WO2010020346A1 - Catalytic oxidation of hydrogen chloride with ozone - Google Patents

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WO2010020346A1
WO2010020346A1 PCT/EP2009/005684 EP2009005684W WO2010020346A1 WO 2010020346 A1 WO2010020346 A1 WO 2010020346A1 EP 2009005684 W EP2009005684 W EP 2009005684W WO 2010020346 A1 WO2010020346 A1 WO 2010020346A1
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WO
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ozone
hcl
oxidation
hydrogen chloride
oxygen
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PCT/EP2009/005684
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Eberhard Stelter
Frank-Dieter Kopinke
Ulf Roland
Robert Köhler
Frank Holzer
Friedhelm Kämper
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Bayer Materialscience Ag
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    • 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/10Preparation of ozone
    • C01B13/11Preparation of ozone by electric discharge
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    • 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 heterogeneously catalyzed oxidation of hydrogen chloride with ozone under conditions which allow efficient utilization of the ozone and the achievement of high levels of HCl conversion.
  • chlorine Cl 2
  • HCl hydrogen chloride
  • An example of this reaction chain is the production of polyurethanes via phosgene as an intermediate.
  • the further use of the resulting hydrogen chloride can be carried out, for example, by marketing the aqueous solution (hydrochloric acid) or by using the hydrogen chloride in syntheses of other chemical products.
  • the accumulating amounts of hydrogen chloride can not always be fully utilized at the site of his seizure. Transport of hydrogen chloride or hydrochloric acid over long distances is uneconomical.
  • HCl recycling processes are state of the art (compare Ullmann Enzyklopadie der ischen Chemie, Weinheim, 4th edition 1975, Vol. 9, pp. 357 ff. Or Winnacker-Kuchler: Chemical Technology, Processes and Products, Wiley-VCH Verlag, 5 Edition 2005, Vol. 3, pp. 512 ff.): These include in particular the electrolysis of hydrochloric acid and the oxidation of hydrogen chloride with oxygen (Deacon reaction) according to:
  • the Deacon reaction can be carried out either at high temperatures (> 700 ° C) purely thermally or in the presence of catalysts at a temperature of 300 to 450 0 C.
  • the purely thermal Deacon reaction is not used for HCl recycling on an industrial scale.
  • Suitable catalysts for the catalyzed variant are described, for example, in DE 1 567 788 A1. Older methods use as the catalytically active component mostly doped copper chloride (eg Shell-Chlorine method, Dow-Hercules method), while more modern methods use ruthenium-based catalysts.
  • the Deacon reaction is exothermic (standard reaction enthalpy -57 kJ / mol chlorine) and reversible.
  • Non-thermally activated HCl oxidation processes are described, for example, in the specifications JP 5 907 3405A, RU 2253 607 A, DD 88 309, SU 180 1943 A, Cooper et al. Eng. Chem.
  • JP 59-73 405A describes the photoxidation of gaseous hydrogen chloride using pulsed laser radiation or a high-pressure mercury-vapor lamp or a combination of the two photon sources mentioned in order to excite the reactants.
  • RU 2 253 607 also describes a photochemical process for the production of chlorine in which an HCl-air mixture flows through a tubular reactor and the activation of the reactants in a reaction zone by a mercury vapor radiator.
  • EP1914199 describes a process for producing 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.
  • 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.
  • DD 88 309 A describes a catalyzed HCl oxidation at 150 ° -250 ° C, which is additionally supported by the use of UV radiation.
  • mercury vapor lamps emit UV radiation in different wavelength ranges depending on the filling pressure and this radiation can be used to initiate photochemical reactions if at least one reactant absorbs photons in the relevant spectral range.
  • the document SU 1 801 943 A describes a process for HCl oxidation with air in an electrical pulse discharge (10 to 40 kV) at 20 to 30 ° C. With a residence time of up to 140 s in the discharge zone, only an HCl conversion rate of up to 74% is achieved.
  • the patent contains no information on the discharge arrangement used.
  • Van Drumpt et al. (1972) describe the HCl oxidation in cold plasma of a modified Siemens tube at atmospheric pressure. It was possible to convert up to 6% of hydrogen chloride into chlorine.
  • Cooper et al. (1968) describe the HCl oxidation in a high-energy microwave plasma. A reaction temperature of 500 to 700 0 C and low gas pressures in the range of 13 to 27 mbar make these conditions for a technical implementation on a production scale seem less useful.
  • the document DE 10200 602 276 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, the chlorine being recycled to produce the phosgene.
  • the document is particularly based on processes for the preparation 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 Carbon dioxide and nitrogen chlorine is removed and recycled into the phosgene production.
  • 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.
  • a very high degree of hydrogen chloride conversion (in particular at least 70%) should be achieved even with decreasing activity of an oxidation catalyst in order to simplify the workup of the reaction products and to keep the plant capacity high over long periods of operation.
  • the above object is achieved by a heterogeneously catalyzed oxidation of hydrogen chloride with ozone, especially at low catalyst temperature.
  • 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, oxygen, ozone and optionally other secondary components is generated and passed over a solid catalyst.
  • a catalyst is used, as the catalytic active components of 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 thereof Has metals or metal compounds.
  • the process is preferably conducted in such a way that more than one oxygen atom per consumed ozone molecule is converted during the reaction for the HCl oxidation.
  • the reaction temperature of the HCl oxidation with ozone is adjusted by a preferred process in a range up to 250 ° C., preferably from 20 to 250 ° C., preferably from 50 to 150 ° C.
  • HCl oxidation is carried out with ozone at elevated pressure, in particular a pressure of up to 25 bar, preferably 5 to 25 bar in a particularly preferred method. This facilitates, for example, coupling to previous other HCl oxidation states, which are merely catalyzed oxidation reactions of hydrogen chloride with oxygen-containing gases.
  • the new HCl oxidation is carried out with ozone at an ozone concentration of 2 to 15 wt .-%, preferably 4 to 13 wt .-% based on the amount of oxygen and ozone.
  • HCl oxidation is combined with ozone with one or more other HCl oxidation reactions and performed downstream as a further step, one or more other HCl oxidation reactions.
  • the other HCl oxidation reactions are catalyzed oxidation reactions of hydrogen chloride with oxygen-containing gases.
  • the abovementioned combined methods are preferably operated so that first the main portion of the HCl oxidation, in particular up to an HCl conversion of at least 70%, preferably at least 80%, is achieved in another catalyzed oxidation process, after which the HCl oxidation is followed by ozone ,
  • a preferred embodiment consists of a combination of a catalyzed Deacon reaction, which is operated at elevated temperature, in particular at least 300 0 C, with a downstream ozone oxidation at low temperature, in particular ⁇ 300 ° C, wherein in the oxidation state with ozone only as much ozone is fed as is necessary to achieve the desired degree of HCl conversion.
  • a particularly preferred catalyst for HCl oxidation with ozone consists of ruthenium oxide Titanium dioxide. This catalyst can be identical to the Deacon catalyst, which is also effective at high temperatures, for the possibly preceding other HCl oxidation.
  • Ozone is a well-known, technically used oxidizing agent that is usually produced by silent electrical discharge in a Siemens tube. Ozone can be decomposed catalytically according to 2 O 3 -> 3 O 2 easily into molecular oxygen. As a rule, however, only a maximum of one of the three oxygen atoms of the ozone can be utilized for the desired oxidation reactions. The remaining two oxygen atoms are lost as much less reactive molecular oxygen. They must be activated by renewed energy input, eg by increased reaction temperatures.
