction zone is tolerated, thereby necessitating heavy cooling before entering the second reaction zone. Overheating results in a detrimental shift in reaction equilibrium and increased catalyst inactivation as well as byproduct formation in the first reaction zone. The adverse shift of the reaction equilibrium and the formation of the by-products can be at least partially compensated by the second reaction zone; the catalyst inactivation in the first reaction zone, however, is irreversible and thus leads to the need to replace the catalyst at regular intervals, which is economically unfavorable. Furthermore, the tube bundle reactor used is structurally quite complex, which has an economically disadvantageous effect on the investment costs.
In EP 1 251 951 (Bl) wird eine Vorrichtung und die Möglichkeit der Durchführung chemischer Reaktionen in der Vorrichtung offenbart, wobei die Vorrichtung durch eine Kaskade aus miteinander in Kontakt stehenden Reaktionszonen und Wärmetauscher- Vorrichtungen gekennzeichnet ist, die stoffschlüssig miteinander im Verbund angeordnet sind. Das hierin durchzuführende Verfahren ist also gekennzeichnet durch den Kontakt der verschiedenen Reaktionszonen mit einer jeweiligen Wärmetauschervorrichtung in Form einer Kaskade. Eine Offenbarung hinsichtlich der Verwendbarkeit der Vorrichtung und des Verfahrens zur Synthese von Phosgen aus gasförmigem Chlor und Kohlenmonoxid findet nicht statt. Es bleibt also unklar, wie ausgehend von der Offenbarung der EP 1 251 951 (Bl) eine solche Reaktion mittels der Vorrichtung und des darin ausgeführten Verfahrens durchgeführt werden soll. Weiter muss aus Gründen der Einheitlichkeit davon ausgegangen werden, dass das in der EP 1 251 951 (Bl) offenbarte Verfahren in einer Vorrichtung gleich oder ähnlich der Offenbarung bezüglich der Vorrichtung ausgeführt wird. Hieraus resultiert, dass durch den offenbarungsgemäßen großflächigen Kontakt der Wärmeaustauschzonen mit den Reaktionszonen eine signifikante Menge an Wärme durch Wärmeleitung zwischen den Reaktionszonen und den benachbarten Wärmeaustauschzonen stattfindet. Die Offenbarung hinsichtlich des oszillierenden Temperaturprofils kann also nur so verstanden werden, dass die hier festgestellten Temperaturspitzen stärker ausfallen würden, wenn dieser Kontakt nicht bestehen würde. Ein weiteres Indiz hierfür ist der exponentielle Anstieg der offenbarten Temperaturprofile zwischen den einzelnen Temperaturspitzen. Diese deuten an, dass eine gewisse Wärmesenke mit merklicher, aber begrenzter Kapazität in jeder Reaktionszone vorhanden ist, die den Temperaturanstieg in derselben reduzieren kann. Es kann nie ausgeschlossen werden, dass eine gewisse Abfuhr von Wärme (z.B. durch Strahlung) stattfindet, allerdings würde sich bei einer Reduktion der möglichen Wärmeabfuhr aus der Reaktionszone ein linearer oder in seiner Steigung degressiver Temperaturverlauf andeuten, da bei höheren Temperaturen sich das Gleichgewicht exothermer Reaktionen auf die Seite der Edukte verschiebt und somit die Reaktionsgeschwindigkeit und mit ihr die erzeugte Reaktionswärme verringern würde. Somit offenbart die EP 1 251 951 (Bl) mehrstufige Verfahren in Kaskaden von Reaktionszonen, aus denen Wärme in Undefinierter Menge durch Wärmeleitung abgeführt wird. Demnach ist das offenbarte Verfahren dahingehend nachteilig, als dass eine genaue Temperatur- kontrolle der Prozessgase der Reaktion nicht möglich ist.EP 1 251 951 (B1) discloses a device and the possibility of carrying out chemical reactions in the device, wherein the device is characterized by a cascade of reaction zones in contact with one another and heat exchanger devices which are arranged in a composite with one another. The method to be carried out here is thus characterized by the contact of the various reaction zones with a respective heat exchanger device in the form of a cascade. There is no disclosure as to the usability of the apparatus and method for the synthesis of phosgene from gaseous chlorine and carbon monoxide. It thus remains unclear how, starting from the disclosure of EP 1 251 951 (B1), such a reaction is to be carried out by means of the device and the method carried out therein. Further, for the sake of uniformity, it is to be understood that the method disclosed in EP 1 251 951 (B1) is carried out in a device the same as or similar to the disclosure regarding the device. As a result, by the large-area contact of the heat exchange zones according to the disclosure with the reaction zones, a significant amount of heat takes place by heat conduction between the reaction zones and the adjacent heat exchange zones. The disclosure with regard to the oscillating temperature profile can therefore only be understood as meaning that the temperature peaks ascertained here would be stronger if this contact did not exist. Another indication of this is the exponential increase in the disclosed temperature profiles between the individual temperature peaks. These indicate that there is some heat sink of appreciable but limited capacity in each reaction zone which reduces its temperature rise can. It can never be ruled out that a certain dissipation of heat (eg by radiation) takes place, but a reduction in the possible heat removal from the reaction zone would indicate a linear or degressive temperature gradient, since at higher temperatures the equilibrium of exothermic reactions shifted to the side of the starting materials and thus reduce the reaction rate and with it the generated heat of reaction. Thus, EP 1 251 951 (B1) discloses multi-stage processes in cascades of reaction zones from which heat in an undefined amount is removed by heat conduction. Accordingly, the disclosed method is disadvantageous in that accurate temperature control of the process gases of the reaction is not possible.
Es wäre daher vorteilhaft, ein Verfahren bereitzustellen, das in einfachen Reaktionsvorrichtungen durchgeführt werden kann und das eine genaue, einfache Temperaturkontrolle ermöglicht, so dass es hohe Umsätze bei möglichst hohen Reinheiten des Produktes erlaubt. Solche einfachen Reaktionsvorrichtungen wären leicht in einen technischen Maßstab zu übertragen und sind in allen Größen preiswert und robust.It would therefore be advantageous to provide a process which can be carried out in simple reaction devices and which allows accurate, simple temperature control so that it allows high conversions with the highest possible purity of the product. Such simple reaction devices would be easily scaled up and are inexpensive and robust in all sizes.
Für die katalytische Gasphasenoxidation von Kohlenmonoxid mit Chlor zu Phosgen wurden wie gerade dargestellt bisher weder geeignete Reaktoren beschrieben, noch werden geeignete Verfahren aufgezeigt, die dies erlauben.For the catalytic gas-phase oxidation of carbon monoxide with chlorine to phosgene, as described above, neither suitable reactors have yet been described, nor are suitable processes disclosed which permit this.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zur katalytischen Gasphasenoxidation von Kohlenmonoxid und Chlor zu Phosgen bereitzustellen, das unter genauer Temperaturkontrolle in einer einfachen Reaktionsvorrichtung durchführbar ist und das hierdurch hohe Umsätze bei hohen Reinheiten des Produktes erlaubt, wobei die Reaktionswärme beispielsweise zur Einstellung eines vorteilhaften Temperaturniveaus für die Reaktion oder zur Dampferzeugung genutzt werden kann.It is therefore an object to provide a process for the catalytic gas phase oxidation of carbon monoxide and chlorine to phosgene, which can be carried out under precise temperature control in a simple reaction apparatus and thereby high conversions at high purities of the product allowed, the heat of reaction, for example, to set an advantageous temperature level can be used for the reaction or steam generation.
Es wurde überraschend gefunden, dass ein Verfahren zur Herstellung von Phosgen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Umsatz von Kohlemonoxid mit Chlor zu Phosgen gemäß Formel (T)It has surprisingly been found that a process for the preparation of phosgene, which is characterized in that it comprises a conversion of carbon monoxide with chlorine to phosgene according to formula (T)
CO (g)+Cl2(g) ^ COCl2 (g); ΔH= - 108 kJ/mol (I)CO (g) + Cl 2 (g) ^ COCl 2 (g); ΔH = -108 kJ / mol (I)
in 6 bis 40 hintereinander geschalteten Reaktionszonen unter adiabaten Bedingungen in Gegenwart heterogener Katalysatoren umfasst, diese Aufgabe zu lösen vermag. Kohlemonoxid bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Prozessgas, das in das erfindungsgemäße Verfahren eingeführt wird und das im Wesentlichen Kohlenmonoxid umfasst. Im Wesentlichen bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung einen Anteil von mehr als 90 Gew-%.in 6 to 40 connected in series reaction zones under adiabatic conditions in the presence of heterogeneous catalysts, this task is able to solve. Carbon monoxide, in the context of the present invention, refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises carbon monoxide. Essentially, in the context of the present invention, a proportion of more than 90% by weight.
Chlor bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Prozessgas, das in das erfindungsgemäße Verfahren eingeführt wird und das im Wesentlichen Chlor umfasst.Chlorine in the context of the present invention refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises chlorine.
