[发明专利]用于有机化合物臭氧分解的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年7月7日提交的美国临时专利申请系列第61/505,162号的优先权。

发明背景

可用臭氧将烯烃氧化成醇、醛/酮或羧酸。在典型过程中，于-78℃下，在烯烃的甲醇溶液中鼓入臭氧。然后添加试剂将中间臭氧化物转化成羰基衍生物。相对于氧化性条件，更常使用的是还原性处理条件。使用三苯基膦，硫脲，锌粉或二甲基硫醚来制备醛或酮，而用硼氢化钠来制备醇。使用过氧化氢来制备羧酸。

还可通过臭氧氧化如苄醚的其它官能团。常用二氯甲烷作为1:1的助溶剂，以促进臭氧化物的及时解离。工业上，通过油酸的臭氧分解来制备壬二酸和壬酸。

臭氧分解炔烃一般得到酸酐或二酮产物，不像烯烃那样完全裂解。这些反应中，不需要还原剂。如果反应在有水的情况下进行，酸酐水解得到2种羧酸。

因为臭氧是一种不稳定气体，因此在现场使用臭氧发生器按需制备。臭氧发生器是安全的工业组件，高度可靠且使用寿命长。臭氧发生器通常用于饮用水、废水、纸浆漂白和游泳池水处理应用，以及精细化学臭氧分解和其它反应中。

臭氧发生器容器与壳式或管式热交换器类似。当来自清洁干燥空气、富氧空气或纯氧的氧气通过热交换器的水冷管时，产生臭氧。在管内部，有包含电极的电介质，该电极与电源相连接。当电流流经该电介质时，形成电晕放电（corona discharge）。流经电晕放电的双氧(O₂)分子被断开，释放出氧原子，该氧原子会快速的与可用氧气分子结合，形成臭氧(O₃)分子。在工业应用中，一般直接使用在不锈钢或玻璃发生器容器中生产的包含稀释臭氧的气流。

当使用空气作为臭氧发生器的原料气时，那么可获得的臭氧浓度最高为约5%(以体积计通常为约2.5%)，而当使用纯度大于90%的氧气时，可获得的臭氧浓度最高为约15%(以体积计通常为约10%)。一般来说，使用氧气而不是空气来产生臭氧是有经济效益的，因为可以进一步降低资金和电力成本，并抵销了需要使用氧气的成本，尽管事实上加到该臭氧发生器的氧气中，通常有90％流经该臭氧发生器却没有反应。

因为臭氧在常压和常温下具有有限的寿命，它是以匹配需要臭氧的工艺的即时需求的数量来按需制备的。

已提出了多种方法来增加氧气基臭氧发生应用中氧气的利用水平。在臭氧应用后，有多个回收工艺来回收氧气。氧气纯化工艺需要根据工业应用中产生的杂质来定制，且可相当昂贵、潜在的不安全。

其它方法包括根据与本文共同转让的美国专利No.6,916,359B2的其它氧气回收途径，其中使用变压吸附(PSA)单元来回收65-70%的未反应的氧气，且在臭氧应用之前，在选定的吸附剂上从臭氧－氧气混合物中吸附臭氧。回收未吸附的氧气，且随后通过清洁的干燥空气（CDA）或废气脱附进入消费臭氧的应用中。这个回收过程不依赖于臭氧应用的性质，易于设计和控制，且消除了氧气纯化和安全性相关的问题。

在与本文共同转让的美国专利No.7,766,995B2中,这种方法从废水应用进一步延伸到更普通的工业臭氧应用。

在许多工业应用如水处理和氮氧化物减排中，在臭氧流中存在过量的氧气不会导致明显的加工或安全性问题，并因此广泛使用氧气基臭氧发生，因为这会导致比空气基臭氧发生更低的成本。

但是，在有机物质的臭氧化中，需要仔细考虑用氧气基臭氧发生取代空气基臭氧发生的安全性含义。具体来说，可能在空气中不会燃烧的有机溶剂，在纯氧中会形成爆炸性混合物，特别是在有过量臭氧的情况下。甲醇在空气中就容易燃烧，更不用说在氧气中，它在空气中的闪点是54℃。在臭氧分解中，与甲烷一起使用的常见助溶剂二氯甲烷（亚甲基（二）氯），经常被误认为在空气中不会燃烧。虽然它在常温和常压下不会燃烧，但当温度大于约100℃时，它在空气中会形成爆炸性混合物，且它在纯氧中的闪点是-7.1℃。

在有机反应容器中，将氧气浓度降低到安全水平的标准方法是用大量的氮气冲洗顶空。这是相当昂贵的，且通过蒸发，导致损失大量的挥发性物质如溶剂。因此，需要一种固有安全的、用于将臭氧引入臭氧分解反应系统的方法，其中，可实现氧气基臭氧发生的成本优势，又不会在反应器的顶空引入升高水平的氧气。

发明内容

在本发明的第一个实施方式中，公开了一种用于产生臭氧的方法，该臭氧可用于有机化合物的臭氧分解中，所述方法包括以下步骤：

a)将液态氧加入热交换器，由此形成气态氧；

b)将气态氧加入臭氧发生器；

c)将臭氧和氧气的混合物加入臭氧分离单元；