WO2010020345A1 - Catalytic oxidation of hydrogen chloride with oxygen in non-thermal plasma - Google Patents

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WO2010020345A1
WO2010020345A1 PCT/EP2009/005683 EP2009005683W WO2010020345A1 WO 2010020345 A1 WO2010020345 A1 WO 2010020345A1 EP 2009005683 W EP2009005683 W EP 2009005683W WO 2010020345 A1 WO2010020345 A1 WO 2010020345A1
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plasma
reactor
oxidation
hcl
catalyst
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PCT/EP2009/005683
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Eberhard Stelter
Frank-Dieter Kopinke
Ulf Roland
Robert Köhler
Frank Holzer
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Bayer Materialscience Ag
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B7/00Halogens; Halogen acids
    • C01B7/01Chlorine; Hydrogen chloride
    • C01B7/03Preparation from chlorides
    • C01B7/04Preparation of chlorine from hydrogen chloride
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/20Improvements relating to chlorine production

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of chlorine by catalytic oxidation of gaseous hydrogen chloride under the action of a non-thermal plasma.
  • the combined effect of catalyst and plasma results in higher levels of HCl conversion than either of the two activation methods taken alone.
  • By lowering the reaction temperature in the plasma reactor in comparison to the catalyzed Deacon reaction very high degrees of HCl conversion are possible without significant thermodynamic limitation.
  • the Deacon reaction can be carried out purely thermally at high temperatures (> 700 ° C) or catalyzed at lower temperatures (300 to 500 ° C).
  • Suitable catalysts are described, for example, in DE 1 567 788 A1.
  • Older methods use as the catalytically active component usually doped copper chloride (for example, Shell-Chlorine method, Dow-Hercules method), while more modern methods work with precious metals or their oxides and chlorides.
  • the Deacon reaction is exothermic with a standard reaction enthalpy of -57 kJ / mol chlorine. It is reversible. For thermodynamic reasons, low reaction temperatures and excess oxygen are desirable in order to shift the equilibrium position as far as possible in the direction of product formation. This is offset by the desire for the highest possible, technically usable reaction rates, which require temperatures above 300 0 C on the known catalysts. At these temperatures, the Deacon equilibrium is no longer completely on the product side. From the known thermodynamic data of the Deacon reaction can be calculated that at 350 0 C reaction temperature, 0.1 MPa gas pressure and a stoichiometric Eduktdream of four parts HCl to one part of oxygen, a maximum HCl conversion rate of 85% can be achieved.
  • SU A 1 801 943 describes a process for HCl oxidation with air in an electrical pulse discharge (10 to 40 kV peak voltage) at 20 to 30 ° C. With a residence time of up to 140 s in the discharge zone, HCl conversion rates up to 74% are achieved.
  • the patent does not contain information on the discharge arrangement used and the specific energy consumption. The inventors emphasize the absence of a catalyst as an essential feature of their process. From the embodiments of the invention it appears that the dew point of the water of reaction in the product mixture is exceeded. This inevitably leads to the formation of water films on the reactor walls, which ultimately lead to an unstable discharge behavior (sparkover). How the condensation of the water of reaction in the discharge reactor at 20 to 30 0 C can be avoided is not described.
  • EP 1914199 describes a process for the production of chlorine from a gaseous hydrogen chloride and oxygen-containing mixture under the action of ultraviolet radiation, at a wavelength in the range of 165 nm to 270 nm at a density of ultraviolet radiation of (10-40) 10 -4 W / cm 3 and a pressure of not more than 0.1 MPa.
  • the oxygen may be activated upon exposure to a current of accelerated electrons having an energy of 100 keV to 2 MeV.
  • the oxidation of the hydrogen chloride is carried out by the activated oxygen to form the target product.
  • WO2008002197 describes a method for the production of chlorine, in which a gaseous hydrogen chloride and oxygen mixture is transferred at a pressure of 1.1 to 5.0 bar under the action of electrical pulse discharge in a low-temperature plasma, in which hydrogen chloride is oxidized by oxygen. The oxidation product is separated after condensation of the water contained.
  • Van Drumpt et al. (1972) describe HCl oxidation in a modified Siemens tube at atmospheric pressure. It was possible to convert up to 6% of hydrogen chloride into chlorine. These are by far too low degrees of implementation for a sensible technical application.
  • EP1914199 describes a process for the production of chlorine from a gaseous hydrogen chloride and oxygen-containing mixture under the action of ultraviolet radiation, at a wavelength in the range from 165 nm to 270 nm at a density of ultraviolet radiation of (10-40) 10 -4 W / cm 3 and a pressure of not more than 0.1 MPa.
  • the oxygen may be activated upon exposure to a current of accelerated electrons having an energy of 100 keV to 2 MeV.
  • the oxidation of the hydrogen chloride is carried out by the activated oxygen to form the target product. It Almost quantitative degrees of implementation are asserted without there being any heating of the product mixture. It is not mentioned which energy expenditure is necessary for the excitation sources (UV or electrons) to achieve the stated degrees of conversion.
  • the main reaction path is via excited (individual) oxygen atoms, ozone is only mentioned as a by-product of the oxygen excitation.
  • WO2008002197 describes a method for the production of chlorine, in which a gaseous hydrogen chloride and oxygen mixture is transferred at a pressure of 1.1 to 5.0 bar under the action of electrical pulse discharge in a low-temperature plasma, in which hydrogen chloride is oxidized by oxygen. The oxidation product is separated after condensation of the water contained.
  • the document DE 10 2006 022 761 A1 describes an integrated process for the preparation of isocyanates from phosgene and at least one amine and oxidation of the resulting hydrogen chloride with oxygen to chlorine, wherein the chlorine is recycled to produce the phosgene.
  • processes for the production of chlorine by non-thermally activated reaction of hydrogen chloride with oxygen, in which from the resulting gas mixture in the reaction consisting at least of the target products of chlorine and water, unreacted hydrogen chloride and oxygen and optionally other minor components such as carbon dioxide and Nitrogen chlorine is removed and recycled into the phosgene production.
  • a particular disadvantage of the methods that operate using electron excitation is that stable operation of HCl oxidation is not possible with condensation of water.
  • the UV excitation is expected to be a continuous reduction in sales for the duration of the reaction.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for recycling hydrogen chloride to chlorine, which can be operated simply, safely and energy-efficiently.
  • very high degrees of hydrogen chloride conversion should be achieved, so as to simplify the work-up of the reaction products.
  • the invention relates to a process for the heterogeneously catalyzed oxidation of hydrogen chloride by means of oxygen-containing gases, characterized in that a gas mixture consisting at least of hydrogen chloride and oxygen flows through a suitable solid catalyst and simultaneously exposed to the action of a non-thermal plasma.
  • a method is used in which the non-thermal plasma is generated by silent electrical discharge.
  • the silent electric discharge is carried out in a barrier reactor with one or more current-limiting dielectric barriers.
  • the individual reactor tubes are designed, for example, as plasma reactors with a cylindrical discharge gap, similar to the Siemens tubes used for ozone generation.
  • the discharge gap is filled with a suitable catalyst in the form of a fixed bed and is continuously flowed through by the reaction mixture (hydrogen chloride, oxygen, chlorine, water vapor). Any number of these reactors can be connected in parallel to produce sufficient plant capacity.
  • the reaction mixture hydrogen chloride, oxygen, chlorine, water vapor.
  • the reaction temperature can be varied within a wide range. It should preferably be kept above the dew point of the product mixture at the reactor outlet (about 100 ° C.) in order to avoid condensate formation in the reactor.
  • a further preferred embodiment of the new method is therefore characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation is carried out in a reactor having a tube with inner and outer electrodes.
  • a reactor having a tube with inner and outer electrodes.
  • Such a reactor is also referred to as a plasma reactor, wherein the electrodes are designed corrosion-protected, in particular with respect to the process gases are.
  • a barrier reactor is a plasma reactor in which the plasma is generated by a barrier discharge.
  • a further embodiment variant of the novel process is characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation is carried out in a plurality of parallel-connected reactors in a tube bundle arrangement or parallel plate reactors.
  • the plasma-assisted HCl oxidation is carried out in particular at elevated pressure, preferably at a pressure of up to 25 bar, more preferably 5 to 25 bar.
  • the reaction temperature in the plasma-activated HCl oxidation can be set below about 300 0 C.
  • the HCl conversion is determined by the plasma-chemical activation of the reactants and their synergistic reaction on the catalyst.
  • the homogeneous plasma-activated HCl oxidation in the gas space of the catalyst bed contributes to the total sales.
  • the total conversion in the presence of the catalyst is always higher than that in the empty discharge tubes under the same external discharge conditions, ie the same applied high voltage.
  • reaction temperature of the HCl oxidation in the plasma in a range up to 300 0 C, preferably from 120 to 250 0 C, preferably 130 to 200 0 C is set.
  • a method is also preferred in which the plasma-assisted HCl oxidation is combined with a catalyzed HCl oxidation reaction and is carried out in a reaction space.
  • the reaction temperature of the combined plasma-supported and catalyzed HCl oxidation is set in a range of at least 300 ° C., preferably from 320 to 450 ° C., preferably 350 to 400 ° C.
  • thermodynamic conversion limits specified in the catalyzed process by using reactors connected in series, which operate on different activation principles.
  • a catalyzed process at high temperatures eg, 38O 0 C
  • a certain HCl conversion> 50% is achieved.
  • the product mixture leaving the process is released Temperatures below 300 0 C cooled and passed through a plasma reactor.
  • HCl conversion very high total HCl conversion levels can be achieved in the manner described, the catalyzed activation contributing the major part to the HCl conversion, while the plasma activation brings about the desired, very high overall conversion up to almost 100%.
  • the plasma-assisted HCl oxidation is combined with a catalyzed HCl oxidation reaction and is carried out in separate reaction spaces, wherein the plasma-assisted HCl oxidation is followed by the catalyzed HCl oxidation reaction.
  • a particularly preferred variant of the aforementioned method is characterized in that first the main portion of the HCl oxidation is achieved in particular up to a HCl conversion of at least 70%, preferably at least 80% in the catalyzed oxidation process, which is followed by the plasma-assisted HCl oxidation.
  • a tubular reactor with cylindrically symmetrical inner and outer electrodes is used. Between them there is at least one barrier (e.g., ceramic material) which prevents a direct breakdown of electrical discharge. There may also be multiple barriers, e.g. used in front of each electrode. Between both electrodes, a discharge gap (dielectric, plasma space) with a typical thickness of a few millimeters is formed, in which the catalyst is arranged in an optimum particle size as a packed bed. To generate the plasma, an alternating electrical voltage (for example 5 to 50 kV) is applied between the two electrodes.
  • alternating electrical voltage for example 5 to 50 kV
  • This high voltage can be applied as a low frequency sinusoidal voltage (e.g., 50 Hz) or as a short pulse duration pulsed voltage (e.g., in the micro or nanosecond range) and higher in frequency (e.g., in the kHz or MHz range).
  • the packed bed between the high-voltage electrodes is not only catalytically active, it can also significantly influence the discharge characteristics by its dielectric properties (plasma physical effect).
  • the applied high voltage in a range of 5 to 50 kV, preferably 20 to 30 kV o the active power density, in a range of 50 to 5000 J / l, preferably in the range 200 to 1000 J / l
  • the type of applied AC voltage either in sinusoidal form with a frequency of 50 or 60 Hz or as a pulsed high voltage with a pulse frequency in the range of 50 Hz to 50 kHz, preferably 1 to 5 kHz, and a pulse rise time of 5 to 5000 ns, preferably from 100 to 1000 ns
  • o the reduced field strength (measured in Townsend [Td]) should be adjusted in a range of 200 to 600 Td, preferably 350 to 500 Td.
  • the discharge gap should have a thickness of 1 to 50 mm, preferably 3 to 10 mm.
  • High Dielectric Constant Barrier Materials e.g. Ferroelectric ceramics, the generation of very high field strengths.
  • the thickness of the barriers is in the range of about 0.1 to 5 mm, preferably in the range between 0.5 and 2 mm.
  • a particular embodiment uses solids with ferroelectric properties (eg barium titanate) as constituents of the packed bed or as a catalyst support.
  • ferroelectric properties eg barium titanate
  • the electrical barrier or the electrical barriers are simultaneously used as a catalyst carrier.
  • a porous or rough barrier material is coated with the catalytically active components.
  • a particular advantage of this embodiment lies in the fact that compared to the flow through the catalyst bed a lower flow resistance. This allows smaller gap widths and thus higher electric field strengths in the plasma zone.
  • the silent electric discharge is carried out in a barrier reactor having one or more current-limiting dielectric barriers whose barrier or barriers simultaneously serve as carriers for the catalyst.
  • Such a method is particularly preferred when the silent electrical discharge in a barrier reactor with a ferroelectric barrier material, in particular based on
  • Barium titanate is performed.
  • other ferroelectrics can also be used.
  • heterogeneous catalysts for the plasma enhanced Deacon reaction a variety of solids have been found to be effective. Depending on the temperature range used, they preferably contain oxides, oxide chlorides or chlorides of the metals of Groups 1, 7 and 8 of the Periodic Table which are dispersed in finely divided form on porous support materials, e.g. Titanium dioxide, are applied.
  • Another effective catalyst consists of these catalytically active compounds on ferroelectric support materials, whereby several mechanisms of action - the chemical catalysis and a plasma-physical effect (the amplification of the plasma intensity) - can be advantageously combined.