Neben den wesentlichen Komponenten der Prozessgase Chlor und Kohlenmonoxid, können diese auch noch Nebenkomponenten umfassen. Nicht abschließende Beispiele für Nebenkomponenten, die in den Prozessgasen enthalten sein können, sind etwa Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser und Tetrachlorkohlenstoff.In addition to the essential components of the process gases chlorine and carbon monoxide, these can also include secondary components. Non-exhaustive examples of minor components which may be included in the process gases include nitrogen, carbon dioxide, water and carbon tetrachloride.
Allgemein werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Prozessgase als Gasgemische verstanden, die Chlor und/oder Kohlenmonoxid und/oder Phosgen und/oder Nebenkomponenten umfassen. Im Wesentlichen umfassen Prozessgase aber Chlor und/oder Kohlenmonoxid und/oder Phosgen.In general, in connection with the present invention, process gases are understood as gas mixtures which comprise chlorine and / or carbon monoxide and / or phosgene and / or secondary components. Essentially, however, process gases include chlorine and / or carbon monoxide and / or phosgene.
Erfindungsgemäß bedeutet die Durchführung des Verfahrens unter adiabaten Bedingungen, dass der Reaktionszone von außen im Wesentlichen weder aktiv Wärme zugeführt noch Wärme entzogen wird. Es ist allgemein bekannt, dass eine vollständige Isolation gegen Wärmezu- oder Abfuhr nur durch vollständige Evakuierung unter Ausschluss der Möglichkeit des Wärmeübergangs durch Strahlung möglich ist. Daher bezeichnet adiabat im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass keine Maßnahmen zur Wärmezu- oder Abfuhr ergriffen werden.According to the invention, carrying out the process under adiabatic conditions essentially means that the reaction zone is neither actively supplied with heat nor heat withdrawn from the outside. It is well known that complete isolation against heat input or discharge is possible only by complete evacuation, excluding the possibility of heat transfer by radiation. Therefore, in the context of the present invention, adiabat means that no heat supply or removal measures are taken.
hi einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber z.B. durch Isolation mittels allgemein bekannter Isolationsmittel, wie z.B. Polystyroldämmstoffen, oder auch durch genügend große Abstände zu Wärmesenken oder Wärmequellen, wobei das Isolationsmittel Luft ist, ein Wärmeübergang vermindert werden.However, in an alternative embodiment of the method according to the invention, by isolation by means of well-known isolation means, e.g. Polystyrene insulating materials, or by sufficiently large distances to heat sinks or heat sources, wherein the insulating agent is air, a heat transfer can be reduced.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen adiabaten Fahrweise der 6 bis 40 hintereinander geschalteten Reaktionszonen gegenüber einer nicht adiabaten Fahrweise besteht darin, dass in den Reaktionszonen keine Mittel zur Wärmeabfuhr bereitgestellt werden müssen, was eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion mit sich bringt. Dadurch ergeben sich insbesondere Vereinfachungen bei der Fertigung des Reaktors sowie bei der Skalierbarkeit des Verfahrens und eine Steigerung der Reaktionsumsätze. Außerdem kann die Wärme, die im Zuge des exothermen Reaktionsfortschrittes erzeugt wird, in der einzelnen Reaktionszone zur Steigerung des Umsatzes in kontrollierter Weise genutzt werden, indem im Verlaufe des Passierens der Reaktionszone den Prozessgasen und der Reaktionszone eine Temperaturerhöhung in die Nähe der Gleichgewichtslimitierung erlaubt wird.An advantage of the adiabatic driving method according to the invention of the 6 to 40 reaction zones connected in series with respect to a non-adiabatic mode of operation is that no means for heat removal must be provided in the reaction zones, which entails a considerable simplification of the construction. This results in particular simplifications in the production of the reactor and in scalability of the process and an increase in reaction revenues. In addition, the heat generated in the course of the exothermic reaction progress can be utilized in the individual reaction zone to increase the conversion in a controlled manner by allowing the process gases and the reaction zone to increase in temperature to near equilibrium limitation during the passage of the reaction zone.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit der sehr genauen Temperaturkontrolle durch die enge Staffelung von adiabaten Reaktionszonen. Es kann somit in jener Reaktionszone eine im Reaktionsfortschritt vorteilhafte Temperatur eingestellt werden.Another advantage of the method according to the invention is the possibility of very accurate temperature control by the close staggering of adiabatic reaction zones. It can thus be adjusted in that reaction zone advantageous in the reaction progress temperature.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Katalysatoren sind üblicherweise Katalysatoren, die aus einem Material bestehen, das neben seiner katalytischen Aktivität für die Reaktion gemäß Formel (I) durch ausreichende chemische Resistenz gegenüber Chlor unter den Bedingungen des Verfahrens sowie durch eine hohe spezifische Oberfläche gekennzeichnet ist. Katalysatormaterialien, die durch eine solche chemische Resistenz gegenüber Chlor unter den Bedingungen des Verfahrens gekennzeichnet sind, sind zum Beispiel Silicagele, Siliciumcarbide und/oder Aktivkohle. Bevorzugt ist Aktivkohle, da diese auch eine besonders hohe spezifische Oberfläche besitzt.The catalysts used in the process according to the invention are usually catalysts which consist of a material which, in addition to its catalytic activity for the reaction according to formula (I), is characterized by sufficient chemical resistance to chlorine under the conditions of the process and by a high specific surface area. Catalyst materials characterized by such chemical resistance to chlorine under the conditions of the process are, for example, silica gels, silicon carbides and / or activated carbon. Activated carbon is preferred because it also has a particularly high specific surface area.
Spezifische Oberfläche bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Fläche des Katalysatormaterials, die vom Prozessgase erreicht werden kann, bezogen auf die eingesetzte Masse an Katalysatormaterial.Specific surface area in the context of the present invention refers to the area of the catalyst material that can be reached by the process gases, based on the mass of catalyst material used.
Eine hohe spezifische Oberfläche ist eine spezifische Oberfläche von mindestens 100 m2/g, bevorzugt von mindestens 200 m /g.A high specific surface area is a specific surface area of at least 100 m 2 / g, preferably of at least 200 m / g.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren befinden sich jeweils in den Reaktionszonen und können in allen an sich bekannten Erscheinungsformen, z.B. Festbett, Fließbett, Wirbelbett, vorliegen.The catalysts of the invention are each in the reaction zones and can be used in all known forms, e.g. Fixed bed, fluidized bed, fluidized bed, are present.
Bevorzugt sind die Erscheinungsformen Festbett und Fließbett.Preferred are the forms of fixed bed and fluidized bed.
Die Festbettanordnung umfasst eine Katalysatorschüttung im eigentlichen Sinn, d. h. losen, geträgerten oder ungeträgerten Katalysator in beliebiger Form sowie in Form von geeigneten Packungen. Der Begriff der Katalysatorschüttung, wie er hier verwendet wird, umfasst auch zusammenhängende Bereiche geeigneter Packungen auf einem Träger- material oder strukturierte Katalysatorträger. Dies wären z.B. zu beschichtende keramische Wabenträger mit vergleichsweise hohen geometrischen Oberflächen oder gewellte Schichten aus Metalldrahtgewebe, auf denen beispielsweise Katalysatorgranulat immobilisiert ist. Als eine Sonderform der Packung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung das Vorliegen des Katalysators in monolithischer Form betrachtet.The fixed bed arrangement comprises a catalyst bed in the strict sense, ie loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings. The term catalyst bed as used herein also includes contiguous areas of suitable packages on a carrier. material or structured catalyst support. These would be, for example, to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized. As a special form of packing, in the context of the present invention, the presence of the catalyst in monolithic form is considered.
Wird eine Festbettanordnung des Katalysators verwendet, so liegt der Katalysator bevorzugt in Schüttungen von Partikeln mit mittleren Partikelgrößen von 1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 7 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 5 mm vor.If a fixed-bed arrangement of the catalyst is used, the catalyst is preferably present in beds of particles having average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 2 to 7 mm, particularly preferably 3 to 5 mm.
Ebenfalls bevorzugt liegt der Katalysator bei Festbettanordnung in monolithischer Form vor. Besonders bevorzugt ist bei Festbettanordnung ein monolithischer Katalysator, der aus Kohlenstoff besteht.Also preferably, the catalyst is in a fixed bed arrangement in monolithic form. In the case of a fixed-bed arrangement, a monolithic catalyst which consists of carbon is particularly preferred.
Wird eine Fließbettanordnung des Katalysators verwendet, so liegt der Katalysator bevorzugt in losen Schüttungen von Partikeln vor, wie diese zuvor auch für die Festbettanordnung beschrieben worden sind.If a fluidized bed arrangement of the catalyst is used, the catalyst is preferably present in loose beds of particles, as have also previously been described for the fixed bed arrangement.
