CN113441091A - 一种HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,包括以下步骤:1)使氯化氢、氧气与催化剂接触,生成工艺气流;2)工艺气流进入旋风分离器,粒径更小的催化剂细粉随工艺气流进入急冷喷淋系统进行二级气固分离;3)在急冷喷淋系统中对工艺气流进行喷淋洗涤,收集洗涤液;4)通过错流过滤器对洗涤液进行循环浓缩,过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用,浓缩液后处理后送至污泥处理厂。本发明可以将粒径很小的跑损催化剂从工艺气流中分离出去,避免粘附性较强的微小细粉堵塞换热器及装置管道,进而影响装置的稳定运行。另外,本发明中催化剂细粉的分离方式稳定,可以保证过滤器的长周期稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种跑损催化剂的处理方法,尤其涉及一种HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法。
背景技术
光气法生产异氰酸酯工艺中,经过羰基取代后,大部分氯原子以氯化氢的形式排出,大量副产氯化氢给企业带来较大的压力,直接制约异氰酸酯行业的发展。目前处理副产氯化氢较为常用的方式主要包括:吸收法制盐酸、酸碱中和、制造氯乙烯等产品、Deacon法HCl氧化生产氯气等。其中Deacon法HCl氧化工艺可以实现氯资源的循环利用,该方法符合资源循环的经济发展模式,对于促进涉氯产业的可持续发展以及保护环境至关重要;同时,Deacon法HCl氧化工艺具有无其他副反应、工艺流程简单、高效率等诸多优点。在常规的使用氧气催化氧化HCl中,使用了广泛种类的不同的催化剂,例如基于钌,铬,铜等的催化剂。这样的催化剂描述例如在专利CN103987455A、GB676667A、CN101125297A、CN104549360A中均有记载,其中,铜基催化剂因制造成本相对较低,通过其催化HCl氧化成为氯气是资源循环利用最有潜力的绿色化工工艺。
HCl氧化催化剂耐磨损强度是其工业化应用的关键指标之一。现有的流化床催化剂在反应器内连续流化,催化剂颗粒之间、催化剂颗粒与器壁之间以及催化剂与工艺气之间都存在非常剧烈的摩擦,因此随着催化剂长时间的运行,催化剂会破碎成粒径为5-50μm的小颗粒以及更小细粉,这些小颗粒及更小细粉会随反应气进入下游管壳式换热器会造成其堵塞,使得装置不能稳定运行。现有的工艺采用陶瓷过滤器对催化剂细粉进行过滤,使用过程中存在如下技术问题:
(1)陶瓷过滤器筒体直径大,加工设备加工平整度和圆度难以保证,容易泄漏;
(2)工艺气流保温要求高,并且含HCl、Cl2和H2O等腐蚀性气氛,对过滤器腐蚀性较强,容易发生低温露点腐蚀;
(3)更小粒径的催化剂细粉粘附性强,陶瓷滤棒容易发生堵塞;
(4)陶瓷滤芯寿命仅2-3年,运行成本高;
(5)陶瓷滤芯反吹阀容易发生泄漏,使用维护成本高。
为避免上述问题,需采用有效措施对跑损催化剂小颗粒及更小细粉与工艺气进行分离,实现装置长周期稳定运转。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,如何解决因催化剂细粉堵塞管道而造成的装置运行不稳定的问题。
为了解决以上技术问题,本发明提出一种HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法。该方法不仅可以分离出5-100μm的催化剂小颗粒进行回用,而且可以将粒径更小的催化剂细粉从工艺气流中分离出去,避免粘附性较强的微小细粉堵塞换热器及装置管道,进而影响装置的稳定运行。另外,本发明中催化剂细粉的分离方式稳定,可以保证过滤器的长周期稳定运行。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,包括以下步骤:
1)使氯化氢、氧气与装填在流化床中的HCl氧化催化剂接触,生成包括氯气、未反应氯化氢及跑损催化剂的工艺气流;
2)使得到的工艺气流进入旋风分离器,进行一级气固分离,其中粒径为5-100μm的催化剂小颗粒被分离下来,而粒径<5μm的更小细粉随工艺气流进入急冷喷淋系统进行二级气固分离;
3)在急冷喷淋系统中,对进入的工艺气流进行喷淋洗涤,将更小细粉从工艺气中洗涤下来,收集洗涤液;
工艺气则进入后续盐酸吸收系统以及产品精制系统回收盐酸并纯化产品氯气,该部分工艺路线已是领域内公知的成熟工艺,在本发明中不再做进一步讨论与说明。
4)通过错流过滤器对洗涤液进行循环浓缩,过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用,浓缩液经中和、絮凝、压滤成型,送至污泥处理厂。
本发明设置两级气固分离工艺分别对催化剂小颗粒及粒径更小的催化剂细粉进行分离。第一级气固分离采用旋风分离器对催化剂小颗粒进行收集回用,但本领域公知其只能捕捉5-10μm以上的颗粒,由于催化剂在反应器内摩擦剧烈,会存在部分粒径较小的催化剂细粉(通常小于5μm,很多更小的可至nm级),这些细粉在旋风分离器中不能被分离下来而进入第二级气固分离工艺,即通过急冷喷淋结合错流过滤进行去除。
经过旋风分离器分离后催化剂细粉平均粒径较小并且粘附性强,若采用常规喷淋和过滤的方式,过滤前后压差上涨较快,很快就会堵塞膜过滤器,并且微小颗粒会进入膜孔道内导致再生困难,因此传统方法并不具备工业应用性。本发明采用急冷喷淋加错流过滤的方式可以有效解决上述问题,通过使洗涤液平行于过滤器的膜面流动,洗涤液流经膜面时产生的剪切力可以把膜面上滞留的颗粒带走,从而使污染层始终保持在一个较薄的水平,避免压差持续增长导致停机停产,从而显著提高工艺的整体运行周期。
在一项优选的实施方式中,流化床反应器内径为1.0-6.0m。
在一项优选的实施方式中,步骤1)中氧化反应条件为:反应温度300-500℃,反应压力0.1-1.0Mpag。
在一项优选的实施方式中,其特征在于,步骤1)中,HCl与O2的摩尔比为(1-8):1,优选(2-4):1;HCl质量空速100-800kmol/(100t催化剂·h),优选300-400kmol/(100t催化剂·h)。
在一项优选的实施方式中,所述HCl氧化催化剂为负载型催化剂,优选活性组分为Ru、Au、Ce、Cu、V、Be、Mg、Bi、Sb、Cr、Ce、K中的一种或多种,载体为TiO2、分子筛、氧化铝、活性炭中的一种或多种的催化剂。
在一项优选的实施方式中,所述旋风分离器为一个或多个串联,优选两个或三个串联;
优选地,经过旋风分离器分离出的催化剂小颗粒返回到HCl氧化流化床中回用。
在一项优选的实施方式中,所述急冷喷淋采用的设备为一个或多个相连的圆筒状喷淋塔,并采用喷头喷出喷淋液体对工艺气进行降温,实现工艺气中更小细粉的分离和降温。
在一项优选的实施方式中,所述急冷喷淋系统中操作压力为0.1-0.5Mpag,操作温度为100-150℃。
在一项优选的实施方式中,错流过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用时,调整喷淋液温度以控制喷淋后得到的洗涤液中氯化氢浓度不变;例如在洗涤液中氯化氢浓度有升高趋势时,通过适当降低喷淋液的温度以降低洗涤下来的酸,从而保持外排废酸中的HCl含量,保证废酸中和所需碱液消耗量不会增加,降低能耗。
在一项优选的实施方式中,所述错流过滤器中膜材质为碳化硅、陶瓷、氮化硅、氧化铝中的一种或多种。
在一项优选的实施方式中,所述错流过滤器采用多通道的非对称结构,各通道的过滤孔径沿清液流动方向从小渐大。
在一项优选的实施方式中,所述错流过滤器的过滤精度为10nm-100μm。