  • the new heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone proceeds even rapidly and completely even if unconverted hydrogen chloride in low concentration is present in addition to chlorine in high concentration in the product of a Deacon reactor.
  • This preferred combination allows ozone feed to be minimized and matched precisely to the need to achieve high total hydrogen chloride conversions. It also provides a high degree of flexibility for controlling the overall process: a decrease in the activity of the catalyst in the primary stage (oxidation at> 300 ° C with air or technical oxygen), e.g. due to aging or partial poisoning, can be compensated by increased supply of ozone in the secondary stage.
  • Heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone is much more robust than the catalyzed Deacon reaction with molecular oxygen.
  • the new one- or two-stage HCl oxidation at low reaction temperatures allows the thermodynamic equilibrium of the HCl oxidation reaction to be shifted far to the side of the reaction products chlorine and water.
  • the remaining at high HCl conversion in the product stream small amounts of hydrogen chloride require no complex recovery. They can be removed by a simple wash of water. This additionally simplifies product processing and thus improves the economic efficiency of the process.
  • the new heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone as described above in combination with the known as Deacon process, catalyzed Deacon reaction with molecular oxygen.
  • hydrogen chloride is oxidized with oxygen in an exothermic equilibrium reaction to chlorine, wherein water vapor accrues.
  • 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. 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 or other ruthenium compounds on silica, alumina,
  • Titanium dioxide or zirconium dioxide as carrier.
  • Suitable catalysts may for example by
  • 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 also contain chromium ( ⁇ i) oxide.
  • the catalyzed hydrogen chloride oxidation may be adiabatic or preferably isothermal or approximately isothermal, batchwise, but preferably continuously or as a fixed bed process, preferably as a fixed bed process, more preferably in tube bundle reactors to heterogeneous catalysts at a reactor temperature of 180 to 500 0 C, preferably 200 to 400 0th 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 are 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.
  • a plurality of reactors that is to say 2 to 10, preferably 2 to 6, particularly preferably 2 to 5, in particular 2 to 3, series-connected reactors with additional intermediate cooling.
  • the hydrogen chloride can be added either completely together with the oxygen before the first reactor or distributed over the various reactors.
  • This series connection of individual reactors can also be combined in one apparatus.
  • 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.
  • inert material for example, rings, cylinders or balls of titanium dioxide, zirconium dioxide or mixtures thereof, alumina, steatite, ceramic, glass, graphite or stainless steel can be used.
  • the inert material should preferably have similar external dimensions.
  • Suitable shaped catalyst bodies are shaped bodies with any desired shapes, preference being given to tablets, rings, cylinders, stars, carriage wheels or spheres, particular preference being given to rings, cylinders or star strands as molds.
  • 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, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, preferably titanium 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.
  • the moldings are first dried at 100 to 150 0 C and then calcined at 200 to 400 0 C.
  • the conversion of hydrogen chloride in a single pass may preferably be limited to 15 to 90%, preferably 40 to 85%, particularly preferably 50 to 70%. After conversion, unreacted hydrogen chloride can be partially or completely recycled to the catalyzed hydrogen chloride oxidation.
  • 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, more preferably 1: 1 to 5: 1.
  • 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.
  • Example 1 (reaction between hydrogen chloride and ozone without catalyst)
  • Ozone has an absorption maximum at 254 nm, chlorine at 330 nm, so that both components can be determined side by side photometrically. 20 minutes after the ozone generator was switched on, the following concentrations were measured: at the entrance of the glass tube 3.0 ⁇ 0.2% by volume of ozone and 0% by volume of chlorine; 2.8 ⁇ 0.2 vol.% ozone and ⁇ 0..1 vol.% chlorine at the outlet of the glass tube.
  • the example shows that without a catalyst, there is no rapid HCl oxidation by ozone in a homogeneous gas phase.
  • Example 2 (Heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone at low temperature)
  • Example 1 The experimental setup described in Example 1 was modified such that the glass tube was filled with a packed bed of catalyst pellets (about 30 cm 3 , 1 mol% RuO 2 on TiO 2 as support) and enclosed by a heating jacket. After adjusting the gas flows given in Example 1 and a reactor temperature of 50 0 C, the ozone generator was turned on. For this experiment, its performance was adjusted so that the oxygen flow contained about 5% ozone by volume. The gas stream leaving the glass tube was analyzed for the first time after about 20 minutes. It contained in addition to traces of ozone (about 0.1 vol .-%) 7 vol .-% chlorine. This chlorine concentration corresponds to an HCl conversion of about 25%.
  • Example 3 (Heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone at elevated temperature)
  • Example 2 The experimental conditions described in Example 2 were changed so that the reactor temperature was raised to 180 0 C.
  • the experimental setup was operated with the ozone generator switched off.
  • the product gas stream leaving the reactor was analyzed for the first time after about 20 minutes. It contained no ozone and only traces ( ⁇ 0.2 vol.%) Of chlorine.
  • the ozone generator was turned on and set to the conditions described in Example 2.
  • In the product stream 4.5 Vol .-% chlorine, but no ozone was measured.
  • the chlorine concentration corresponds to an HCl conversion of about 18%. This results in a stoichiometric ratio of 1.8 moles of chlorine formed per mole of spent ozone.
  • Example 3 demonstrates that at a catalyst temperature of 180 ° C., as expected, the catalyzed Deacon reaction with molecular oxygen does not proceed with sufficient speed.
  • a comparison of the results in Examples 2 and 3 shows that with increasing catalyst temperature, the proportion of parasitic ozone decomposition increases over the HCl oxidation. Low reaction temperatures are therefore favorable.
  • Example 4 (series connection of Deacon reactor and HCl oxidation with ozone)
  • Example 2 The experimental setup described in Example 2 was extended by a second heatable catalytic reactor.
  • the first reactor was adjusted to a catalyst temperature of 360 ° C. and passed through 200 ml / min of a gas mixture consisting of 80% by volume of HCl and 20% by volume of O 2 (stoichiometric reaction mixture of the Deacon reaction).
  • a condensate trap At the outlet of the first reactor was a condensate trap in which the water of reaction condensing out was collected. After the condensate separator, about 70% by volume of chlorine was measured in the gas stream. The chlorine concentration corresponds to an HCl conversion of about 85%. This value is close to the thermodynamically determined equilibrium conversion.
  • the resulting product cooled to about 50 0 C product gas was at 100 ml / min of a fresh
  • the product gas leaving the second reactor had a chlorine concentration of about 44% by volume.
  • Traces of HCl ⁇ 1 vol .-%) are detected.
  • 1% by volume of unreacted HCl would correspond to a residual HCl content of 1.1%, based on the amount of HCl used.
  • the degree of HCl conversion at the outlet of the series connection of both reactors was therefore more than 98.9%. No ozone could be detected in the product gas.
  • the degree of utilization of the ozone fed in for the oxidation of the HCl was> 63% under these conditions, corresponding to a reaction stoichiometry of 3.8 moles of HCl per mole of O 3 .
  • HCl can be oxidized heterogeneously catalytically efficiently with ozone even in the presence of a large excess of chlorine and in this way very high overall HCl conversion levels can be achieved.

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Abstract

The invention relates to a method for the heterogeneous catalytic oxidation of hydrogen chloride by means of gases comprising oxygen, wherein a gas mixture comprising at least hydrogen chloride, oxygen, ozone and optionally further additional compounds are produced and passed through a fixed catalyst.