  • the catalyst which is preferably used in the new process has as catalytic active components metals of the 1st, 7th or 8th subgroup of the Periodic Table of the Elements or oxides, oxide chlorides or chlorides of the metals of the 1st, 7th or 8th subgroup, or Mixtures of these metals or metal compounds.
  • the catalyst is particularly preferably selected from the series: ruthenium oxide, ruthenium chloride, ruthenium oxychloride or other ruthenium compounds on silica, alumina, titania, tin dioxide or zirconium dioxide as support.
  • the novel plasma-assisted HCl oxidation is particularly preferably used in combination with the catalyzed HCl oxidation with molecular oxygen which is also known as the Deacon process and which is operated in an upstream step or simultaneously.
  • hydrogen chloride is oxidized with oxygen in an exothermic equilibrium reaction to chlorine, whereby water vapor is obtained.
  • the reaction temperature is usually 150 to 500 0 C, the usual reaction pressure is 1 to 25 bar. Since it is an equilibrium reaction, it is expedient to work at the lowest possible temperatures at which the catalyst still has sufficient activity.
  • oxygen in excess of stoichiometric amounts of hydrogen chloride. For example, a two- to four-fold excess of oxygen is customary.
  • Suitable preferred catalysts for the Deacon process include ruthenium oxide, ruthenium chloride, ruthenium oxide chloride or other ruthenium compounds supported on silica, alumina, titania, tin dioxide or zirconia. Suitable catalysts can be obtained, for example, by applying ruthenium chloride to the support and then drying or drying and calcining. Suitable catalysts may, in addition to or instead of a ruthenium compound, also contain compounds of other noble metals, for example gold, palladium, platinum, osmium, iridium, silver, copper or rhenium. Suitable catalysts may further contain chromium (III) oxide.
  • the catalyzed hydrogen chloride oxidation can either adiabatic or isothermal or approximately isothermal, discontinuous, but preferably continuously as flow or
  • Fixed bed process preferably as a fixed bed process, particularly preferably in tube bundle reactors of heterogeneous catalysts at a reactor temperature of 180 to 500 0 C, preferably 200 to
  • 1 to 25 bar 1000 to 25000 hPa
  • 1.2 to 20 bar more preferably 1.5 to 17 bar and in particular 2.0 to 15 bar be performed.
  • Typical reactors in which the catalyzed hydrogen chloride oxidation is carried out are fixed bed or fluidized bed reactors.
  • the catalyzed hydrogen chloride oxidation can preferably also be carried out in multiple stages.
  • Reactors with additional intermediate cooling can be used.
  • the hydrogen chloride can be added either completely together with the oxygen before the first reactor or distributed over the various reactors. This arrangement of individual reactors can also be combined in one apparatus.
  • a further preferred embodiment of a device suitable for the method consists in using a structured catalyst bed in which the catalyst activity increases in the flow direction.
  • Such structuring of the catalyst bed can be done by different impregnation of the catalyst support with active material or by different dilution of the catalyst with an inert material.
  • an inert material for example, rings, cylinders or balls of titanium dioxide, tin dioxide, zirconium dioxide or mixtures thereof, alumina, steatite, ceramic, glass, graphite or stainless steel can be used.
  • the inert material should preferably have similar external dimensions.
  • Suitable shaped catalyst bodies are shaped bodies of any shapes, preference being given to tablets, rings, cylinders, stars, carriage wheels or spheres, rings, cylinders or star strands being particularly preferred as the form.
  • Ruthenium compounds or copper compounds on support materials are particularly suitable as heterogeneous catalysts, preference being given to optionally doped ruthenium catalysts.
  • suitable carrier materials are silicon dioxide, graphite, rutile or anatase titanium dioxide, tin dioxide, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, preferably titanium dioxide, tin dioxide, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, particularly preferably ⁇ - or ⁇ -aluminum oxide or mixtures thereof ,
  • the copper or ruthenium-supported catalysts can be obtained, for example, by impregnation of the support material with aqueous solutions of CuCl 2 or RuCl 3 and optionally a promoter for doping, preferably in the form of their chlorides.
  • the shaping of the catalyst can take place after or preferably before the impregnation of the support material.
  • the catalysts are suitable as promoters alkali metals such as lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium, preferably lithium, sodium and potassium, more preferably potassium, alkaline earth metals such as magnesium, calcium, strontium and barium, preferably magnesium and calcium, particularly preferably magnesium, Rare earth metals such as scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium and neodymium, preferably scandium, yttrium, lanthanum and cerium, more preferably lanthanum and cerium, or mixtures thereof.
  • alkali metals such as lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium, preferably lithium, sodium and potassium, more preferably potassium, alkaline earth metals such as magnesium, calcium, strontium and barium, preferably magnesium and calcium, particularly preferably magnesium, Rare earth metals such as scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium and neodymium, preferably scandium, yt
  • the moldings can then be dried at a temperature of 100 to 400 0 C, preferably 100 to 300 0 C, for example, under a nitrogen, argon or air atmosphere and optionally calcined.
  • First C the shaped bodies are preferably dried and subsequently calcined at 200 to 400 0 C at 100 to 15O 0th
  • the aforementioned catalyst systems known for the Deacon process can also be used for the plasma-assisted HCl oxidation.
  • the conversion of hydrogen chloride in a single pass may preferably be limited to 15 to 90%, preferably 40 to 85%, particularly preferably 50 to 70%. Unreacted minor hydrogen chloride residues can be partially or completely recycled to the catalyzed hydrogen chloride oxidation after separation.
  • the volume ratio of Hydrogen chloride to oxygen at the reactor inlet is preferably 1: 1 to 20: 1, preferably 1: 1 to 8: 1, particularly preferably 1: 1 to 5: 1.
  • the separation step usually comprises several stages, namely the separation and optionally the recycling of small residues of unreacted hydrogen chloride from the product gas stream of hydrogen chloride oxidation, the drying of the resulting, essentially chlorine, oxygen and water-containing stream and the separation of chlorine from the dried Electricity.
  • the chlorine produced by the new process is further used in production processes for the production of polymers such as polyurethanes and PVC, which as a by-product provide the hydrogen chloride for the new oxidation process.
  • Another object of the invention is a barrier reactor with one or more current-limiting dielectric barriers, in particular for the oxidation of hydrogen chloride by means of oxygen-containing gases, characterized in that in the discharge gap of the barrier reactor catalyst is introduced as a fixed bed.
  • a barrier reactor characterized in that the reactor is designed as a tubular reactor with a tube having inner and outer electrodes, wherein in particular the electrodes are designed to be protected against corrosion by process gases.
  • barrier reactor in which the reactor is designed in the form of a tube bundle arrangement or several parallel plate reactors.
  • This tubular reactor consisted of a heatable outer tube and an inner tube. The wall thickness of outer and inner tube was about 1 mm.
  • the outer tube was steamed with a metal mirror.
  • the inner tube was cohesively filled by a copper tube.
  • the metal sheath functioning as an outer electrode was connected to the ground potential of a high voltage generator.
  • the copper inner tube was connected to the high voltage output of the generator. Between both electrodes a pulsed high voltage with variable amplitude and pulse frequency was applied.
  • AC pulses were applied with a peak voltage of 30 kV, a frequency of 600 Hz and a pulse duration of approximately 10 ⁇ s.
  • the gap between outer and inner glass tube (gap width 3 mm) was filled with rod-shaped catalyst (about 10 cm 3 , L xd (the rods) "2 mm x 1 mm, 1 wt .-% RuO 2 on TiO 2 ).
  • the reactor temperature was adjusted to 150 0 C. At the reactor exit was a cooled condensate separator.
  • the catalyst-filled annular gap was flowed through by 50 ml / min of a gas stream which consisted in equal parts of hydrogen chloride and oxygen. At the outlet of the reactor gas samples were taken and their chlorine content (absorption at 330 nm) was analyzed photometrically. When the high voltage was switched off, no significant chlorine content ( ⁇ 0.2% by volume) in the product gas could be measured. After switching on the high voltage and stabilizing the plasma, 20% by volume of chlorine in the product gas was measured. This concentration corresponds to a degree of HCl conversion of 63%.
  • Example 2 shows that even under the experimental conditions used, a homogeneous plasma leads to significant HCl oxidation.
  • the introduction of a catalyst significantly enhances this effect.
  • the catalyst without plasma is not active under the reaction conditions used (150 0 C).
  • Example 1 The experimental conditions described in Example 1 were changed so that the plasma reactor was operated at a temperature of 350 ° C. Under these conditions, the catalyzed process is already activated. When the plasma voltage was switched off, a chlorine concentration of 28.5% by volume was measured in the cooled product gas. This value corresponds to 80% HCl conversion. After switching on and stabilizing the plasma, the chlorine concentration increased to 34% by volume, which corresponds to an HCl conversion rate of about 90%.
  • the example shows that under the conditions of a catalyzed HCl oxidation, a significant increase in the chlorine yield by switching on the plasma is possible.
  • Example 1 The experimental setup described in Example 1 was extended by connecting two reactors of the same type in series.
  • the first reactor was operated under the experimental conditions described in Example 2 (350 ° C, without condensate) without plasma assistance.
  • the second reactor was operated under the conditions described in Example 1 (15O 0 C) with the product gas from reactor 1 as input gas. Both reactors were connected by a heated to 120 0 C PTFE tube.
  • reactor 2 was operated without plasma.
  • a chlorine concentration of 28.5% by volume was measured (corresponds to 80% HCl conversion).
  • the chlorine concentration increased to 38% by volume, which corresponds to an HCl conversion rate of about 97%.
  • the example shows that very high levels of HCl conversion can be achieved by connecting catalyzed and plasma-activated oxidation in series.
  • Example 1 The experimental setup described in Example 1 was modified such that the discharge gap, instead of rod-shaped catalyst (about 1% by weight of RuO 2 on TiO 2 ), with a fine-grained mixture of this catalyst having dielectric properties and barium titanate particles ferroelectric material which is catalytically inactive for the HCl oxidation was filled. Both components were mixed as sieved grain fraction (0.5 to 1 mm) in a mass ratio of 1: 1 and filled in the annular gap. Among the in Example 1 described experimentally measured 26 vol .-% chlorine in the cooled reaction gas. This corresponds to a degree of HCl conversion of 75%.
  • the example shows that a mixture of catalytically active dielectric and catalytically inactive ferroelectric particles has a positive overall effect on the plasma-activated oxidation of HCl.
  • Example 4 The experiment described in Example 4 was modified such that the annular gap of the reactor was filled solely with ferroelectric material which was used as carrier for a catalytically active component.
  • barium titanate particle fraction 0.5 to 1 mm
  • ruthenium acetate coated about 0.5 wt .-% Ru
  • HCl conversion rate approximately 45%.
  • the example shows that the special plasma-physical properties of ferroelectric materials can be exploited for plasma-activated HCl oxidation.
  • the inner electrode of the reactor described in Example 1 was modified in the following manner: The smooth glass tube functioning as an inner barrier was replaced by a tube of porous, ceramic material with an outer diameter of 12 mm and a wall thickness of 2 mm. The free gap width thereby reduced to about 1 mm.
  • the outer wall of the ceramic tube was wet-impregnated with ruthenium acetate (about 0.3 mg Ru per cm 2 of the geometric surface).
  • the barrier tube was installed in the reactor and the experimental conditions described in Example 1 were established. Without active plasma, no significant chlorine concentrations ( ⁇ 0.2% by volume) were measured in the product gas. After switching on and stabilizing the plasma, 11.8% by volume of chlorine was measured. This value corresponds to an HCl conversion rate of around 40%.
  • the example shows that a significant plasma effect can also be achieved with a catalyst layer on porous barrier material.

Abstract

The invention relates to a method for producing chlorine by the catalytic oxidation of gaseous hydrogen chloride exposed to the action of non-thermal plasma.

Description

Katalytische Oxidation von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff im nichtthermischen Plasma Catalytic oxidation of hydrogen chloride with oxygen in non-thermal plasma
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Chlor durch katalytische Oxidation von gasförmigem Chlorwasserstoff unter der Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas. Die kombinierte Wirkung von Katalysator und Plasma führt zu höheren HCl-Umsetzungsgraden als jede der beiden Aktivierungsmethoden für sich genommen. Durch Absenkung der Reaktionstemperatur im Plasmareaktor im Vergleich zur katalysierten Deacon-Reaktion sind sehr hohe HCl-Umsetzungsgrade ohne signifikante thermodynamische Begrenzung möglich.The invention relates to a process for the production of chlorine by catalytic oxidation of gaseous hydrogen chloride under the action of a non-thermal plasma. The combined effect of catalyst and plasma results in higher levels of HCl conversion than either of the two activation methods taken alone. By lowering the reaction temperature in the plasma reactor in comparison to the catalyzed Deacon reaction very high degrees of HCl conversion are possible without significant thermodynamic limitation.
