Name: Kevin Keller, 2022-01
Unter dem sogenannten „Deacon-Verfahren“ versteht man in der Chemie die Herstellung von Chlor durch Oxidation von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff.
Da Chlor ein entscheidender Ausgangsstoff für viele Synthesen ist, dieser jedoch auf der Erde nicht elementar vorkommt, entwickelte der englische Chemiker Henry Deacon im Jahr 1868 ein Verfahren, das der Chlorherstellung dient und bis heute angewandt wird. Damit sorgte er zum einen dafür, dass ein wertvoller Stoff gewonnen werden kann, und zum anderen war es zu dieser Zeit aufgrund des Leblanc-Verfahrens zur Soda-Herstellung zu einem drastischen Anfall von Chlorwasserstoff in der Luft oder als Salzsäure im Abwasser gekommen, sodass durch Deacons Errungenschaft auch das Umweltproblem gelöst werden konnte.
Das klassische Deacon-Verfahren ist einstufig und stellt die Umsetzung von HCl-Gas mit Sauerstoff nach der Reaktionsgleichung im Folgenden dar:
Sauerstoff + Chlorwasserstoff ---> Wasser + Chlor
O2 + HCl ---> H2O + Cl2 (450°C Katalysator)
Umgesetzt wird die Reaktion bei Temperaturen von ca. 400-450°C. Es handelt sich um eine exotherme Reaktion mit einer Reaktionsenthalpie von -114,8 kJ/mol. Jedoch verläuft die Umsetzung nicht vollständig, da es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt. Hierbei gilt, je höher die Temperatur ist, desto geringer ist der Gleichgewichtsumsatz, wobei dieser zwischen 0 und 150°C kaum fällt und ab 350°C äußerst drastisch sinkt. Insofern wären zur Erzielung eines hohen Umsatzes an Chlorwasserstoff niedrigere Temperaturen sinnvoller, allerdings wäre in diesem Fall die Reaktionsgeschwindigkeit so gering, dass sich der Prozess nicht lohnen würde. Deshalb wird stattdessen auf eine Druckerhöhung und Erhöhung des Sauerstoff-Überschusses gesetzt, um den Gleichgewichtsumsatz an Chlorwasserstoff zu erhöhen, obgleich dadurch noch immer kein vollständiger Umsatz erreicht wird.
Die einstufige Reaktion kann jedoch auch in zwei Teilstufen getrennt werden. Dabei wird zunächst Kupfer(II)-oxid mit Chlorwasserstoff zu Kupfer(II)-chlorid umgesetzt, welches daraufhin zu Chlor und Kuper(II)-oxid oxidiert wird.
CuO + 2HCl ---> CuCl2 + H2O
CuCl2 + O2 ---> 2CuO+ 2Cl2
Auch wenn das Verfahren in der Theorie einfach erscheint, so ist die reale technische Umsetzung mit sehr vielen Problemen behaftet, die dafür sorgen, dass bis heute Chlor nicht großtechnisch hergestellt wird. Die Hauptprobleme sind die beiden Folgenden:
– Korrosion, das heißt, die Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung, welche eine Veränderung an dem Werkstoff bewirkt. Dies passiert im Falle des Deacon-Verfahrens besonders beim Abkühlen der aus dem Reaktor austretenden Gasgemische an metallischen Oberflächen.
– Es kommt zur Verklebung des Katalysators auf Basis Kupfer, da dieser im Verlauf der Reaktion auch zu CuO und CuCl umgewandelt werden kann bzw. mit diesen Verbindungen im Gleichgewicht steht. CuCl hat einen niedrigen Schmelzpunkt von nur ca. 430°C und sublimiert leicht, woraus genannte Verklebung resultieren kann.
In der Realität wird daher häufig die Reaktion in zwei Teilstufen (siehe oben) und damit auch in zwei unterschiedlichen Reaktoren durchgeführt, sodass die Temperaturen für die Einzelreaktionen jeweils getrennt gewählt werden können. Überdies handelt es sich bei der zweistufigen Reaktion nicht mehr um eine Gleichgewichtsreaktion. Damit fällt das Problem der Korrosion und der Gastrennung weg. Nichtsdestotrotz ist auch diese Variante mit Schwierigkeiten verbunden, da der Katalysator von einem Reaktor in den anderen und wieder zurück in den vorigen transportiert werden muss und sich dieser Prozess als alles andere als einfach erweist. Überdies ist es unmöglich, die Reaktionen gänzlich voneinander zu trennen. Die Probleme bleiben also, nur in schwächerer Form.
Aufgrund der oben genannte Schwierigkeiten werden bis heute Forschungen zur Optimierung des Deacon-Verfahrens gemacht, sodass es verschiedene Unterverfahren gibt, zu denen das MT-Chlor-Verfahren, das KEL-Chor-Verfahren, das Sumitomo-Chlor-Verfahren und das Shell-Chlor-Verfahren zählen, bei denen jeweils entweder das Katalysatorensystem verbessert oder die technische Realisierung überarbeitet wird. Es hat sich allerdings noch keines dieser Verfahren endgültig durchgesetzt, sodass weiterhin geforscht wird.