Schüttungen von solchen Partikeln sind vorteilhaft, weil die Partikel aufgrund ihrer Größe eine hohe äußere Oberfläche des Katalysatormaterials gegenüber den Prozessgasen Chlor und Kohlenmonoxid besitzen und damit eine hohe Umsatzrate erreicht werden kann. Es kann also die Stofftransportlimitierung der Reaktion durch Diffusion gering gehalten werden. Zugleich sind die Partikel damit aber noch nicht so klein, dass es zu über- proportional erhöhten Druckverlusten bei Durchströmung des Festbettes kommt. Die Bereiche der in der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, umfassend eine Reaktion in einem Festbett, angegebenen Partikelgrößen sind somit ein Optimum zwischen dem erreichbaren Umsatz aus der Reaktion gemäß Formel (I) und dem erzeugten Druckverlust bei Durchführung des Verfahrens. Druckverlust ist in direkter Weise mit der notwendigen Energie in Form von Kompressorleistung gekoppelt, so dass eine überproportionale Erhöhung desselben in einer unwirtschaftlichen Betriebsweise des Verfahrens resultieren würde.Beds of such particles are advantageous because the particles have a high outer surface of the catalyst material compared to the process gases chlorine and carbon monoxide due to their size and thus a high conversion rate can be achieved. Thus, the mass transport limitation of the reaction by diffusion can be kept low. At the same time, however, the particles are not yet so small that excessively increased pressure losses occur when the fixed bed flows through. The ranges of the particle sizes given in the preferred embodiment of the process, comprising a reaction in a fixed bed, are thus an optimum between the achievable conversion from the reaction according to formula (I) and the pressure drop produced when carrying out the process. Pressure loss is coupled in a direct manner with the necessary energy in the form of compressor performance, so that a disproportionate increase in the same would result in an inefficient operation of the method.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Umsatz an 8 bis 30, besonders bevorzugt 10 bis 25 hintereinander geschalteten Reaktions- zonen. Eine bevorzugte weitere Ausfuhrungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das aus mindestens einer Reaktionszone austretende Prozessgas anschließend durch wenigstens eine dieser Reaktionszone nachgeschalteten Wärmeaustauschzone geleitet wird.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the conversion takes place from 8 to 30, particularly preferably 10 to 25 reaction zones connected in series. A preferred further embodiment of the method is characterized in that the process gas emerging from at least one reaction zone is subsequently passed through at least one heat exchange zone downstream of said reaction zone.
In einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform des Verfahrens befindet sich nach jeder Reaktionszone wenigstens eine, bevorzugt genau eine Wärmeaustauschzone, durch die das aus der Reaktionszone austretende Prozessgas geleitet wird.In a particularly preferred further embodiment of the process, after each reaction zone is at least one, preferably exactly one heat exchange zone, through which the process gas leaving the reaction zone is passed.
Die Reaktionszonen können dabei entweder in einem Reaktor angeordnet oder in mehreren Reaktoren aufgeteilt angeordnet werden. Die Anordnung der Reaktionszonen in einem Reaktor führt zu einer Verringerung der Anzahl der verwendeten Apparaturen.The reaction zones can either be arranged in a reactor or arranged divided into several reactors. The arrangement of the reaction zones in a reactor leads to a reduction in the number of apparatuses used.
Die einzelnen Reaktionszonen und Wärmeaustauschzonen können auch zusammen in einem Reaktor oder in beliebigen Kombinationen von jeweils Reaktionszonen mit Wärmeaustauschzonen in mehreren Reaktoren aufgeteilt angeordnet werden.The individual reaction zones and heat exchange zones can also be arranged together in a reactor or in any combination of reaction zones with heat exchange zones in several reactors.
Liegen Reaktionszonen und Wärmeaustauschzonen in einem Reaktor vor, so befindet sich in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zwischen diesen eine Wärme- isolationszone, um den adiabaten Betrieb der Reaktionszone unterstützen zu können.If reaction zones and heat exchange zones are present in a reactor, then in an alternative embodiment of the invention there is a heat insulation zone between them in order to be able to support the adiabatic operation of the reaction zone.
Zusätzlich können einzelne der in Reihe geschalteten Reaktionszonen unabhängig voneinander auch durch eine oder mehrere parallel geschaltete Reaktionszonen ersetzt oder ergänzt werden. Die Verwendung von parallel geschalteten Reaktionszonen erlaubt insbesondere deren Austausch bzw. Ergänzung bei laufendem kontinuierlichen Gesamt- betrieb des Verfahrens.In addition, each of the series-connected reaction zones can be replaced or supplemented independently of one another by one or more reaction zones connected in parallel. In particular, the use of reaction zones connected in parallel allows their replacement or supplementation during ongoing continuous operation of the process.
Parallele und hintereinander geschaltete Reaktionszonen können insbesondere auch miteinander kombiniert sein. Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße Verfahren aber ausschließlich hintereinander geschaltete Reaktionszonen auf.Parallel and successive reaction zones may in particular also be combined with one another. However, the process according to the invention particularly preferably has exclusively reaction zones connected in series.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendeten Reaktoren können aus einfachen Behältern mit einer oder mehreren Reaktionszonen bestehen, wie sie z.B. in Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, Seite 95-104, Seite 210-216) beschrieben werden, wobei jeweils zwischen den einzelnen Reaktionszonen und/oder Wärmeaustauschzonen Wärmeisolationszonen zusätzlich vorgesehen sein können. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens, befindet sich also zwischen einer Reaktionszone und einer Wärmeaustauschzone mindestens eine Wärmeisolationszone. Bevorzugt befindet sich um jede Reaktionszone eine Wärmeisolationszone.The reactors preferably used in the process according to the invention can consist of simple containers with one or more reaction zones, as described, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, pages 95-104, pages 210-216), wherein in each case between the individual reaction zones and / or heat exchange zones heat insulation zones can be additionally provided. In an alternative embodiment of the method, there is thus at least one heat-insulating zone between a reaction zone and a heat exchange zone. Preferably, there is a heat isolation zone around each reaction zone.
Die Katalysatoren bzw. die Festbetten daraus werden in an sich bekannter Weise auf oder zwischen gasdurchlässigen Wandungen umfassend die Reaktionszone des Reaktors angebracht. Insbesondere bei dünnen Festbetten können in Strömungsrichtung vor denThe catalysts or the fixed beds thereof are mounted in a manner known per se on or between gas-permeable walls comprising the reaction zone of the reactor. Especially with thin fixed beds can in the flow direction before the
Katalysatorbetten technische Vorrichtungen zur gleichmäßigen Gasverteilung angebracht werden. Dies können Lochplatten oder andere Einbauten sein, die durch Erzeugung eines geringen, aber gleichmäßigen Druckverlusts einen gleichförmigen Eintritt des Prozessgases in das Festbett bewirken.Catalyst beds technical devices for uniform gas distribution can be attached. These can be perforated plates or other internals that cause a uniform entry of the process gas into the fixed bed by generating a small but uniform pressure loss.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise ein molarer Überschuss von zwischen 0 und 20% Kohlenmonoxid bezogen auf den Stoffmengenstrom Chlor vor Eintritt in die Reaktionszone verwendet. Durch eine Erhöhung des Verhältnisses von Kohlenmonoxid pro Chlor kann zum einen die Reaktion beschleunigt und somit die Raumzeitausbeute (Produzierte Phosgenmenge pro Masse Katalysatormaterial) gesteigert werden, zum anderen wird das Gleichgewicht der Reaktion positiv in Richtung des Produktes (Phosgen) verschoben. Dadurch kann der Umsatz des Eduktes Chlor gesteigert werden.In a particular embodiment of the process according to the invention, preference is given to using a molar excess of between 0 and 20% carbon monoxide, based on the molar flow of chlorine, before it enters the reaction zone. By increasing the ratio of carbon monoxide per chlorine on the one hand, the reaction can be accelerated and thus the space-time yield (produced amount of phosgene per mass of catalyst material) can be increased, on the other hand, the equilibrium of the reaction is positively shifted in the direction of the product (phosgene). As a result, the conversion of the educt chlorine can be increased.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Eingangstemperatur des in die erste Reaktionszone eintretenden Prozessgases von 10 bis 350°C, bevorzugt von 40 bis 250°C, besonders bevorzugt von 80 bis 210°C.In a further particularly preferred embodiment of the method, the inlet temperature of the process gas entering the first reaction zone is from 10 to 350.degree. C., preferably from 40 to 250.degree. C., particularly preferably from 80 to 210.degree.
In noch einer weiteren besonders bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens beträgt der absolute Druck am Eingang der ersten Reaktionszone zwischen 1,1 und 40 bar, bevorzugt zwischen 1,5 und 10 bar, besonders bevorzugt zwischen 2 und 6 bar.In yet another particularly preferred embodiment of the method, the absolute pressure at the inlet of the first reaction zone is between 1.1 and 40 bar, preferably between 1.5 and 10 bar, more preferably between 2 and 6 bar.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Verweilzeit des Prozessgases in einer Reaktionszone zwischen 0,1 und 100 s, bevorzugt zwischen 0,5 und 50 s, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 s.In a further particularly preferred embodiment of the process, the residence time of the process gas in a reaction zone is between 0.1 and 100 s, preferably between 0.5 and 50 s, particularly preferably between 1 and 10 s.