In der chlorverarbeitenden chemischen Industrie spielt das Recycling von Chlorwasserstoff (HCl) zu Chlor (Cl2) eine wesentliche Rolle (vgl. Ulimann Enzyklopädie der technischen Chemie. Verlag Chemie, Weinheim, 4. Auflage 1975, Bd. 9, S. 357 ff. oder Winnacker - Küchler: Chemische Technik, Prozesse und Produkte. Wiley-VCH Verlag, 5. Auflage 2005, Bd. 3, S. 512 ff). Dabei unterscheidet man zwischen gasförmigem HCl und seiner wässrigen Lösung, Salzsäure. HCl- Recyclingverfahren nach dem Stand der Technik sind die Elektrolyse von Salzsäure sowie die Oxidation von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff (Deacon-Reaktion) gemäß der Reaktionsgleichung:In the chlorine-processing chemical industry, the recycling of hydrogen chloride (HCl) to chlorine (Cl 2 ) plays an essential role (see Ulimann Encyclopedia of Industrial Chemistry, Verlag Chemie, Weinheim, 4th Edition 1975, Vol 9, p 357 ff. or Winnacker - Küchler: Chemical Technology, Processes and Products, Wiley-VCH Verlag, 5th Edition 2005, Vol. 3, pp. 512 ff). A distinction is made between gaseous HCl and its aqueous solution, hydrochloric acid. HCl recycling processes according to the prior art are the electrolysis of hydrochloric acid and the oxidation of hydrogen chloride with oxygen (Deacon reaction) according to the reaction equation:
4 HCl + O2 <--> 2 Cl2 + 2 H2O4 HCl + O 2 <-> 2 Cl 2 + 2 H 2 O
Die Deacon-Reaktion kann rein thermisch bei hohen Temperaturen (>700°C) oder katalysiert bei niedrigeren Temperaturen (300 bis 500°C) durchgeführt werden. Geeignete Katalysatoren sind beispielsweise in der DE 1 567 788 Al beschrieben. Ältere Verfahren verwenden als katalytisch aktive Komponente meist dotiertes Kupferchlorid (z.B. Shell-Chlorverfahren, Dow-Hercules- Verfahren), während modernere Verfahren mit Edelmetallen bzw. ihren Oxiden und Chloriden arbeiten.The Deacon reaction can be carried out purely thermally at high temperatures (> 700 ° C) or catalyzed at lower temperatures (300 to 500 ° C). Suitable catalysts are described, for example, in DE 1 567 788 A1. Older methods use as the catalytically active component usually doped copper chloride (for example, Shell-Chlorine method, Dow-Hercules method), while more modern methods work with precious metals or their oxides and chlorides.
Die Deacon-Reaktion ist mit einer Standardreaktionsenthalpie von -57 kJ/mol Chlor exotherm. Sie verläuft reversibel. Aus thermodynamischen Gründen sind niedrige Reaktionstemperaturen und Sauerstoffüberschuss erwünscht, um die Gleichgewichtslage möglichst weit in Richtung Produktbildung zu verschieben. Dem steht der Wunsch nach möglichst hohen, technisch verwertbaren Reaktionsgeschwindigkeiten gegenüber, die an den bekannten Katalysatoren Temperaturen oberhalb 3000C erfordern. Bei diesen Temperaturen liegt das Deacon- Gleichgewicht nicht mehr vollständig auf der Produktseite. Aus den bekannten thermodynamischen Daten der Deacon-Reaktion kann man berechnen, dass bei 3500C Reaktionstemperatur, 0,1 MPa Gasdruck und einem stöchiometrischen Eduktverhältnis von vier Teilen HCl auf ein Teil Sauerstoff ein maximaler HCl-Umsetzungsgrad von 85% erreichbar ist. Dieser Wert lässt sich durch einen Sauerstoffüberschuss noch erhöhen. Allerdings vergrößert sich dann der der Produktaufarbeitung zuzuführende Gasmengenstrom. Dementsprechend steigt der Aufwand für die Chlorabscheidung. Könnte man hingegen die Reaktionstemperatur auf 1000C absenken, wäre bei stöchiometrischem Eduktverhältnis ein Gleichgewichtsumsatz von 99% möglich.The Deacon reaction is exothermic with a standard reaction enthalpy of -57 kJ / mol chlorine. It is reversible. For thermodynamic reasons, low reaction temperatures and excess oxygen are desirable in order to shift the equilibrium position as far as possible in the direction of product formation. This is offset by the desire for the highest possible, technically usable reaction rates, which require temperatures above 300 0 C on the known catalysts. At these temperatures, the Deacon equilibrium is no longer completely on the product side. From the known thermodynamic data of the Deacon reaction can be calculated that at 350 0 C reaction temperature, 0.1 MPa gas pressure and a stoichiometric Eduktverhältnis of four parts HCl to one part of oxygen, a maximum HCl conversion rate of 85% can be achieved. This value can be increased by an excess of oxygen. However, then increases the product processing to be supplied gas flow. Accordingly, the Effort for the chlorine separation. However, one could lower the reaction temperature to 100 0 C, an equilibrium conversion of 99% would be possible at stoichiometric starting materials.
Ein Nachteil der katalysierten HCl-Oxidation insbesondere mit Edelmetallkatalysatoren besteht darin, dass der für die Reaktion eingesetzte Katalysator empfindlich gegen Verunreinigungen im Einsatzprodukt ist. Diese können zu signifikanten Aktivitätsverlusten und damit zur Verringerung der gesamten Anlagenkapazität führen.A disadvantage of catalyzed HCl oxidation, especially with noble metal catalysts, is that the catalyst used for the reaction is sensitive to contaminants in the feedstock. These can lead to significant loss of activity and thus to a reduction in the total plant capacity.
Um die Reaktionstemperaturen bis in den thermodynamisch günstigen Bereich (<300°C) absenken zu können, wurden sogen, nichtthermische Anregungsquellen untersucht. Derartige Verfahrensprinzipien sind beispielsweise in Stiller (W. Stiller: Nichtthermisch aktivierte Chemie. Birkhäuser Verlag, Basel, Boston, 1987, S. 33-34, S. 45-49, S 122-124, S. 138-145.) beschrieben. HCl-Oxidationsverfahren mit nichtthermischer Aktivierung sind in den Schriften JP 5 907 3405, RU A 2253 607, DD 88 309, SU A 180 1943, Cooper et al. (W. W. Cooper, H. S. Mickley, R. F. Baddour: Oxidation of hydrogen chloride in a microwave discharge. Ind. Eng. Chem. Fundam. 7(3), 400-409 (1968).), van Drumpt (J. D. van Drumpt: Oxidation of Hydrogen Chloride with Molecular Oxygen in a Silent Electrical Discharge. Ind. Eng. Chem. Fundam. 22(4), 594-595 (1972)) und DE 10 2006 022 761 Al beschrieben. Sie basieren überwiegend auf der photochemischen Aktivierung eines der beiden Reaktionspartner, HCl oder O2.In order to lower the reaction temperatures down to the thermodynamically favorable range (<300 ° C), so-called non-thermal excitation sources were investigated. Such process principles are described, for example, in Stiller (W. Stiller: Non-thermally Activated Chemistry, Birkhäuser Verlag, Basel, Boston, 1987, pp. 33-34, pp. 45-49, pp. 122-124, pp. 138-145). Non-thermal activation HCl oxidation processes are described in JP 5 907 3405, RU A 2253 607, DD 88 309, SU A 180 1943, Cooper et al. Ind. Eng. Chem. Fundam., 7 (3), 400-409 (1968).), Van Drumpt (JD van Drumpt: Oxidation of. (WW Cooper, HS Mickley, RF Baddour: Oxidation of hydrogen chloride in a microwave discharge Hydrogen Chloride with Molecular Oxygen in a Silent Electrical Discharge, Ind. Eng. Chem., Fundam., 22 (4), 594-595 (1972)) and DE 10 2006 022 761 A1. They are based predominantly on the photochemical activation of one of the two reaction partners, HCl or O 2 .
Eine Initiierung der Deacon-Reaktion in kaltem Plasma ist nur in wenigen Schriften erwähnt:Initiation of the Deacon reaction in cold plasma is mentioned only in a few documents:
SU A 1 801 943 beschreibt ein Verfahren zur HCl-Oxidation mit Luft in einer elektrischen Impulsentladung (10 bis 40 kV Spitzenspannung) bei 20 bis 300C. Bei einer Verweilzeit bis 140 s in der Entladungszone werden HCl-Umsetzungsgrade bis 74% erreicht. Die Patentschrift enthält keine Angaben zur verwendeten Entladungsanordnung und dem spezifischen Energieverbrauch. Die Erfinder betonen die Abwesenheit eines Katalysators als wesentliches Merkmal ihres Verfahrens. Aus den in der Erfindung aufgeführten Ausführungsbeispielen geht hervor, dass der Taupunkt des Reaktionswassers im Produktgemisch unterschritten wird. Dies führt zwangsläufig zur Bildung von Wasserfilmen an den Reaktorwänden, die letztlich zu einem instabilen Entladungsverhalten führen (Funkenüberschlag). Wie die Kondensation des Reaktionswassers im Entladungsreaktor bei 20 bis 300C vermieden werden kann, ist nicht beschrieben. Da in den Verfahren gemäß dem oben genannten Stand der Technik es zur Bildung von abschirmenden Wasserfilmen kommt, bleibt unklar wie die behaupteten Umsetzungsgrade erzielt werden konnten. Bei eigenen Versuchen wurde keine vergleichbaren Ausbeuten erreicht. EP 1914199 beschreibt ein Verfahren zur Chlorherstellung aus einem gasförmigen Chlorwasserstoff und Sauerstoff enthaltendem Gemisch unter Einwirkung von ultravioletter Strahlung, bei einer Wellenlänge im Bereich von 165 nm bis 270 nm bei einer Dichte der ultravioletten Strahlung von (10-40) 10 -4 W/cm 3 und ein Druck von nicht mehr als 0,1 MPa. Alternativ kann der Sauerstoff aktiviert werden unter Einwirkung der Bestrahlung mit einem Strom beschleunigter Elektronen, die eine Energie von 100 keV bis 2 MeV aufweisen. Die Oxidation des Chlorwasserstoffs erfolgt durch den aktivierten Sauerstoff unter Bildung des Zielprodukts. Es werden fast quantitative Umsetzungsgrade behauptet, ohne dass es zu einer Erwärmung des Produktgemisches kommt. Es wird nicht genannt, welcher Energieaufwand für die Anregungsquellen (UV oder Elektronen) zur Erzielung der genannten Umsetzungsgrade notwendig ist. Weiterhin finden sich keine Angaben zur Verweilzeit der Reaktanden oder der Größe der eingesetzten Reaktionsapparate. Der Hauptreaktionsweg erfolgt gemäß der Anmeldung über angeregte (einzelne) Sauerstoffatome, Ozon wird nur als Nebenprodukt der Sauerstoff-Anregung genannt.SU A 1 801 943 describes a process for HCl oxidation with air in an electrical pulse discharge (10 to 40 kV peak voltage) at 20 to 30 ° C. With a residence time of up to 140 s in the discharge zone, HCl conversion rates up to 74% are achieved. The patent does not contain information on the discharge arrangement used and the specific energy consumption. The inventors emphasize the absence of a catalyst as an essential feature of their process. From the embodiments of the invention it appears that the dew point of the water of reaction in the product mixture is exceeded. This inevitably leads to the formation of water films on the reactor walls, which ultimately lead to an unstable discharge behavior (sparkover). How the condensation of the water of reaction in the discharge reactor at 20 to 30 0 C can be avoided is not described. Since in the methods according to the above-mentioned prior art it comes to the formation of shielding water films, it remains unclear how the claimed degrees of conversion could be achieved. In our own experiments, no comparable yields were achieved. EP 1914199 describes a process for the production of chlorine from a gaseous hydrogen chloride and oxygen-containing mixture under the action of ultraviolet radiation, at a wavelength in the range of 165 nm to 270 nm at a density of ultraviolet radiation of (10-40) 10 -4 W / cm 3 and a pressure of not more than 0.1 MPa. Alternatively, the oxygen may be activated upon exposure to a current of accelerated electrons having an energy of 100 keV to 2 MeV. The oxidation of the hydrogen chloride is carried out by the activated oxygen to form the target product. Almost quantitative degrees of implementation are asserted without there being any heating of the product mixture. It is not mentioned which energy expenditure is necessary for the excitation sources (UV or electrons) to achieve the stated degrees of conversion. Furthermore, there is no information on the residence time of the reactants or the size of the reaction apparatus used. According to the application, the main reaction path is via excited (individual) oxygen atoms, ozone is only mentioned as a by-product of the oxygen excitation.
WO2008002197 beschreibt eine Methode zur Chlorherstellung, bei der eine gasförmige Chlorwasserstoff und Sauerstoff Mischung bei einem Druck von 1,1 bis 5,0 bar unter Einwirkung von elektrischer Impulsentladung in ein Niedertemperaturplasma überführt wird, in dem Chlorwasserstoff durch Sauerstoff oxidiert wird. Das Oxidationsprodukt wird nach Kondensation des enthaltenen Wassers abgetrennt.WO2008002197 describes a method for the production of chlorine, in which a gaseous hydrogen chloride and oxygen mixture is transferred at a pressure of 1.1 to 5.0 bar under the action of electrical pulse discharge in a low-temperature plasma, in which hydrogen chloride is oxidized by oxygen. The oxidation product is separated after condensation of the water contained.
Van Drumpt et al. (1972) beschreiben die HCl-Oxidation in einer modifizierten Siemensröhre bei Atmosphärendruck. Dabei konnten bis zu 6% Chlorwasserstoff in Chlor umgewandelt werden. Dies sind für eine sinnvolle technische Anwendung bei weitem zu niedrige Umsetzungsgrade.Van Drumpt et al. (1972) describe HCl oxidation in a modified Siemens tube at atmospheric pressure. It was possible to convert up to 6% of hydrogen chloride into chlorine. These are by far too low degrees of implementation for a sensible technical application.