本发明优选采用上述非对称结构进行错流过滤,既可以通过最先接触的小孔径膜层拦截催化剂细粉,又可以通过具有渐大过滤孔径的膜层降低对过滤阻力的贡献,同时具有较大过滤孔径的膜层还可以作为支撑层提高过滤器的支撑强度,以保证设备稳定运行的同时提高催化剂细粉的过滤精度以及分离效率,从而实现本发明的目的。
在一项优选的实施方式中,错流过滤后浓缩液的具体处理方法为:
采用2-32wt%NaOH溶液将pH调节至6-9,优选7-8,然后加入PAM(聚丙烯酰胺)和PAC(聚合氯化铝)进行混凝和絮凝,其中,PAM和PAC的投加量分别优选2-5mg/L、7-13mg/L;絮凝沉降后的废水通过板框压滤机完成压滤,压滤压力为1.0-2.5Mpag,优选1.5-1.8Mpag。
本发明对HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,可以高分离效率的将工艺气流中5-50μm的催化剂小颗粒以及更小细粉分离出去,并且在分离更小细粉时可以保证过滤器压差的长时间稳定,保证反应装置和本发明处理系统的长周期稳定运行;此外,分离出的催化剂小颗粒可回用至氧化反应体系,而对更小细粉喷淋处理并错流过滤后得到的清液可以回流至喷淋塔中作为喷淋液使用,并通过温度控制调控喷淋后得到的洗涤液中酸浓度不变,降低中和外排废酸时的碱液消耗量。
说明书附图
图1为本发明的整体工艺流程图。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施例对本发明做进一步说明,本发明所述实施例只是作为对本发明的说明,不限制本发明的范围。
本发明实施例采用的流化床反应器材质为Ni201,直径4m,高度20m,内置二级旋风分离器,生产厂家江苏中圣压力容器有限公司。HCl物流来自于万华化学MDI、TDI装置,其中HCl含量为95-99mol%,CO含量1-5mol%。所述铜催化剂为参考公开专利CN104785271B实施例1中方法制备得到的铜基催化剂。
【实施例1】
如图1所示,按照以下步骤进行操作:
(1)将平均粒径60μm的铜催化剂(100t)装填至流化床反应器中;按照HCl400kmol/h,O2 100kmol/h进料,反应温度400℃、反应压力0.5Mpag条件下进行HCl氧化制Cl2的反应。得到的工艺气组成:H2O含量38mol%,Cl2含量38mol%,HCl含量19mol%,O2含量5mol%,HCl转化率80%。
(2)工艺气以气速21m/s进入旋风分离器,约500kg/h催化剂细粉被夹带进入二级旋风分离器。旋风分离器中催化剂细粉的分离效率为99%,剩余的5kg/h更小粒径的催化剂细粉随工艺气进入急冷喷淋塔。
(3)在0.2Mpag、120℃条件下对工艺气进行喷淋洗涤,收集洗涤液。
(4)错流过滤器参数:沿清液流动方向上的膜层过滤精度依次为10nm、5μm、20μm,膜层材质为SiC,各膜层过滤面积为10m2。使洗涤液通过该错流过滤器进行循环浓缩,循环流量为100m3/h,清液采出量9m3/h,浓缩液外排流量为1m3/h;其中,过滤前洗涤液中细粉含量499mg/L,过滤后循环浓缩液催化剂细粉含量为5000mg/L,清液中催化剂细粉含量1mg/L。
(5)过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用,浓缩液采用16wt%NaOH溶液将pH调节至8,然后加入PAM和PAC进行混凝和絮凝,其中废水中PAM和PAC投加量分别为3mg/L和10mg/L。絮凝沉降后的废水通过板框压滤机完成压滤成型,送至污泥处理厂,压滤压力为1.8Mpag。
初始跨跨膜压差为0.04Mpa,当错流过滤器压差上涨至0.4Mpa时,运行周期为20天。
【实施例2】
按照以下步骤进行操作:
(1)将平均粒径60μm的铜催化剂(100t)装填至流化床反应器中;按照HCl200kmol/h,O2 200kmol/h进料,反应温度400℃、反应压力0.5Mpag条件下进行HCl氧化制Cl2的反应。得到的工艺气组成:H2O含量24mol%,Cl2含量24mol%,HCl含量8mol%,O2含量44mol%,HCl转化率85%。