Das Kohlenmonoxid und das Chlor werden bevorzugt nur vor der ersten Reaktionszone zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass das gesamte Prozessgas für die Aufnahme und Abfuhr der Reaktionswärme in allen Reaktionszonen genutzt werden kann. Außerdem kann durch eine solche Verfahrensweise die Raum-Zeit-Ausbeute gesteigert werden, bzw. die notwendige Katalysatormasse verringert werden. Es ist aber auch möglich vor einer oder mehreren der nach der ersten Reaktionszone folgenden Reaktionszonen nach Bedarf Kohlenmonoxid und/oder Chlor in das Prozessgas einzudosieren. Über die Zufuhr von Gas zwischen den Reaktionszonen kann zusätzlich das Temperaturprofϊl in der Reaktionszone gesteuert werden.The carbon monoxide and the chlorine are preferably fed only before the first reaction zone. This has the advantage that the entire process gas can be used for the absorption and removal of the heat of reaction in all reaction zones. In addition, through Such a procedure, the space-time yield can be increased, or the necessary catalyst mass can be reduced. However, it is also possible to meter in carbon monoxide and / or chlorine into the process gas as required before one or more of the reaction zones following the first reaction zone. In addition, the temperature profile in the reaction zone can be controlled via the supply of gas between the reaction zones.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung des Verfahrens wird das Prozessgas, das aus der letzten Reaktionszone austritt mindestens teilweise wiederverwendet, indem es in eine der Reaktionszonen eingeleitet wird. Besonders bevorzugt wird nur der Anteil des Kohlen- monoxid wiederverwendet, indem dieser in die erste Reaktionszone eingeleitet wird.In a preferred further development of the process, the process gas leaving the last reaction zone is at least partially reused by being introduced into one of the reaction zones. Particularly preferably, only the proportion of the carbon monoxide is reused by being introduced into the first reaction zone.
Diese Weiterentwicklung ist vorteilhaft, weil das Prozessgas ausgangs der letzten Reaktionszone im Wesentlichen nur noch Kohlenmonoxid und Phosgen umfasst und so ein weiterer Umsatz des Kohlenmonoxid mit Chlor zu Phosgen über eine Wiederverwendung erreicht werden kann.This further development is advantageous because the process gas at the outset of the last reaction zone essentially comprises only carbon monoxide and phosgene and thus a further conversion of the carbon monoxide with chlorine to phosgene can be achieved via reuse.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Prozessgas nach mindestens einer der verwendeten Reaktionszonen, besonders bevorzugt nach jedem der verwendeten Katalysatorbetten abgekühlt. Dazu leitet man das Prozessgas nach Austritt aus einer Reaktionszone durch eine oder mehrere der oben genannten Wärmeaustauschzonen, die sich hinter den jeweiligen Reaktionszonen befinden. Diese können als Wärmeaustauschzonen in Form der dem Fachmann bekannten Wärmetauscher, wie z.B. Rohrbündel-, Platten-, Ringnut-, Spiral-, Rippenrohr-, mikrostrukturierte Wärmetauscher ausgeführt sein. Bevorzugt sind mikrostrukturierte Wärmetauscher.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the process gas is cooled after at least one of the reaction zones used, more preferably after each of the catalyst beds used. For this purpose, the process gas is passed after exiting a reaction zone through one or more of the above-mentioned heat exchange zones, which are located behind the respective reaction zones. These may be used as heat exchange zones in the form of heat exchangers known to those skilled in the art, e.g. Tube bundle, plate, Ringnut-, spiral, finned tube, microstructured heat exchanger be executed. Preference is given to microstructured heat exchangers.
Mikrostrukturiert bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass der Wärmetauscher zum Zweck der Wärmeübertragung Fluid-führende Kanäle umfasst, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie einen hydraulischen Durchmesser zwischen 50 μm und 5 mm aufweisen. Der hydraulische Durchmesser berechnet sich aus dem Vierfachen der durchströmten Querschnirtsfläche des Fluid-führenden Kanals dividiert durch den Umfang des Kanals.In the context of the present invention, microstructured means that the heat exchanger for the purpose of heat transfer comprises fluid-carrying channels, which are characterized in that they have a hydraulic diameter between 50 μm and 5 mm. The hydraulic diameter is calculated as four times the cross-sectional area of the fluid-carrying channel, divided by the circumference of the channel.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird beim Abkühlen des Prozessgases in den Wärmeaustauschzonen durch den Wärmetauscher Dampferzeugt. Innerhalb dieser weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt in den Wärmetauschern, die die Wärmeaustauschzonen beinhalten, auf der Seite des Kühlmediums eine Verdampfung, bevorzugt Teilverdampfung auszuführen.In a particular embodiment of the method, steam is generated during cooling of the process gas in the heat exchange zones by the heat exchanger. Within this further embodiment, it is preferable in the heat exchangers, which include the heat exchange zones, to carry out evaporation on the side of the cooling medium, preferably partial evaporation.
Teilverdampfung bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Verdampfung, bei der ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch eines Stoffes als Kühlmedium verwendet wird und bei der auch nach Wärmeübergang in dem Wärmetauscher noch ein GasTFlüssigkeitsgemisch eines Stoffes vorliegt.Partial evaporation referred to in the context of the present invention, an evaporation in which a gas / liquid mixture of a substance is used as a cooling medium and in which there is still a GasTFlüssigkeitsgemisch a substance even after heat transfer in the heat exchanger.
Das Ausführen einer Verdampfung ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch der erzielbare Wärmeübergangskoeffizient von/zu Prozessgasen auf/von Kühl-/Heizmedium besonders hoch wird und somit eine effiziente Kühlung erreicht werden kann.The carrying out of evaporation is particularly advantageous because in this way the achievable heat transfer coefficient from / to process gases on / from the cooling / heating medium becomes particularly high and thus efficient cooling can be achieved.
Das Ausführen einer Teilverdampfung ist besonders vorteilhaft, weil die Aufnahme / Abgabe von Wärme durch das Kühlmedium hierdurch nicht mehr in einer Temperaturänderung des Kühlmediums resultiert, sondern lediglich das Gas-/Flüssig Gleichgewicht verschoben wird. Das hat zur Folge, dass über die gesamte Wärmeaustauschzone das Prozessgas gegenüber einer konstanten Temperatur gekühlt wird. Dies wiederum verhindert sicher das Auftreten von Temperaturprofilen in der Strömung der Prozessgase, wodurch die Kontrolle über die Reaktionstemperaturen in den Reaktionszonen verbessert wird und insbesondere das Ausbilden von lokalen Überhitzungen durch Temperaturprofile verhindert wird.Performing a partial evaporation is particularly advantageous because the absorption / release of heat by the cooling medium thereby no longer results in a temperature change of the cooling medium, but only the gas / liquid equilibrium is shifted. This has the consequence that over the entire heat exchange zone, the process gas is cooled to a constant temperature. This in turn safely prevents the occurrence of temperature profiles in the flow of process gases, thereby improving control over the reaction temperatures in the reaction zones and, in particular, preventing the formation of local overheating by temperature profiles.
In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle einer Verdampfung/Teilverdampfung auch eine Mischzone vor dem Eingang einer Reaktionszone vorgesehen werden, um die gegebenenfalls bei der Abkühlung entstehenden Temperaturprofile in der Strömung der Prozessgase durch Vermischung quer zur hauptsächlichen Strömungsrichtung zu vereinheitlichen.In an alternative embodiment, instead of evaporation / partial evaporation, a mixing zone can also be provided upstream of the inlet of a reaction zone in order to standardize the temperature profiles in the flow of process gases which may arise during cooling by mixing transversely to the main flow direction.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die nacheinander geschalteten Reaktionszonen bei von Reaktionszone zu Reaktionszone steigender oder sinkender Durchschnittstemperatur betrieben. Dies bedeutet, dass man innerhalb einer Folge von Reaktionszonen die Temperatur von Reaktionszone zu Reaktionszone sowohl ansteigen als auch absinken lassen kann. So kann es besonders vorteilhaft sein, die Durchschnittstemperatur zunächst von Reaktionszone zu Reaktionszone zur Erhöhung des Umsatzes ansteigen zu lassen und anschließend zur Verschiebung des Gleichgewichts die Durchschnittstemperatur in der folgenden letzten Reaktionszone wieder absinken zu lassen. Dies kann beispielsweise über die Steuerung der zwischen die Reaktionszone geschalteten Wärmeaustauschzonen eingestellt werden. Weitere Möglichkeiten der Einstellung der Durchschnittstemperatur werden im Folgenden beschrieben.In a further preferred embodiment of the process, the reaction zones connected in series are operated at an average temperature increasing or decreasing from reaction zone to reaction zone. This means that within a sequence of reaction zones, the temperature can be both increased and decreased from reaction zone to reaction zone. Thus, it may be particularly advantageous to first increase the average temperature from reaction zone to reaction zone to increase the conversion and then to shift the equilibrium the Average temperature in the following last reaction zone to drop again. This can be adjusted, for example, via the control of the heat exchange zones connected between the reaction zone. Further options for setting the average temperature are described below.
