[发明专利]氢-氧混合器-分布器

说明书

技术领域

本发明涉及过氧化氢的生产，且更特别地，本发明涉及过氧化氢的大规模生产。

背景技术

目前，大多数广泛实施的工业规模的生产过氧化氢的方法是在使用烷基蒽醌(alkylanthraquinone)作为工作材料的情况下使氢与氧产生间接反应。在第一催化氢化步骤中，溶解在包括有机溶剂(例如二-异丁基甲醇(di-isobutylcarbinol)和甲基萘)的工作溶液中的烷基蒽醌被转化成烷基蒽氢醌。在独立的自动氧化步骤中，该被还原的化合物被氧化从而再次产生烷基蒽醌并产生了过氧化氢。随后，通过水萃、精炼和浓缩操作实施分离，从而产生商用级产物。

总体上而言，这种间接形成H₂O₂的生产方案增加了复杂性且需要较高的安装成本和运行成本，在这种方案中，担载体介质被还原并随后被氧化。值得注意的一个缺点是：烷基蒽醌在用于分离过氧化氢产物的水萃介质中具有较高的溶解性。这加剧了工作溶液的损失并导致过氧化氢产物受到了有机物质的污染，当过氧化氢被浓缩至适于运输的水平时，该有机物质会与该过氧化物产生反应。第二个问题涉及水萃溶液在烷基蒽醌工作溶液中的溶解性。当湿工作溶液从水相中被分离出来从而再循环至间接氧化阶段时，处在有机溶液内的残余的水相“空穴(aqueous phase“pockets”)”提供了这样的区域，过氧化氢产物在该区域中会浓缩到变得有害的程度。第三个问题涉及当需要少量过氧化氢时，如何在不会导致水溶液物质流中出现有机污染的情况下，对有机化合物加以使用和回收。

与这种烷基蒽醌的方案相比，由气态氢供给物质流和气态氧供给物质流直接合成过氧化氢的方案要简单得多，也经济得多。尽管在US4,832,938 B1和其它参考文献中披露了这样的工艺，但这种商业化尝试导致出现了工业事故，这是由于这种工艺固有的爆炸危险性造成的。即，在常温常压下，氧-氢气态混合物中的氢的爆炸性浓度为4.7-93.9％，该百分比为体积百分比。可见，该范围是一个极宽的范围。

通过惰性气体如氮等对该气态混合物进行稀释几乎不会改变这两种气体基于无惰性气体的浓度下限，这一点也是已公知的。在正常的压力变化范围(0.1-20MPa)和温度变化范围(0-100℃)内，爆炸性范围已公知地几乎不会产生变化。此外，即使这些反应剂以在均质状态下处于易燃性范围以外的比例被置于一起，但在从纯组分建立起这种均质性的过程中仍不可避免地至少要暂时经过该易燃性范围。这些原因导致不易于降低与氢氧直接接触相关的爆炸风险。

在氢氧直接接触的领域中，已经做出了一些努力以便在液相中包含它们的反应。例如，US 5,925,588 B1披露了以下内容：使用具有被修饰的疏水性/亲水性担载体的催化剂以便提供水溶液液相下的最优性能。此外，US 6,042,804 B1披露了以下内容：将氢和氧的微气泡分散在包含催化剂的快速流动的酸性水溶液液体介质中。然而，遗憾的是：氢反应剂和氧反应剂仅略溶于这些参考文献所披露的水溶液反应溶剂中。

其它参考文献，即US 4,336,240 B1和US 4,347,231 B1，披露了两相反应体系，该体系具有溶解在有机相中的均质催化剂。正如这两个参考文献的前一个文献中所提到地，均质催化剂体系通常存在妨碍其商用化的缺点。不利的性质包括：反应条件下的催化剂稳定性较差、催化剂在反应介质中的溶解性有限、以及生产过氧化氢的反应率较低。此外，位于两相液体反应体系上方的包含气态H₂/O₂的环境保持了溶解在液相中的这些反应剂的平衡浓度。因此，位于反应液体上方的该气态气氛必须处在可燃性范围之外，因此大大限制了液相中的潜在反应剂摩尔比的范围。

目前存在两种类型的在水中制造过氧化氢的反应器。第一种是浆料反应器，在这种反应器中，气泡和催化剂被分散在流动的液相中。尽管这对于混合是有利的且提供了良好的传热和质量传递，但除了催化剂回收和再循环方法以外，该方法还需要大量昂贵的催化剂。第二反应器是滴流床反应器，在这种反应器中，气体和液体在催化剂的填充床上流过。滴流床反应器的主要缺点是：气体是连续相的且因此需要较小的通道尺寸，且因此需要较小的颗粒尺寸，才能防止氢和氧进入危险状态。

基于需要而提供一种制造大量过氧化氢的装置和工艺，同时不需要过多的化学物质而确保环境更安全的方法，且不会产生废产物物质流，将会是有用的。

发明内容