(2)工艺气以气速17.9m/s进入旋风分离器,约300kg/h催化剂细粉被夹带进入二级旋风分离器。旋风分离器中催化剂细粉的分离效率为97%,剩余的9kg/h更小粒径的催化剂细粉随工艺气进入急冷喷淋塔。
(3)在0.3Mpag、130℃条件下对工艺气进行喷淋洗涤,收集洗涤液。
(4)错流过滤器参数:沿清液流动方向上的膜层过滤精度依次为60nm、15μm、30μm,膜层材质为氮化硅,各膜层过滤面积为16m2。使洗涤液通过该错流过滤器进行循环浓缩,循环流量为120m3/h,清液采出量15m3/h,浓缩液外排流量为2m3/h;其中,过滤前洗涤液中细粉含量511mg/L,过滤后循环浓缩液催化剂细粉含量为4500mg/L,清液中催化剂细粉含量20mg/L。
(5)过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用,浓缩液采用10wt%NaOH溶液将pH调节至9,然后加入PAM和PAC进行混凝和絮凝,其中废水中PAM和PAC投加量分别为3mg/L和10mg/L。絮凝沉降后的废水通过板框压滤机完成压滤成型,送至污泥处理厂,压滤压力为1.6Mpag。
初始跨跨膜压差为0.04Mpa,当错流过滤器压差上涨至0.4Mpa时,运行周期为12天。
【实施例3】
按照以下步骤进行操作:
(1)将平均粒径60μm的铜催化剂(100t)装填至流化床反应器中;按照HCl100kmol/h,O2 33kmol/h进料,反应温度400℃、反应压力0.5Mpag条件下进行HCl氧化制Cl2的反应。得到的工艺气组成:H2O含量37mol%,Cl2含量37mol%,HCl含量15mol%,O2含量11mol%,HCl转化率83%。
(2)工艺气以气速5.6m/s进入旋风分离器,约100kg/h催化剂细粉被夹带进入二级旋风分离器。旋风分离器中催化剂细粉的分离效率为96%,剩余的4kg/h更小粒径的催化剂细粉随工艺气进入急冷喷淋塔。
(3)在0.4Mpag、138℃条件下对工艺气进行喷淋洗涤,收集洗涤液。
(4)错流过滤器参数:沿清液流动方向上的膜层过滤精度依次为20nm、0.8μm、30μm,膜层材质为氮化硅,各膜层过滤面积为20m2。使洗涤液通过该错流过滤器进行循环浓缩,循环流量为80m3/h,清液采出量18m3/h,浓缩液外排流量为1.5m3/h;其中,过滤前洗涤液中细粉含量191mg/L,过滤后循环浓缩液催化剂细粉含量为2667mg/L,清液中催化剂细粉含量15mg/L。
(5)过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用,浓缩液采用6wt%NaOH溶液将pH调节至8,然后加入PAM和PAC进行混凝和絮凝,其中废水中PAM和PAC投加量分别为3mg/L和10mg/L。絮凝沉降后的废水通过板框压滤机完成压滤成型,送至污泥处理厂,压滤压力为1.6Mpag。
初始跨跨膜压差为0.04Mpa,当错流过滤器压差上涨至0.4Mpa时,运行周期为15天。
【实施例4】
按照以下步骤进行操作:
(1)将平均粒径60μm的铜催化剂(100t)装填至流化床反应器中;按照HCl500kmol/h,O2 100kmol/h进料,反应温度400℃、反应压力0.5Mpag条件下进行HCl氧化制Cl2的反应。得到的工艺气组成:H2O含量23mol%,Cl2含量23mol%,HCl含量47mol%,O2含量7mol%,HCl转化率50%。
(2)工艺气以气速26.9m/s进入旋风分离器,约600kg/h催化剂细粉被夹带进入二级旋风分离器。旋风分离器中催化剂细粉的分离效率为99.5%,剩余的3kg/h更小粒径的催化剂细粉随工艺气进入急冷喷淋塔。
(3)在0.5Mpag、150℃条件下对工艺气进行喷淋洗涤,收集洗涤液。