Die Dicke der durchströmten Reaktionszonen kann gleich oder verschieden gewählt werden und ergibt sich nach dem Fachmann allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten aus der oben beschriebenen Verweilzeit und den jeweils im Verfahren durchgesetzten Prozessgasmengen. Die erfindungsgemäß mit dem Verfahren durchsetzbaren Massenströme an Produktgas (Phosgen), aus denen sich auch die einzusetzenden Prozessgasmengen ergeben, liegen üblicherweise zwischen 0,01 und 60 t/h, bevorzugt zwischen 1 und 50 t/h, besonders bevorzugt zwischen 10 und 40 t/h.The thickness of the flow-through reaction zones can be chosen to be the same or different and results according to laws generally known in the art from the residence time described above and the process gas quantities enforced in the process. The mass flows of product gas (phosgene) which can be carried out according to the invention by the process, and from which the amounts of process gas to be used, are usually between 0.01 and 60 t / h, preferably between 1 and 50 t / h, particularly preferably between 10 and 40 t /H.
Die maximale Austrittstemperatur des Prozessgases aus den Reaktionszonen liegt üblicherweise in einem Bereich von 150°C bis 650°C, bevorzugt von 180°C bis 360°C, besonders bevorzugt von 260°C bis 320°C. Die Steuerung der Temperatur in den Reaktionszonen erfolgt bevorzugt durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen: Dimensionierung der adiabaten Reaktionszone, Steuerung der Wärmeabfuhr zwischen den Reaktionszonen, Zusatz von Gas zwischen den Reaktionszonen, molares Verhältnis der Edukte / Überschuss an verwendetem Kohlenmonoxid, Zusatz von Inertgasen, insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid, vor und/oder zwischen den Reaktionszonen.The maximum exit temperature of the process gas from the reaction zones is usually in a range from 150 ° C to 650 ° C, preferably from 180 ° C to 360 ° C, more preferably from 260 ° C to 320 ° C. The control of the temperature in the reaction zones is preferably carried out by at least one of the following measures: dimensioning of the adiabatic reaction zone, control of heat dissipation between the reaction zones, addition of gas between the reaction zones, molar ratio of the reactants / excess of carbon monoxide used, addition of inert gases, in particular Nitrogen, carbon dioxide, before and / or between the reaction zones.
Die Zusammensetzung der Katalysatoren in den erfindungsgemäßen Reaktionszonen kann gleich oder verschieden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden in jeder Reaktionszone die gleichen Katalysatoren verwendet. Man kann aber auch vorteilhaft verschiedene Katalysatoren in den einzelnen Reaktionszonen verwenden. So kann insbesondere in der ersten Reaktionszone, wenn die Konzentration der Reaktionsedukte noch hoch ist, ein weniger aktiver Katalysator verwendet werden und in den weiteren Reaktionszonen die Aktivität des Katalysators von Reaktionszone zu Reaktionszone gesteigert werden. Die Steuerung der Katalysatoraktivität kann auch durch Verdünnung mit Inertmaterialien bzw. Trägermaterial erfolgen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung eines Katalysators in der ersten und/oder zweiten Reaktionszone, der besonders stabil gegen eine Desaktivierung bei den Temperaturen des Verfahrens in diesen Reaktionszonen ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können pro 1 kg Katalysator 0,1 kg/h bis 50 kg/h, bevorzugt 1 kg/h bis 20 kg/h, besonders bevorzugt 3 kg/h bis 10 kg/h Phosgen hergestellt werden.The composition of the catalysts in the reaction zones according to the invention may be identical or different. In a preferred embodiment, the same catalysts are used in each reaction zone. However, it is also advantageous to use different catalysts in the individual reaction zones. Thus, especially in the first reaction zone, when the concentration of the reaction educts is still high, a less active catalyst can be used and in the further reaction zones the activity of the catalyst can be increased from reaction zone to reaction zone. The control of the catalyst activity can also be carried out by dilution with inert materials or carrier material. Also advantageous is the use of a catalyst in the first and / or second reaction zone, which is particularly stable against deactivation at the temperatures of the process in these reaction zones. 0.1 kg / h to 50 kg / h, preferably 1 kg / h to 20 kg / h, more preferably 3 kg / h to 10 kg / h of phosgene can be prepared by the process according to the invention per 1 kg of catalyst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit durch hohe Raum-Zeit-Ausbeuten aus, verbunden mit einer Verringerung der Apparategrößen sowie einer Vereinfachung der Apparaturen bzw. Reaktoren. Diese überraschend hohe Raum-Zeit-Ausbeute wird durch das Zusammenspiel der erfindungsgemäßen und bevorzugten Ausführungsformen des neuen Verfahrens ermöglicht. Insbesondere das Zusammenspiel von gestaffelten, adiabaten Reaktionszonen mit dazwischen befindlichen Wärmeaustauschzonen und den definierten Verweilzeiten ermöglicht eine genaue Steuerung des Verfahrens und die daraus resultierenden hohen Raum-Zeit-Ausbeuten, sowie eine Verringerung der gebildeten Nebenprodukte wie zum Beispiel CCl4.The inventive method is thus characterized by high space-time yields, combined with a reduction of the apparatus sizes and a simplification of the apparatus or reactors. This surprisingly high space-time yield is made possible by the interaction of the inventive and preferred embodiments of the new method. In particular, the interaction of staggered adiabatic reaction zones with intervening heat exchange zones and the defined dwell allows precise control of the process and the resulting high space-time yields, as well as a reduction of the by-products formed such as CCl. 4
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktorsystem zur Umsetzung von Kohlen- monoxid und Chlor zu Phosgen, dadurch gekennzeichnet, dass es Zuleitungen (Z) für ein Prozessgas umfassend Kohlenmonoxid und Chlor oder für mindestens zwei Prozessgase, von denen mindestens eines Kohlenmonoxid und mindestens eines Chlor umfasst, und 6 bis 40 hintereinander geschaltete Reaktionszonen (R) in Form von Festbetten eines heterogenen Katalysators umfasst, wobei sich zwischen den Reaktionszonen Wärmeisolationszonen (I) in Form von Isolationsmaterial und zwischen diesen Wärme- austauschzonen (W) in Form von Plattenwärmetauschern befinden, die mit den Reaktionszonen über Zu- und Ableitungen für die Prozessgase verbunden sind und die Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium umfassen.Another object of the invention is a reactor system for the reaction of carbon monoxide and chlorine to phosgene, characterized in that it comprises leads (Z) for a process gas comprising carbon monoxide and chlorine or for at least two process gases, of which at least one carbon monoxide and at least one chlorine , and 6 to 40 successive reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, which are between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) in the form of plate heat exchangers the reaction zones are connected via supply and discharge lines for the process gases and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
Das Reaktorsystem kann auch 8 bis 30 oder 10 bis 25 Reaktionszonen in Form von Festbetten umfassen.The reactor system may also comprise 8 to 30 or 10 to 25 reaction zones in the form of fixed beds.
Das Isolationsmaterial der Wärmeisolationszonen ist bevorzugt ein Material mit einemThe insulating material of the heat insulating zones is preferably a material having a
[ W[W
Wärmeleitkoeffizient λ kleiner oder gleich 0 . Besonders bevorzugt sind etwa m - R K Polystyrol, Polyurethane, Glaswolle oder Luft.Wärmeleitkoeffizient λ less than or equal to 0. Particularly preferred are about m - R K polystyrene, polyurethanes, glass wool or air.
Die Plattenwärmetauscher sind bevorzugt mikrostrukturierte Plattenwärmetauscher. Die vorliegende Erfindung wird anhand der Abbildungen erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.The plate heat exchangers are preferably microstructured plate heat exchangers. The present invention will be elucidated with reference to the drawings without, however, being limited thereto.
FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Reaktorsystems, wobei in der Abbildungen die folgenden Bezugszeichen verwendet werden:1 shows a schematic representation of an embodiment of the reactor system according to the invention, the following reference symbols being used in the figures:
Z: Zuleitung(en)Z: supply line (s)
R: Reaktionszone(n)R: reaction zone (s)
I: Wärmeisolationszone(n)I: thermal insulation zone (s)
W: Wärmeaustauschzone(n) FIG 2 zeigt Reaktortemperatur (T), optimale Temperatur (T*) und Umsatz von Chlor (U) über einer Anzahl von 11 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 1).W: Heat exchange zone (s) FIG. 2 shows reactor temperature (T), optimum temperature (T *) and conversion of chlorine (U) over a number of 11 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 1).
FIG 3 zeigt Reaktortemperatur (T) und Umsatz von Chlor (U) über einer Anzahl von 18 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel T).3 shows reactor temperature (T) and conversion of chlorine (U) over a number of 18 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example T).
FIG 4 zeigt Reaktortemperatur (T), optimale Temperatur (T*) und Umsatz von Chlor (U) über einer Anzahl von 17 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 3).4 shows reactor temperature (T), optimum temperature (T *) and conversion of chlorine (U) over a number of 17 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 3).
FIG 5 zeigt Reaktortemperatur (T), optimale Temperatur (T*) und Umsatz von Chlor (U) über einer Anzahl von 17 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 4).5 shows reactor temperature (T), optimum temperature (T *) and conversion of chlorine (U) over a number of 17 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 4).