Von Cooper et al. (1968) wird die HCl-Oxidation in einem energiereichen Mikrowellenplasma beschrieben. Dabei wurden niedrige Gasdrücke von 13 bis 27 mbar verwendet und es traten Temperaturen von 500 bis 7000C auf. Diese Temperaturen übersteigen allerdings den aus thermodynamischer Sicht favorisierten Bereich bei weitem. Ferner sind die niedrigen Betriebsdrücke des Mikrowellenplasmas für eine technische Umsetzung wenig attraktiv.Cooper et al. (1968) describes the HCl oxidation in a high-energy microwave plasma. In this case, low gas pressures of 13 to 27 mbar were used and temperatures of 500 to 700 0 C occurred. However, these temperatures far exceed the thermodynamically favored range by far. Furthermore, the low operating pressures of the microwave plasma are not very attractive for technical implementation.
EP1914199 beschreibt ein Verfahren zur Chlorherstellung aus einem gasförmigen Chlorwasserstoff und Sauerstoff enthaltendem Gemisch unter Einwirkung von ultravioletter Strahlung, bei einer Wellenlänge im Bereich von 165 nm bis 270 nm bei einer Dichte der ultravioletten Strahlung von (10-40) 10 -4 W/cm 3 und ein Druck von nicht mehr als 0,1 MPa. Alternativ kann der Sauerstoff aktiviert werden unter Einwirkung der Bestrahlung mit einem Strom beschleunigter Elektronen, die eine Energie von 100 keV bis 2 MeV aufweisen. Die Oxidation des Chlorwasserstoffs erfolgt durch den aktivierten Sauerstoff unter Bildung des Zielprodukts. Es werden fast quantitative Umsetzungsgrade behauptet, ohne dass es zu einer Erwärmung des Produktgemisches kommt. Es wird nicht genannt, welcher Energieaufwand für die Anregungsquellen (UV oder Elektronen) zur Erzielung der genannten Umsetzungsgrade notwendig ist. Weiterhin finden sich keine Angaben zur Verweilzeit der Reaktanden oder der Größe der eingesetzten Reaktionsapparate. Der Hauptreaktionsweg erfolgt gemäß der Anmeldung über angeregte (einzelne) Sauerstoffatome, Ozon wird nur als Nebenprodukt der Sauerstoff-Anregung genannt.EP1914199 describes a process for the production of chlorine from a gaseous hydrogen chloride and oxygen-containing mixture under the action of ultraviolet radiation, at a wavelength in the range from 165 nm to 270 nm at a density of ultraviolet radiation of (10-40) 10 -4 W / cm 3 and a pressure of not more than 0.1 MPa. Alternatively, the oxygen may be activated upon exposure to a current of accelerated electrons having an energy of 100 keV to 2 MeV. The oxidation of the hydrogen chloride is carried out by the activated oxygen to form the target product. It Almost quantitative degrees of implementation are asserted without there being any heating of the product mixture. It is not mentioned which energy expenditure is necessary for the excitation sources (UV or electrons) to achieve the stated degrees of conversion. Furthermore, there is no information on the residence time of the reactants or the size of the reaction apparatus used. According to the application, the main reaction path is via excited (individual) oxygen atoms, ozone is only mentioned as a by-product of the oxygen excitation.
WO2008002197 beschreibt eine Methode zur Chlorherstellung, bei der eine gasförmige Chlorwasserstoff und Sauerstoff Mischung bei einem Druck von 1,1 bis 5,0 bar unter Einwirkung von elektrischer Impulsentladung in ein Niedertemperaturplasma überführt wird, in dem Chlorwasserstoff durch Sauerstoff oxidiert wird. Das Oxidationsprodukt wird nach Kondensation des enthaltenen Wassers abgetrennt.WO2008002197 describes a method for the production of chlorine, in which a gaseous hydrogen chloride and oxygen mixture is transferred at a pressure of 1.1 to 5.0 bar under the action of electrical pulse discharge in a low-temperature plasma, in which hydrogen chloride is oxidized by oxygen. The oxidation product is separated after condensation of the water contained.
Die Schrift DE 10 2006 022 761 Al beschreibt ein integriertes Verfahren zur Herstellung von Isocyanaten aus Phosgen und wenigstens einem Amin und Oxidation des dabei anfallenden Chlorwasserstoffs mit Sauerstoff zu Chlor, wobei das Chlor zur Herstellung des Phosgens rückgeführt wird. Insbesondere wird ausgegangen von Verfahren zur Herstellung von Chlor durch nichtthermische aktivierte Umsetzung von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff, bei denen aus dem bei der Umsetzung entstehenden Gasgemisch, bestehend wenigstens aus den Zielprodukten Chlor und Wasser, nicht umgesetztem Chlorwasserstoff und Sauerstoff sowie ggf. weiteren Nebenbestandteilen wie Kohlendioxid und Stickstoff Chlor entnommen und in die Phosgenherstellung rückgeführt wird.The document DE 10 2006 022 761 A1 describes an integrated process for the preparation of isocyanates from phosgene and at least one amine and oxidation of the resulting hydrogen chloride with oxygen to chlorine, wherein the chlorine is recycled to produce the phosgene. In particular, it is assumed that processes for the production of chlorine by non-thermally activated reaction of hydrogen chloride with oxygen, in which from the resulting gas mixture in the reaction consisting at least of the target products of chlorine and water, unreacted hydrogen chloride and oxygen and optionally other minor components such as carbon dioxide and Nitrogen chlorine is removed and recycled into the phosgene production.
Hauptnachteil der wenigen bisher beschriebenen plasmaunterstützten, nichtthermischen HCl- Oxidationsprozesse ist eine unbefriedigende Energieeffϊzienz. In keinem Falle sind sehr hohe HCl- Umsetzungsgrade (>90%) erreicht worden, wie sie für eine technische Anwendung mit einfacher Gasaufarbeitung wünschenswert sind.The main disadvantage of the few plasma-assisted, non-thermal HCl oxidation processes described so far is an unsatisfactory energy efficiency. In no case very high degrees of HCl conversion (> 90%) have been achieved, as they are desirable for a technical application with simple gas workup.
Ein spezieller Nachteil der Verfahren, die unter Nutzung von Elektronenanregung funktionieren ist, dass ein stabiler Betrieb der HCl-Oxidation unter Kondensation von Wasser nicht möglich ist. Im Falle der Nutzung der UV-Anregung ist dabei mit einer fortwährenden Verminderung des Umsatzes für die Laufzeit der Reaktion zu rechnen.A particular disadvantage of the methods that operate using electron excitation is that stable operation of HCl oxidation is not possible with condensation of water. In the case of the use of the UV excitation is expected to be a continuous reduction in sales for the duration of the reaction.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Recycling von Chlorwasserstoff zu Chlor zur Verfügung zu stellen, welches einfach, sicher und energieeffizient betrieben werden kann. Insbesondere sollen sehr hohe Chlorwasserstoff-Umsetzungsgrade erreicht werden, um so die Aufarbeitung der Reaktionsprodukte zu vereinfachen. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine heterogen katalysierte Oxidation von Chlorwasserstoff in Kombination mit einem nichtthermischen Plasma gelöst.The object of the present invention is therefore to provide a method for recycling hydrogen chloride to chlorine, which can be operated simply, safely and energy-efficiently. In particular, very high degrees of hydrogen chloride conversion should be achieved, so as to simplify the work-up of the reaction products. These objects are achieved by a heterogeneously catalyzed oxidation of hydrogen chloride in combination with a non-thermal plasma.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur heterogen katalysierten Oxidation von Chlorwasserstoff mittels Sauerstoff enthaltender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch bestehend mindestens aus Chlorwasserstoff und Sauerstoff einen geeigneten festen Katalysator durchströmt und gleichzeitig der Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas ausgesetzt wird.The invention relates to a process for the heterogeneously catalyzed oxidation of hydrogen chloride by means of oxygen-containing gases, characterized in that a gas mixture consisting at least of hydrogen chloride and oxygen flows through a suitable solid catalyst and simultaneously exposed to the action of a non-thermal plasma.
Bevorzugt wird ein Verfahren angewendet, bei dem das nichtthermische Plasma durch stille elektrische Entladung erzeugt wird.Preferably, a method is used in which the non-thermal plasma is generated by silent electrical discharge.
In einer besonders bevorzugten Ausführung des neuen Verfahrens wird die stille elektrische Entladung in einem Barrierereaktor mit einer oder mehreren strombegrenzenden dielektrischen Barrieren durchgeführt.In a particularly preferred embodiment of the new method, the silent electric discharge is carried out in a barrier reactor with one or more current-limiting dielectric barriers.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform basiert auf einem Rohrbündelreaktor. Die einzelnen Reaktorrohre sind beispielsweise als Plasmareaktoren mit einem zylinderförmigen Entladungsspalt konstruiert, ähnlich den zur Ozonerzeugung verwendeten Siemens-Röhren. Der Entladungsspalt ist mit einem geeigneten Katalysator in Form eines Festbettes gefüllt und wird vom Reaktionsgemisch (Chlorwasserstoff, Sauerstoff, Chlor, Wasserdampf) kontinuierlich durchströmt. Eine beliebige Anzahl dieser Reaktoren kann parallel geschaltet werden, um eine ausreichende Anlagenkapazität zu erzeugen. Nach Zünden des nichtthermischen Plasmas in den Entladungsrohren durch Anlegen einer Hochspannung wird der Chlorwasserstoff durch synergistisches Zusammenwirken von Katalysator und Plasma zu Chlor oxidiert. Die Reaktionstemperatur kann dabei in einem weiten Bereich variiert werden. Sie sollte bevorzugt oberhalb des Taupunkts des Produktgemisches am Reaktorausgang (ca. 100°C) gehalten werden, um Kondensatbildung im Reaktor zu vermeiden.Another particularly preferred embodiment is based on a tube bundle reactor. The individual reactor tubes are designed, for example, as plasma reactors with a cylindrical discharge gap, similar to the Siemens tubes used for ozone generation. The discharge gap is filled with a suitable catalyst in the form of a fixed bed and is continuously flowed through by the reaction mixture (hydrogen chloride, oxygen, chlorine, water vapor). Any number of these reactors can be connected in parallel to produce sufficient plant capacity. After igniting the non-thermal plasma in the discharge tubes by applying a high voltage, the hydrogen chloride is oxidized by synergistic interaction of catalyst and plasma to chlorine. The reaction temperature can be varied within a wide range. It should preferably be kept above the dew point of the product mixture at the reactor outlet (about 100 ° C.) in order to avoid condensate formation in the reactor.
Eine weitere bevorzugte Ausführung des neuen Verfahrens ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die plasmagestützte HCl-Oxidation in einem Reaktor mit einem Rohr mit Innen- und Außenelektrode durchgeführt wird, Ein solcher Reaktor wird auch als Plasmareaktor bezeichnet, wobei die Elektroden insbesondere gegenüber den Prozessgasen korrosionsgeschützt ausgeführt sind.A further preferred embodiment of the new method is therefore characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation is carried out in a reactor having a tube with inner and outer electrodes. Such a reactor is also referred to as a plasma reactor, wherein the electrodes are designed corrosion-protected, in particular with respect to the process gases are.
Besonders bevorzugt ist eine Variante des Verfahrens, bei der der Katalysator als Schüttbett in den Entladungsspalt eines Barrierereaktors eingebracht ist. Ein Barrierereaktor ist ein Plasmareaktor, in dem das Plasma durch eine Barriereentladung erzeugt wird. Eine weitere Ausführungsvariante des neuen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die plasmagestützte HCl-Oxidation in mehreren parallel geschalteten Reaktoren in einer Rohrbündelanordnung oder parallelen Plattenreaktoren durchgeführt wird.Particularly preferred is a variant of the method in which the catalyst is introduced as a packed bed in the discharge gap of a barrier reactor. A barrier reactor is a plasma reactor in which the plasma is generated by a barrier discharge. A further embodiment variant of the novel process is characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation is carried out in a plurality of parallel-connected reactors in a tube bundle arrangement or parallel plate reactors.
Die plasmagestützte HCl-Oxidation wird insbesondere bei erhöhtem Druck, bevorzugt bei einem Druck von bis zu 25 bar, besonders bevorzugt 5 bis 25 bar durchgeführt.The plasma-assisted HCl oxidation is carried out in particular at elevated pressure, preferably at a pressure of up to 25 bar, more preferably 5 to 25 bar.
Die Reaktionstemperatur bei der plasmaaktivierten HCl-Oxidation kann unterhalb von etwa 3000C eingestellt werden. In diesem Fall wird der HCl-Umsatz durch die plasmachemische Aktivierung der Reaktanden und deren synergistische Umsetzung am Katalysator bestimmt. Gleichzeitig leistet die homogene plasmaaktivierte HCl-Oxidation im Gasraum des Katalysatorbettes einen Beitrag zum Gesamtumsatz. Der Gesamtumsatz in Gegenwart des Katalysators ist stets höher als der in der leeren Entladungsrohre unter gleichen äußeren Entladungsbedingungen, d.h. gleicher angelegter Hochspannung.The reaction temperature in the plasma-activated HCl oxidation can be set below about 300 0 C. In this case, the HCl conversion is determined by the plasma-chemical activation of the reactants and their synergistic reaction on the catalyst. At the same time, the homogeneous plasma-activated HCl oxidation in the gas space of the catalyst bed contributes to the total sales. The total conversion in the presence of the catalyst is always higher than that in the empty discharge tubes under the same external discharge conditions, ie the same applied high voltage.