Description

Katalytische Oxidation von Chlorwasserstoff mit Ozon Catalytic oxidation of hydrogen chloride with ozone
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Chlor durch heterogen katalysierte Oxidation von Chlorwasserstoff mit Ozon unter Bedingungen, die eine effiziente Ausnutzung des Ozons und das Erreichen hoher HCl-Umsetzungsgrade gestatten.The invention relates to a process for the production of chlorine by heterogeneously catalyzed oxidation of hydrogen chloride with ozone under conditions which allow efficient utilization of the ozone and the achievement of high levels of HCl conversion.
Bei der Herstellung vieler organischer Verbindungen sowie bei der Herstellung von Rohstoffen für die Produktion von Polymeren wird in der Produktionskette Chlor (Cl2) als Reaktionspartner eingesetzt. Bei der Umwandlung der chlorhaltigen Zwischenprodukte in chlorfreie Endprodukte entsteht häufig Chlorwasserstoff (HCl) als Nebenprodukt. Ein Beispiel für diese Reaktionskette ist die Herstellung von Polyurethanen über Phosgen als Zwischenprodukt. Die weitere Nutzung des anfallenden Chlorwasserstoffs kann z.B. durch Vermarktung der wässrigen Lösung (Salzsäure) oder durch Verwendung des Chlorwasserstoffs bei Synthesen anderer chemischer Produkte erfolgen. Die anfallenden Mengen an Chlorwasserstoff können jedoch nicht immer vollständig am Ort seines Anfalls genutzt werden. Ein Transport von Chlorwasserstoff oder Salzsäure über weite Wege ist unwirtschaftlich. Die Entsorgung des Chlorwasserstoffs durch Neutralisation mit Lauge ist technisch möglich, aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht jedoch ebenfalls unattraktiv. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen ist daher eine Produktion mit einem geschlossenen Chlorkreislauf wünschenswert. Dieser sollte das Recycling von Chlorwasserstoff zu Chlor beinhalten. Wegen der essentiellen Rolle der Chlorchemie in der chemischen Industrie und wegen der großen anfallenden Mengen an Chlorwasserstoff in der Größenordnung von > 109 kg/a allein in Deutschland besitzen Technologien zum HCl-Recycling eine enorme wirtschaftliche Bedeutung.In the production of many organic compounds as well as in the production of raw materials for the production of polymers, chlorine (Cl 2 ) is used as a reaction partner in the production chain. The conversion of chlorine-containing intermediates into chlorine-free end products often produces hydrogen chloride (HCl) as a by-product. An example of this reaction chain is the production of polyurethanes via phosgene as an intermediate. The further use of the resulting hydrogen chloride can be carried out, for example, by marketing the aqueous solution (hydrochloric acid) or by using the hydrogen chloride in syntheses of other chemical products. However, the accumulating amounts of hydrogen chloride can not always be fully utilized at the site of his seizure. Transport of hydrogen chloride or hydrochloric acid over long distances is uneconomical. The disposal of hydrogen chloride by neutralization with lye is technically possible, but also unattractive from an economic and environmental point of view. For economic and ecological reasons, a production with a closed chlorine cycle is therefore desirable. This should include the recycling of hydrogen chloride to chlorine. Because of the essential role of chlorine chemistry in the chemical industry and because of the large amounts of hydrogen chloride in the order of> 10 9 kg / a in Germany alone, technologies for HCl recycling have enormous economic importance.
HCl-Recyclingverfahren sind Stand der Technik (vgl. Ullmann Enzyklopädie der technischen 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.): Dazu zählen insbesondere die Elektrolyse von Salzsäure sowie die Oxidation von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff (Deacon-Reaktion) gemäß:HCl recycling processes are state of the art (compare Ullmann Enzyklopadie der technischen Chemie, Weinheim, 4th edition 1975, Vol. 9, pp. 357 ff. Or Winnacker-Kuchler: Chemical Technology, Processes and Products, Wiley-VCH Verlag, 5 Edition 2005, Vol. 3, pp. 512 ff.): These include in particular the electrolysis of hydrochloric acid and the oxidation of hydrogen chloride with oxygen (Deacon reaction) according to:
4 HCl + O2 --> 2 Cl2 + 2 H2O4 HCl + O 2 -> 2 Cl 2 + 2 H 2 O
Die Deacon-Reaktion kann entweder bei hohen Temperaturen (>700°C) rein thermisch oder in Gegenwart von Katalysatoren bei einer Temperatur von 300 bis 450 0C durchgeführt werden. Die rein thermische Deacon-Reaktion wird für ein HCl-Recycling im technischen Maßstab nicht genutzt. Geeignete Katalysatoren für die katalysierte Variante 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 auf Ruthenium basierende Katalysatoren nutzen. Die Deacon-Reaktion verläuft exotherm (Standardreaktionsenthalpie -57 kJ/mol Chlor) und reversibel. Bei der für technische Prozesse erforderlichen Reaktionstemperatur von > 300°C liegt das Reaktionsgleichgewicht nicht mehr vollständig auf der Produktseite. Aus den bekannten thermodynamischen Daten der Reaktion folgt, dass z.B. bei 3500C Reaktionstemperatur, 0,1 MPa Gasdruck und stöchiometrischen Eduktverhältnissen (HCl : O2 = 4 : 1 Mole/Mol) ein maximaler HCl-Umsetzungsgrad von rund 85% erreichbar ist. Ein höherer HCl-Umsatz ist nur durch einen Sauerstoffüberschuss erreichbar, jedoch um den Preis höherer Aufwendungen für die Aufbereitung der Reaktionsprodukte. Könnte man die Reaktionstemperatur auf 1000C absenken, wäre ein Gleichgewichtsumsatz von 99% möglich.The Deacon reaction can be carried out either at high temperatures (> 700 ° C) purely thermally or in the presence of catalysts at a temperature of 300 to 450 0 C. The purely thermal Deacon reaction is not used for HCl recycling on an industrial scale. Suitable catalysts for the catalyzed variant are described, for example, in DE 1 567 788 A1. Older methods use as the catalytically active component mostly doped copper chloride (eg Shell-Chlorine method, Dow-Hercules method), while more modern methods use ruthenium-based catalysts. The Deacon reaction is exothermic (standard reaction enthalpy -57 kJ / mol chlorine) and reversible. At the required reaction temperature of> 300 ° C for technical processes, the reaction equilibrium is no longer completely on the product side. From the known thermodynamic data of the reaction follows that, for example, at 350 0 C reaction temperature, 0.1 MPa gas pressure and stoichiometric Eduktverhältnissen (HCl: O 2 = 4: 1 moles / mol) a maximum degree of HCl conversion of about 85% can be achieved. Higher HCl conversion is achievable only by an excess of oxygen, but at the expense of higher costs for the treatment of the reaction products. If it were possible to lower the reaction temperature to 100 ° C., an equilibrium conversion of 99% would be possible.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil der katalysierten HCl-Oxidation besteht darin, dass der für die Reaktion eingesetzte Katalysator empfindlich gegen Verunreinigungen im Chlorwasserstoff ist. Infolge eines Katalysatoraktivitätsverlustes kann die Recycling-Kapazität der Anlage schnell und drastisch absinken. Gleichzeitig wird durch den unvollständigen Umsatz der HCl-Oxidation die Aufarbeitung der aus dem Reaktor austretenden Reaktionsgase (Sauerstoff, Chlorwasserstoff, Chlor, Wasser) noch aufwändiger. Dies reduziert insgesamt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens deutlich.Another major disadvantage of the catalyzed HCl oxidation is that the catalyst used for the reaction is sensitive to impurities in the hydrogen chloride. As a result of a catalyst activity loss, the recycling capacity of the plant may drop rapidly and drastically. At the same time, the workup of the reaction gases leaving the reactor (oxygen, hydrogen chloride, chlorine, water) becomes even more complicated due to the incomplete conversion of the HCl oxidation. Overall, this significantly reduces the cost-effectiveness of the process.