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand der nachfolgenden Beispiele 1 bis 4 näher erläutert, ohne sie hierauf zu beschränken. BeispieleThe present invention will be further illustrated by the following examples 1 to 4, without being limited thereto. Examples
Beispiel 1 :Example 1 :
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas über insgesamt 11 Katalysatorfestbetten aus Aktivkohle, also durch 11 Reaktionszonen. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eine Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wird, bevor es in die nächste Reaktionszone eintritt. Die eingangs der ersten Reaktionszone verwendeten Prozessgase sind reines Kohlenmonoxid und reines Chlor, wobei der Volumenstrom des Kohlenmonoxid so eingestellt ist, dass ein Überschuss von 3 mol% des Kohlenmonoxid bezogen auf Chlor eingangs der ersten Reaktionszone vorliegt. Der absolute Eingangsdruck der Prozessgase direkt vor der ersten Reaktionszone beträgt 5 bar. Die Länge der Katalysatorfestbetten, also der Reaktionszonen, beträgt zwischen 0,1 und 1 m. Die genauen Längen der Reaktionszonen zeigt Tabelle 1. Die Aktivität des verwendeten Katalysators ist so eingestellt, dass sie in allen Katalysatorstufen gleich ist (für die weiteren Beispiele sei diese Aktivität zu 100% normiert). Es erfolgt keine Nachdosierung von Gas vor den einzelnen Katalysatorstufen. Die Verweilzeit in der Anlage insgesamt beträgt 2 Sekunden.In this example, the process gas flows through a total of 11 fixed catalyst beds of activated carbon, ie through 11 reaction zones. Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled before it enters the next reaction zone. The process gases used at the beginning of the first reaction zone are pure carbon monoxide and pure chlorine, the volume flow of the carbon monoxide being adjusted so that there is an excess of 3 mol% of the carbon monoxide relative to chlorine at the beginning of the first reaction zone. The absolute inlet pressure of the process gases directly in front of the first reaction zone is 5 bar. The length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones, is between 0.1 and 1 m. The exact lengths of the reaction zones is shown in Table 1. The activity of the catalyst used is adjusted to be the same in all catalyst stages (for the other examples, this activity is 100% normalized). There is no replenishment of gas before the individual catalyst stages. The residence time in the system is 2 seconds.
Tabelle 1: Länge der Reaktionszonen gemäß Beispiel 1Table 1: Length of the reaction zones according to Example 1
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Die Ergebnisse sind in Fig.2 gezeigt. Hierbei sind auf der x-Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt; der im besten Fall bei infinitesimal kleinen Reaktionszonen zu erhaltende Temperaturverlauf ist als dünne gestrichelte Linie dargestellt. Auf der rechten y- Achse ist der Gesamtumsatz an Chlor angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt. Man erkennt, dass die Eingangstemperatur des Prozessgases vor der ersten Reaktionszone etwa 100°C beträgt. Durch die exotherme Reaktion zu Phosgen unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur in der ersten Reaktionszone auf etwa 600°C, bevor das Prozessgas in der nachgeschalteten Wärmeaustauschzone wieder abgekühlt wird. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt etwa 200°C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 550°C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort. Die Eingangstemperaturen des Prozessgases vor den einzelnen Reaktionszonen sinken mit zunehmender Reaktionszonenzahl. Dieses ist vorteilhaft, da bei im Reaktionsverlauf späteren Reaktionszonen die Menge der zur Reaktion befähigten Edukte geringer ist und entsprechend eine vorteilhaftere Lage des Reaktionsgleichgewichtes nach erfolgtem Umsatz angestrebt wird. Folglich kann die Temperatur des Prozessgases näher am Optimum für die jeweilige Zusammensetzung gehalten werden. Ein Verfahren nach dieser speziellen Ausführungsform erfordert unter Umständen eine Akzeptanz geringerer Katalysatorstandzeiten, was bei preiswerten Katalysatoren wie etwa Aktivkohle vorteilhaft ist, wenn die entsprechend erhöhten Umsätze und die verringerte Reaktionszonenzahl und damit geringeren Investitionskosten dies überkompensieren.The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile over the individual reaction zones is shown as a thick, solid line; the temperature curve to be obtained in the best case at infinitesimal small reaction zones is shown as a thin dashed line. On the right y-axis the total conversion of chlorine is indicated. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line. It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 100 ° C. Due to the exothermic reaction to phosgene under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 600 ° C before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is about 200 ° C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 550 ° C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the process gas upstream of the individual reaction zones decrease with increasing reaction zone number. This is advantageous since, in the course of the reaction later reaction zones, the amount of reactants capable of the reaction is lower and, accordingly, a more advantageous position of the reaction equilibrium is sought after the conversion. Consequently, the temperature of the process gas can be kept closer to the optimum for the particular composition. Under certain circumstances, a process according to this specific embodiment requires an acceptance of lower catalyst service lives, which is advantageous in the case of inexpensive catalysts, such as activated carbon, if the correspondingly increased conversions and the reduced reaction zone number and thus lower investment costs more than compensate for this.
Ein weiteres Merkmal des Betriebs der Reaktionszonen unter adiabaten Bedingungen wird in Fig. 2 mitgezeigt. Betrachtet man insbesondere die Form des Temperaturverlaufes innerhalb der ersten Reaktionszone und insbesondere die Form des Temperaturverlaufes innerhalb der neunten bis elften Reaktionszone, so erkennt man, dass die Steigung des Temperaturanstiegs über der Reaktionszone abnimmt. Hierdurch erkennt man die wesentliche Eigenschaft des Verfahrens, dass keine signifikante Wärmesenke in den Reaktionszonen vorhanden ist. Für alle Temperaturverläufe in den Fig. 4 bis 5 gilt, dass die Steigung der einzelnen Temperaturverläufe in den Reaktionszonen niemals zunehmen, sondern immer einen konstanten oder fallenden Wert größer Null aufweisen, was ein Hinweis auf den adiabaten Betrieb der Reaktionszonen ist, da die Temperatur in den Reaktionszonen in die Nähe der Gleichgewichtslimitierung getrieben werden kann.Another feature of the operation of the reaction zones under adiabatic conditions is shown in FIG. Considering in particular the shape of the temperature profile within the first reaction zone and in particular the shape of the temperature profile within the ninth to eleventh reaction zone, it can be seen that the slope of the temperature increase over the reaction zone decreases. This shows the essential property of the process that no significant heat sink is present in the reaction zones. For all temperature profiles in FIGS. 4 to 5, the slope of the individual temperature curves in the reaction zones never increases, but always have a constant or falling value greater than zero, which is an indication of the adiabatic operation of the reaction zones, since the temperature in the reaction zones can be driven in the vicinity of the equilibrium limitation.
Es wird ein Umsatz von 99,2 % des eingangs der ersten Reaktionszone eingesetzten Chlors, errechnet aus der verbleibenden Masse ausgangs der letzten Reaktionszone, erhalten. Die erzielte Raum-Zeit- Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgt 13,7 kgCOci2/kgκath. Beispiel 2:It is a conversion of 99.2% of the input of the first reaction zone used chlorine, calculated from the remaining mass output of the last reaction zone obtained. The space-time yield achieved based on the mass of catalyst used is 13.7 kg CO ci 2 / kgK at h. Example 2:
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas durch insgesamt 18 Reaktionszonen, also über 18 Katalysatorfestbetten aus Aktivkohle. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eine Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wird, bevor es in die nächste Reaktionszone eintritt. Das eingangs verwendete Prozessgas ist, wie auch der Eingangsdruck vor der ersten Reaktionszone, identisch zu jenem aus Beispiel 1. Die Länge der Katalysatorstufen, also der Reaktionszonen, ist Tabelle 2 zu entnehmen. Die Aktivität des Katalysators ist durch Verdünnung mit katalytisch inaktivem Material eingestellt, so dass die Aktivität wie in Tabelle 2 angegeben zunimmt. Damit erreicht man ein stabiles Oszillieren in einem Temperaturfenster zwischen 100°C und 200°C, so dass die Temperatur in den Reaktionszonen niemals ein kritisches Niveau, bei dem eine Katalysatordesaktivierung zu befürchten wäre, erreicht. Es erfolgt keine Nachdosierung von Gas vor den einzelnen Katalysatorstufen. Die Verweilzeit in der Anlage beträgt insgesamt 5 Sekunden.In this example, the process gas flows through a total of 18 reaction zones, ie over 18 fixed catalyst beds of activated carbon. Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled before it enters the next reaction zone. The process gas used at the beginning, as well as the inlet pressure before the first reaction zone, identical to that of Example 1. The length of the catalyst stages, ie the reaction zones, is shown in Table 2. The activity of the catalyst is adjusted by dilution with catalytically inactive material so that the activity increases as indicated in Table 2. This achieves stable oscillation in a temperature window between 100 ° C and 200 ° C so that the temperature in the reaction zones never reaches a critical level at which catalyst deactivation would be feared. There is no replenishment of gas before the individual catalyst stages. The residence time in the system is 5 seconds in total.
Tabelle 2: Länge und Aktivität des Katalysators in den Reaktionszonen gemäß Beispiel 2Table 2: Length and activity of the catalyst in the reaction zones according to Example 2
Figure imgf000019_0001
Die Ergebnisse sind in Fig.3 gezeigt. Hierbei sind auf der x-Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt. Auf der rechten y- Achse ist der Gesamtumsatz an Chlor angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt.
