DE2336288A1 - PROCESS FOR THE ELECTROCHEMICAL PRODUCTION OF OLEFINOXIDES - Google Patents

PROCESS FOR THE ELECTROCHEMICAL PRODUCTION OF OLEFINOXIDES

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DE2336288A1 DE19732336288 DE2336288A DE2336288A1 DE 2336288 A1 DE2336288 A1 DE 2336288A1 DE 19732336288 DE19732336288 DE 19732336288 DE 2336288 A DE2336288 A DE 2336288A DE 2336288 A1 DE2336288 A1 DE 2336288A1
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Description

BASf Aktiengoseil schaftBASf corporation

Unser Zeichen: O.Z. jjo OO3 Mu/Wil 67OO Ludwigshafen, 12. 7. 1973Our reference: O.Z. jjo OO3 Mu / Wil 67OO Ludwigshafen, July 12, 1973

Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von OlefinoxidenProcess for the electrochemical production of olefin oxides

Olefinoxide sind wichtige Zwischenprodukte für viele Zwecke. Besonders gilt dies für Propylenoxid, das in einer Menge von vielen Hunderttausend Tonnen jährlich für die Produktion von Polyurethanschäumen, ungesättigten Polyesterharzen und verschiedenen anderen Produkten wie Tensiden, Emulsionsbrechern, Glyzerin usw. verwendet wird.Olefin oxides are important intermediates for many purposes. Particularly this applies to propylene oxide, which is used in quantities of many hundreds of thousands of tons annually for the production of polyurethane foams, unsaturated polyester resins and various other products such as surfactants, emulsion breakers, glycerin, etc. are used will.

Die Bedeutung des Produkts spiegelt sich in der Vielzahl der Synthesevorschläge wieder. Hiervon haben allerdings bis heute nur zwei praktische Bedeutung als großtechnische Verfahren. Dies ist einmal der Chlorhydrinprozeß, bei dem Propylenchlorhydrin aus · Propylen und Chlor hergestellt und zu Propylenoxid verseift wird; das benötigte Chlor und die Natronlauge werden durch die Chloralkalielektrolyse erzeugt. Dies Verfahren hat den Nachteil, ein MehrStufenprozeß zu sein, als Abfallprodukt große Mengen an NaCl in einer Form zu liefern, die nicht oder kaum zurückgeführt werden kann und liefert stets etwa 10 % Dichlorpropan als Nebenprodukt, das schwer zu verwerten ist.The importance of the product is reflected in the large number of synthesis proposals. To date, however, only two of these have practical significance as large-scale technical processes. There is, on the one hand, the chlorohydrin process, in which propylene chlorohydrin is produced from propylene and chlorine and saponified to form propylene oxide; the required chlorine and caustic soda are generated by the chlor-alkali electrolysis. This process has the disadvantage of being a multistage process, of supplying large amounts of NaCl as a waste product in a form which cannot or can hardly be recycled and always supplies about 10% dichloropropane as a by-product which is difficult to utilize.

Das andere technische Verfahren ist das bzw. die sogenannten Cooxidationsverfahren; bei der Cooxidation von Olefinen mit i-Butan oder A'thylbenzol übertragen die intermediär entstehenden Hydroperoxide ein Sauerstoffatom selektiv auf das Olefin. Abgesehen von Ausbeuteproblemen tritt hier ein Zwangsanfall von Isobutylen bzw. Styrol auf und es bestehen ernsthafte Trennprobleme, da die Reaktionen sehr uneinheitlich verlaufen.The other technical process is the so-called co-oxidation process; in the co-oxidation of olefins with i-Butane or ethylbenzene transfer the intermediate hydroperoxides one oxygen atom selectively to the olefin. Apart from that of yield problems there is an inevitable accumulation of isobutylene or styrene and there are serious separation problems, because the reactions are very inconsistent.

Die bei der Epoxidierung von Äthylen sehr befriedigende Direktoxidation in der Gasphase an einem Silberkatalysator führt bei höheren Olefinen nur zu sehr geringen Ausbeuten.Direct oxidation, which is very satisfactory in the epoxidation of ethylene in the gas phase over a silver catalyst leads to only very low yields with higher olefins.

Abgesehen davon, daß das Chlorhydrinverfahren im Prinzip ein indirektes elektrochemisches Verfahren darstellt, existieren nun eine Reihe von direkten elektrochemischen Verfahren, die dieApart from the fact that the chlorohydrin process is in principle an indirect one As an electrochemical process, there are now a number of direct electrochemical processes that make up the

292/73 ■ 509808/1122 /2292/73 ■ 509808/1122 / 2

- Z - O.Z. 30 003- Z - OZ 30 003

Nachteile des Chlorhydrinprozesses vermeiden sollten. Man kann sie wie folgt einteilen:Should avoid disadvantages of the chlorohydrin process. They can be classified as follows:

I. Halogenhydrinverfahren: I. Halohydrin process:

a) In geteilten Zellen (z. B. beschrieben in der DT-ASa) In divided cells (e.g. described in the DT-AS

1 258 856, der PR-B - 1 375 973 oder bei A. P. Tomilow, M. Ja. Fioschin, Khim. Prom 1969, 413)1 258 856, the PR-B - 1 375 973 or from AP Tomilow, M. Yes. Fioschin, Khim. Prom 1969 , 413)

b) in ungeteilten Zellen, z. B. gemäß US-PS 3 394 059b) in undivided cells, e.g. B. U.S. Patent 3,394,059

II. Epoxidierung mit anodisch generiertem Sauerstoff: II. Epoxidation with anodically generated oxygen:

a) Direkt an der Anode, die aus Zn oder Ag besteht (vgl. DT-OS 1 906 182)a) Directly on the anode, which consists of Zn or Ag (see DT-OS 1 906 182)

b) indirekt über lösliche Komplexe, z. B. des Ag++, Tl+++, Co+++ usw.b) indirectly via soluble complexes, e.g. B. des Ag ++ , Tl +++ , Co +++ etc.