Um auch bei einer thermodynamisch günstigen, niedrigen Reaktionstemperatur einen hohen HCl- Umsatz erzielen zu können, wurden für die Deacon-Reaktion sogenannte nichtthermische Anregungsquellen untersucht. Verfahren, bei denen chemische Reaktionen nichtthermisch aktiviert werden, sind beispielsweise in Stiller (W. Stiller: Nichtthermisch aktivierte Chemie. Birkhäuser Verlag, Basel, Boston, 1987, S. 33-34, S. 45-49, S122-124, S. 138-145.) beschrieben. Nichtthermisch aktivierte HCl-Oxidationsverfahren sind beispielsweise in den Schriften JP 5 907 3405A, RU 2253 607 A, DD 88 309, SU 180 1943 A, 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 10200 602 276 Al beschrieben.In order to achieve a high HCl conversion even at a thermodynamically favorable, low reaction temperature, so-called non-thermal excitation sources were investigated for the Deacon reaction. Methods in which chemical reactions are not thermally activated 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, p. 138-145.). Non-thermally activated HCl oxidation processes are described, for example, in the specifications JP 5 907 3405A, RU 2253 607 A, DD 88 309, SU 180 1943 A, Cooper et al. Eng. Chem. Fundam., 7 (3), 400-409 (1968)), van Drumpt (JD van Drumpt: Oxidation of Hydrogen. (WW Cooper, HS Mickley, RF Baddour: Oxidation of hydrogen chloride in a microwave discharge Chloride with Molecular Oxygen in a Silent Electrical Discharge, Ind. Eng. Chem., Fundam., 22 (4), 594-595 (1972)) and DE 10200602 276 A1.
JP 59-73 405A beschreibt die Photoxidation von gasförmigem Chlorwasserstoff, wobei zur Anregung der Reaktanden gepulste Laserstrahlung oder eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe oder auch eine Kombination der beiden genannten Photonenquellen eingesetzt wird. In RU 2 253 607 wird ebenfalls ein photochemisches Verfahren zur Chlorherstellung beschrieben, bei dem ein HCl-Luft-Gemisch durch einen Rohrreaktor strömt und die Aktivierung der Reaktanden in einer Reaktionszone durch einen Quecksilberdampfstrahler erfolgt. EPl 914199 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.JP 59-73 405A describes the photoxidation of gaseous hydrogen chloride using pulsed laser radiation or a high-pressure mercury-vapor lamp or a combination of the two photon sources mentioned in order to excite the reactants. RU 2 253 607 also describes a photochemical process for the production of chlorine in which an HCl-air mixture flows through a tubular reactor and the activation of the reactants in a reaction zone by a mercury vapor radiator. EP1914199 describes a process for producing 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.
DD 88 309 A beschreibt eine katalysierte HCl-Oxidation bei 150°-250°C, die zusätzlich durch den Einsatz von UV-Strahlung unterstützt wird.DD 88 309 A describes a catalyzed HCl oxidation at 150 ° -250 ° C, which is additionally supported by the use of UV radiation.
Dem Fachmann ist grundsätzlich geläufig, dass Quecksilberdampflampen je nach Fülldruck in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen UV-Strahlung emittieren und diese Strahlung zur Initiierung von photochemischen Reaktionen genutzt werden kann, wenn mindestens ein Reaktand in dem relevanten Spektralbereich Photonen absorbiert.The person skilled in the art is generally familiar with the fact that mercury vapor lamps emit UV radiation in different wavelength ranges depending on the filling pressure and this radiation can be used to initiate photochemical reactions if at least one reactant absorbs photons in the relevant spectral range.
In der Schrift SU 1 801 943 A wird ein Verfahren zur HCl-Oxidation mit Luft in einer elektrischen Impulsentladung (10 bis 40 kV) bei 20 bis 300C beschrieben. Bei einer Verweilzeit bis 140 s in der Entladungszone wird lediglich ein HCl-Umsetzungsgrad bis 74% erreicht. Die Patentschrift enthält keine Angaben zur verwendeten Entladungsanordnung. Van Drumpt et al. (1972) beschreiben die HCl-Oxidation im kalten Plasma einer modifizierten Siemensröhre bei Atmosphärendruck. Dabei konnten bis zu 6% Chlorwasserstoff in Chlor umgewandelt werden. Cooper et al. (1968) beschreiben die HCl-Oxidation in einem energiereichen Mikrowellenplasma. Eine Reaktionstemperatur von 500 bis 7000C und niedriger Gasdrucke im Bereich von 13 bis 27 mbar lassen diese Bedingungen für eine technische Umsetzung im Produktionsmaßstab wenig brauchbar erscheinen. - A -The document SU 1 801 943 A describes a process for HCl oxidation with air in an electrical pulse discharge (10 to 40 kV) at 20 to 30 ° C. With a residence time of up to 140 s in the discharge zone, only an HCl conversion rate of up to 74% is achieved. The patent contains no information on the discharge arrangement used. Van Drumpt et al. (1972) describe the HCl oxidation in cold plasma of a modified Siemens tube at atmospheric pressure. It was possible to convert up to 6% of hydrogen chloride into chlorine. Cooper et al. (1968) describe the HCl oxidation in a high-energy microwave plasma. A reaction temperature of 500 to 700 0 C and low gas pressures in the range of 13 to 27 mbar make these conditions for a technical implementation on a production scale seem less useful. - A -
In der Schrift DE 10200 602 276 Al wird 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, beschrieben. Die Schrift geht insbesondere aus 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 10200 602 276 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, the chlorine being recycled to produce the phosgene. The document is particularly based on processes for the preparation 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 Carbon dioxide and nitrogen chlorine is removed and recycled into the phosgene production.
Hauptnachteil der bisher beschriebenen nichtthermischen HCl-Oxidationsprozesse ist ihre unbefriedigende Energieeffizienz. In keinem Falle ist ein hinreichend hoher HCl-Umsetzungsgrad (>90%) beschrieben worden, wie er mit der vorliegenden Erfindung angestrebt wird.The main disadvantage of the previously described non-thermal HCl oxidation processes is their unsatisfactory energy efficiency. In no case has a sufficiently high degree of HCl conversion (> 90%) been described, as it is sought with the present invention.
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 soll ein sehr hoher Chlorwasserstoff-Umsetzungsgrad (insbesondere mindestens 70%) auch bei nachlassender Aktivität eines Oxidationskatalysators erreicht werden, um so die Aufarbeitung der Reaktionsprodukte zu vereinfachen und die Anlagenkapazität über lange Betriebsperioden hoch zu halten.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, a very high degree of hydrogen chloride conversion (in particular at least 70%) should be achieved even with decreasing activity of an oxidation catalyst in order to simplify the workup of the reaction products and to keep the plant capacity high over long periods of operation.
Die oben dargestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine heterogen-katalysierte Oxidation von Chlorwasserstoff mit Ozon insbesondere bei niedriger Katalysatortemperatur gelöst.The above object is achieved by a heterogeneously catalyzed oxidation of hydrogen chloride with ozone, especially at low catalyst temperature.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur heterogen katalysierten Oxidation von Chlorwasserstoff mittels Sauerstoff enthaltender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch bestehend wenigstens aus Chlorwasserstoff, Sauerstoff, Ozon und ggf. weiteren Nebenbestandteilen erzeugt und über einen festen Katalysator geleitet 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, oxygen, ozone and optionally other secondary components is generated and passed over a solid catalyst.