Bevorzugt ist daher eine Ausfuhrungsvariante des neuen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reaktionstemperatur der HCl-Oxidation in Bereich des Plasmas in einem Bereich bis 3000C, bevorzugt von 120 bis 2500C, bevorzugt 130 bis 2000C eingestellt wird.Preference is therefore given to a variant of the new process, which is characterized in that the reaction temperature of the HCl oxidation in the plasma in a range up to 300 0 C, preferably from 120 to 250 0 C, preferably 130 to 200 0 C is set.
Eine Alternative dazu ist der Betrieb des Plasmareaktors bei einer Katalysatortemperatur oberhalb 300 0C. In diesem Fall überlagern sich die katalysierte und die plasmaaktivierte HCl-Oxidation. Auch unter diesen Reaktionsbedingungen führt die erfindungsgemäße Kombination unter bestimmten Randbedingungen zu höheren HCl-Gesamtumsätzen als jede der beiden Aktivierungsformen einzeln betrachtet. Allerdings ist der maximal erreichbare HCl-Umsatz durch die thermodynamischen Randbedingungen begrenzt. Der anwesende Katalysator katalysiert Hin- und Rückreaktion im Deacon-Gleichgewicht.An alternative to this is the operation of the plasma reactor at a catalyst temperature above 300 ° C. In this case, the catalyzed and the plasma-activated HCl oxidation overlap. Even under these reaction conditions, the combination according to the invention under certain boundary conditions leads to higher overall HCl conversions than either of the two forms of activation individually considered. However, the maximum achievable HCl conversion is limited by the thermodynamic boundary conditions. The catalyst present catalyses the back and forth reaction in the Deacon equilibrium.
Es ist daher auch ein Verfahren bevorzugt, bei dem die plasmagestützte HCl-Oxidation mit einer katalysierten HCl-Oxidationsreaktion kombiniert ist und in einem Reaktionsraum durchgeführt wird.Therefore, a method is also preferred in which the plasma-assisted HCl oxidation is combined with a catalyzed HCl oxidation reaction and is carried out in a reaction space.
In einer besonders bevorzugten Ausführung des neuen Verfahrens wird die Reaktionstemperatur der kombinierten plasmagestützten und katalysierte HCl-Oxidation in einem Bereich von mindestens 3000C, bevorzugt von 320 bis 4500C, bevorzugt 350 bis 4000C eingestellt.In a particularly preferred embodiment of the novel process, the reaction temperature of the combined plasma-supported and catalyzed HCl oxidation is set in a range of at least 300 ° C., preferably from 320 to 450 ° C., preferably 350 to 400 ° C.
Eine Überwindung der im katalysierten Prozess vorgegebenen thermodynamischen Umsatzgrenzen gelingt durch hintereinander geschaltete Reaktoren, die nach verschiedenen Aktivierungsprinzipien arbeiten. Zunächst wird in einem katalysierten Prozess bei hohen Temperaturen (z.B. 38O0C) ein bestimmter HCl-Umsatz >50% erreicht. Das den Prozess verlassende Produktgemisch wird auf Temperaturen unterhalb 3000C abgekühlt und durch einen Plasmareaktor geleitet. Bei dieser Reaktionsführung durch Hintereinanderschaltung von unterschiedlichen Reaktoren wurde überraschend gefunden, dass auch bei geringen HCl-Gehalten und hohen Chlorgehalten im Zustrom des Plasmareaktors keine Chlorzerstörung, sondern stets eine signifikante Erhöhung des Chlorgehaltes (HCl-Umsatzes) eintrat. Auf die beschriebene Weise können sehr hohe HCl- Gesamtumsetzungsgrade erreicht werden, wobei die katalysierte Aktivierung den Hauptteil zum HCl-Umsatz beiträgt, während die Plasmaaktivierung den gewünschten, sehr hohen Gesamtumsatz bis nahe an 100% bewirkt.It is possible to overcome the thermodynamic conversion limits specified in the catalyzed process by using reactors connected in series, which operate on different activation principles. First, in a catalyzed process at high temperatures (eg, 38O 0 C), a certain HCl conversion> 50% is achieved. The product mixture leaving the process is released Temperatures below 300 0 C cooled and passed through a plasma reactor. In this reaction procedure by connecting different reactors in series, it was surprisingly found that even with low HCl contents and high chlorine contents in the influx of the plasma reactor no chlorine destruction, but always a significant increase in the chlorine content (HCl conversion) occurred. Very high total HCl conversion levels can be achieved in the manner described, the catalyzed activation contributing the major part to the HCl conversion, while the plasma activation brings about the desired, very high overall conversion up to almost 100%.
In einer anderen Variante des neuen Verfahrens ist die plasmagestützte HCl-Oxidation mit einer katalysierten HCl-Oxidationsreaktion kombiniert und wird in getrennten Reaktionsräumen durchgeführt, wobei die plasmagestützte HCl-Oxidation der katalysierten HCl-Oxidationsreaktion nachgeschaltet ist.In another variant of the new process, the plasma-assisted HCl oxidation is combined with a catalyzed HCl oxidation reaction and is carried out in separate reaction spaces, wherein the plasma-assisted HCl oxidation is followed by the catalyzed HCl oxidation reaction.
Eine besonders bevorzugte Variante des vorgenannten Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Haupanteil der HCl-Oxidation insbesondere bis zu einem HCl-Umsatz von mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80% im katalysierten Oxidationsprozess erreicht wird, dem die plasmagestützte HCl-Oxidation nachgeschaltet ist.A particularly preferred variant of the aforementioned method is characterized in that first the main portion of the HCl oxidation is achieved in particular up to a HCl conversion of at least 70%, preferably at least 80% in the catalyzed oxidation process, which is followed by the plasma-assisted HCl oxidation.
Für die Erzeugung des nichtthermischen Plasmas sind verschiedene Entladungsanordnungen möglich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Rohrreaktor mit zylindersymmetrischer Innen- und Außenelektrode angewandt. Zwischen beiden befindet sich mindestens eine Barriere (z.B. aus keramischem Material), die einen direkten Durchschlag der elektrischen Entladung verhindert. Es können auch mehrere Barrieren, z.B. vor jeder Elektrode verwendet werden. Zwischen beiden Elektroden entsteht ein Entladungsspalt (Dielektrikum, Plasmaraum) mit einer typischen Dicke von wenigen Millimetern, in dem der Katalysator in einer optimalen Korngröße als Schüttbett angeordnet ist. Zur Erzeugung des Plasmas wird zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Wechselspannung (z.B. 5 bis 50 kV) angelegt. Diese Hochspannung kann als sinusförmige Spannung mit niedriger Frequenz (z.B. 50 Hz) oder als gepulste Spannung mit kurzer Pulsdauer (z.B. im Mikro- oder Nanosekundenbereich) und höher Frequenz (z.B. im kHz- oder MHz-Bereich) angewandt werden. Das Schüttbett zwischen den Hochspannungselektroden ist nicht nur katalytisch aktiv, es kann darüber hinaus durch seine dielektrischen Eigenschaften auch die Entladungscharakteristik signifikant beeinflussen (plasmaphysikalischer Effekt).Different discharge arrangements are possible for the production of the nonthermal plasma. In a preferred embodiment, a tubular reactor with cylindrically symmetrical inner and outer electrodes is used. Between them there is at least one barrier (e.g., ceramic material) which prevents a direct breakdown of electrical discharge. There may also be multiple barriers, e.g. used in front of each electrode. Between both electrodes, a discharge gap (dielectric, plasma space) with a typical thickness of a few millimeters is formed, in which the catalyst is arranged in an optimum particle size as a packed bed. To generate the plasma, an alternating electrical voltage (for example 5 to 50 kV) is applied between the two electrodes. This high voltage can be applied as a low frequency sinusoidal voltage (e.g., 50 Hz) or as a short pulse duration pulsed voltage (e.g., in the micro or nanosecond range) and higher in frequency (e.g., in the kHz or MHz range). The packed bed between the high-voltage electrodes is not only catalytically active, it can also significantly influence the discharge characteristics by its dielectric properties (plasma physical effect).
Als elektrische Stellgrößen zur Erzeugung optimaler Plasmaentladungen können folgende Parameter benutzt werden:The following parameters can be used as electrical manipulated variables for generating optimal plasma discharges:
o die angelegte Hochspannung, in einem Bereich von 5 bis 50 kV, bevorzugt 20 bis 30 kV o die Wirkleistungsdichte, in einem Bereich von 50 bis 5000 J/l, bevorzugt im Bereich 200 bis 1000 J/lo the applied high voltage, in a range of 5 to 50 kV, preferably 20 to 30 kV o the active power density, in a range of 50 to 5000 J / l, preferably in the range 200 to 1000 J / l
o die Art der angelegten Wechselspannung, entweder in Sinusform mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz oder als gepulste Hochspannung mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 50 Hz bis 50 kHz, bevorzugt 1 bis 5 kHz, und einer Pulsanstiegszeit von 5 bis 5000 ns, bevorzugt von 100 bis 1000 nso the type of applied AC voltage, either in sinusoidal form with a frequency of 50 or 60 Hz or as a pulsed high voltage with a pulse frequency in the range of 50 Hz to 50 kHz, preferably 1 to 5 kHz, and a pulse rise time of 5 to 5000 ns, preferably from 100 to 1000 ns
o die reduzierte Feldstärke (gemessen in Townsend [Td]) sollte in einem Bereich von 200 bis 600 Td, bevorzugt 350 bis 500 Td adjustiert werden.o the reduced field strength (measured in Townsend [Td]) should be adjusted in a range of 200 to 600 Td, preferably 350 to 500 Td.
Der Entladungsspalt sollte eine Dicke von 1 bis 50 mm, bevorzugt 3 bis 10 mm haben.The discharge gap should have a thickness of 1 to 50 mm, preferably 3 to 10 mm.
Es sind Entladungsanordnungen sowohl mit einseitiger als auch mit doppelter Barriere möglich.Discharge arrangements are possible with both one-sided and double barrier.
Als Barrierematerial sind keramische Materialien und Gläser anzuwenden. Barrierematerialien mit hoher Dielektrizitätskonstanten, z.B. ferroelektrische Keramiken, dienen der Erzeugung besonders hoher Feldstärken.As a barrier material ceramic materials and glasses are used. High Dielectric Constant Barrier Materials, e.g. Ferroelectric ceramics, the generation of very high field strengths.
Die Dicke der Barrieren liegt im Bereich von ca. 0,1 bis 5 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 und 2 mm.The thickness of the barriers is in the range of about 0.1 to 5 mm, preferably in the range between 0.5 and 2 mm.
Eine besondere Ausführungsform nutzt Feststoffe mit ferroelektrischen Eigenschaften (z.B. Bariumtitanat) als Bestandteile des Schüttbettes oder als Katalysatorträger. Dadurch werden verstärkt hochenergetische Spezies im Plasma erzeugt, die zu erhöhten Stoffumsätzen in der Plasmazone beitragen können. Weitere geeignete Ferroelektrika sind weitere Ionenkristalle mit Perowskit-Struktur wie Blei-Zirkonat-Titanat Pb(ZrxTi^x)O3 sowie folgende Stoffe: Strontium- Bismut-Tantalat SrBi2Ta2O9, Bismuttitanat Bi4Ti3Oi2, Bismut-Lanthan-Titanat Bi4-xLaxTi3O12, Bismut-Titanat-Niobat Bi3TiNbO9, Strontium-Titanat SrTiO3, Barium-Strontium-Titanat BaxSr1xTiO3, Natriumnitrit NaNO2, hexagonale Manganate RMnO3 mit R = Y, Sc, In, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.A particular embodiment uses solids with ferroelectric properties (eg barium titanate) as constituents of the packed bed or as a catalyst support. As a result, increasingly high-energy species are generated in the plasma, which can contribute to increased conversions in the plasma zone. Further suitable ferroelectrics are other ionic crystals with perovskite structure such as lead zirconate titanate Pb (Zr x Ti x ) O 3 and the following substances: strontium bismuth tantalate SrBi 2 Ta 2 O 9 , bismuth titanate Bi 4 Ti 3 Oi 2 , Bismuth lanthanum titanate Bi 4-x La x Ti 3 O 12 , bismuth titanate niobate Bi 3 TiNbO 9 , strontium titanate SrTiO 3 , barium strontium titanate Ba x Sr 1x TiO 3 , sodium nitrite NaNO 2 , hexagonal manganates RMnO 3 with R = Y, Sc, In, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform eines Plasmareaktors wird die elektrische Barriere bzw. werden die elektrischen Barrieren gleichzeitig als Katalysatorträger genutzt. Dafür wird ein poröses oder raues Barrierematerial mit den katalytisch aktiven Komponenten beschichtet. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Tatsache, dass im Vergleich zur durchströmten Katalysatorschüttung ein geringerer Strömungswiderstand entsteht. Dies ermöglicht geringere Spaltweiten und damit höhere elektrische Feldstärken in der Plasmazone. In einer anderen Ausfuhrungsform des neuen Verfahrens wird die stille elektrische Entladung in einem Barrierereaktor mit einer oder mehreren strombegrenzenden dielektrischen Barrieren durchgeführt, dessen Barriere oder Barrieren gleichzeitig als Träger für den Katalysator dienen.In a further advantageous embodiment of a plasma reactor, the electrical barrier or the electrical barriers are simultaneously used as a catalyst carrier. For this purpose, a porous or rough barrier material is coated with the catalytically active components. A particular advantage of this embodiment lies in the fact that compared to the flow through the catalyst bed a lower flow resistance. This allows smaller gap widths and thus higher electric field strengths in the plasma zone. In another embodiment of the new method, the silent electric discharge is carried out in a barrier reactor having one or more current-limiting dielectric barriers whose barrier or barriers simultaneously serve as carriers for the catalyst.
