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Abstract

本发明涉及按照蒽醌工艺生产过氧化氢的方法,该方法包括在加工溶液中交替进行蒽醌及四氢蒽醌的加氢和氧化的步骤,所述加工溶液含有溶于至少一种有机溶剂中的烷基取代的蒽醌与烷基取代的四氢蒽醌的混合物,其中,10～55摩尔%的蒽醌和四氢蒽醌被一个戊基取代,并且烷基取代的四氢蒽醌与烷基取代的蒽醌的摩尔比为至少1∶1。本发明还涉及在所述方法中用作加工溶液的组合物。

Description

化学方法及组合物
本发明涉及按照蒽醌工艺生产过氧化氢的方法，其中加工溶液含有蒽醌与四氢蒽醌的某种混合物。本发明还涉及在过氧化氢生产中用作加工溶液的这种蒽醌溶液。
生产过氧化氢的最常用的方法是蒽醌工艺。在该工艺中，溶于合适的有机溶剂混合物中的取代蒽醌和/或四氢蒽醌(所谓的加工溶液)进行加氢反应以形成相应的氢醌。然后用氧气(通常是空气)将氢醌氧化回醌，同时生成过氧化氢，然后可以用水萃取该过氧化氢，而醌则与加工溶液一起返至加氢步骤。
蒽醌工艺在文献中有深入描述，例如，Kirk-Othmer的“化学技术大全”，第四版，1993年第13卷，961-995页。
在蒽醌工艺中，加氢是最关键的步骤。特别是在最大限度减少不希望的副反应中蒽醌及四氢蒽醌的损失方面，以及使加工溶液中的氢醌达到高浓度方面都存在问题。已经发现，加工溶液的组成对解决这些问题非常重要。
WO 95/28350公开了用加工溶液生产过氧化氢，该加工溶液主要由有机溶剂中的四氢乙基-和四氢戊基蒽醌组成。
WO 98/28225公开了用加工溶液生产过氧化氢，该加工溶液由有机溶剂中的乙基-和戊基蒽醌组成。
现已发现，提供一种具有高溶解度从而能够实现氢醌高浓度的加工溶液是可能的，该加工溶液对加氢步骤中的副反应也是高度稳定的。
因此，本发明涉及按照蒽醌工艺生产过氧化氢的方法，该方法包括在加工溶液中交替进行蒽醌及四氢蒽醌的加氢和氧化的步骤。准备进行加氢的加工溶液含有溶于至少一种有机溶剂中的烷基取代的蒽醌与烷基取代的四氢蒽醌的混合物，其中，10～55摩尔％、优选20～50摩尔％的蒽醌和四氢蒽醌被一个戊基取代，烷基取代的四氢蒽醌与烷基取代的蒽醌的摩尔比为至少1∶1，优选约2∶1～约50∶1，最优选约3∶1～约20∶1。在某些情况下，以仅不超过约9∶1的摩尔比操作可能是合适的，但使用几乎不含烷基取代的蒽醌的加工溶液也是可能的。
戊基取代的蒽醌和戊基取代的四氢蒽醌适当地主要由2-叔戊基-和/或2-异仲戊基取代的蒽醌及四氢蒽醌，优选其混合物组成。优选地，45～90摩尔％，最优选55～80摩尔％的蒽醌和四氢蒽醌被一个或几个其它烷基取代，最优选总共具有1-4个碳原子的烷基，特别优选被一个乙基取代。最优选的是，烷基取代的蒽醌和四氢蒽醌是单取代的，优选在2-位。
戊基取代的蒽醌和戊基取代的四氢蒽醌在加工溶液中的应用，意指在加氢步骤中形成相应的氢醌。因为戊基取代的氢醌比其它烷基取代的氢醌具有明显更高的溶解度，所以，以高加氢度操作而不会冒氢醌在加工溶液中沉淀出来的风险是可能的(甚至在相对低浓度的戊基取代醌的条件下)。但是，只有当四氢蒽醌量足够高时，才能达到高加氢度。而且，在低浓度四氢蒽醌条件下，活性醌向降解产物的损失增加。不希望有的沉淀现象也可能会发生。
如果戊基取代的蒽醌和戊基取代的四氢蒽醌的量太高，加工溶液的密度就会变得太高，以致于在氧化步骤后难以用水萃取过氧化氢。已发现，当总醌量中戊基取代醌的摩尔分数保持得低时，密度较低。在20℃测定，优选加工溶液的密度为约910～约980kg/m3，最优选约930～约970kg/m3。而且，与乙基取代的蒽醌相比，戊基取代的蒽醌生产起来也更复杂，这使其成为加工溶液中一种较昂贵的成分。