In einem bevorzugten Verfahren ist ein Katalysator eingesetzt, der 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.In a preferred method, a catalyst is used, as the catalytic active components of 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 thereof Has metals or metal compounds.
Das Verfahren wird bevorzugt so geführt, dass bei der Reaktion mehr als ein Sauerstoffatom pro verbrauchtes Ozonmolekül für die HCl-Oxidation umgesetzt wird.The process is preferably conducted in such a way that more than one oxygen atom per consumed ozone molecule is converted during the reaction for the HCl oxidation.
Die Reaktionstemperatur der HCl-Oxidation mit Ozon wird nach einem bevorzugten Verfahren in einem Bereich bis 2500C bevorzugt von 20 bis 2500C, bevorzugt 50 bis 1500C eingestellt. Vorteilhafterweise wird in einem besonders bevorzugten Verfahren HCl-Oxidation mit Ozon bei erhöhtem Druck, insbesondere einem Druck von bis zu 25 bar, bevorzugt 5 bis 25 bar durchgeführt. Dies erleichtert beispielsweise die Ankopplung an vorhergehende andere HCl- Oxidationsstufen, die bloße katalysierte Oxidationsreaktionen von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff enthaltenden Gasen sind.The reaction temperature of the HCl oxidation with ozone is adjusted by a preferred process in a range up to 250 ° C., preferably from 20 to 250 ° C., preferably from 50 to 150 ° C. Advantageously, HCl oxidation is carried out with ozone at elevated pressure, in particular a pressure of up to 25 bar, preferably 5 to 25 bar in a particularly preferred method. This facilitates, for example, coupling to previous other HCl oxidation states, which are merely catalyzed oxidation reactions of hydrogen chloride with oxygen-containing gases.
Bevorzugt wird die neue HCl-Oxidation mit Ozon bei einer Ozon-Konzentration von 2 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 4 bis 13 Gew.-% bezogen auf die Menge von Sauerstoff und Ozon durchgeführt.Preferably, the new HCl oxidation is carried out with ozone at an ozone concentration of 2 to 15 wt .-%, preferably 4 to 13 wt .-% based on the amount of oxygen and ozone.
Besonders vorteilhaft ist eine Erweiterung des neuen Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die HCl-Oxidation mit Ozon mit einer oder mehreren anderen HCl-Oxidationsreaktionen kombiniert und als weitere Stufe, einer oder mehreren anderen HCl-Oxidationsreaktionen nachgeordnet durchgeführt wird.Particularly advantageous is an extension of the new process, characterized in that the HCl oxidation is combined with ozone with one or more other HCl oxidation reactions and performed downstream as a further step, one or more other HCl oxidation reactions.
Die anderen HCl-Oxidationsreaktionen sind katalysierte Oxidationsreaktionen von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff enthaltenden Gasen.The other HCl oxidation reactions are catalyzed oxidation reactions of hydrogen chloride with oxygen-containing gases.
Die vorgenannten kombinierten Verfahren werden bevorzugt so betrieben, dass zunächst der Haupanteil der HCl-Oxidation insbesondere bis zu einem HCl-Umsatz von mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80% in einem anderen katalysierten Oxidationsprozess erreicht wird, dem die HCl-Oxidation mit Ozon nachgeschaltet ist.The abovementioned combined methods are preferably operated so that first the main portion of the HCl oxidation, in particular up to an HCl conversion of at least 70%, preferably at least 80%, is achieved in another catalyzed oxidation process, after which the HCl oxidation is followed by ozone ,
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht aus einer Kombination einer katalysierten Deacon- Reaktion, die bei erhöhter Temperatur, insbesondere bei mindestens 3000C betrieben wird, mit einer nachgeschalteten Ozon-Oxidation bei niedriger Temperatur, insbesondere <300°C, wobei in die Oxidationsstufe mit Ozon nur so viel Ozon eingespeist wird, wie für die Erreichung des gewünschten HCl-Umsetzungsgrades erforderlich ist.A preferred embodiment consists of a combination of a catalyzed Deacon reaction, which is operated at elevated temperature, in particular at least 300 0 C, with a downstream ozone oxidation at low temperature, in particular <300 ° C, wherein in the oxidation state with ozone only as much ozone is fed as is necessary to achieve the desired degree of HCl conversion.
Während die HCl-Oxidation mit molekularem Sauerstoff (O2) an den üblichen Deacon- Katalysatoren (CuCl2, FeCl3, RuO2 etc.) eine Reaktionstemperatur von typischerweise 3000C und mehr erfordert, wurde überraschend gefunden, dass an einigen Katalysatoren mit Ozon (O3) eine schnelle und glatte Oxidation von Chlorwasserstoff zu Chlor bereits bei viel niedrigerer Temperatur, besonders bevorzugt 50 bis 1500C, möglich ist.While the HCl oxidation with molecular oxygen (O 2 ) to the usual Deacon catalysts (CuCl 2 , FeCl 3 , RuO 2, etc.) requires a reaction temperature of typically 300 0 C and more, it was surprisingly found that on some catalysts with Ozone (O 3 ) a rapid and smooth oxidation of hydrogen chloride to chlorine even at much lower temperature, more preferably 50 to 150 0 C, is possible.
Es wurde gefunden, dass eine Vielzahl von heterogenen Katalysatoren, die insbesondere Metalle der 1., 7. und 8. Nebengruppe des Periodensystems enthalten, diese Reaktion unterstützen. Ein besonders bevorzugter Katalysator für die HCl-Oxidation mit Ozon besteht aus Rutheniumoxid auf Titandioxid. Dieser Katalysator kann identisch sein mit dem auch bei hohen Temperaturen wirksamen Deacon-Katalysator für die eventuell vorgeschaltete andere HCl-Oxidation.It has been found that a large number of heterogeneous catalysts, which in particular contain metals of groups 1, 7 and 8 of the periodic table, support this reaction. A particularly preferred catalyst for HCl oxidation with ozone consists of ruthenium oxide Titanium dioxide. This catalyst can be identical to the Deacon catalyst, which is also effective at high temperatures, for the possibly preceding other HCl oxidation.
Ozon ist ein bekanntes, technisch genutztes Oxidationsmittel, das meist durch stille elektrische Entladung in einer Siemens-Röhre hergestellt wird. Ozon kann katalytisch gemäß 2 O3 — > 3 O2 leicht in molekularen Sauerstoff zersetzt werden. In der Regel kann jedoch nur maximal eines der drei Sauerstoffatome des Ozons für die gewünschten Oxidationsreaktionen ausgenutzt werden. Die restlichen zwei Sauerstoffatome gehen als viel weniger reaktionsfreudiger molekularer Sauerstoff verloren. Sie müssen durch erneuten Energieeintrag, z.B. durch erhöhte Reaktionstemperaturen, aktiviert werden. Bei der erfindungsgemäßen heterogen katalysierten HCl-Oxidation wurde überraschend gefunden, dass bis zu drei Sauerstoffatome pro Ozonmolekül für die HCl-Oxidation ausgenutzt werden können, so dass eine vorteilhafte Reaktionsstöchiometrie gemäß 6 HCl + O3 — > 3 H2O + 3 Cl2 erreicht werden kann. Da die Kosten der Ozonerzeugung ganz wesentlich die Gesamtkosten eines auf Ozon basierenden Verfahrens beeinflussen, ist die Effizienz der Ozonausnutzung für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens essentiell.Ozone is a well-known, technically used oxidizing agent that is usually produced by silent electrical discharge in a Siemens tube. Ozone can be decomposed catalytically according to 2 O 3 -> 3 O 2 easily into molecular oxygen. As a rule, however, only a maximum of one of the three oxygen atoms of the ozone can be utilized for the desired oxidation reactions. The remaining two oxygen atoms are lost as much less reactive molecular oxygen. They must be activated by renewed energy input, eg by increased reaction temperatures. In the heterogeneously catalyzed HCl oxidation according to the invention, it was surprisingly found that up to three oxygen atoms per ozone molecule can be utilized for the HCl oxidation, so that an advantageous reaction stoichiometry according to 6 HCl + O 3 → 3 H 2 O + 3 Cl 2 is achieved can be. Since the cost of ozone generation significantly affects the overall cost of an ozone-based process, the efficiency of ozone utilization is essential to the success of the process of the present invention.