(4)错流过滤器参数:沿清液流动方向上的膜层过滤精度依次为100nm、10μm、30μm,膜层材质为氧化铝,各膜层过滤面积为12m2。使洗涤液通过该错流过滤器进行循环浓缩,循环流量为150m3/h,清液采出量15m3/h,浓缩液外排流量为2m3/h;其中,过滤前洗涤液中细粉含量132mg/L,过滤后循环浓缩液催化剂细粉含量为1500mg/L,清液中催化剂细粉含量50mg/L。
(5)过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用,浓缩液采用2wt%NaOH溶液将pH调节至7,然后加入PAM和PAC进行混凝和絮凝,其中废水中PAM和PAC投加量分别为3mg/L和10mg/L。絮凝沉降后的废水通过板框压滤机完成压滤成型,送至污泥处理厂,压滤压力为1.4Mpag。
初始跨跨膜压差为0.04Mpa,当错流过滤器压差上涨至0.4Mpa时,运行周期为10天。
【实施例5】
按照以下步骤进行操作:
(1)将平均粒径60μm的铜催化剂(100t)装填至流化床反应器中;按照HCl500kmol/h,O2 100kmol/h进料,反应温度400℃、反应压力0.5Mpag条件下进行HCl氧化制Cl2的反应。得到的工艺气组成:H2O含量32mol%,Cl2含量32mol%,HCl含量14mol%,O2含量22mol%,HCl转化率82%。
(2)工艺气以气速25.9m/s进入旋风分离器,约550kg/h催化剂细粉被夹带进入二级旋风分离器。旋风分离器中催化剂细粉的分离效率为99%,剩余的5kg/h更小粒径的催化剂细粉随工艺气进入急冷喷淋塔。
(3)在0.3Mpag、130℃条件下对工艺气进行喷淋洗涤,收集洗涤液。
(4)错流过滤器参数:沿清液流动方向上的膜层过滤精度依次为50nm、1μm、50μm,膜层材质为陶瓷,各膜层过滤面积为20m2。使洗涤液通过该错流过滤器进行循环浓缩,循环流量为120m3/h,清液采出量20m3/h,浓缩液外排流量为5m3/h;其中,过滤前洗涤液中细粉含量205mg/L,过滤后循环浓缩液催化剂细粉含量为1100mg/L,清液中催化剂细粉含量18mg/L。
(5)过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用,浓缩液采用4wt%NaOH溶液将pH调节至6,然后加入PAM和PAC进行混凝和絮凝,其中废水中PAM和PAC投加量分别为3mg/L和10mg/L。絮凝沉降后的废水通过板框压滤机完成压滤成型,送至污泥处理厂,压滤压力为1.5Mpag。
初始跨跨膜压差为0.04Mpa,当错流过滤器压差上涨至0.4Mpa时,运行周期为10天。
【对比例1】
按照实施例5步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)中方法及进料量进行氧化反应并经二级旋风分离器分离出工艺气中99%的催化剂细粉,然后喷淋洗涤;区别在于:采用聚四氟乙烯膜滤芯的过滤器对洗涤液进行死端过滤,过滤面积10m2,过滤精度10μm,进液流量为5m3/h,过滤后浓缩液中催化剂细粉含量1000mg/L,清液中催化剂细粉含量10mg/L。初始跨跨膜压差为0.04Mpa,当过滤压差上涨至0.4Mpa时,运行周期为2.4h。
【对比例2】
按照实施例5步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)中方法及进料量进行氧化反应并经二级旋风分离器分离出工艺气中99%的催化剂细粉,然后喷淋洗涤;区别在于:错流过滤采用滤膜为单一孔径,孔径为10μm,膜层材质为陶瓷,各膜层过滤面积为20m2。使洗涤液通过该错流过滤器进行循环浓缩,循环流量为120m3/h,清液采出量20m3/h,浓缩液外排流量为5m3/h;其中,过滤前洗涤液中细粉含量150mg/L,过滤后循环浓缩液催化剂细粉含量为180mg/L,清液中催化剂细粉含量120mg/L。