Während sich die Sauerstoffverfahren Ha und Hb in der Praxis nicht realisieren lassen konnten, wurden mit den elektrochemischen Halogenhydrinverfahren wesentlich günstigere Resultate erzielt. Sie beruhen alle auf demselben Prinzip, nämlich der anodischen Bildung von HOCl bzw. HOBr, deren Anlagerung an das Olefin unter Bildung des Halogenhydrine und dessen Verseifung durch kathodisch gebildetes Alkali. Bei den Verfahren in geteilten Zellen (la) sickert hierbei das Halogenhydrin mit dem Anolyten in den alkalischen Katholyten durch das poröse Diaphragma hindurch. Bei den Verfahren in ungeteilten Zellen erfolgt der Verseifungsschritt in der alkalischen Diffusionsschicht an der Kathode. Das Halogenhydrin muß hierbei aus der anodischen Diffusionsschicht heraus in die alkalische kathodische Diffusionsschicht hinein transportiert werden.While the oxygen processes Ha and Hb are in practice could not be realized, the electrochemical halohydrin process gave much more favorable results achieved. They are all based on the same principle, namely the anodic formation of HOCl or HOBr, their addition to the Olefin with the formation of the halohydrin and its saponification by cathodically formed alkali. In the proceedings in divided Cells (la) here seeps through the porous halohydrin with the anolyte in the alkaline catholyte Through the diaphragm. In the undivided cell processes, the saponification step takes place in the alkaline diffusion layer on the cathode. The halohydrin must here from the anodic diffusion layer can be transported out into the alkaline cathodic diffusion layer.

Während die Halogenhydrinverfahren in geteilten Zellen recht schwerfällig sind, eine komplizierte Zelle erfordern und - bei Propylen - unvermeidlich Dichlorpropan als Nebenprodukt in größeren Mengen erzeugen, sind die Verfahren in ungeteilten Zellen wesentlich attraktiver. Die Zellen sind konstruktiv ein-• fächer aufgebaut. Anstatt zweier Elektrolytkreisläufe hat man nur einen. Bei Verwendung von Alkalibromid als Elektrolyt kann die Bildung von Dihalogenverbindungen drastisch gesenkt werden.While the halohydrin processes in divided cells are quite cumbersome, require a complicated cell and - at Propylene - inevitable to produce dichloropropane as a by-product in larger quantities, the processes are in undivided Cells much more attractive. The cells are structurally simple. Instead of two electrolyte circuits, you have only one. If alkali bromide is used as the electrolyte, the formation of dihalogen compounds can be drastically reduced.

509808/1122509808/1122

- 3 - O.Z. 30 0OJ - 3 - OZ 30 0OJ

Allerdings liegt der Energiebedarf bei den bisher bekannten Verfahren bei 10 bis 25 kWh (Je kg Propylenoxid). Darüberhinaus sind die Raumzeitausbeuten bei allen bisher bekannten direkten elektrochemischen Halogenhydrinverfahren nicht groß genug.However, the energy requirement is with the previously known methods at 10 to 25 kWh (per kg of propylene oxide). In addition, are the space-time yields in all previously known direct electrochemical halohydrin processes are not large enough.

Es bestand daher dia Aufgabe, ein Verfahren zur direkten elektrochemischen Herstellung von Olefinoxiden über die nicht isolierte Zwischenstufe des Halogenhydrins in einer ungeteilten Zelle mit einem möglichst geringen Energiebedarf und einer hohen Raumzeitausbeute anzugeben.It was therefore the task of a method for direct electrochemical Production of olefin oxides via the non-isolated intermediate stage of the halohydrin in an undivided cell with indicate the lowest possible energy requirement and a high space-time yield.

Es wurde gefunden, daß ein solches Verfahren möglich ist, wenn man einen Elektrodenabstand in der ungeteilten Zelle von 0,05 bis 2 mm einhält. Wie die in Beispiel 1 zusammengestellten Ergebnisse zeigen, besteht nämlich ein Zusammenhang zwischen Elektrodenabstand und Stromausbeute an Olefinoxid und dem hauptsächlichen Nebenprodukt Dihalogenolefin in dem Sinn, daß mit abnehmendem Elektrodenabstand die Stromausbeute an Olefinoxid stetig ansteigt und schließlich Werte um 90 % erreicht, während gleichzeitig die Stromausbeute für das Dihalogenolefin stetig abfällt bis - bei Dibrompropan - auf weniger als 1 %. It has been found that such a method is possible if an electrode spacing in the undivided cell of 0.05 to 2 mm is maintained. As the results compiled in Example 1 show, there is a relationship between the electrode spacing and the current yield of olefin oxide and the main by-product dihalo-olefin in the sense that the current yield of olefin oxide increases steadily with decreasing electrode spacing and finally reaches values of around 90 % , while at the same time the current yield for the dihalo-olefin drops steadily until - in the case of dibromopropane - to less than 1 %.