Die neue heterogen katalysierte HCl-Oxidation mit Ozon verläuft selbst dann noch schnell und vollständig, wenn nicht umgesetzter Chlorwasserstoff in niedriger Konzentration neben Chlor in hoher Konzentration im Produkt eines Deacon-Reaktors vorliegt. Diese bevorzugte Kombination gestattet es, die Ozoneinspeisung zu minimieren und exakt an den Bedarf für das Erreichen hoher Gesamtumsätze des Chlorwasserstoffs anzupassen. Sie ermöglicht auch ein hohes Maß an Flexibilität für die Steuerung des Gesamtprozesses: Eine Abnahme der Aktivität des Katalysators in der Primärstufe (Oxidation bei >300°C mit Luft oder technischem Sauerstoff), z.B. durch Alterung oder partielle Vergiftung, kann durch erhöhte Zuspeisung von Ozon in der Sekundärstufe kompensiert werden. Die heterogen katalysierte HCl-Oxidation mit Ozon erweist sich als wesentlich robuster im Vergleich zur katalysierten Deacon-Reaktion mit molekularem Sauerstoff.The new heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone proceeds even rapidly and completely even if unconverted hydrogen chloride in low concentration is present in addition to chlorine in high concentration in the product of a Deacon reactor. This preferred combination allows ozone feed to be minimized and matched precisely to the need to achieve high total hydrogen chloride conversions. It also provides a high degree of flexibility for controlling the overall process: a decrease in the activity of the catalyst in the primary stage (oxidation at> 300 ° C with air or technical oxygen), e.g. due to aging or partial poisoning, can be compensated by increased supply of ozone in the secondary stage. Heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone is much more robust than the catalyzed Deacon reaction with molecular oxygen.
Durch die neue ein- oder zweistufige HCl-Oxidation bei niedrigen Reaktionstemperaturen kann das thermodynamische Gleichgewicht der HCl-Oxidationsreaktion weit auf die Seite der Reaktionsprodukte Chlor und Wasser verschoben werden. Die bei hohem HCl-Umsetzungsgrad im Produktstrom verbleibenden geringen Mengen an Chlorwasserstoff erfordern keine aufwändige Rückgewinnung. Sie können durch eine einfache Wasserwäsche entfernt werden. Dies vereinfacht zusätzlich die Produktaufarbeitung und verbessert so die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.The new one- or two-stage HCl oxidation at low reaction temperatures allows the thermodynamic equilibrium of the HCl oxidation reaction to be shifted far to the side of the reaction products chlorine and water. The remaining at high HCl conversion in the product stream small amounts of hydrogen chloride require no complex recovery. They can be removed by a simple wash of water. This additionally simplifies product processing and thus improves the economic efficiency of the process.
Besonders bevorzugt wird die neue heterogen katalysierte HCl-Oxidation mit Ozon wie oben bereits beschrieben in Kombination mit dem auch als Deacon-Prozess bekannten, katalysierten Deacon-Reaktion 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.Particularly preferred is the new heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone as described above in combination with the known as Deacon process, catalyzed Deacon reaction with molecular oxygen. Here, hydrogen chloride is oxidized with oxygen in an exothermic equilibrium reaction to chlorine, wherein water vapor accrues. 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.
Geeignete bevorzugte Katalysatoren für das Deacon- Verfahren enthalten Rutheniumoxid, Rutheniumchlorid oder andere Rutheniumverbindungen auf Siliziumdioxid, Aluminiumoxid,Suitable preferred catalysts for the Deacon process include ruthenium oxide, ruthenium chloride or other ruthenium compounds on silica, alumina,
Titandioxid oder Zirkondioxid als Träger. Geeignete Katalysatoren können beispielsweise durchTitanium dioxide or zirconium dioxide as carrier. Suitable catalysts may for example by
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. GeeigneteApplying ruthenium chloride to the support and then drying or drying and calcination are obtained. 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
Katalysatoren können ferner Chrom(πi)oxid enthalten.Catalysts may also contain chromium (πi) oxide.
Die katalysierte Chlorwasserstoff-Oxidation kann adiabatisch oder bevorzugt isotherm oder annähernd isotherm, diskontinuierlich, bevorzugt aber kontinuierlich als Fließ- oder Festbettverfahren, bevorzugt als Festbettverfahren, besonders bevorzugt in Rohrbündelreaktoren an Heterogenkatalysatoren bei einer Reaktortemperatur von 180 bis 5000C, bevorzugt 200 bis 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.The catalyzed hydrogen chloride oxidation may be adiabatic or preferably isothermal or approximately isothermal, batchwise, but preferably continuously or as a fixed bed process, preferably as a fixed bed process, more preferably in tube bundle reactors to heterogeneous catalysts at a reactor temperature of 180 to 500 0 C, preferably 200 to 400 0th 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 are 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 isothermen oder annähernd isothermen Fahrweise können auch mehrere, also 2 bis 10, bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 2 bis 5, insbesondere 2 bis 3, in Reihe geschaltete Reaktoren mit 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 Reihenschaltung einzelner Reaktoren kann auch in einem Apparat zusammengeführt werden. Eine weitere bevorzugte Ausfuhrungsform 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, Zirkondioxid oder deren Gemischen, Aluminiumoxid, Steatit, Keramik, Glas, Graphit oder Edelstahl eingesetzt werden. Beim bevorzugten Einsatz von Katalysatorformkörpern sollte das Inertmaterial bevorzugt ähnliche äußeren Abmessungen haben.In the isothermal or approximately isothermal mode of operation, it is also possible to use a plurality of reactors, that is to say 2 to 10, preferably 2 to 6, particularly preferably 2 to 5, in particular 2 to 3, series-connected reactors with additional intermediate cooling. The hydrogen chloride can be added either completely together with the oxygen before the first reactor or distributed over the various reactors. This series connection of individual reactors can also be combined in one apparatus. 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, 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 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 are shaped bodies with any desired shapes, preference being given to tablets, rings, cylinders, stars, carriage wheels or spheres, particular preference being given to rings, cylinders or star strands as molds.
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, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische, bevorzugt Titandioxid, 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, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, preferably titanium 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 1500C getrocknet und anschließend bei 200 bis 4000C calciniert. Der Umsatz an Chlorwasserstoff im einfachen Durchgang kann bevorzugt auf 15 bis 90 %, bevorzugt 40 bis 85%, besonders bevorzugt 50 bis 70% begrenzt werden. Nicht umgesetzter Chlorwasserstoff kann nach Abtrennung teilweise oder vollständig in die 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 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. Preferably, the moldings are first dried at 100 to 150 0 C and then calcined at 200 to 400 0 C. The conversion of hydrogen chloride in a single pass may preferably be limited to 15 to 90%, preferably 40 to 85%, particularly preferably 50 to 70%. After conversion, unreacted hydrogen chloride can be partially or completely recycled to the catalyzed hydrogen chloride oxidation. 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, more preferably 1: 1 to 5: 1.