另外,初始跨跨膜压差为0.02Mpa,当过滤压差上涨至0.4Mpa时,运行周期为2天。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域技术的普通技术人员,在不脱离本发明方法的前提下,还可以做出若干改进和补充,这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)使氯化氢、氧气与装填在流化床中的HCl氧化催化剂接触,生成包括氯气、未反应氯化氢及跑损催化剂的工艺气流;
2)使得到的工艺气流进入旋风分离器,进行一级气固分离,其中粒径为5-100μm的催化剂小颗粒被分离下来,而粒径<5μm的更小细粉随工艺气流进入急冷喷淋系统进行二级气固分离;
3)在急冷喷淋系统中,对进入的工艺气流进行喷淋洗涤,将更小细粉从工艺气中洗涤下来,收集洗涤液;
4)通过错流过滤器对洗涤液进行循环浓缩,过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用,浓缩液经中和、絮凝、压滤成型,送至污泥处理厂。
2.根据权利要求1所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,步骤1)中氧化反应条件为:反应温度300-500℃,反应压力0.1-1.0Mpag。
3.根据权利要求2所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,步骤1)中,HCl与O2的摩尔比为(1-8):1,优选(2-4):1;HCl质量空速100-800kmol/(100t催化剂·h),优选300-400kmol/(100t催化剂·h)。
4.根据权利要求3所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,所述HCl氧化催化剂为负载型催化剂,优选活性组分为Ru、Au、Ce、Cu、V、Be、Mg、Bi、Sb、Cr、Ce、K中的一种或多种,载体为TiO2、分子筛、氧化铝、活性炭中的一种或多种的催化剂。
5.根据权利要求1所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,所述旋风分离器为一个或多个串联;
优选地,经过旋风分离器分离出的催化剂小颗粒返回到HCl氧化流化床中回用。
6.根据权利要求1所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,所述急冷喷淋系统中操作压力为0.1-0.5Mpag,操作温度为100-150℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,错流过滤后的清液返回急冷喷淋系统作为喷淋液回用时,调整喷淋液温度以控制喷淋后得到的洗涤液中氯化氢浓度不变。
8.根据权利要求1-7任一项所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,所述错流过滤器采用多通道的非对称结构,各通道的过滤孔径沿清液流动方向从小渐大。
9.根据权利要求1-8任一项所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,所述错流过滤器的过滤精度为10nm-100μm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的HCl氧化流化床跑损催化剂的处理方法,其特征在于,错流过滤后浓缩液的具体处理方法为:
采用2-32wt%NaOH溶液将pH调节至6-9,优选7-8,然后加入PAM和PAC进行混凝和絮凝;絮凝沉降后的废水通过板框压滤机完成压滤,压滤压力为1.0-2.5Mpag,优选1.5-1.8Mpag。
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