Besonders bevorzugt ist ein solches Verfahren, wenn die stille elektrische Entladung in einem Barrierereaktor mit einem ferroelektrischen Barrierematerial, insbesondere auf Basis vonSuch a method is particularly preferred when the silent electrical discharge in a barrier reactor with a ferroelectric barrier material, in particular based on
Bariumtitanat durchgeführt wird. Es können aber auch andere Ferroelektrika zum Einsatz kommen.Barium titanate is performed. However, other ferroelectrics can also be used.
Als heterogene Katalysatoren für die plasmaunterstützte Deacon-Reaktion haben sich eine Vielzahl von Feststoffen als wirksam erwiesen. Je nach angewandtem Temperaturbereich enthalten sie bevorzugt Oxide, Oxidchloride oder Chloride der Metalle der 1., 7. und 8. Nebengruppe des Periodensystems, die in fein verteilter Form auf porösen Trägermaterialien, z.B. Titandioxid, aufgebracht sind. Ein weiterer wirksamer Katalysator besteht aus diesen katalytisch aktiven Verbindungen auf ferroelektrischen Trägermaterialien, wodurch mehrere Wirkmechanismen - die chemische Katalyse und ein plasmaphysikalischer Effekt (die Verstärkung der Plasmaintensität) - vorteilhaft kombiniert werden können.As heterogeneous catalysts for the plasma enhanced Deacon reaction, a variety of solids have been found to be effective. Depending on the temperature range used, they preferably contain oxides, oxide chlorides or chlorides of the metals of Groups 1, 7 and 8 of the Periodic Table which are dispersed in finely divided form on porous support materials, e.g. Titanium dioxide, are applied. Another effective catalyst consists of these catalytically active compounds on ferroelectric support materials, whereby several mechanisms of action - the chemical catalysis and a plasma-physical effect (the amplification of the plasma intensity) - can be advantageously combined.
Der Katalysator, der bevorzugt im neuen Verfahren eingesetzt wird, weist als katalytische Aktivkomponenten Metalle der 1., 7. oder 8. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder Oxide, Oxidchloride oder Chloride der Metalle der 1., 7. oder 8. Nebengruppe, oder Mischungen dieser Metalle oder Metallverbindungen auf.The catalyst which is preferably used in the new process, has as catalytic active components metals of the 1st, 7th or 8th subgroup of the Periodic Table of the Elements or oxides, oxide chlorides or chlorides of the metals of the 1st, 7th or 8th subgroup, or Mixtures of these metals or metal compounds.
Besonders bevorzugt ist der Katalysator ausgewählt aus der Reihe: Rutheniumoxid, Rutheniumchlorid, Rutheniumoxidchlorid oder andere Rutheniumverbindungen auf Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinndioxid oder Zirkondioxid als Träger.The catalyst is particularly preferably selected from the series: ruthenium oxide, ruthenium chloride, ruthenium oxychloride or other ruthenium compounds on silica, alumina, titania, tin dioxide or zirconium dioxide as support.
Besonders bevorzugt wird die neue plasmagestützte HCl-Oxidation wie oben bereits beschrieben in Kombination mit der auch als Deacon-Prozess bekannten, in einem vorgeschalteten Schritt oder simultan betriebenen katalysierten HCl-Oxidation mit molekularem Sauerstoff eingesetzt. Hierbei wird Chlorwasserstoff mit Sauerstoff in einer exothermen Gleichgewichtsreaktion zu Chlor oxidiert, wobei Wasserdampf anfällt. Die Reaktionstemperatur beträgt üblicherweise 150 bis 5000C, der übliche Reaktionsdruck beträgt 1 bis 25 bar. Da es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, ist es zweckmäßig, bei möglichst niedrigen Temperaturen zu arbeiten, bei denen der Katalysator noch eine ausreichende Aktivität aufweist. Ferner ist es zweckmäßig, Sauerstoff in überstöchiometrischen Mengen zum Chlorwasserstoff einzusetzen. Üblich ist beispielsweise ein zwei- bis vierfacher Sauerstoff-Überschuss. Da keine Selektivitätsverluste zu befürchten sind, kann es wirtschaftlich vorteilhaft sein, bei relativ hohem Druck und dementsprechend bei gegenüber Normaldruck längerer Verweilzeit zu arbeiten. Geeignete bevorzugte Katalysatoren für das Deacon-Verfahren enthalten Rutheniumoxid, Rutheniumchlorid, Rutheniumoxidchlorid oder andere Rutheniumverbindungen auf Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinndioxid oder Zirkondioxid als Träger. Geeignete Katalysatoren können beispielsweise durch Aufbringen von Rutheniumchlorid auf den Träger und anschließendes Trocknen oder Trocknen und Calcinieren erhalten werden. Geeignete Katalysatoren können ergänzend zu oder an Stelle einer Rutheniumverbindung auch Verbindungen anderer Edelmetalle, beispielsweise Gold, Palladium, Platin, Osmium, Iridium, Silber, Kupfer oder Rhenium enthalten. Geeignete Katalysatoren können ferner Chrom(III)oxid enthalten.The novel plasma-assisted HCl oxidation is particularly preferably used in combination with the catalyzed HCl oxidation with molecular oxygen which is also known as the Deacon process and which is operated in an upstream step or simultaneously. Here, hydrogen chloride is oxidized with oxygen in an exothermic equilibrium reaction to chlorine, whereby water vapor is obtained. The reaction temperature is usually 150 to 500 0 C, the usual reaction pressure is 1 to 25 bar. Since it is an equilibrium reaction, it is expedient to work at the lowest possible temperatures at which the catalyst still has sufficient activity. Furthermore, it is expedient to use oxygen in excess of stoichiometric amounts of hydrogen chloride. For example, a two- to four-fold excess of oxygen is customary. Since no loss of selectivity is to be feared, it may be economically advantageous to work at relatively high pressure and, accordingly, longer residence time than normal pressure. Suitable preferred catalysts for the Deacon process include ruthenium oxide, ruthenium chloride, ruthenium oxide chloride or other ruthenium compounds supported on silica, alumina, titania, tin dioxide or zirconia. Suitable catalysts can be obtained, for example, by applying ruthenium chloride to the support and then drying or drying and calcining. Suitable catalysts may, in addition to or instead of a ruthenium compound, also contain compounds of other noble metals, for example gold, palladium, platinum, osmium, iridium, silver, copper or rhenium. Suitable catalysts may further contain chromium (III) oxide.
Die katalysierte Chlorwasserstoff- Oxidation kann entweder adiabatisch oder isotherm oder annähernd isotherm, diskontinuierlich, bevorzugt aber kontinuierlich als Fließ- oderThe catalyzed hydrogen chloride oxidation can either adiabatic or isothermal or approximately isothermal, discontinuous, but preferably continuously as flow or
Festbettverfahren, bevorzugt als Festbettverfahren, besonders bevorzugt in Rohrbündelreaktoren an Heterogenkatalysatoren bei einer Reaktortemperatur von 180 bis 5000C, bevorzugt 200 bisFixed bed process, preferably as a fixed bed process, particularly preferably in tube bundle reactors of heterogeneous catalysts at a reactor temperature of 180 to 500 0 C, preferably 200 to
4000C, besonders bevorzugt 220 bis 3500C und einem Druck von 1 bis 25 bar (1000 bis 25000 hPa), bevorzugt 1,2 bis 20 bar, besonders bevorzugt 1,5 bis 17 bar und insbesondere 2,0 bis 15 bar durchgeführt werden.400 0 C, more preferably 220 to 350 0 C and a pressure of 1 to 25 bar (1000 to 25000 hPa), preferably 1.2 to 20 bar, more preferably 1.5 to 17 bar and in particular 2.0 to 15 bar be performed.
Übliche Reaktionsapparate, in denen die katalysierte Chlorwasserstoff-Oxidation durchgeführt wird, sind Festbett- oder Wirbelbettreaktoren. Die katalysierte Chlorwasserstoff- Oxidation kann bevorzugt auch mehrstufig durchgeführt werden.Typical reactors in which the catalyzed hydrogen chloride oxidation is carried out are fixed bed or fluidized bed reactors. The catalyzed hydrogen chloride oxidation can preferably also be carried out in multiple stages.
Bei der adiabatischen Fahrweise können auch mehrere, insbesondere 2 bis 10, bevorzugt 4 bis 8, besonders bevorzugt 5 bis 7 in Reihe geschaltete Reaktoren mit Zwischenkühlung eingesetzt werden. Bei der isothermen oder annähernd isothermen Fahrweise können auch mehrere, also 2 bisIn the case of the adiabatic mode of operation, it is also possible to use a plurality of reactors with intermediate cooling, in particular 2 to 10, preferably 4 to 8, particularly preferably 5 to 7 reactors connected in series. In the isothermal or approximately isothermal driving can also several, ie 2 to
10, bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 2 bis 5, insbesondere 2 bis 3, in Reihe geschaltete10, preferably 2 to 6, particularly preferably 2 to 5, in particular 2 to 3, connected in series
Reaktoren mit zusätzlicher Zwischenkühlung eingesetzt werden. Der Chlorwasserstoff kann entweder vollständig zusammen mit dem Sauerstoff vor dem ersten Reaktor oder über die verschiedenen Reaktoren verteilt zugegeben werden. Diese Anordnung einzelner Reaktoren kann auch in einem Apparat zusammengeführt werden.Reactors with additional intermediate cooling can be used. The hydrogen chloride can be added either completely together with the oxygen before the first reactor or distributed over the various reactors. This arrangement of individual reactors can also be combined in one apparatus.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer für das Verfahren geeigneten Vorrichtung besteht darin, dass man eine strukturierte Katalysatorschüttung einsetzt, bei der die Katalysatoraktivität in Strömungsrichtung ansteigt. Eine solche Strukturierung der Katalysatorschüttung kann durch unterschiedliche Tränkung der Katalysatorträger mit Aktivmasse oder durch unterschiedliche Verdünnung des Katalysators mit einem Inertmaterial erfolgen. Als Inertmaterial können beispielsweise Ringe, Zylinder oder Kugeln aus Titandioxid, Zinndioxid, Zirkondioxid oder deren Gemischen, Aluminiumoxid, Steatit, Keramik, Glas, Graphit oder Edelstahl eingesetzt werden. Beim bevorzugten Einsatz von Katalysatorformkörpern sollte das Inertmaterial bevorzugt ähnliche äußere Abmessungen haben.A further preferred embodiment of a device suitable for the method consists in using a structured catalyst bed in which the catalyst activity increases in the flow direction. Such structuring of the catalyst bed can be done by different impregnation of the catalyst support with active material or by different dilution of the catalyst with an inert material. As an inert material, for example, rings, cylinders or balls of titanium dioxide, tin dioxide, zirconium dioxide or mixtures thereof, alumina, steatite, ceramic, glass, graphite or stainless steel can be used. In the preferred use of shaped catalyst bodies, the inert material should preferably have similar external dimensions.
Als Katalysatorformkörper, auch als Inertmaterialformkörper, eignen sich Formkörper mit beliebigen Formen, bevorzugt sind Tabletten, Ringe, Zylinder, Sterne, Wagenräder oder Kugeln, besonders bevorzugt sind Ringe, Zylinder oder Sternstränge als Form.Suitable shaped catalyst bodies, even as shaped inert bodies, are shaped bodies of any shapes, preference being given to tablets, rings, cylinders, stars, carriage wheels or spheres, rings, cylinders or star strands being particularly preferred as the form.
Als Heterogenkatalysatoren eignen sich insbesondere Rutheniumverbindungen oder Kupferverbindungen auf Trägermaterialen, die auch dotiert sein können, bevorzugt sind gegebenenfalls dotierte Rutheniumkatalysatoren. Als Trägermaterialen eignen sich beispielsweise Siliziumdioxid, Graphit, Titandioxid mit Rutil- oder Anatas-Struktur, Zinndioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische, bevorzugt Titandioxid, Zinndioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische, besonders bevorzugt γ- oder δ-Aluminiumoxid oder deren Gemische.Ruthenium compounds or copper compounds on support materials, which may also be doped, are particularly suitable as heterogeneous catalysts, preference being given to optionally doped ruthenium catalysts. Examples of suitable carrier materials are silicon dioxide, graphite, rutile or anatase titanium dioxide, tin dioxide, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, preferably titanium dioxide, tin dioxide, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, particularly preferably γ- or δ-aluminum oxide or mixtures thereof ,
Die Kupfer- bzw. die Rutheniumträgerkatalysatoren können beispielsweise durch Tränkung des Trägermaterials mit wässrigen Lösungen von CuCl2 bzw. RuCl3 und gegebenenfalls eines Promotors zur Dotierung, bevorzugt in Form ihrer Chloride, erhalten werden. Die Formgebung des Katalysators kann nach oder bevorzugt vor der Tränkung des Trägermaterials erfolgen.The copper or ruthenium-supported catalysts can be obtained, for example, by impregnation of the support material with aqueous solutions of CuCl 2 or RuCl 3 and optionally a promoter for doping, preferably in the form of their chlorides. The shaping of the catalyst can take place after or preferably before the impregnation of the support material.
