一种氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的装置及方法与流程

本发明涉及一种氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的装置及方法，属于氯碱工业尾氯催化脱氢技术领域。

背景技术：

氯碱工业的尾氯是以氯气为主要成分，包含氧气、氮气和氢气等混合气体，其中，氯气含量约为65-85%，氮气约为10-15%，氧气约为5-10%，氢气约为1.5～4%，氢气的爆炸极限为4%，氢气的存在成为尾氯处理中最大的安全隐患。传统的氯碱工业通常经过高温将氢气与氯气燃烧转化为盐酸来除去尾氯中的氢气，同时消耗掉尾氯。但是这种方法尾氯中的氯气未能广泛利用，工业效率较低。

利用催化剂脱除尾氯中的氢气，可以有效的降低尾氯中氢气的含量，或彻底脱除。这样可以液化得到纯氯气，提高了经济效益，同时解决了尾氯含氢的安全问题。专利CN104310310A中提出在双流化床反应器中，通过低温催化氧氢反应和氯氢反应的方法处理尾氯，以Cu，Ag，Pd，Pt，Au 金属中的一种或多种作催化剂，活性炭、三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅中的任意一种作为载体，尾氯进入流化床反应器经催化反应脱氢，失活的催化剂进入还原流化床进行还原再生。

现有文献报道的尾氯脱氢方案中，催化剂必须经过还原以后才能重复使用，这就使得工序复杂，操作费用较高。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的装置和方法，通过在低温下催化氧氢反应和氯氢反应的方法处理尾氯，催化剂为金属铁，选用易于装卸的流化床来完成脱氢工艺；尾氯进入反应流化床催化脱氢，催化脱氢过程中催化剂铁与氯气反应生成氯化铁，该方法既达到了催化脱氢的效果，也制备了工业产品氯化铁；这为氯碱工业尾气除氢提供了一种高效、经济、安全的方法。

本发明提供了一种氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的装置，包括脱氢反应装置和氯化铁制备装置，所述脱氢反应装置包括反应流化床、第一旋风分离器、尾氯加热器；氯化铁制备装置包括催化剂贮槽、氮气加热器、第二旋风分离器、沉降池；反应流化床顶部连接第一旋风分离器，底部设有尾氯入口，中部设有催化剂出口，催化剂出口连接催化剂贮槽；第一旋风分离器底部设有催化剂返回口，该返回口与反应流化床连接；催化剂贮槽顶部连接第二旋风分离器，催化剂贮槽中部设有出口，出口与沉降池连接。

上述装置中，反应流化床下部为进料段，进料段设有反应流化床进料气体分布隔板，进料段底部设有尾氯管道。所述催化剂贮槽下部有催化剂气体分布隔板。所述沉降池上部连接有进水管道，沉降池底部分别设有脱氢后尾氯管道和产品输出管道，侧面设有副产品输出管道。

本发明提供了一种氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的方法，采用上述装置，包括以下步骤：

（1）来自氯碱化工厂里液化阶段的尾氯经过尾氯加热器加热至90~150℃，进入反应流化床，铁催化剂催化氧氢反应和氯氢反应脱氢同时部分铁氯化，反应后气体进入第一旋风分离器后，除去催化剂固体，进入下一段脱水处理工序；

（2）反应流化床中生成的氯化铁进入催化剂贮槽，经过热氮气吹扫后进入沉降池，未溶解的固体氧化铁和铁沉降后进入另一工序；

（3）氯化铁溶液通入脱氢后的尾氯后，作为产品出售。

上述方法中，步骤（2）的具体操作流程为：反应流化床出料时打开出料阀门，生成的氯化铁进入催化剂贮槽，催化剂贮槽内达到容积1/3~2/3后，出料完毕，将出料阀门关闭；打开氮气阀门，通过热氮气吹扫催化剂，置换催化剂贮槽中的少量尾氯，吹扫结束后，打开催化剂贮槽上出料阀门输送氯化铁进入沉降池，关闭氮气阀门。

流化床反应器和催化剂贮槽均为气体输送进料，流化床反应器和催化剂贮槽之间的阀门的操作是防止两设备之间气体混合。

上述方法中，所述铁催化剂为铁粉、铁屑或多孔铁中的一种。

上述方法中，所述反应流化床采用低温催化反应，反应温度为90~150℃，催化剂在反应流化床中的停留时间为0.5~5小时。

上述方法中，所述催化剂在催化剂贮槽中的停留时间为0.5~3小时。

本发明采用反应流化床、催化剂贮槽和沉降池，反应流化床用于尾氯气体脱氢反应，催化剂贮槽为氯化铁暂存设备。催化剂由于脱氢反应的产物中有水和氯化氢，容易被氯化，因而催化剂失活快，需及时分离及补充。因而，脱氢反应装置和氯化铁制备装置使用气体输送均便于快速装卸催化剂。

尾氯脱氢及制备氯化铁的原理为尾氯中包含氯气、氮气，氧气和氢气等，在铁催化剂作用下，其中的氧气和氢气能够催化反应生成水，氯气与氢气也可催化反应生成氯化氢，达到脱除氢气的目的，同时铁催化剂也易与氯气和氧气反应。反应方程式如下：

氧氢反应 O2 + 2H2 →2H2O

氯氢反应 Cl2 + H2 →2HCl

氯化反应 3Cl2+2Fe→2FeCl3

氧化反应 3O2+4Fe→2Fe2O3

尾氯进气经加热后进反应流化床，进行反应后，经第一旋风分离器除去气体夹带的催化剂固体后去下一工艺，生成的氯化铁可在催化剂贮槽内经氮气吹扫后进入沉降池溶解，进入沉降池后的固体进入下一个工序。