Geeignete Elektrolysezellen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ungeteilt und an sich bekannt. Beispielsweise sind geeignete Konstruktionen in den DT-OS 1 8o4 809 und 2 039 590 beschrieben. Die Elektroden sind bipolar in Serie geschaltet und sind parallel angeordnete vertikale Platten in einer Trogzelle, vertikale Platten in speziellen Platten- und Rahmenzellen, oder vorzugsweise ein Stapel aus horizontal angeordneten kreisrunden Platten mit Innenausbohrung und radial angeordneten Abstandshaltern. Die zuletzt genannte Zelle wird vorzugsweise angewandt,· da bei ihr Dichtungsprobleme weitgehend entfallen und die erforderliche Planarität der Elektroden am leichtesten zu erreichen ist. Bevorzugt haben Zellen der genannten Art einen Elektrodenabstand zwischen 0,3 und 0,8 mm. t Suitable electrolysis cells for carrying out the method according to the invention are undivided and known per se. For example, suitable constructions are described in DT-OS 1 8o4 809 and 2 039 590. The electrodes are bipolar in series and are vertical plates arranged in parallel in a trough cell, vertical plates in special plate and frame cells, or preferably a stack of horizontally arranged circular plates with inner bores and radially arranged spacers. The last-mentioned cell is preferably used because it largely eliminates sealing problems and the required planarity of the electrodes is easiest to achieve. Cells of the type mentioned preferably have an electrode spacing between 0.3 and 0.8 mm. t

Der Elektrolyt besteht aus einem löslichen Chlorid oder Bromid, dessen Kation kathodisch nicht abscheidbar ist, vorzugsweise NaCl, KCl, NaBr und KBr. Die Verwendung von Bromiden hat gegen-The electrolyte consists of a soluble chloride or bromide, the cation of which cannot be deposited cathodically, preferably NaCl, KCl, NaBr and KBr. The use of bromides has

509808/1122 Λ509808/1122 Λ

4 - O.Z. 304 - O.Z. 30th

über den Chloriden den Vorteil, daß die Bildung der Dihalogenverbindung deutlich zurückgedrängt wird. Die Konzentration des Leitelektrolyten wird so klein als möglich gehalten, um die Bildung der Unterhalogensäure in der Nähe der Anode nachover the chlorides the advantage that the formation of the dihalogen compound is pushed back significantly. The concentration of the supporting electrolyte is kept as small as possible in order to achieve the Formation of the hypohalic acid in the vicinity of the anode

Br2 + H2O ^ H+ + Br" + HOBrBr 2 + H 2 O ^ H + + Br "+ HOBr

zu begünstigen. Bei Verwendung der oben erwähnten Kapillarspaltzellen werden trotz der kleinen Elektrolytkonzentrationen günstige Stromspannungsbedingungen eingestellt. Die Konzentration der Leitsalze (NaBr, NaCl) beträgt 0,01 bis 10 Gew.%, vorzugsweise 0,5 bis 4 Gew.^. Es besteht die Möglichkeit, die Leitfähigkeit durch Zugabe eines indifferenten Fremdelektrolyten wie NapSOi, oder NaClOh zu verbessern.to favor. When using the above-mentioned capillary gap cells, favorable current voltage conditions are set in spite of the small electrolyte concentrations. The concentration of the conductive salts (NaBr, NaCl) is 0.01 to 10% by weight , preferably 0.5 to 4% by weight. It is possible to improve the conductivity by adding an inert foreign electrolyte such as NapSOi or NaClOh.

Als Lösungsmittel wird Wasser verwendet. Die Zumischung von organischen Hilfslösungsmitteln wie Eisessig oder Dimethylformamid, die gegen Bromierung hinreichend resistent sind, ist gegebenenfalls zur Erhöhung der Löslichkeit des Olefins geeignet.Water is used as the solvent. The addition of organic auxiliary solvents such as glacial acetic acid or dimethylformamide, which are sufficiently resistant to bromination, is optionally suitable for increasing the solubility of the olefin.

Die Anode kann aus Graphit, graphitgefülltem Kunststoff, Magnetit, Platin oder anderen Platinmetallen oder den Oxiden der Platinmetalle bestehen. Die Metallelektroden werden vorzugsweise als Verbundelektroden ausgebildet. Eine dünne Folie aus Platinmetall wird z. B. auf eine Basis aus Graphit oder Titan mit Hilfe eines graphitgefüllten Schmelzklebers aufgebracht. Dünne Platinmetallschichten können auch auf geeignete Basismetalle mit galvanischen oder keramischen Methoden aufgebracht werden. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Anode für das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus einer Titan/TiOg/RuOg-Verbundelektrode, die nach bekannten keramischen Verfahren hergestellt worden ist (vgl. BE-PS 710 551 und DT-OS 1 8l4 567).The anode can be made of graphite, graphite-filled plastic, magnetite, platinum or other platinum metals or the oxides the platinum metals exist. The metal electrodes are preferably designed as composite electrodes. A thin film from platinum metal z. B. applied to a base made of graphite or titanium with the help of a graphite-filled hot melt adhesive. Thin platinum metal layers can also be applied to suitable base metals using galvanic or ceramic methods will. A preferred embodiment of an anode for the method according to the invention consists of a titanium / TiOg / RuOg composite electrode, which has been produced by known ceramic processes (cf. BE-PS 710 551 and DT-OS 1 814 567).

Als Kathode eignen sich neben Graphit Metalle wie Stahl, Chromnickelstahl, Kupfer, Eisen, Titan und Blei. Das Material der Kathode ist von untergeordneter Bedeutung für das Verfahren.In addition to graphite, metals such as steel, chrome-nickel steel, Copper, iron, titanium and lead. The material of the cathode is of minor importance for the process.

Die Stromdichte liegt im Bereich von 0,1 bis 100 A/dm , vorzugs-The current density is in the range from 0.1 to 100 A / dm, preferably

weise 1 bis 30 A/dm . Sie kann leicht an die Halogen!dkonzentration angepaßt werden. Überraschenderweise konnten selbst bei1 to 30 A / dm. You can easily adjust the halogen concentration be adjusted. Surprisingly, even at

509808/1122 /5509808/1122 / 5

- 5 - 0.7. 30 003- 5 - 0.7. 30 003

sehr kleinen Bromidkonzentrationen relativ hohe Stromdichten eingestellt werden (vgl. Beispiel 2).very low bromide concentrations, relatively high current densities can be set (cf. Example 2).

Die Temperatur für das erfindungsgemäße Verfahren hat einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf das Resultat und kann z. B. zwischen etwa 0 und 1000C, vorzugsweise 35 bis 500C, liegen.The temperature for the process according to the invention has a relatively small influence on the result and can, for. B. between about 0 and 100 0 C, preferably 35 to 50 0 C, lie.