Figure imgf000019_0001
The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line. On the right y-axis the total conversion of chlorine is indicated. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
Man erkennt, dass die Eingangstemperatur des Prozessgases vor der ersten Reaktionszone etwa 100°C beträgt. Durch die exotherme Reaktion zu Phosgen unter adiabaten Bedingungen an dem weniger aktiven Katalysator steigt die Temperatur auf etwa 200°C, bevor das Prozessgas in der nachgeschalteten Wärmeaustauschzone wieder abgekühlt wird. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt wieder etwa 100°C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 200°C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort. Die Eingangstemperaturen des Prozess- gases vor den einzelnen Reaktionszonen steigen mit zunehmender Reaktionszonenanzahl nicht mehr, bis ab Reaktionszone 15 eine geringere Abkühlung in der vorgelagerten Wärmeaustauschzone eine gewisse Erhöhung zur Erzielung eines Resteumsatzes erlaubt wird. Die Reaktionstemperatur wird hier zur Erzielung einer minimalen Katalysatordesaktivierung im Bereich von 100°C bis 200°C gehalten. Ein Verfahren nach dieser speziellen Ausführungsform erfordert unter Umständen eine Akzeptanz geringerer Raum- Zeit- Ausbeuten, was bei teureren Katalysatoren oder hohen Stillstandskosten vorteilhaft ist, wenn die entsprechend erhöhten Katalysatorstandzeiten die erhöhten Investitionskosten durch die erhöhte Reaktionszonenzahl rechtfertigen.It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 100 ° C. Due to the exothermic reaction to phosgene under adiabatic conditions on the less active catalyst, the temperature rises to about 200 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone. The inlet temperature before the next reaction zone is again about 100 ° C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 200 ° C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the process gas upstream of the individual reaction zones no longer increase with an increasing number of reaction zones until, starting from reaction zone 15, a smaller increase in the upstream heat exchange zone allows a certain increase to achieve a residual turnover. The reaction temperature is maintained here in the range of 100 ° C to 200 ° C to achieve a minimum catalyst deactivation. Under certain circumstances, a process according to this specific embodiment requires acceptance of lower space-time yields, which is advantageous in the case of expensive catalysts or high standstill costs if the correspondingly increased catalyst service lives justify the increased investment costs due to the increased reaction zone number.
Es wird ein Umsatz von 99,3 % des eingangs der ersten Reaktionszone eingesetzten Chlors, errechnet aus der verbleibenden Masse ausgangs der letzten Reaktionszone, erhalten. Die erzielte Raum-Zeit- Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgt 6,6 kgCoci2/kgκath.It is a conversion of 99.3% of the input of the first reaction zone used chlorine, calculated from the remaining mass output of the last reaction zone obtained. The space-time yield achieved based on the mass of catalyst used is 6.6 kg C oci2 / kgKath.
Beispiel 3:Example 3:
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas durch insgesamt 17 Reaktionszonen, also über 17 Katalysatorfestbetten, aus Aktivkohle. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eineIn this example, the process gas flows through a total of 17 reaction zones, ie over 17 fixed catalyst beds, of activated carbon. Each after a reaction zone is a
Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wird, bevor es in die nächste Reaktionszone eintritt. Das eingangs verwendete Prozessgas ist, wie auch der Eingangsdruck vor der ersten Reaktionszone, identisch zu jenem aus Beispiel 1. Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen wird hier das eingangs eingesetzte Prozessgas nicht auf 100°C vorgewärmt, sondern mit 50°C der ersten Reaktionszone zugeführt. Die Länge der Katalysatorstufen, also der Reaktionszonen, ist in Tabelle 3 angegeben. Die Aktivität des Katalysators ist durch Verdünnung mit katalytisch inaktivem Material gemäß Tabelle 3 eingestellt. Damit erreicht man ein stabiles Oszillieren in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 300°C, so dass die bei dieser Temperatur in den Wärmeaustauschzonen abgeführte Wärme gut zur Erzeugung von Wasserdampf geeignet ist. Es erfolgt keine Nachdosierung von Gas vor den einzelnen Reaktionszonen. Die Verweilzeit in der Anlage insgesamt beträgt 5,4 Sekunden.Heat exchange zone in which the process gas is cooled before moving to the next Reaction zone occurs. The process gas used in the beginning, as well as the inlet pressure before the first reaction zone, identical to that of Example 1. In contrast to the previous examples, the process gas used at the outset is not preheated to 100 ° C, but fed to the first reaction zone at 50 ° C. , The length of the catalyst stages, ie the reaction zones, is given in Table 3. The activity of the catalyst is adjusted by dilution with catalytically inactive material according to Table 3. This achieves a stable oscillation in a temperature window between 200 ° C and 300 ° C, so that the dissipated at this temperature in the heat exchange zones heat is well suited for the production of water vapor. There is no replenishment of gas before the individual reaction zones. The total residence time in the plant is 5.4 seconds.
Tabelle 3: Länge und Aktivität des Katalysators in den Reaktionszonen gemäß Beispiel 3Table 3: Length and activity of the catalyst in the reaction zones according to Example 3
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0001
Die Ergebnisse sind in Fig.4 gezeigt. Hierbei sind auf der x-Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt; der im besten Fall bei infinitesimal kleinen Reaktionszonen zu erhaltende Temperaturverlauf ist als dünne gestrichelte Linie dargestellt. Auf der rechten y- Achse ist der Gesamtumsatz an Chlor angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt.The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile over the individual reaction zones is shown as a thick, solid line; the temperature curve to be obtained in the best case at infinitesimal small reaction zones is shown as a thin dashed line. Is on the right y-axis the total sales of chlorine indicated. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
Durch die exotherme Reaktion zu Phosgen unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur in der ersten Reaktionszone von 50°C auf etwa 300°C, bevor das Prozessgas durch die nachgeschaltete Wärmeaustauschzone wieder gekühlt wird. Durch das Verwenden des Prozessgases bei nur 50°C eingangs der ersten Reaktionszone, kann Energie eingespart werden. Außerdem können so gegenüber anderen Verfahrensweisen Reaktionszonen eingespart werden. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt etwa 200°C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 300°C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort. Die Eingangstemperaturen des Prozessgases vor den einzelnen Reaktionszonen verändern sich mit zunehmender Reaktionszonenanzahl nicht mehr bis zu Reaktionszone 15. Die Reaktionstemperatur kann innerhalb der Stufen 1 bis 15 in der Nähe eines optimalen Temperaturwertes zur Dampferzeugung gehalten werden.Due to the exothermic reaction to phosgene under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises from 50 ° C to about 300 ° C, before the process gas is cooled by the downstream heat exchange zone again. By using the process gas at only 50 ° C at the beginning of the first reaction zone, energy can be saved. In addition, as compared to other procedures, reaction zones can be saved. The inlet temperature before the next reaction zone is about 200 ° C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 300 ° C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the process gas before the individual reaction zones no longer change with increasing reaction zone number up to reaction zone 15. The reaction temperature can be kept within the stages 1 to 15 in the vicinity of an optimum temperature value for generating steam.
hi den adiabaten Reaktionszonen 14 bis 17 kann durch den geringen Restanteil der Edukte keine Temperaturerhöhung von 100°C mehr erreicht werden. Hinter den Reaktionszonen 14 bis 16 werden die Reaktionsgase in den Wärmeaustauschzonen auf individuelle Eintrittstemperaturen für die nachfolgende Reaktionszone abgekühlt. Die angepassten Temperaturen erlauben ein weiteres Verschieben des thermodynamischen Gleichgewichts auf die Seite des Phosgen.hi the adiabatic reaction zones 14 to 17 can be achieved by the low residual content of the reactants no increase in temperature of 100 ° C more. After reaction zones 14-16, the reaction gases in the heat exchange zones are cooled to individual inlet temperatures for the subsequent reaction zone. The adjusted temperatures allow further shifting of the thermodynamic equilibrium to the side of the phosgene.
Es wird ein Umsatz von nahezu 100 % des eingangs der ersten Reaktionszone eingesetzten Chlors, errechnet aus der verbleibenden Masse ausgangs der letzten Reaktionszone, erhalten. Der verbleibende Restgehalt an Chlor im Prozessgas ausgangs der letzten Reaktionsstufe beträgt lediglich 1,9 ppm. Die erzielte Raum-Zeit- Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgt 5,7 kgcocπ/kgKath.It is a conversion of nearly 100% of the input of the first reaction zone used chlorine, calculated from the remaining mass output of the last reaction zone obtained. The residual content of chlorine in the process gas at the end of the last reaction stage is only 1.9 ppm. The space-time yield achieved, based on the mass of catalyst used, is 5.7 kg coc / kgKath.