在成熟的加工溶液(至少六个月中用于生产过氧化氢的加工溶液)中，烷基取代的四氢蒽醌与烷基取代的蒽醌的摩尔比，对不同烷基取代的蒽醌而言，适当地在同一数量级。对于各种烷基而言，摩尔比的差异优选小于约2.5倍，最优选小于约1.7倍。
烷基取代的四氢蒽醌通常主要由β-四氢蒽醌组成，但是也可以存在一些α-四氢蒽醌。
除了直接或间接加氢为氢醌之外，也发生许多次级反应。例如，蒽氢醌可以进一步反应成为四氢蒽氢醌，氧化步骤中该四氢蒽氢醌转化成四氢蒽醌，因而加工溶液中四氢蒽醌的含量会增加。这意味着，当启动本发明的工艺时，初始加工溶液可以不含或仅含有少量四氢蒽醌，因为它在操作过程中会自动形成。蒽醌和四氢蒽醌一达到所需浓度，然后通常就对至少一部分加工溶液进行处理，使四氢蒽醌发生脱氢反应，又回到蒽醌。
也直接或间接形成不希望有的副产物，例如环氧化物、八氢蒽醌、蒽酚酮、蒽酮和联蒽酮。这些化合物中的一些，象环氧化物，可以转化回蒽醌，而其它，象联蒽酮，则构成活性加工溶液的不可逆的损失。已发现，如果四氢蒽醌与蒽醌的摩尔比保持在上面指定的范围，就可以最大限度减少不希望有的副产物的生成。
优选的是，准备进行加氢的加工溶液基本上不含未取代的蒽醌和四氢蒽醌，因为已发现，这些化合物的溶解性差，而且容易形成八氢蒽氢醌，而八氢蒽氢醌不易氧化形成过氧化氢。尤其优选的是，准备进行加氢的加工溶液基本上由在至少一种有机溶剂中的烷基取代的，最优选戊基-和乙基取代的蒽醌及四氢蒽醌的混合物组成，并且优选含有少于约100kg/m3，最优选少于约50kg/m2的其它化合物，如环氧化物和来自蒽醌和/或溶剂的其它降解产物，这些物质中的一些甚至不容易确认。
至少一种有机溶剂优选为一种或多种醌的溶剂与一种或多种、最优选至少两种氢醌的溶剂的混合物。合适的醌的溶剂可包括芳族、脂族或脂环族烃类，例如苯、烷基化或多烷基化苯(如叔丁基苯或三甲基苯)、烷基化甲苯或烷基化萘(如叔丁基甲苯或甲基萘)。合适的氢醌的溶剂可包括磷酸烷基酯(如磷酸三辛酯)、膦酸烷基酯、烷基环己醇酯、N,N-二烷基碳酰胺、四烷基脲(如四丁基脲)、N-烷基-2-吡咯烷酮和高沸点醇，优选有8-9个碳原子(如二异丁基甲醇)。最优选的氢醌的溶剂选自磷酸烷基酯、四烷基脲、环状脲衍生物和烷基取代的己内酰胺。尤其优选的氢醌的溶剂描述于US P 4800073和4800074中，包括烷基取代的己内酰胺(如辛基己内酰胺)和环状脲衍生物(如N,N′-二烷基取代的亚烷基脲)。
加氢步骤通常按下述进行：在温度为约0～约100℃，优选约40～约75℃，绝对压力为约100～约1500kPa，优选约200～约600kPa，在催化剂存在条件下，使加工溶液与氢气接触。氢化度(以摩尔氢醌/立方米加工溶液表示)适当地为约350～约800，优选约400～约650。
活性催化剂可以是，例如，选自镍、钯、铂、铑、钌、金、银或其混合物中的任一种金属。优选的金属为钯、铂和金，其中尤其优选含至少50wt％钯的钯或混合物。活性催化剂可以是游离形式，例如，悬浮在加工溶液中，或沉积在固体载体(如以淤浆或固定床形式使用的颗粒)上的钯黑。但是，尤其优选使用整块载体上的活性金属形式的催化剂，例如，US P 4552748和5063043中描述的催化剂。优选的载体材料选自二氧化硅或氧化铝。
在加氢步之前或之后，在一步或几步中优选对至少一部分加工溶液进行再生以除去水，从而保持所需比率的四氢蒽醌/蒽醌，使来自加氢或氧化的一部分不希望有的副产物转化回去成为活性组分，并且除去其它不希望有的副产物。再生可包括：过滤、蒸发水以及用基于氧化铝的多孔吸附剂和催化剂处理。
在生产过氧化氢的整个工艺中的其它步骤，例如用氧气或空气氧化以及用水萃取，可以按文献中描述的常规方式进行。