Zur Dotierung der Katalysatoren eignen sich als Promotoren Alkalimetalle wie Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium, bevorzugt Lithium, Natrium und Kalium, besonders bevorzugt Kalium, Erdalkalimetalle wie Magnesium, Calcium, Strontium und Barium, bevorzugt Magnesium und Calcium, besonders bevorzugt Magnesium, Seltenerdmetalle wie Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym und Neodym, bevorzugt Scandium, Yttrium, Lanthan und Cer, besonders bevorzugt Lanthan und Cer, oder deren Gemische.For doping the catalysts are suitable as promoters alkali metals such as lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium, preferably lithium, sodium and potassium, more preferably potassium, alkaline earth metals such as magnesium, calcium, strontium and barium, preferably magnesium and calcium, particularly preferably magnesium, Rare earth metals such as scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium and neodymium, preferably scandium, yttrium, lanthanum and cerium, more preferably lanthanum and cerium, or mixtures thereof.
Die Formkörper können anschließend bei einer Temperatur von 100 bis 4000C, bevorzugt 100 bis 3000C beispielsweise unter einer Stickstoff-, Argon- oder Luftatmosphäre getrocknet und gegebenenfalls calciniert werden. Bevorzugt werden die Formkörper zunächst bei 100 bis 15O0C getrocknet und anschließend bei 200 bis 4000C calciniert.The moldings can then be dried at a temperature of 100 to 400 0 C, preferably 100 to 300 0 C, for example, under a nitrogen, argon or air atmosphere and optionally calcined. First C, the shaped bodies are preferably dried and subsequently calcined at 200 to 400 0 C at 100 to 15O 0th
Die vorgenannten für das Deacon- Verfahren bekannten Katalysatorsysteme können auch für die plasmagestützte HCl-Oxidation verwendet werden.The aforementioned catalyst systems known for the Deacon process can also be used for the plasma-assisted HCl oxidation.
Der Umsatz an Chlorwasserstoff im einfachen Durchgang kann bevorzugt auf 15 bis 90 %, bevorzugt 40 bis 85%, besonders bevorzugt 50 bis 70% begrenzt werden. Nicht umgesetzte kleinere Reste Chlorwasserstoff können nach Abtrennung teilweise oder vollständig in die katalysierte Chlorwasserstoff-Oxidation zurückgeführt werden. Das Volumenverhältnis von Chlorwasserstoff zu Sauerstoff am Reaktoreintritt beträgt bevorzugt 1 :1 bis 20:1, bevorzugt 1 :1 bis 8: 1, besonders bevorzugt 1 : 1 bis 5:1.The conversion of hydrogen chloride in a single pass may preferably be limited to 15 to 90%, preferably 40 to 85%, particularly preferably 50 to 70%. Unreacted minor hydrogen chloride residues can be partially or completely recycled to the catalyzed hydrogen chloride oxidation after separation. The volume ratio of Hydrogen chloride to oxygen at the reactor inlet is preferably 1: 1 to 20: 1, preferably 1: 1 to 8: 1, particularly preferably 1: 1 to 5: 1.
In einem letzten Schritt wird das gebildete Chlor abgetrennt. Der Abtrennschritt umfasst üblicherweise mehrere Stufen, nämlich die Abtrennung und gegebenenfalls Rückführung von kleinen Resten von nicht umgesetztem Chlorwasserstoff aus dem Produktgasstrom der Chlorwasserstoff-Oxidation, die Trocknung des erhaltenen, im wesentlichen Chlor, Sauerstoff und Wasser enthaltenden Stroms sowie die Abtrennung von Chlor aus dem getrockneten Strom.In a last step, the chlorine formed is separated off. The separation step usually comprises several stages, namely the separation and optionally the recycling of small residues of unreacted hydrogen chloride from the product gas stream of hydrogen chloride oxidation, the drying of the resulting, essentially chlorine, oxygen and water-containing stream and the separation of chlorine from the dried Electricity.
Das mit dem neuen Verfahren hergestellte Chlor wird in Produktionsverfahren zur Herstellung von Polymeren wie Polyurethanen und PVC weiter verwendet, die als Nebenprodukt den Chlorwasserstoff für das neue Oxidationsverfahren liefern.The chlorine produced by the new process is further used in production processes for the production of polymers such as polyurethanes and PVC, which as a by-product provide the hydrogen chloride for the new oxidation process.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Barrierereaktor mit einer oder mehreren strombegrenzenden dielektrischen Barrieren, insbesondere zur Oxidation von Chlorwasserstoff mittels Sauerstoff enthaltender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass im Entladungsspalt des Barrierereaktors Katalysator als Festbett eingebracht ist.Another object of the invention is a barrier reactor with one or more current-limiting dielectric barriers, in particular for the oxidation of hydrogen chloride by means of oxygen-containing gases, characterized in that in the discharge gap of the barrier reactor catalyst is introduced as a fixed bed.
Bevorzugt ist ein Barrierereaktor, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor als Rohrreaktor mit einem Rohr mit Innen- und Außenelektrode ausgeführt ist, wobei insbesondere die Elektroden gegenüber Prozessgasen korrosionsgeschützt ausgeführt sind.Preference is given to a barrier reactor, characterized in that the reactor is designed as a tubular reactor with a tube having inner and outer electrodes, wherein in particular the electrodes are designed to be protected against corrosion by process gases.
Bevorzugt ist auch Barrierereaktor, bei dem der Reaktor in Form einer Rohrbündelanordnung oder mehreren parallel geschalteten Plattenreaktoren ausgeführt ist.Also preferred is a barrier reactor in which the reactor is designed in the form of a tube bundle arrangement or several parallel plate reactors.
Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beispiele, welche jedoch keine Beschränkung der Erfindung darstellen, näher erläutert. The invention is explained in more detail below by the examples, which, however, do not represent a limitation of the invention.
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Die Versuchsapparatur bestand aus einem Rohrreaktor aus Glas (dAußenroiir x dinnem-ohr x Länge = 15 mm x 10 mm x 300 mm) sowie Mess- und Dosiereinrichtungen. Dieser Rohrreaktor bestand aus einem beheizbaren Außenrohr und einem Innenrohr. Die Wandstärke von Außen- und Innenrohr betrug ca. 1 mm. Das Außenrohr war mit einem Metallspiegel bedampft. Das Innenrohr wurde von einem Kupferrohr bindig ausgefüllt. Der als Außenelektrode fungierende Metallmantel wurde mit dem Erdpotenzial eines Hochspannungsgenerators verbunden. Das als Innenelektrode fungierende Kupferrohr wurde mit dem Hochspannungsausgang des Generators verbunden. Zwischen beiden Elektroden wurde eine gepulste Hochspannung mit variabler Amplitude und Pulsfrequenz angelegt. Typischerweise wurden Wechselspannungspulse mit einer Spitzenspannung von 30 kV, einer Frequenz von 600 Hz und einer Pulsdauer von ca. 10 μs angelegt. Der Spalt zwischen äußerem und innerem Glasrohr (Spaltweite 3 mm) wurde mit stäbchenförmigen Katalysator (ca. 10 cm3, L x d (der Stäbchen) « 2 mm x 1 mm, 1 Gew.-% RuO2 auf TiO2) ausgefüllt. Die Reaktortemperatur wurde auf 1500C eingestellt. Am Reaktorausgang befand sich ein gekühlter Kondensatabscheider.The experimental apparatus consisted of a glass tube reactor (d Au SEN r oiir x di nn e m -ear x length = 15 mm x 10 mm x 300 mm) as well as measuring and metering devices. This tubular reactor consisted of a heatable outer tube and an inner tube. The wall thickness of outer and inner tube was about 1 mm. The outer tube was steamed with a metal mirror. The inner tube was cohesively filled by a copper tube. The metal sheath functioning as an outer electrode was connected to the ground potential of a high voltage generator. The copper inner tube was connected to the high voltage output of the generator. Between both electrodes a pulsed high voltage with variable amplitude and pulse frequency was applied. Typically, AC pulses were applied with a peak voltage of 30 kV, a frequency of 600 Hz and a pulse duration of approximately 10 μs. The gap between outer and inner glass tube (gap width 3 mm) was filled with rod-shaped catalyst (about 10 cm 3 , L xd (the rods) "2 mm x 1 mm, 1 wt .-% RuO 2 on TiO 2 ). The reactor temperature was adjusted to 150 0 C. At the reactor exit was a cooled condensate separator.
Der mit Katalysator gefüllte Ringspalt wurde von 50 ml/min eines Gasstromes, der zu gleichen Teilen aus Chlorwasserstoff und Sauerstoff bestand, durchströmt. Am Ausgang des Reaktors wurden Gasproben entnommen und photometrisch ihr Chlorgehalt (Absorption bei 330 nm) analysiert. Bei ausgeschalteter Hochspannung konnten keine signifikanten Chlorgehalte (<0,2 Vol.-%) im Produktgas gemessen werden. Nach Einschalten der Hochspannung und Stabilisierung des Plasmas wurden 20 Vol.-% Chlor im Produktgas gemessen. Diese Konzentration entspricht einem HCl-Umsetzungsgrad von 63%.The catalyst-filled annular gap was flowed through by 50 ml / min of a gas stream which consisted in equal parts of hydrogen chloride and oxygen. At the outlet of the reactor gas samples were taken and their chlorine content (absorption at 330 nm) was analyzed photometrically. When the high voltage was switched off, no significant chlorine content (<0.2% by volume) in the product gas could be measured. After switching on the high voltage and stabilizing the plasma, 20% by volume of chlorine in the product gas was measured. This concentration corresponds to a degree of HCl conversion of 63%.
Nach Entfernen der Katalysatorfüllung wurden die gleichen Versuchsbedingungen erneut eingestellt. Durch Fehlen des Feststoffes verlängerte sich die Verweilzeit des Gasstroms im Ringspalt von ca. 4 s auf 8 s. Der Chlorgehalt im Produktstrom nach Einschalten des Plasma betrug 5,5 Vol.-%. Dieser Wert entspricht einem HCl-Umsatz von nur 20%.After removing the catalyst filling, the same experimental conditions were readjusted. The absence of the solid lengthened the residence time of the gas stream in the annular gap from about 4 s to 8 s. The chlorine content in the product stream after switching on the plasma was 5.5% by volume. This value corresponds to a HCl conversion of only 20%.
Das Beispiel zeigt, dass unter den angewandten Versuchsbedingungen bereits ein homogenes Plasma zu einer signifikanten HCl-Oxidation führt. Die Einbringung eines Katalysators verstärkt diesen Effekt erheblich. Der Katalysator ohne Plasma ist unter den angewandten Reaktionsbedingungen (1500C) nicht aktiv. Beispiel 2The example shows that even under the experimental conditions used, a homogeneous plasma leads to significant HCl oxidation. The introduction of a catalyst significantly enhances this effect. The catalyst without plasma is not active under the reaction conditions used (150 0 C). Example 2
Die in Beispiel 1 beschriebenen Versuchsbedingungen wurden dahingehend verändert, dass der Plasmareaktor bei einer Temperatur von 3500C betrieben wurde. Unter diesen Bedingungen ist der katalysierte Prozess bereits aktiviert. Bei ausgeschalteter Plasmaspannung wurde im gekühlten Produktgas eine Chlorkonzentration von 28,5 Vol.-% gemessen. Dieser Wert entspricht 80% HCl- Umsatz. Nach Einschalten und Stabilisierung des Plasmas stieg die Chlorkonzentration auf 34 Vol.-% an, was einem HCl-Umsetzungsgrad von rund 90% entspricht.The experimental conditions described in Example 1 were changed so that the plasma reactor was operated at a temperature of 350 ° C. Under these conditions, the catalyzed process is already activated. When the plasma voltage was switched off, a chlorine concentration of 28.5% by volume was measured in the cooled product gas. This value corresponds to 80% HCl conversion. After switching on and stabilizing the plasma, the chlorine concentration increased to 34% by volume, which corresponds to an HCl conversion rate of about 90%.
Das Beispiel zeigt, dass unter den Bedingungen einer katalysierten HCl-Oxidation eine signifikante Steigerung der Chlorausbeute durch Zuschalten des Plasmas möglich ist.The example shows that under the conditions of a catalyzed HCl oxidation, a significant increase in the chlorine yield by switching on the plasma is possible.
Beispiel 3Example 3
Die in Beispiel 1 beschriebene Versuchsanordnung wurde durch Hintereinanderschaltung von zwei in ihrer Bauart gleichen Reaktoren erweitert. Der erste Reaktor wurde unter den in Beispiel 2 beschriebenen Versuchsbedingungen (350°C,ohne Kondensatabscheider) ohne Plasmaunterstützung betrieben. Der zweite Reaktor wurde unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen (15O0C) mit dem Produktgas aus Reaktor 1 als Eingangsgas betrieben. Beide Reaktoren wurden durch einen auf 1200C beheizten PTFE-Schlauch miteinander verbunden. Zunächst wurde Reaktor 2 ohne Plasma betrieben. Im Produktgas wurde eine Chlorkonzentration von 28,5 Vol.-% gemessen (entspricht 80% HCl-Umsatz). Nach Einschalten des Plasmas stieg die Chlorkonzentration auf 38 Vol.-% an, was einem HCl-Umsetzungsgrad von rund 97% entspricht.The experimental setup described in Example 1 was extended by connecting two reactors of the same type in series. The first reactor was operated under the experimental conditions described in Example 2 (350 ° C, without condensate) without plasma assistance. The second reactor was operated under the conditions described in Example 1 (15O 0 C) with the product gas from reactor 1 as input gas. Both reactors were connected by a heated to 120 0 C PTFE tube. First, reactor 2 was operated without plasma. In the product gas, a chlorine concentration of 28.5% by volume was measured (corresponds to 80% HCl conversion). After switching on the plasma, the chlorine concentration increased to 38% by volume, which corresponds to an HCl conversion rate of about 97%.