本发明中，在装置中分别同时进行尾氯催化脱氢反应和制备氯化铁的过程，通过控制阀门和气速来控制催化剂进料及停留时间。

本发明的有益效果：

（1）脱氢反应温度低，为90-150℃；

（2）该发明既完成尾氯脱氢的工业目标，又能够制备出工业产品-氯化铁，提高了工业效益；

（3）尾氯脱氢后，解决了其利用的安全问题。

附图说明

图1为本发明工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的装置结构示意图。

图中标号为：1、尾氯加热器；2、反应流化床；3、第一旋风分离器；4、催化剂贮槽；5、第二旋风分离器；6、沉降池；7、反应流化床进料段气体分布隔板； 8、催化剂贮槽气体分布隔板； 9、氮气加热器。

A、催化剂原料；B、尾氯；C、氮气；D、脱氢后尾氯；E、含氮气混合气；F、沉降液（水）；G、副产品；H、氯化铁溶液；I、脱氢后尾氯。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

图1示出了本发明工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁装置图。结合图1说明本发明氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的装置的具体结构：

该装置由脱氢反应装置和氯化铁制备装置组成，脱氢反应装置包括尾氯加热器1，反应流化床2，第一旋风分离器3；氯化铁制备装置包括催化剂贮槽4，第二旋风分离器5和沉降池6，氮气加热器9；反应流化床2 底部设有尾氯入口，反应流化床2 顶部连接第一旋风分离器3，反应流化床2 中部一端设有催化剂入口，另一端设有催化剂出口，催化剂出口连接催化剂贮槽4；催化剂贮槽4底部设有氮气入口，顶部连接第二旋风分离器5，催化剂贮槽4中部设有催化剂出口，催化剂出口与沉降池6连接，沉降池6上部连接有进水管道，沉降池底部分别设有脱氢后尾氯管道和产品输出管道，侧面设有副产品输出管道。反应流化床2 下部设有反应流化床进料气体分布隔板7，催化剂贮槽4下部有气体分布隔板8。各个管路之间分别装有阀门控制管路的输送。

进一步提供上述氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的装置的应用，即氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的方法，包括以下步骤：

（1）来自化工厂里液化阶段的尾氯经过加热装置加热至90~150℃，进入反应流化床，金属铁催化剂催化氧氢反应和氯氢反应脱氢同时部分铁氯化，进入第一旋风分离器后，在第一旋风分离器内将气体中催化剂固体除去后，脱氢尾氯进行脱水处理后进入下一段工序，未失活的铁催化剂和已经被氯化的催化剂循环进入反应流化床。

（2）经过催化脱氢后已经完全被氯化的催化剂经过催化剂贮槽和沉降池后被完全分离、溶解成为氯化铁产品，分离中产生的副产品可作为其他的工业用途，获得更高的工业效益。

本发明中，反应流化床和催化剂贮槽均为气体输送进料，反应流化床和催化剂贮槽之间的阀门的操作是防止两设备之间气体混合。

反应流化床进料时打开进料阀门，当达到规定的催化剂量后关闭阀门，打开尾氯管道阀门，用尾氯进行气体输送催化剂送料，进料完毕关掉阀门。

反应达到一定时间后，打开反应流化床和催化剂贮槽之间的阀门，催化剂贮槽其它相关联的阀门均关闭，打开氮气阀门，通过热氮气吹扫，置换催化剂贮槽中的少量尾氯，吹扫结束后关闭氮气阀门。

打开催化剂贮槽和沉降池之间的阀门，将已经经过脱氢反应的铁催化剂输送到沉降池，过滤固体作为副产品出售，（或沉降液使用盐酸则铁催化剂会全部溶解，无固体副产品），滤液通入一定量脱氢后尾氯后为氯化铁溶液作为产品出售。

下面通过具体的实施过程说明本发明提供的方法：

实施例1：一种氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的方法

工业尾氯各组分分别为：H2，3.97% ；Cl2，72.85% ；O2，9.93% ；N2，13.25%。

以铁粉为催化剂。催化剂装填高度为0.35m，反应温度为110℃，表观操作气速Uf=0.3m/s。在该条件下对尾氯进行脱氢时，其氢气转化率能达到96.75%，氯化铁转化率25.22%，氯化铁的浓度为41%。催化剂在反应流化床中的停留时间为2.5h。催化剂在沉降池中的停留时间为2h。

实施例2：一种氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的方法

工业尾氯各组分分别为：H2，3.05% ；Cl2，72.36% ；O2，10.31% ；N2，14.25%。

以铁屑为催化剂。催化剂装填高度为0.45m，反应温度为120℃，表观操作气速Uf=0.35m/s。在该条件下对尾氯进行脱氢时，其氢气转化率能达到98.39%，氯化铁转化率22.57%，氯化铁溶液的浓度为42%。催化剂在反应流化床中的停留时间为3.5h。催化剂在沉降池中的停留时间为2.5h。

实施例3：一种氯碱工业尾氯催化脱氢及制备氯化铁的方法

工业尾氯各组分分别为：H2，3.97% ；Cl2，72.85% ；O2，9.93% ；N2，13.25%。

以多孔铁为催化剂。催化剂装填高度为0.45m，反应温度为105℃，表观操作气速Uf=0.35m/s。在该条件下对尾氯进行脱氢时，其氢气转化率能达到94.06%，氯化铁转化率，19.03%，氯化铁溶液的浓度为41%。催化剂在反应流化床中的停留时间为2.5h。催化剂在沉降池中的停留时间为2.5h。