本发明进一步涉及在用蒽醌工艺生产过氧化氢的过程中用作加工溶液的组合物。该组合物包含溶于至少一种有机溶剂中的烷基取代的蒽醌与烷基取代的四氢蒽醌的混合物，其中，10～55摩尔％，优选20～50摩尔％的蒽醌和四氢蒽醌被一个戊基取代，烷基取代的四氢蒽醌与烷基取代的蒽醌的摩尔比为至少1∶1，优选约2∶1～约50∶1，最优选约3∶1～约20∶1。关于该组合物的非必需的以及优选的特征，参考上面对本方法的描述。
现在，结合下述实施例对本发明进行进一步描述，但是，这些实施例不应认为是限制本发明的范围。
实施例1：用同一溶剂混合物(22％四丁基脲、3％磷酸三辛酯，75％三甲基苯；以体积计)溶解乙基蒽醌和β-四氢乙基蒽醌，制备了三种不同的加工溶液1A、1B和1C。在台式反应器中对每种溶液进行加氢，该台式反应器装有负载于二氧化硅载体上的钯固定床催化剂。将2.5升加工溶液保存在反应器中，并在30℃下在反应器中进行循环。在420kPa(绝对压力)使大大过量的氢通过反应器，直到基本上所有的醌都氢化成为氢醌为止。结果如下表所示：
                  加工溶液试样
    1A     1B     1C
乙基蒽醌的含量(kg/m3)     77     0     25
四氢乙基蒽醌含量(kg/m3)     0     77     52
摩尔比(四)∶(非四)     0∶1     1∶0     2∶1
沉淀时间(小时)     35    无沉淀    无沉淀
沉淀时的氢醌含量(mol/m3)     300      -     -
结论为，对乙基蒽醌而言，与其四氢形式及二者混合物相比，氢化醌的沉淀发生在更低浓度。
实施例2：用25％的四丁基脲与75％的三甲基苯(以体积计)的溶剂混合物溶解乙基蒽醌和β-四氢乙基蒽醌，制备了两种不同的加工溶液2A和2B。在实验室反应器中对每种溶液进行加氢，该反应器装有负载于二氧化硅载体上的钯淤浆催化剂。将50ml加工溶液保存在反应器中，并在50℃在反应器中进行循环。在250kPa(绝对压力)向反应器供氢。在不到一小时内，基本上所有的醌都氢化成为氢醌。继续加氢72小时。用气相色谱分析确定组成，结果示于下表中：
加工溶液试样
2A 2B
乙基蒽醌的初始含量(mol/m3) 254 0
β-四氢乙基蒽醌的初始含量(mol/m3) 0 250
72小时后,乙基蒽醌及其四氢形式的含量(mol/m3) 210 242
结论为，在加氢期间，乙基蒽醌的降解与其四氢形式相比，容易得多。
实施例3：从蒽醌工艺收集在一年多中使用的成熟的加工溶液样品，因而该溶液也含有通常的降解产物。用该样品本身(样品3A)，并且也在另外加入一些醌之后，检测氢醌的沉淀。加入的醌为β-四氢乙基蒽醌(样品3B)、戊基蒽醌(样品3C)或β-四氢戊基蒽醌(样品3D)。通过用氢和钯催化剂在实验室反应器中进行加氢，制备了每种样品的几种浓度的氢醌。这些样品保存在低温下(约-10～+15℃)以形成沉淀。将加热至室温时沉淀才消失的样品作为最高浓度的氢醌。当样品用氧气氧化并用水萃取后，通过滴定生成的过氧化氢，测定氢醌浓度。原始的加工溶液样品主要含有β-形式的四氢乙基蒽醌，但也含有较小部分的α-形式。加入的醌中的戊基是基团2-叔戊基-和基团2-仲异戊基-(较少部分)。加工溶液的溶剂为四丁基脲与商品级混合芳烃(主要是C9和C10)的混合物。结果示于下表：
                 加工溶液样品
    3A     3B     3C     3D
乙基蒽醌含量(kg/m3)     66     65     65     64
四氢乙基蒽醌含量(kg/m3)     90     113     89     87
