[发明专利]一种制备氯气的方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氯气的方法以及实现该方法所用的系统。

背景技术

HCl气体可以直接利用或转化成Cl₂，这个问题早在路布兰法制碱时代就已经工业化，形成了著名的威尔顿法与迪康法，当时只为制取漂白粉，在近代Cl₂已成为一种非常有用的化工原料，工业需求量很大，形成了庞大的氯碱工业。其中有一半以上的氯用于制造有机化工产品，如含氯溶剂、冷冻剂、塑料及增塑剂、杀虫剂、染料以及许多中间体等。此外氯气还广泛用于含氯化合物的生产，冶金领域等。随着路布兰制碱法的消亡，由HCl制Cl₂的问题几乎被遗忘。但近年来由于环保工业的需要，重新受到人们的重视。对其工艺及设备进行再研究，以找到一条技术经济上更优的通过HCl制Cl₂的途径，提高HCl利用率，实现氯元素工业循环。目前已有很多成熟的制备氯气的方法，现将HCl制Cl₂的方法概述如下：

1.电解法

是较早发现的一种实验室制备氯气的方法，电解盐酸的反应方程式为

2HCl→H₂+Cl₂    (1)

该方法经济意义不大，近来仍有人从事这一课题研究，重要问题是电解液与电极材料对废氯化氢物料中杂质敏感。

2.无机氧化法

Welddon法，以MnO₂为氧化载体，反应方程式为：

MnO₂+4HCl→MnCl₂+Cl₂+H₂O               (2)

MnCl₂+Ca(OH)₂+1/2O₂→MnO₂+CaCl₂+H₂O    (3)

生成难以处理的CaCl₂，氯化氢的转化率不大于50％。

Kel-Chlor法，在硫酸介质中以NO₂和NOHSO₄为氧化剂，将HCl氧化为Cl₂。反应方程式为：

腐蚀与副反应是实现产业化最大的问题。

3.催化氧化法

Deacon法，1875年Deacon首先提出以多种惰性多孔物质为载体的Mn、Cu和Fe盐作为催化剂，用O₂氧化HCl的过程。他发现催化性能最好的是以沸石为载体的CuCl₂。其适宜的反应温度为430-475℃。反应方程式为：

2HCl+1/2O₂→Cl₂+H₂O    (5)

此反应是一个快速放热反应，在实际应用上存在以下工程问题：在此温度下，过程的平衡转化率较低，Cl₂的收率不高；因转化率不高，未反应的HCl与H₂O结合生成盐酸，导致设备腐蚀；在温度高于400℃时，由于CuCl₂的明显气化，导致催化剂迅速失活，催化效率不高。为此不少科研人员对此进行过改进，形成以下一系列方法。

Shell法，以5％Cu、5％Ni、3.1％K和86.9％SiO₂为催化剂，采用单一流化床，在350-365℃反应温度下，进行HCl催化氧化制Cl₂，HCl理论转化率为75％，由于存在腐蚀设备问题，所以该方法发展缓慢。

MT-Chlor法，以Cr₂O₃/SiO₂为催化剂，采用流化床反应器，氯化氢转化率为60-70％。主要问题是含铬催化剂造价高，对铁的存在很敏感，应用有一定的限制。

Benson法，美国南加州大学的Benson等人将Deacon过程分为两步：氯化步骤和氧化步骤。氯化氢和水不在同一股物流，防止了腐蚀，HCl的转化率接近100％，目前已经进行了中试，其反应方程式为：

CuO+HCl→CuCl₂+1/2Cl₂    (6)

CuCl₂+1/2O₂→CuO+Cl₂     (7)