Der pH-Wert im Elektrolyten ist unkritisch. Er kann auf mittlere Werte im Bereich von 3 bis 12, vorzugsweise 6 bis 10 eingestellt werden. Zur Regelung des pH-Wertes dient die Zugabe von Säuren wie HBr, HCl oder HgSOn oder von Basen wie NaOH. Extrem saure oder alkalische pH-Werte sind zu vermeiden, um die Verseifung des im Elektrolyten gelösten Olefinoxids zum Glykol hintanzuhalten. The pH value in the electrolyte is not critical. It can be set to mean values in the range from 3 to 12, preferably 6 to 10 will. Acids such as HBr, HCl or HgSOn or bases such as NaOH are added to regulate the pH value. Extremely acidic or alkaline pH values are to be avoided in order to prevent the saponification of the olefin oxide dissolved in the electrolyte to form the glycol.

Eine ausreichende Konvektion wird zweckmäßig durch Umpumpen des Elektrolyten eingestellt. Die über den Radius und den Elektrodenabstand gemittelte Lineargeschwindigkeit des Elektrolyten beträgt beispielsweise 1 bis 1000 cm/sec, vorzugsweise 10 bis 100 cm/sec.Sufficient convection is expediently established by pumping the electrolyte around. The ones about the radius and the electrode gap mean linear velocity of the electrolyte is for example 1 to 1000 cm / sec, preferably 10 to 100 cm / sec.

Das Olefin, welches sich im wäßrigen Elektrolyten i. a. nur wenig löst, wird in der flüssigen Phase in möglichst feiner Verteilung suspendiert. Durch den Kapillarspalt wird also i. a. eine Suspension des (ggf. gasförmigen) Olefine im Elektrolyten gepumpt, wobei der Elektrolyt eine hinreichende Löslichkeit für das Olefin besitzt. Das Verhältnis der VolumenflUsse eines gasförmigen Olefins zum Elektrolyten beim vorherrschenden Druck wird auf 1 : 100 bis 1 : 1 eingestellt, vorzugsweise 1 : 25 bis 1:5. Die Vorgabe einer noch höheren Gasbelastung der Flüssigkeit als etwa 1 : 1 (50 VoI^ Gas) ist i. a. nicht zweckmäßig, da sonst die Zellspannung drastisch ansteigt. Das zudosierte und im Elektrolyten feindispergierte Olefin wird in einem Verhältnis zur herrschenden Stromstärke von 1 bis 100 Äquivalenten vorgegeben. Beim Verhältnis 1 müßte also der Strom das eingespeiste Olefin - bei quantitativer Stromausbeute - quantitativ umsetzen, beim Verhältnis 100 wäre der theoretische Stromumsatz 1 %, Vorzugsweise wird ein Verhältnis von 2 bis 10 eingestellt. Es wurde überraschend gefunden, daß selbst bei Zugabe derThe olefin, which generally only slightly dissolves in the aqueous electrolyte, is suspended as finely as possible in the liquid phase. A suspension of the (possibly gaseous) olefin in the electrolyte is generally pumped through the capillary gap, the electrolyte being sufficiently soluble for the olefin. The ratio of the volume flows of a gaseous olefin to the electrolyte at the prevailing pressure is adjusted to 1: 100 to 1: 1, preferably 1:25 to 1: 5. Specifying an even higher gas load on the liquid than about 1: 1 (50 vol. Of gas) is generally not expedient, since otherwise the cell voltage rises drastically. The olefin metered in and finely dispersed in the electrolyte is specified in a ratio to the prevailing current strength of 1 to 100 equivalents. With a ratio of 1, the current would have to convert the fed-in olefin quantitatively, with a quantitative current yield; with a ratio of 100, the theoretical current conversion would be 1 %. A ratio of 2 to 10 is preferably set. It has surprisingly been found that even with the addition of

509808/1122509808/1122

- β - O.Z. 30- β - O.Z. 30th

theoretischen Olefinmenge (1 Äquivalent bezogen auf die Faraday'sehe Strommenge) das Olefinoxid mit hoher Stromausbeute gebildet wird. Die Olefinkonzentration in der Lösung kann durch Erhöhung des Druckes gesteigert werden. Es werden Drucke von z. B. 1 bis 100 Atmosphären eingestellt, die in den ungeteilten Zellen ohne Schwierigkeiten realisiert werden können. Das überschüssige Olefin, das mit dem gebildeten Wasserstoff die Zelle verläßt, wird durch Kondensation abgetrennt und erneut dem Kapillarspalt zugeführt.theoretical amount of olefin (1 equivalent based on the Faraday's see amount of electricity) the olefin oxide with high current efficiency is formed. The olefin concentration in the solution can be increased by increasing the pressure. There will be prints of z. B. 1 to 100 atmospheres set, which can be realized in the undivided cells without difficulty. The excess Olefin, which leaves the cell with the hydrogen formed, is separated off by condensation and again the Capillary gap fed.

Als Olefine sind z. B. Äthylen, Propylen, 1-Buten, 2-Buten, Allylchlorid oder Styrol in Betracht zu ziehen. Von besonderem Interesse ist die Synthese von Propylenoxid, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit sehr günstigen Ausbeuten durchgeführt werden kann. Propylen kann in reiner Form, aber auch im Gemisch mit Inertgasen oder als technischer C J5-Schnitt (Nebenbestandteile Propan u. a.) zugeführt werden.As olefins are, for. B. ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, allyl chloride or styrene. Of particular interest is the synthesis of propylene oxide with the inventive Process can be carried out with very favorable yields. Propylene can be used in pure form, but also in Mixture with inert gases or as a technical C J5 cut (minor components Propane and others).