戊基蒽醌含量(kg/m3)     0     0     14     0
四氢戊基蒽醌含量(kg/m3)     0     0     0     36
无沉淀的总氢醌含量(mol/m3)     393     398     390     462
 20℃的液体密度(kg/m3)     947     955     952     958
戊基摩尔分数(％)     0     0     7     17
摩尔比(四)/(非-四)     1.3     1.7     1.1     1.8
结论为，适度加入四氢戊基蒽醌将使氢醌最大浓度提至更高水平，而不会有沉淀的危险。
实施例4：从蒽醌工艺收集使用了9个多月的成熟的加工溶液的两个样品，因而该溶液也含有通常的降解产物。使用四丁基脲(样品4A)或辛基己内酰胺(样品4B)与商品级混合芳烃(主要是C9和C10)的混合物作为溶剂。两个样品中也存在较小含量的磷酸三辛酯。通过蒸发以及加入更多的溶剂组分，使溶剂组成稍微改变，以得到合适量的溶剂，该溶剂含不超过约1/3溶剂体积的氢醌的溶剂(四丁基脲或辛基己内酰胺)，其余为醌的溶剂。用与实施例3相同的方法考查氢醌的沉淀。结果示于下表。
            加工溶液样品
    4A     4B
乙基蒽醌含量(kg/m3)     29     12
四氢乙基蒽醌含量(kg/m3)     107     117
戊基蒽醌含量(kg/m3)     16     10
四氢戊基蒽醌含量(kg/m3)     61     51
无沉淀的总氢醌含量(mol/m3)     645     620
液体密度(kg/m3)     965     970
戊基摩尔分数(％)     33     29
摩尔比(四)/(非-四)     3.7     7.7
结论为，甚至在较低浓度的戊基蒽醌和四氢戊基蒽醌的条件下，也可以达到很高氢化度，而不会有沉淀的危险。

Claims (10)

1．一种按照蒽醌工艺生产过氧化氢的方法，该方法包括在加工溶液中交替进行蒽醌和四氢蒽醌的加氢与氧化的步骤，其特征在于，待加氢的加工溶液含有溶于至少一种有机溶剂的烷基取代的蒽醌与烷基取代的四氢蒽醌的混合物，其中，10～55摩尔％的蒽醌和四氢蒽醌被一个戊基取代，烷基取代的四氢蒽醌与烷基取代的蒽醌的摩尔比为至少1∶1。
2．权利要求1的方法，其中烷基取代的四氢蒽醌与烷基取代的蒽醌的摩尔比为约2∶1～约50∶1。
3．权利要求1-2中任一项的方法，其中，45-90摩尔％的蒽醌和四氢蒽醌被一个乙基取代。
4．权利要求1-3中任一项的方法，其中，55-80摩尔％的蒽醌和四氢蒽醌被一个乙基取代。
5．权利要求1-4中任一项的方法，其中，待加氢的加工溶液基本上不含未取代的蒽醌和四氢蒽醌。
6．权利要求1-5中任一项的方法，其中，至少一种有机溶剂包含一种或多种醌的溶剂和一种或多种氢醌的溶剂，选自磷酸烷基酯、四烷基脲、环状脲衍生物和烷基取代的己内酰胺。
7．权利要求1-6中任一项的方法，其中，加氢步骤进行至350～800摩尔氢醌/立方米加工溶液的程度。
8．一种含有溶于至少一种有机溶剂中的烷基取代的蒽醌与烷基取代的四氢蒽醌的混合物的组合物，其特征在于，10-55摩尔％的蒽醌和四氢蒽醌被一个戊基取代，并且烷基取代的四氢蒽醌与烷基取代的蒽醌的摩尔比为至少1∶1。
9．权利要求8的组合物，其中，组合物基本上不含未取代的蒽醌和四氢蒽醌。
10．权利要求8-9中任一项的组合物，其中，组合物含有55～80摩尔％的被一个乙基取代的蒽醌和四氢蒽醌。
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