Beispiel 4:Example 4:
hi Beispiel 4 wird ein zu jenem in Beispiel 3 weitgehend gleiches Verfahren ausgeführt. Unterschiedlich sind die relativen Katalysatoraktivitäten und Längen der Reaktionszonen (vgl. Tabelle 4). Weiter wird das Prozessgas wieder vorgewärmt auf 100°C eingesetzt. Die Ergebnisse sind in Fig.5 gezeigt. Hierbei sind auf der x- Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgas angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt; der im besten Fall bei infinitesimal kleinen Reaktionszonen zu erhaltende Temperaturverlauf ist als dünne gestrichelte Linie dargestellt. Auf der rechten y-Achse ist der Gesamtumsatz an Chlor angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt.In example 4, a procedure substantially similar to that in example 3 is carried out. Different are the relative catalyst activities and lengths of the reaction zones (see Table 4). Next, the process gas is reheated to 100 ° C used. The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile over the individual reaction zones is shown as a thick, solid line; the temperature curve to be obtained in the best case at infinitesimal small reaction zones is shown as a thin dashed line. On the right y-axis the total conversion of chlorine is indicated. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
Tabelle 4: Länge und Aktivität des Katalysators in den Reaktionszonen gemäß Beispiel 4Table 4: Length and activity of the catalyst in the reaction zones according to Example 4
Figure imgf000023_0001
Durch die exotherme Reaktion zu Phosgen unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur in der ersten Reaktionszone von 100°C auf etwa 350°C, bevor das Prozessgas durch die nachgeschaltete Wärmeaustauschzone wieder gekühlt wird. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt etwa 2500C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 350°C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort. Die Eingangstemperaturen des Prozessgases vor den einzelnen Reaktionszonen verändern sich mit zunehmender Reaktionszonenanzahl nicht mehr bis Reaktionszone 13. In den Reaktionszonen 14 bis 17 kann durch den geringen Restanteil der Edukte keine Temperaturerhöhung von 1000C mehr erreicht werden. Hinter den Reaktionszonen 14 bis 16 werden die Reaktionsgase in den Wärmeaustauschzonen auf Temperaturen unterhalb von 250°C abgekühlt. Die geringe Temperatur erlaubt ein weiteres Verschieben des thermodynamischen Gleichgewichts auf die Seite des Phosgens.
Figure imgf000023_0001
Due to the exothermic reaction to phosgene under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises from 100 ° C to about 350 ° C, before the process gas is cooled by the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is about 250 0 C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 350 ° C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the process gas before the individual reaction zones no longer change with increasing number of reaction zones to reaction zone 13. In the reaction zones 14 to 17 can be achieved by the low residual content of the reactants no increase in temperature of 100 0 C more. After the reaction zones 14 to 16, the reaction gases are cooled in the heat exchange zones to temperatures below 250 ° C. The low temperature allows further shifting of the thermodynamic equilibrium to the side of the phosgene.
Die Reaktionstemperatur kann innerhalb der Stufen 1 bis 13 noch näher an einem optimalen Temperaturwert zur Dampferzeugung gehalten werden, wobei ein so erzeugter Dampf bei Temperaturen von etwa 200°C bis 250°C erhalten wird und damit bei einem Überdruck von etwa 30 bar vorliegt.The reaction temperature can be kept even closer to an optimal temperature value for generating steam within stages 1 to 13, whereby a steam thus produced is obtained at temperatures of about 200 ° C to 250 ° C and thus present at an overpressure of about 30 bar.
Es wird ein Umsatz von nahezu 100 % des eingangs der ersten Reaktionszone eingesetzten Chlors, errechnet aus der verbleibenden Masse ausgangs der letzten Reaktionszone, erhalten. Der verbleibende Restgehalt an Chlor im Prozessgas ausgangs der letzten Reaktionsstufe beträgt lediglich 0,4 ppm. Die erzielte Raum-Zeit- Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgt 5,7 kgcocπ/kgKath. It is a conversion of nearly 100% of the input of the first reaction zone used chlorine, calculated from the remaining mass output of the last reaction zone obtained. The remaining residual content of chlorine in the process gas at the end of the last reaction stage is only 0.4 ppm. The space-time yield achieved, based on the mass of catalyst used, is 5.7 kg coc / kgKath.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Phosgen, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Umsatz von Kohlemonoxid mit Chlor zu Phosgen gemäß Formel (I)1. A process for the preparation of phosgene, characterized in that it comprises a conversion of carbon monoxide with chlorine to phosgene according to formula (I)
CO (g)+Cl2(g) <→ COCl2 (g); ΔH= -108 kJ/mol (I)CO (g) + Cl 2 (g) <→ COCl 2 (g); ΔH = -108 kJ / mol (I)
in 6 bis 40 hintereinander geschalteten Reaktionszonen unter adiabatenin 6 to 40 consecutive reaction zones under adiabatic
Bedingungen in Gegenwart heterogener Katalysatoren umfasst.Conditions in the presence of heterogeneous catalysts.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Umsatz in 8 bis 30, bevorzugt 10 bis 25 hintereinander geschalteten Reaktionszonen geschieht.2. The method according to claim 1, characterized in that the conversion takes place in 8 to 30, preferably 10 to 25 successive reaction zones.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur des in die erste Reaktionszone eintretenden Prozessgases von3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the inlet temperature of the entering into the first reaction zone process gas from
10 bis 350°C, bevorzugt von 40 bis 2500C, besonders bevorzugt von 80 bis 2100C beträgt.10 to 350 ° C, preferably from 40 to 250 0 C, particularly preferably from 80 to 210 0 C.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Druck am Eingang der ersten Reaktionszone zwischen 1,1 und 40 bar, bevorzugt zwischen 1 ,5 und 10 bar, besonders bevorzugt zwischen 2 und 6 bar beträgt.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the absolute pressure at the entrance of the first reaction zone is between 1.1 and 40 bar, preferably between 1, 5 and 10 bar, more preferably between 2 and 6 bar.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Prozessgases in allen Reaktionszonen zusammen zwischen 0,1 und 100 s, bevorzugt zwischen 0,5 und 50 s, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 s beträgt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the residence time of the process gas in all reaction zones together between 0.1 and 100 s, preferably between 0.5 and 50 s, more preferably between 1 and 10 s.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the
Katalysatoren aus einem Material bestehen, das neben seiner katalytischen Aktivität für die Reaktion gemäß der Formel (I) durch ausreichende chemische Resistenz gegenüber Chlor unter den Bedingungen des Verfahrens, sowie durch eine hohe spezifische Oberfläche gekennzeichnet ist.Catalysts consist of a material which is characterized in addition to its catalytic activity for the reaction according to formula (I) by sufficient chemical resistance to chlorine under the conditions of the process, as well as by a high specific surface area.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren7. The method according to claim 6, characterized in that the catalysts
Silicagele, Siliciumcarbide und/oder Aktivkohle umfassen.Silica gels, silicon carbides and / or activated carbon include.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Festbettanordnung vorliegen. 8. The method according to claims 6 or 7, characterized in that the catalysts are present in a fixed bed arrangement.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren als Monolithen vorliegen.9. The method according to claim 8, characterized in that the catalysts are present as monoliths.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Fließbettanordnung vorliegen.10. The method according to any one of claims 6 or 7, characterized in that the catalysts are in fluidized bed arrangement.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die11. The method according to claims 8 or 10, characterized in that the
Katalysatoren in Schüttungen von Partikeln mit mittleren Partikelgrößen von 1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 7 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 5 mm vorliegen.Catalysts in beds of particles having average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 2 to 7 mm, particularly preferably 3 to 5 mm are present.
12. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach mindestens einer Reaktionszone wenigstens eine Wärmeaustauschzone befindet, durch die das Prozessgas geleitet wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after at least one reaction zone is at least one heat exchange zone through which the process gas is passed.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach jeder Reaktionszone wenigstens eine, bevorzugt eine Wärmeaustauschzone befindet, durch die das Prozessgas geleitet wird.13. The method according to claim 12, characterized in that after each reaction zone at least one, preferably a heat exchange zone is located, through which the process gas is passed.
14. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einer Reaktionszone und einer Wärmeaustauschzone mindestens eine14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that between a reaction zone and a heat exchange zone at least one
Wärmeisolationszone befindet.Heat insulation zone is located.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich um jede Reaktionszone eine Wärmeisolationszone befindet.15. The method according to claim 14, characterized in that there is a heat insulation zone around each reaction zone.
16. Reaktorsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Zuleitungen (Z) für ein Prozessgas umfassend Kohlenmonoxid und Chlor oder für mindestens zwei Prozessgase, von denen mindestens eines Kohlenmonoxid und mindestens eines Chlor umfasst und 6 bis 40 hintereinander geschaltete Reaktionszonen (R) in Form von Festbetten eines heterogenen Katalysators umfasst, wobei sich zwischen den Reaktionszonen Wärmeisolationszonen (I) in Form von Isolationsmaterial und zwischen diesen16. Reactor system for carrying out a method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises feed lines (Z) for a process gas comprising carbon monoxide and chlorine or for at least two process gases, of which at least one carbon monoxide and at least one chlorine and 6 to 40 in a row connected reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, wherein between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between them
Wärmeaustauschzonen (W) in Form von Plattenwärmetauschern befinden, die mit den Reaktionszonen über Zu- und Ableitungen für die Prozessgase verbunden sind und die Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium umfassen. Heat exchange zones (W) are in the form of plate heat exchangers, which are connected to the reaction zones via supply and discharge lines for the process gases and the supply and discharge lines for a cooling medium.
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