Das Olefinoxid löst sich i. a. im Elektrolyten. Ein Teil wird auch zusammen mit dem überschüssigen Olefin und den Inertgasen aus der Zelle ausgetragen und kondensiert. Konzentrationen von 0,01 bis 20 % an Olefinoxid im Elektrolyten können eingestellt werden.The olefin oxide generally dissolves in the electrolyte. A part is also discharged from the cell together with the excess olefin and the inert gases and condensed. Concentrations of 0.01 to 20 % of olefin oxide in the electrolyte can be set.

Zur Aufarbeitung wird Elektrolyt und Kondensat fraktioniert destilliert. Bei kleinen Konzentrationen an Olefinoxid im wäßrigen Elektrolyten ist eine Extraktion oder eine extraktive Destillation zweckmäßig.For work-up, the electrolyte and condensate are fractionally distilled. With small concentrations of olefin oxide in the aqueous For the electrolyte, an extraction or an extractive distillation is expedient.

Die Elektrosynthese kann sowohl mit diskontinuierlicher als auch mit kontinuierlicher Betriebsweise durchgeführt werden. Im ersteren Fall akkumuliert das Olefinoxid im Elektrolyten und im Kondensat und wird nach Beendigung der Elektrolyse aufgearbeitet.The electrosynthesis can be carried out either discontinuously or continuously. in the In the former case, the olefin oxide accumulates in the electrolyte and in the condensate and is worked up after the electrolysis has ended.

Eine Umstellung auf kontinuierlichen Betrieb ist ohne Schwierigkeiten möglich. Nach Erreichung einer stationären Konzentration von Olefinoxid im Elektrolyten wird der Elektrolyt kontinuierlich aus der Zelle abgezogen, aus ihm das Olefinoxid und die Nebenprodukte entfernt und die zurückbleibende Halogenidlösung,Switching to continuous operation is easy possible. After a steady concentration of olefin oxide has been reached in the electrolyte, the electrolyte becomes continuous withdrawn from the cell, removed from it the olefin oxide and the by-products and the remaining halide solution,

509808/1122 /7509808/1122 / 7

- 7 - ο.ζ. 30 003- 7 - ο.ζ. 30 003

gegebenenfalls nach Ersatz von verbrauchtem Halogenid, wieder in die Zelle zurückgeführt. Das mit dem überschüssigen Olefin, den Inertgasen, dem kathodisch erzeugten Wasserstoff und gegebenenfalls mit anderen flüchtigen Nebenprodukten ausgetragene Olefinoxid wird kontinuierlich aus dem Kreisgas auskondensiert oder ausgewaschen.if necessary after replacement of used halide, returned to the cell. The one with the excess olefin the inert gases, the cathodically generated hydrogen and optionally with other volatile by-products discharged olefin oxide is continuously condensed out of the cycle gas or washed out.

Beispiel 1example 1

In diesem Beispiel wird ein diskontinuierliches Verfahren zur Elektrosynthese von Propylenoxid (PO) bei kleinen Stromdichten und Propylenoxidkonzentrationen bei verschiedenen Elektrodenabständen beschrieben.This example uses a discontinuous process for the electrosynthesis of propylene oxide (PO) at low current densities and propylene oxide concentrations at different electrode spacings.

Die verwendete Kapillarspaltzelle (1) (vgl. Figur 1) hat eineThe capillary gap cell (1) used (see FIG. 1) has a

ρ
Elektrodenfläche F von 1 dm . Der Kapillarspalt von d = 0,5 mm Weite wird von einer horizontalen, kreisrunden, obenliegenden Anode und einer unten angeordneten Kathode gebildet. Die Anode besteht aus einem 1 mm dicken, mit TiOp/RuOp nach dem keramischen Verfahren hergestellten und bei 5000C aktivierten Titanblech, das auf eine V2A-Basisplatte mit Hilfe eines graphitgefüllten Epoxidklebers aufgeklebt ist. Die Seiten der Basisplatte sind mit Polyäthylen abgedeckt. Die Kathode besteht aus V2A-Stahl. Der Elektrolyt fließt aus dem Innern der Zelle durch den Kapillarspalt radial nach außen, wird am Wärmetauscher (2) mit Wasser gekühlt, um schließlich mit der Kreiselpumpe (3) über ein Flüssigkeitsrotameter (4) und ein Begasungsgefäß (5) in die Zelle zurückgepumpt zu werden. Der pH-Wert im Elektrolyten wird mit der Glaselektrode (6) gemessen und durch Zudosierung von 5 η HgSO^ über den Zulauf (7) geregelt. Das Baumaterial für den Elektrolytkreislauf ist im Versuchsmaßstab Glas. Die die Zelle verlassenden Gase werden zunächst in zwei hintereinandergesehalteten Kühlfallen (8a) und (8b) mit n-Propanol bei O0C und -100C gewaschen. In einer dritten Kühlfalle (9b) wird Propylen bei -780C kondensiert. Nach Erreichen eines bestimmten Flüssigkeitsstandes wird überschüssiges Propylen in den Verdampfer (11) gehebert, wo es bei 200C verdampft wird. Zusammen mit den nichtkondensierbaren Gasen gelangt restliches Propylen von (9a) nach (9b), wo es in n-Propanol bei -780C kondensiert wird. Dort
ρ
Electrode area F of 1 dm. The capillary gap with a width of d = 0.5 mm is formed by a horizontal, circular, overhead anode and a cathode arranged at the bottom. The anode consists of a 1 mm thick, made with TIOP / RuOp by a ceramic process and activated at 500 0 C titanium sheet, which is adhered to a V2A base plate by means of a graphite-filled epoxy adhesive. The sides of the base plate are covered with polyethylene. The cathode is made of V2A steel. The electrolyte flows from the inside of the cell through the capillary gap radially outwards, is cooled with water at the heat exchanger (2) and then pumped back into the cell with the centrifugal pump (3) via a liquid rotameter (4) and a gas supply vessel (5) will. The pH value in the electrolyte is measured with the glass electrode (6) and regulated by metering in 5 η HgSO ^ via the inlet (7). The building material for the electrolyte circuit is glass on an experimental scale. The leaving the cell gases are first washed in two successively sailed included cold traps (8a) and (8b) with n-propanol at O 0 C and -10 0 C. In a third cold trap (9b) propylene is condensed at -78 0 C. After reaching a certain liquid level excess propylene is siphoned into the evaporator (11), where it is evaporated at 20 0 C. Together with the non-condensable gases reaches residual propylene of (9a) to (9b), where it is condensed in n-propanol at -78 0 C. there