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.
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 1: (Reaktion zwischen Chlorwasserstoff und Ozon ohne Katalysator)Example 1: (reaction between hydrogen chloride and ozone without catalyst)
Technischer Sauerstoff (100 ml/min) wurde über einen kommerziellen Ozongenerator, der durch stille Entladung Ozon erzeugen kann, geleitet. Am Ausgang des Ozongenerators wurde trockener Chlorwasserstoff (100 ml/min) dem Ozon/Sauerstoffgemisch zugemischt. Die vermischten Gasströme passierten bei 25°C ein leeres Glasrohr (daußen x dWand x L = 22 x 1 x 110 mm). Die Verweilzeit im durchströmten Glasrohr betrug ca. 10 s. Am Ein- und Ausgang des Glasrohres wurden Gasproben entnommen und mittels einer Gasküvette in einem UV-vis-Spektrometer photometrisch auf ihren Chlor- und Ozongehalt analysiert. Ozon besitzt ein Absorptionsmaximum bei 254 nm, Chlor bei 330 nm, so dass beide Komponenten nebeneinander photometrisch bestimmt werden können. 20 min nach Einschalten des Ozongenerators wurden folgende Konzentrationen gemessen: am Eingang des Glasrohres 3,0 ± 0,2 Vol.-% Ozon und 0 Vol.-% Chlor; am Ausgang des Glasrohres 2,8 ± 0,2 Vol.-% Ozon und <0,l Vol.-% Chlor.Technical oxygen (100 ml / min) was passed through a commercial ozone generator which can generate ozone by silent discharge. At the outlet of the ozone generator, dry hydrogen chloride (100 ml / min) was added to the ozone / oxygen mixture. The mixed gas streams passed through an empty glass tube at 25 ° C (d outside xd Wan dx L = 22 x 1 x 110 mm). The residence time in the glass tube was about 10 s. Gas samples were taken at the inlet and outlet of the glass tube and analyzed photometrically for their chlorine and ozone content by means of a gas cuvette in a UV-vis spectrometer. Ozone has an absorption maximum at 254 nm, chlorine at 330 nm, so that both components can be determined side by side photometrically. 20 minutes after the ozone generator was switched on, the following concentrations were measured: at the entrance of the glass tube 3.0 ± 0.2% by volume of ozone and 0% by volume of chlorine; 2.8 ± 0.2 vol.% ozone and <0..1 vol.% chlorine at the outlet of the glass tube.
Das Beispiel zeigt: Es findet ohne Katalysator keine schnelle HCl-Oxidation durch Ozon in homogener Gasphase statt.The example shows that without a catalyst, there is no rapid HCl oxidation by ozone in a homogeneous gas phase.
Beispiel 2: (Heterogen katalysierte HCl-Oxidation mit Ozon bei niedriger Temperatur)Example 2: (Heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone at low temperature)
Die in Beispiel 1 beschriebene Versuchsanordnung wurde dahingehend verändert, dass das Glasrohr mit einem Schüttbett aus Katalysatorpellets (ca. 30 cm3, 1 Ma-% RuO2 auf TiO2 als Träger) gefüllt und von einem Heizmantel umschlossen wurde. Nach Einstellung der in Beispiel 1 angegebenen Gasströme und einer Reaktortemperatur von 500C wurde der Ozongenerator eingeschaltet. Für dieses Experiment wurde seine Leistung so eingestellt, dass der Sauerstoffstrom rund 5 Vol.-% Ozon enthielt. Der das Glasrohr verlassende Gasstrom wurde nach ca. 20 min das erste mal analysiert. Er enthielt neben Spuren an Ozon (ca. 0,1 Vol.-%) 7 Vol.-% Chlor. Diese Chlorkonzentration entspricht einem HCl-Umsetzungsgrad von rund 25%. Daraus errechnet sich eine Reaktionsstöchiometrie der Chlorbildung von Cl2 : O3 « 2,8 Mole pro Mol. Am Ausgang des Glasrohres wurde die Bildung von Salzsäure- Kondensattropfen beobachtet. Dieses Reaktionsregime konnte über mehrere Tage aufrecht erhalten werden ohne messbaren Abfall der Chlorausbeute. Das Beispiel zeigt, dass Ozon bereits bei niedriger Reaktionstemperatur über einem Katalysator nahezu vollständig umgesetzt und effizient zur HCl-Oxidation verwertet werden kann.The experimental setup described in Example 1 was modified such that the glass tube was filled with a packed bed of catalyst pellets (about 30 cm 3 , 1 mol% RuO 2 on TiO 2 as support) and enclosed by a heating jacket. After adjusting the gas flows given in Example 1 and a reactor temperature of 50 0 C, the ozone generator was turned on. For this experiment, its performance was adjusted so that the oxygen flow contained about 5% ozone by volume. The gas stream leaving the glass tube was analyzed for the first time after about 20 minutes. It contained in addition to traces of ozone (about 0.1 vol .-%) 7 vol .-% chlorine. This chlorine concentration corresponds to an HCl conversion of about 25%. From this, a reaction stoichiometry of the chlorine formation of Cl 2 : O 3 «2.8 moles per mole is calculated. At the outlet of the glass tube, the formation of hydrochloric acid condensate droplets was observed. This reaction regime could be maintained for several days without measurable decrease in the chlorine yield. The example shows that ozone can be almost completely reacted at low reaction temperature over a catalyst and efficiently utilized for HCl oxidation.
Beispiel 3: (Heterogen katalysierte HCl-Oxidation mit Ozon bei erhöhter Temperatur)Example 3: (Heterogeneously catalyzed HCl oxidation with ozone at elevated temperature)
Die in Beispiel 2 beschriebenen Versuchsbedingungen wurden dahingehend verändert, dass die Reaktortemperatur auf 1800C erhöht wurde. Zunächst wurde die Versuchsanordnung mit ausgeschaltetem Ozongenerator betrieben. Der den Reaktor verlassende Produktgasstrom wurde nach ca. 20 min das erste Mal analysiert. Er enthielt kein Ozon und nur Spuren (<0,2 Vol.-%) an Chlor. Danach wurde der Ozongenerator eingeschaltet und auf die in Beispiel 2 beschriebenen Bedingungen eingestellt. Im Produktstrom wurden 4,5 Vol.-% Chlor, aber kein Ozon gemessen. Die Chlorkonzentration entspricht einem HCl-Umsetzungsgrad von rund 18%. Daraus ergibt sich eine stöchiometrisches Verhältnis von 1,8 Molen gebildetes Chlor pro Mol verbrauchtes Ozon.The experimental conditions described in Example 2 were changed so that the reactor temperature was raised to 180 0 C. First, the experimental setup was operated with the ozone generator switched off. The product gas stream leaving the reactor was analyzed for the first time after about 20 minutes. It contained no ozone and only traces (<0.2 vol.%) Of chlorine. Thereafter, the ozone generator was turned on and set to the conditions described in Example 2. In the product stream 4.5 Vol .-% chlorine, but no ozone was measured. The chlorine concentration corresponds to an HCl conversion of about 18%. This results in a stoichiometric ratio of 1.8 moles of chlorine formed per mole of spent ozone.
