[发明专利]一种用于氯化氢制氯气的整体式催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种用于氯化氢制氯气的RuO₂(110)晶面占优的整体式催化剂的制备方法。

背景技术

氯气作为一种非常重要的化工产品和原料，广泛应用于冶金、造纸、纺织、医药和石油化工等行业。在大部分氯化反应中，氯取代反应占据主要的地位，每有一个氯原子取代一个氢原子，就有另一氯原子同氢原子结合生成氯化氢联产物，这造成氯原子的利用率较低(常低于50％)。工业上产生的氯化氢气体通常用水吸收法制成廉价的盐酸出售或用碱中和后排放，不但影响了氯产品生产的经济效益，而且造成严重的环境污染。如果能将生成的联产物氯化氢进一步转化为氯气，实现氯元素在工业体系中的循环利用和反应过程的零排放，不仅能解决氯化氢的污染问题，还能在一定程度上满足氯化工业过程中的氯气不断增长的需求，带来巨大的经济效益，符合当代资源循环型社会发展的总体要求。

氯化氢制氯气一般有电解法、直接氧化法和催化氧化法等方法。电解法投资高、能耗大，直接氧化法存在废液难处理、转化不完全等问题。催化氧化法是在催化剂的作用下，以氧气或空气作为氧化剂氧化HCl生成Cl₂的方法。其化学计量式可以表示为：

催化氧化法是一个放热的可逆过程，具有能耗低、操作简单等优点，是目前较易实现工业化的方法，因而一直得到广泛关注。

催化氧化法所用的催化剂主要有铜系催化剂、铬系催化剂和钌等贵金属催化剂，反应器则分固定床和流化床等类型。铜系催化剂，具有反应温度高(430-475℃)和催化剂易挥发流失等不足，其对应的反应器有两段式固定床和两段式流化床，虽然这类反应器能得到较高的转化率，但由于两段间操作压力和温度不同，因此对设备结构、催化剂强度和工艺操作等要求较高，造成该工艺投资较高。铬系催化剂具有活性较好、稳定性较高、价格低廉等优点，但该类催化剂毒性较强，加工、储运、装卸时会对人身和环境造成污染等。钌系催化剂催化氧化法工艺最早由日本住友化学公司开发，以负载在金红石型TiO₂上的二氧化钌RuO₂为催化剂。这种催化剂具有高效、稳定等优点，而且反应温度低，过程能耗仅有电解工艺能耗的15％，反应器主要以固定床为主，结构简单，与其它工艺相比具有明显的优势。但该工艺仍有不足，例如催化剂活性还有待进一步提高、反应中催化剂会产生局部热点、原料对设备腐蚀严重等，这些不足大大限制了其工业化应用。因此，寻求催化活性高、稳定性好的催化剂和与之相适宜的反应器形式是目前氯化氢催化氧化制氯气亟待解决的问题。

研究表明氯化氢在RuO₂表面催化氧化是结构敏感型反应，HCl在RuO₂晶体的(110)晶面有更高的催化反应活性，其机理是由于RuO₂(110)晶面含有不饱和Ru和键桥O原子，氯化氢和(或)氧气优先吸附在不饱和Ru原子周围，然后氯化氢中氯原子取代键桥氧，最后RuO₂晶体上的二个相邻氯原子结合成氯气溢出。但是关于如何制备(110)晶面占优的纳米RuO₂，如何将这种纳米精细结构的催化材料宏观固载并用于实际的工艺过程尚未见论文或专利报道。

整体式催化剂将催化剂的活性组份、结构载体和反应器三者集成，单位体积床层的几何表面积大，具有传质、传热效率高、床层压降低、催化效率高等优点，有利于反应物在催化剂表面的吸附和生成物的脱附释放，强化化学反应过程，而且反应器易于组装、维护和拆卸，在炼油、石油化工、精细化工等较多涉及多相催化反应等领域呈现出良好的应用潜力，被认为是当今多相催化领域中最具前景的发展方向之一。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种用于氯化氢氧化制氯气整体式催化剂。该催化剂很好地解决了目前催化剂活性不高、反应器有局部热点等钌系催化剂在氯化氢催化氧化反应中存在的问题。

本发明的另一个目的还在于提供上述整体式催化剂的制备方法。

一种用于氯化氢制氯气的整体式催化剂，该催化剂表示为RuO₂(110)/载体/FeCrAl或RuO₂(110)/载体/堇青石，由FeCrAl合金或堇青石、负载在FeCrAl或堇青石上的载体以及负载在载体上的活性组分RuO₂(110)组成，其中，活性组份RuO₂(110)占整个催化剂的1～1.3wt％，载体占整个催化剂的7～12wt％。