509808/1122509808/1122

O. Z. 30 003O. Z. 30,003

finden sich auch noch Spuren von Propylenoxid. Über die Abgasleitung (10) verläßt Wasserstoff, der kathodisch gebildet wird, zusammen mit etwas Sauerstoff und Stickstoff die Apparatur. Das verdampfte Propylen wird schließlich mit einer Gas-Membranpumpe (12) über den Gasrotameter (13) in die Zelle zurückgepumpt. Eine Glasfritte im Begasungsgefäß (5) sorgt für eine feinteilige Dispergierung des Gases im Elektrolyten. Zu ergänzendes Propylen wird über eine Leitung (14) mit Uberdruckregler (15) in das System diskontinuierlich eingegeben. Die Zelle wird über das Netzgerät (16) mit Gleichstrom versorgt. Der Sauerstoffanalysator (17) auf der Basis einer elektrochemischen Zelle mit Silberkathode erfaßt den Sauerstoffgehalt im Abgas. Im stationären Zustand wird ein Sauerstoffwert gefunden, der weniger als 1 % Stromausbeute entspricht.there are also traces of propylene oxide. Hydrogen, which is formed cathodically, leaves the apparatus together with some oxygen and nitrogen via the exhaust pipe (10). The vaporized propylene is finally pumped back into the cell with a gas membrane pump (12) via the gas rotameter (13). A glass frit in the gas supply vessel (5) ensures that the gas is finely dispersed in the electrolyte. Propylene to be supplemented is introduced discontinuously into the system via a line (14) with an overpressure regulator (15). The cell is supplied with direct current via the power supply unit (16). The oxygen analyzer (17) based on an electrochemical cell with a silver cathode detects the oxygen content in the exhaust gas. In the steady state, an oxygen value is found that corresponds to less than 1% current efficiency.

Zu Beginn der Elektrolyse wird die Zelle mit 2 kg einer 0,5$igen Lösung von Natriumbromid (techn. Reinheit) in destilliertem Wasser beschickt. Der Elektrolyt wird mit einem Volumenfluß \yEly von 2,56 l/min durch die Kapillarspaltzelle im Kreis gepumpt. Nach Spülen mit Stickstoff wird so lange mit Propylen gespült, bis sich nur noch wenig Stickstoff im System befindet. Dann wird auf Kreisbetrieb umgeschaltet, wobei das Propylen mit einer Geschwindigkeit ψ nvon 0,11 l/min umgepumptAt the beginning of the electrolysis, the cell is charged with 2 kg of a 0.5% solution of sodium bromide (technical grade) in distilled water. The electrolyte is pumped in a circle through the capillary gap cell with a volume flow of 2.56 l / min. After flushing with nitrogen, flushing is carried out with propylene until there is only a little nitrogen in the system. It is then switched to circuit operation, the propylene being pumped around at a rate ψ n of 0.11 l / min

C3H6
wird. Das Verhältnis der beiden Volumenflüsse Propylen zu
C 3 H 6
will. The ratio of the two volume flows to propylene

Elektrolyt beträgt also 1 : 23·The electrolyte is 1:23

Die Elektrolyse wird bei einer Stromstärke von 1 A, entsprechend einer Stromdichte j von 1 A/dm , durchgeführt. Bezogen auf diese Stromstärke ist der Volumenfluß des Propylene also im 15fachen Überschuß (bei 300C). Die Temperatur T beträgt 45°; der pH-Wert von 9 wird durch Zugabe von 5n HpSO^ (spezifischer Verbrauch 1,6 mVal/Ah) aufrechterhalten. Nach 4 Stunden, also nach Durchgang von Q = 4 Ah, wird der Versuch abgebrochen. Der Elektrolyt ist farblos und klar. Auf gaschromatographischem Wege (6m- Polypropylen-glykolsäule, T = 1000C, Flammenionisationsdetektor, T = 1500C) wird der Propylenoxidgehalt gegen Methyläthylketon als innerem Standard bestimmt. Es werden gefunden:The electrolysis is carried out at a current strength of 1 A, corresponding to a current density j of 1 A / dm. Based on this current is the volume flow of Propylene ie in 15-fold excess (at 30 0 C). The temperature T is 45 °; the pH value of 9 is maintained by adding 5n HpSO ^ (specific consumption 1.6 mVal / Ah). The experiment is terminated after 4 hours, i.e. after Q = 4 Ah has passed. The electrolyte is colorless and clear. (Glycolic column polypropylene 6m, T = 100 0 C, flame ionisation, T = 150 0 C) by gas chromatography for the content of propylene oxide to methyl ethyl ketone is determined as the internal standard. The following are found:

/9 509808/1 122/ 9 509808/1 122

im Elektrolyten
in der O0C-PaIIe
in der -780C-FaIIe
in the electrolyte
in the O 0 C pallet
in the -78 0 C case

o.z. 30 003 2336288o.z. 30 003 2336288

2,23 s po2.23 s po

0,64 g PO0.64 g PO

0,25 g po0.25 g po

ingesamt 3,12 g POa total of 3.12 g PO

Polglich wurde das Produkt mit einer Stromausbeute von 72,5 % gebildet. Dibrompropan wurde im Elektrolyten und in der O0C-PaIIe in nachweisbaren Mengen gefunden, entsprechend einer Stromausbeute von 2,5 fo· Der Gehalt an Propylenglykol, Propylenbromhydrin und Bromat im Elektrolyten lag unter der Nachweisgrenze, die jeweils einer Stromausbeute von weniger als 0,5 % entsprochen hätte. Außer Propylenoxid und Dibrompropan wurden keine Reaktionsprodukte des Propylens festgestellt. Die Zellspannung betrug 3,0 Volt. Hieraus errechnet sich ein Energiebedarf von 3,9 kWh pro kg PO.The product was thus formed with a current efficiency of 72.5 %. Dibromopropane was found in detectable amounts in the electrolyte and in the O 0 C pallet, corresponding to a current efficiency of 2.5 fo 5 % would have corresponded. Apart from propylene oxide and dibromopropane, no reaction products of propylene were found. The cell voltage was 3.0 volts. This results in an energy requirement of 3.9 kWh per kg PO.

Unter Beibehaltung der genannten Parameter, jedoch unter Anpassung des Volumenflusses des Elektrolyten zur Erzielung einer konstanten Lineargeschwindigkeit an einer bestimmten Stelle des Kapillarspaltes wurde der Elektrodenabstand der Kapillarspaltzelle systematisch variiert. In Tabelle 1 sind die erhaltenen Resultate zusammengestellt. Sie zeigen, daß ein minimalisierter Elektrodenabstand zu einem optimalen Ergebnis bezüglich Stromausbeute PO, Stromausbeute des Nebenprodukts Dibrompropan und Energiebedarf führt.Maintaining the parameters mentioned, but adapting them the volume flow of the electrolyte to achieve a constant linear velocity at a certain point of the Capillary gap, the electrode spacing of the capillary gap cell was varied systematically. In Table 1 are the obtained Results compiled. They show that a minimized electrode spacing leads to an optimal result in terms of current yield PO, current efficiency of the by-product dibromopropane and energy consumption leads.

Tabelle 1Table 1

Kapillarspaltzelle mit 1 Kapillarspalt (P = 1 dm2), T =Capillary gap cell with 1 capillary gap (P = 1 dm 2 ), T =

pH 9, 0,5 fo NaBr, j = 1 A/dm2,pH 9, 0.5 fo NaBr, j = 1 A / dm 2 ,

=0,11 l/min, Q, == 0.11 l / min, Q, =

450C, 4 Ah45 0 C, 4 Ah

ElektrodenElectrodes VEIyVEIy 2*72 * 7 Stromausbeute {%) Current yield {%) C3H6Br2 C 3 H 6 Br 2 Energi ebedarfEnergy requirement abstand /mm/ distance / mm / /l/min7/ l / min 7 2,852.85 C3HgOC 3 HgO 1,51.5 /kWh/kg PO// kWh / kg PO / 0,150.15 0,750.75 2,92.9 8787 2,02.0 2,92.9 0,250.25 1,251.25 2,952.95 8282 2,02.0 3,33.3 0,350.35 1,751.75 3,03.0 76,576.5 2,52.5 3,63.6 0,500.50 2,52.5 3,13.1 72,572.5 3,03.0 3,93.9 0,750.75 3,753.75 3,153.15 7171 4,04.0 4,04.0 0,90.9 4,54.5 3,23.2 7070 4,54.5 4,14.1 1,21.2 6,06.0 3,43.4 6969 5,05.0 4,34.3 1,81.8 99 6868 4,74.7

509808/1 122509808/1 122

/10/ 10

O.Z.O.Z.

•Ζ. 30 003• Ζ. 30 003

Beispiel 2Example 2

In der in Beispiel 1 beschriebenen Apparatur wurden diskontinuierliche Versuche unter Variation der Stromdichte durchgeführt. Die durchgeschickte Strommenge Q, wurde mit 4 Ah konstant gehalten. Die Natriumbromidkonzentration wurde so klein als möglich gehalten, d. h. sie wurde gegenüber Beispiel 1 nicht proportional zur Stromdichte heraufgesetzt. In Tabelle 2 sind die Resultate zusammengestellt. Man erkennt, daß die Stromausbeute für PO sich über einen weiten Stromdichtebereich nur wenig ändert. Lediglich bei zu hohen Elektrolytkonzentrationen wird eine deutliche Abnahme der PO-Stromausbeute beobachtet (vgl. dieIn the apparatus described in Example 1 were discontinuous Experiments carried out with variation of the current density. The amount of electricity Q sent through was kept constant at 4 Ah. The sodium bromide concentration was kept as low as possible, d. H. compared to Example 1, it was not increased proportionally to the current density. In Table 2 are the results compiled. It can be seen that the current efficiency for PO changes only slightly over a wide current density range. Only when the electrolyte concentrations are too high is a significant decrease in the PO current yield observed (cf.

entsprechenden Versuche bei 1, 10 und 40 A/dm ). Selbst bei den höchsten Stromdichten liegt aber - trotz der mäßigen Elektrolytkonzentrationen - die Zellspannung bei günstigen Werten. Beicorresponding tests at 1, 10 and 40 A / dm). But even at the highest current densities - despite the moderate electrolyte concentrations - the cell voltage at favorable values. at

der höchsten Stromdichte (40 A/dm ) ist der Propylenzufluß nur noch 150 % der theoretisch erforderlichen Mindestmenge; trotzdem wird das Produkt noch mit guter Stromausbeute gebildet. Infolge der kurzen Versuchsdauer ist in diesem Fall fast alles PO, das gebildet worden ist, im Elektrolyten enthalten, wie folgende Zahlen zeigen (j = 40 A/dm2, 4 % NaBr). Gefundende P0-MengenAt the highest current density (40 A / dm) the propylene inflow is only 150 % of the theoretically required minimum amount; nevertheless, the product is still formed with a good current yield. As a result of the short duration of the experiment, in this case almost all of the PO that has been formed is contained in the electrolyte, as the following figures show (j = 40 A / dm 2 , 4 % NaBr). P0 quantities found

im Elektrolyten 2,73 gin the electrolyte 2.73 g

in der 0"C-FaIIein the 0 "C case TabelleTabel 0,0, 22 OYOY gG in der -780C-FaIIein the -78 0 C case 0,0, 0101 gG insgesamtall in all 2,2, 8181 gG