Das Beispiel zeigt, dass durch Hintereinanderschaltung von katalysierter und plasmaaktivierter Oxidation sehr hohe HCl-Umsetzungsgrade erreichbar sind.The example shows that very high levels of HCl conversion can be achieved by connecting catalyzed and plasma-activated oxidation in series.
Beispiel 4Example 4
Die in Beispiel 1 beschriebene Versuchsanordnung wurde dahingehend verändert, dass der Entladungsspalt an Stelle von stäbchenförmigem Katalysator (ca. 1 Gew.-% RuO2 auf TiO2) mit einer feinkörnigen Mischung dieses Katalysators, der dielektrische Eigenschaften aufweist, und Bariumtitanat-Partikeln, einem ferroelektrischen Material welches katalytisch inaktiv für die HCl- Oxidation ist, gefüllt wurde. Beide Komponenten wurden als gesiebte Kornfraktion (0,5 bis 1 mm) in einem Masseverhältnis von 1 : 1 gemischt und in den Ringspalt eingefüllt. Unter den in Beispiel 1 beschriebenen Versuchsbedingungen wurden 26 Vol.-% Chlor im gekühlten Reaktionsgas gemessen. Dies entspricht einem HCl-Umsetzungsgrad von 75%.The experimental setup described in Example 1 was modified such that the discharge gap, instead of rod-shaped catalyst (about 1% by weight of RuO 2 on TiO 2 ), with a fine-grained mixture of this catalyst having dielectric properties and barium titanate particles ferroelectric material which is catalytically inactive for the HCl oxidation was filled. Both components were mixed as sieved grain fraction (0.5 to 1 mm) in a mass ratio of 1: 1 and filled in the annular gap. Among the in Example 1 described experimentally measured 26 vol .-% chlorine in the cooled reaction gas. This corresponds to a degree of HCl conversion of 75%.
Das Beispiel zeigt, dass eine Mischung aus katalytisch aktiven dielektrischen und katalytisch inaktiven ferroelektrischen Partikeln einen positiven Gesamteffekt auf die plasmaaktivierte Oxidation von HCl ausübt.The example shows that a mixture of catalytically active dielectric and catalytically inactive ferroelectric particles has a positive overall effect on the plasma-activated oxidation of HCl.
Beispiel 5Example 5
Das in Beispiel 4 beschriebene Experiment wurde dahingehend verändert, dass der Ringspalt des Reaktors allein mit ferroelektrischem Material gefüllt war, welches als Träger für eine katalytisch aktive Komponente verwendet wurde. Zu diesem Zweck wurde Bariumtitanat (Kornfraktion 0,5 bis 1 mm) durch Nassimprägnierung mit Rutheniumacetat beschichtet (ca. 0,5 Gew.-% Ru), bei 4000C im Luftstrom kalziniert und danach als Schüttbett in den Reaktor eingebaut. Unter den im Beispiel 1 beschriebenen Versuchsbedingungen wurden 13,5 Vol.-% Chlor im Produktstrom gemessen, die einem HCl-Umsetzungsgrad von rund 45% entsprechen.The experiment described in Example 4 was modified such that the annular gap of the reactor was filled solely with ferroelectric material which was used as carrier for a catalytically active component. For this purpose, barium titanate (particle fraction 0.5 to 1 mm) by wet impregnation with ruthenium acetate coated (about 0.5 wt .-% Ru), calcined at 400 0 C in an air stream and then installed as a packed bed in the reactor. Under the experimental conditions described in Example 1, 13.5% by volume of chlorine in the product stream were measured, which corresponds to an HCl conversion rate of approximately 45%.
Das Beispiel zeigt, dass die besonderen plasmaphysikalischen Eigenschaften von ferroelektrischen Materialien für die plasmaaktivierte HCl-Oxidation ausgenutzt werden können.The example shows that the special plasma-physical properties of ferroelectric materials can be exploited for plasma-activated HCl oxidation.
Beispiel 6Example 6
Die Innenelektrode des in Beispiel 1 beschriebenen Reaktors wurde in folgender Weise modifiziert: Das als innere Barriere fungierende glatte Glasrohr wurde durch ein Rohr aus porösem, keramischem Material mit einem Außendurchmesser von 12 mm und einer Wandstärke von 2 mm ersetzt. Die freie Spaltweite verringerte sich dadurch auf ca. 1 mm. Die Außenwand des Keramikrohres wurde durch Nassimprägnierung mit Rutheniumacetat (ca. 0,3 mg Ru pro cm2 der geometrischen Oberfläche) beschichtet. Nach Kalzinierung der Katalysatorschicht bei 4000C im Luftstrom wurden das Barriererohr in den Reaktor eingebaut und die in Beispiel 1 beschriebenen Versuchsbedingungen eingestellt. Ohne aktives Plasma wurden keine signifikanten Chlorkonzentrationen (<0,2 Vol.-%) im Produktgas gemessen. Nach Einschalten und Stabilisierung des Plasmas wurden 11,8 Vol.-% Chlor gemessen. Dieser Wert entspricht einem HCl-Umsetzungsgrad von rund 40%.The inner electrode of the reactor described in Example 1 was modified in the following manner: The smooth glass tube functioning as an inner barrier was replaced by a tube of porous, ceramic material with an outer diameter of 12 mm and a wall thickness of 2 mm. The free gap width thereby reduced to about 1 mm. The outer wall of the ceramic tube was wet-impregnated with ruthenium acetate (about 0.3 mg Ru per cm 2 of the geometric surface). After calcination of the catalyst layer at 400 ° C. in a stream of air, the barrier tube was installed in the reactor and the experimental conditions described in Example 1 were established. Without active plasma, no significant chlorine concentrations (<0.2% by volume) were measured in the product gas. After switching on and stabilizing the plasma, 11.8% by volume of chlorine was measured. This value corresponds to an HCl conversion rate of around 40%.
Das Beispiel zeigt, dass ein signifikanter Plasmaeffekt auch mit einer Katalysatorschicht auf porösem Barrierematerial erreicht werden kann. The example shows that a significant plasma effect can also be achieved with a catalyst layer on porous barrier material.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur heterogen katalysierten Oxidation von Chlorwasserstoff mittels Sauerstoff enthaltender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch bestehend mindestens aus Chlorwasserstoff und Sauerstoff einen geeigneten festen Katalysator durchströmt und gleichzeitig der Einwirkung eines nichtthermischen Plasmas ausgesetzt wird.1. A process for the heterogeneously catalyzed oxidation of hydrogen chloride by means of oxygen-containing gases, characterized in that a gas mixture consisting at least of hydrogen chloride and oxygen flows through a suitable solid catalyst and simultaneously exposed to the action of a non-thermal plasma.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als katalytische Aktivkomponenten Metalle der 1., 7. oder 8. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder Oxide, Oxidchloride oder Chloride der Metalle der 1., 7. oder 8. Nebengruppe, oder Mischungen dieser Metalle oder Metallverbindungen aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that the catalyst as catalytic active components metals of the 1st, 7th or 8th subgroup of the Periodic Table of the Elements or oxides, oxide chlorides or chlorides of the metals of the 1st, 7th or 8th subgroup, or mixtures of these metals or metal compounds.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ausgewählt ist aus der Reihe: Rutheniumoxid, Rutheniumchlorid, Rutheniumoxidchlorid oder andere Rutheniumverbindungen auf Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinndioxid oder Zirkondioxid als Träger.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the catalyst is selected from the series: ruthenium oxide, ruthenium chloride, ruthenium or other ruthenium compounds on silica, alumina, titania, tin dioxide or zirconia as a carrier.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtthermische Plasma durch stille elektrische Entladung erzeugt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the non-thermal plasma is generated by silent electrical discharge.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die stille elektrische Entladung in einem Barrierereaktor mit einer oder mehreren strombegrenzenden dielektrischen Barrieren durchgeführt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the silent electric discharge is carried out in a barrier reactor with one or more current-limiting dielectric barriers.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmagestützte HCl-Oxidation in einem Reaktor mit einem Rohr mit Innen- und6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation in a reactor with a tube with inner and
Außenelektrode durchgeführt wird, wobei die Elektroden insbesondere gegenüber den Prozessgasen korrosionsgeschützt ausgeführt sind.Outside electrode is performed, wherein the electrodes are designed corrosion-protected in particular with respect to the process gases.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als Schüttbett in den Entladungsspalt eines Barrierereaktors eingebracht ist.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the catalyst is introduced as a packed bed in the discharge gap of a barrier reactor.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmagestützte HCl-Oxidation in mehreren parallel geschalteten Reaktoren in einer Rohrbündelanordnung oder parallelen Plattenreaktoren durchgeführt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation is carried out in several parallel-connected reactors in a tube bundle arrangement or parallel plate reactors.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmagestützte HCl-Oxidation bei erhöhtem Druck, insbesondere einem Druck von bis zu 25 bar, bevorzugt 5 bis 25 bar durchgeführt wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation at elevated pressure, in particular a pressure of up to 25 bar, preferably 5 to 25 bar is performed.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionstemperatur der HCl-Oxidation in Bereich des Plasmas in einem Bereich bis 300°C, bevorzugt von 120 bis 2500C, bevorzugt 130 bis 2000C eingestellt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the reaction temperature of the HCl oxidation in the plasma in a range up to 300 ° C, preferably from 120 to 250 0 C, preferably 130 to 200 0 C is set.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmagestützte HCl-Oxidation mit einer katalysierten HCl-Oxidationsreaktion kombiniert ist und in einem Reaktionsraum durchgeführt wird.11. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation is combined with a catalyzed HCl oxidation reaction and is carried out in a reaction space.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die die Reaktionstemperatur der kombinierten plasmagestützten und katalysierten HCl-Oxidation in einem Bereich von mindestens 3000C, bevorzugt von 320 bis 4500C, bevorzugt 350 bis 4000C eingestellt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that the reaction temperature of the combined plasma-supported and catalyzed HCl oxidation in a range of at least 300 0 C, preferably from 320 to 450 0 C, preferably 350 to 400 0 C is set.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmagestützte HCl-Oxidation mit einer katalysierten HCl-Oxidationsreaktion kombiniert ist und in getrennten Reaktionsräumen durchgeführt wird, wobei die plasmagestützte HCl- Oxidation der katalysierten HCl-Oxidationsreaktion nachgeschaltet ist.13. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the plasma-assisted HCl oxidation is combined with a catalyzed HCl oxidation reaction and is carried out in separate reaction chambers, wherein the plasma-assisted HCl oxidation of the catalyzed HCl oxidation reaction is connected downstream.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Haupanteil der HCl-Oxidation insbesondere bis zu einem HCl-Umsatz von mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80% im katalysierten Oxidationsprozess erreicht wird, dem die plasmagestützte HCl-Oxidation nachgeschaltet ist.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that first the main portion of the HCl oxidation is achieved in particular up to a HCl conversion of at least 70%, preferably at least 80% in the catalyzed oxidation process, the plasma-assisted HCl oxidation is downstream.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die stille elektrische Entladung in einem Barrierereaktor mit einer oder mehreren strombegrenzenden dielektrischen Barrieren durchgeführt wird, dessen Barriere oder Barrieren gleichzeitig als Träger für den Katalysator dienen.15. The method according to any one of claims 5 to 14, characterized in that the silent electric discharge is carried out in a barrier reactor with one or more current-limiting dielectric barriers whose barrier or barriers serve as a support for the catalyst at the same time.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die stille elektrische Entladung in einem Barrierereaktor mit einem ferroelektrischen Barrierematerial, insbesondere auf Basis von Bariumtitanat durchgeführt wird.16. The method according to any one of claims 5 to 14, characterized in that the silent electrical discharge is carried out in a barrier reactor with a ferroelectric barrier material, in particular based on barium titanate.
17. Barrierereaktor mit einer oder mehreren strombegrenzenden dielektrischen Barrieren, insbesondere zur Oxidation von Chlorwasserstoff mittels Sauerstoff enthaltender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass im Entladungsspalt des Barrierereaktors Katalysator als Festbett eingebracht ist. 17. Barrier reactor with one or more current-limiting dielectric barriers, in particular for the oxidation of hydrogen chloride by means of oxygen-containing gases, characterized in that in the discharge gap of the barrier reactor catalyst is introduced as a fixed bed.
18. Barrierereaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor als Rohrreaktor mit einem Rohr mit Innen- und Außenelektrode ausgeführt ist, wobei insbesondere die Elektroden gegenüber Prozessgasen korrosionsgeschützt ausgeführt sind.18. Barrier reactor according to claim 17, characterized in that the reactor is designed as a tubular reactor with a tube with inner and outer electrodes, wherein in particular the electrodes are carried out against corrosion of process gases.
19. Barrierereaktor nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor in Form einer Rohrbündelanordnung oder mehreren parallel geschalteten Plattenreaktoren ausgeführt ist. 19. Barrier reactor according to one of claims 17 or 18, characterized in that the reactor is designed in the form of a tube bundle arrangement or a plurality of parallel plate reactors.
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