Beispiel 3 belegt, dass bei einer Katalysatortemperatur von 1800C erwartungsgemäß die katalysierte Deacon-Reaktion mit molekularem Sauerstoff noch nicht hinreichend schnell abläuft. Ein Vergleich der Ergebnisse in den Beispielen 2 und 3 zeigt, dass mit steigender Katalysatortemperatur der Anteil an parasitärer Ozonzersetzung gegenüber der HCl-Oxidation zunimmt. Niedrige Reaktionstemperaturen sind also günstig.Example 3 demonstrates that at a catalyst temperature of 180 ° C., as expected, the catalyzed Deacon reaction with molecular oxygen does not proceed with sufficient speed. A comparison of the results in Examples 2 and 3 shows that with increasing catalyst temperature, the proportion of parasitic ozone decomposition increases over the HCl oxidation. Low reaction temperatures are therefore favorable.
Beispiel 4: (Reihenschaltung von Deacon-Reaktor und HCl-Oxidation mit Ozon)Example 4: (series connection of Deacon reactor and HCl oxidation with ozone)
Die in Beispiel 2 beschriebene Versuchsanordnung wurde durch einen zweiten beheizbaren Katalysereaktor erweitert. Der erste Reaktor wurde auf eine Katalysatortemperatur von 3600C eingestellt und von 200 ml/min eines Gasgemisches, bestehend aus 80 Vol.-% HCl und und 20 Vol.-% O2 (stöchiometrisches Reaktionsgemisch der Deacon-Reaktion) durchströmt. Am Ausgang des ersten Reaktors befand sich ein Kondensatabscheider, in dem das auskondensierende Reaktionswasser aufgefangen wurde. Nach dem Kondensatabscheider wurden rund 70 Vol.-% Chlor im Gasstrom gemessen. Die Chlorkonzentration entspricht einem HCl-Umsetzungsgrad von etwa 85%. Dieser Wert liegt nahe an dem thermodynamisch bestimmten Gleichgewichtsumsatz.The experimental setup described in Example 2 was extended by a second heatable catalytic reactor. The first reactor was adjusted to a catalyst temperature of 360 ° C. and passed through 200 ml / min of a gas mixture consisting of 80% by volume of HCl and 20% by volume of O 2 (stoichiometric reaction mixture of the Deacon reaction). At the outlet of the first reactor was a condensate trap in which the water of reaction condensing out was collected. After the condensate separator, about 70% by volume of chlorine was measured in the gas stream. The chlorine concentration corresponds to an HCl conversion of about 85%. This value is close to the thermodynamically determined equilibrium conversion.
Das so erhaltene, auf ca. 500C abgekühlte Produktgas wurde mit 100 ml/min eines frischenThe resulting product cooled to about 50 0 C product gas was at 100 ml / min of a fresh
Sauerstoffstromes, der 6 Vol.-% Ozon enthielt, gemischt und über den zweiten Katalysereaktor bei einer Katalysatortemperatur von 500C geleitet. Das den zweiten Reaktor verlassende Produktgas wies eine Chlorkonzentration von rund 44 Vol.-% auf. Daneben konnten maßanalytisch nur noch Spuren an HCl (<1 Vol.-%) nachgewiesen werden. 1 Vol.-% an unumgesetzter HCl würde einer HCl-Restmenge von 1,1% bezogen auf die eingesetzte HCl -Menge entsprechen. Der HCl- Umsetzungsgrad am Ausgang der Reihenschaltung beider Reaktoren lag demzufolge über 98,9%. Im Produktgas konnte kein Ozon nachgewiesen werden. Der Ausnutzungsgrad des eingespeisten Ozons für die Oxidation des HCl betrug unter diesen Bedingungen >63%, entsprechend einer Reaktionsstöchiometrie von 3,8 Molen HCl pro Mol O3.Oxygen stream containing 6 vol .-% ozone, mixed and passed over the second catalytic reactor at a catalyst temperature of 50 0 C. The product gas leaving the second reactor had a chlorine concentration of about 44% by volume. In addition, could only measure Traces of HCl (<1 vol .-%) are detected. 1% by volume of unreacted HCl would correspond to a residual HCl content of 1.1%, based on the amount of HCl used. The degree of HCl conversion at the outlet of the series connection of both reactors was therefore more than 98.9%. No ozone could be detected in the product gas. The degree of utilization of the ozone fed in for the oxidation of the HCl was> 63% under these conditions, corresponding to a reaction stoichiometry of 3.8 moles of HCl per mole of O 3 .
Das Beispiel zeigt, dass HCl auch in Gegenwart eines großen Überschusses an Chlor heterogen katalytisch effizient mit Ozon oxidiert werden kann und auf diese Weise sehr hohe HCl- Gesamtumsetzungsgrade erreichbar sind. The example shows that HCl can be oxidized heterogeneously catalytically efficiently with ozone even in the presence of a large excess of chlorine and in this way very high overall HCl conversion levels can be achieved.

Claims

Patentansprflche Patentansprflche
1. Verfahren zur heterogen katalysierten Oxidation von Chlorwasserstoff mittels Sauerstoff enthaltender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch bestehend wenigstens aus Chlorwasserstoff, Sauerstoff, Ozon und ggf. weiteren Nebenbestandteilen erzeugt und über einen festen Katalysator geleitet 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, oxygen, ozone and optionally other secondary components is generated and passed over a solid catalyst.
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 bei der Reaktion mehr als ein Sauerstoffatom pro verbrauchtes Ozonmolekül für die HCl-Oxidation umgesetzt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the reaction more than one oxygen atom per consumed ozone molecule for the HCl oxidation is reacted.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionstemperatur der HCl-Oxidation mit Ozon in einem Bereich bis 2500C bevorzugt von 20 bis 2500C, bevorzugt 50 bis 1500C eingestellt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the reaction temperature of the HCl oxidation with ozone in a range up to 250 0 C preferably from 20 to 250 0 C, preferably 50 to 150 0 C is set.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die HCl- Oxidation bei erhöhtem Druck, insbesondere einem Druck von bis zu 25 bar, bevorzugt 5 bis 25 bar durchgeführt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the HCl oxidation at elevated pressure, in particular a pressure of up to 25 bar, preferably 5 to 25 bar is performed.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die HCl- Oxidation mit Ozon bei einer Ozon-Konzentration von 2 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 4 bis6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the HCl oxidation with ozone at an ozone concentration of 2 to 15 wt .-%, preferably 4 to
13 Gew.-% bezogen auf die Menge von Sauerstoff und Ozon durchgeführt wird.13 wt .-% based on the amount of oxygen and ozone is performed.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die HCl- Oxidation mit Ozon mit einer oder mehreren anderen HCl-Oxidationsreaktionen kombiniert und als weiter Stufe einer oder mehreren anderen HCl-Oxidationsreaktionen nachgeordnet durchgeführt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the HCl oxidation is combined with ozone with one or more other HCl oxidation reactions and performed downstream as a further stage of one or more other HCl oxidation reactions.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen HCl- Oxidationsreaktionen katalysierte Oxidationsreaktionen von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff enthaltenden Gasen sind.8. The method according to claim 7, characterized in that the other HCl oxidation reactions are catalysed oxidation reactions of hydrogen chloride with oxygen-containing gases.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Haupanteil der HCl-Oxidation insbesondere bis zu einem HCl-Umsatz von mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80% in einem anderen katalysierten Oxidationsprozess erreicht wird, dem die HCl-Oxidation mit Ozon nachgeschaltet ist. 9. The method according to any one of claims 7 or 8, characterized in that initially the main portion of the HCl oxidation, in particular up to a HCl conversion of at least 70%, preferably at least 80% is achieved in another catalyzed oxidation process, the HCl oxidation is followed by ozone.
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