Kapillarspaltzelle mit 1 Kapillarspalt, F=I dm2, T = 450C, pH 9, 0,5 bis 8 % NaBr, j = 1 bis 40 A/dm2, \/Ely = 2,56 l/min,Capillary gap cell with 1 capillary gap, F = I dm 2 , T = 45 0 C, pH 9, 0.5 to 8 % NaBr, j = 1 to 40 A / dm 2 , \ / Ely = 2.56 l / min,

Q = 4 Ah, dQ = 4 Ah, i.e. = 0,5 mm= 0.5 mm Vc3H6 Vc 3 H 6 UZ U Z Stromausbeute (%) Current yield (%) C3H6Br2 C 3 H 6 Br 2 Energieenergy Stromdichte
/Ä/dmf/
Current density
/ Ä / dmf /
0NaBr 0 NaBr /I/min// I / min / DJDJ C3H6OC 3 H 6 O 2,52.5 bedarf
/kWh/kg P07
requirement
/ kWh / kg P07
11 /Gew.J7/Weight J7 0,110.11 3,03.0 72,572.5 2,52.5 3,93.9 . 1. 1 0,50.5 0,110.11 2,92.9 6666 3,53.5 4,14.1 44th 1,01.0 0,480.48 3,03.0 6868 2,02.0 4,14.1 1010 2,02.0 0,480.48 3,33.3 6666 4,64.6 2,02.0

509808/ 1 122509808/1 122

O.Z. 50 003O.Z. 50 003

StromdichteCurrent density 0NaBr 0 NaBr ^C5H6 ^ C 5 H 6 UZ U Z Stromausbeute {%) Current yield {%) U3Ii6Br2 U 3 Ii 6 Br 2 Energieenergy 2A/dm£72A / dm £ 7 /I/min7/ I / min 7 rara C3H6OC 3 H 6 O 3,53.5 bedarf
/kWh/kg P07
requirement
/ kWh / kg P07
1010 3,53.5 0,480.48 3,13.1 6363 4,54.5 4,54.5 2020th 4,04.0 0,480.48 3,83.8 6969 2,52.5 5,15.1 3030th 4,04.0 0,480.48 4,34.3 6666 3,03.0 6,06.0 4040 4,04.0 0,480.48 5,25.2 6565 2,52.5 7,47.4 4040 8,08.0 0,480.48 4,84.8 4848 9,39.3

Beispiel 3Example 3

In der in Beispiel 1 beschriebenen Apparatur wurden diskontinuierliche Versuche unter Variation der Versuchsdauers also der durchgeschickten Strommenge, durchgeführt. Die Endkonzentration an Propylenoxid wurde auf diese Weise bis auf 3,2 fo im Elektrolyten angehoben. In Tabelle 3 sind die Ergebnisse zusammengestellt.In the apparatus described in Example 1, discontinuous tests were carried out with variation of the test duration s, that is to say the amount of electricity sent through. The final concentration of propylene oxide was increased in this way up to 3.2 fo in the electrolyte. Table 3 shows the results.

Tabelle 3Table 3

Kapillarspaltzelle mit 1 Kapillarspalt (F = 1 dm2), T pH 9, 2 % NaBr, j = 10 A/dm2,
min, d = 0,5 mm
Capillary gap cell with 1 capillary gap (F = 1 dm 2 ), T pH 9, 2 % NaBr, j = 10 A / dm 2 ,
min, d = 0.5 mm

C3H6 C 3 H 6

= 0,48 l/min,= 0.48 l / min,

45°C,45 ° C,

= 2,56 1/= 2.56 1 /

Q /Äh7Q / Uh7 ZZ Stromausbeute ($)Current yield ($) C3H6Br2 C 3 H 6 Br 2 EnergiebedarfEnergy requirements 3,33.3 C3H6OC 3 H 6 O 2,52.5 /kWh/kg P07/ kWh / kg P07 44th 3,23.2 6666 4,54.5 4,64.6 88th 3,33.3 6161 5,55.5 4,44.4 1616 3,43.4 6666 4,54.5 4,64.6 3232 3,43.4 6161 5,55.5 4,74.7 6464 5656 5,65.6

Infolge der höheren Stromdichte, der höheren Gasbelastung und der längeren Laufzeit ist das Produkt im Vergleich zu den in Beispiel 1 und 2 angeführten Fällen viel stärker aus der Zelle ausgetragen und in die Kühlfallen überführt worden. Beispiele für die gefundenen PO-Mengen:As a result of the higher current density, the higher gas load and the longer running time, the product is compared to the in Examples 1 and 2 mentioned cases were discharged much more strongly from the cell and transferred to the cold traps. Examples for the PO quantities found:

/12/ 12

509808/ 1 1 22509808/1 1 22

-Vc--Vc-

Im Elektrolyten (g) in der O0C-FaIIe (g) in der -780C-FaIIe (g)In the electrolyte (g) in the O 0 C case (g) in the -78 0 C case (g)

o.z. 30 003o.z. 30 003 23362882336288 32 Ah-Versuch32 Ah attempt 64 Ah-Versuch64 Ah attempt 17,0817.08 23,0523.05 5,755.75 14,3514.35 0,330.33 1,251.25

ingesamt (g)total (g)

23,1623.16

38,6538.65

Beispiel 4Example 4

In der in Beispiel 1 beschriebenen Apparatur werden diskontinuierliche Versuche an einer Anode aus Graphit (Typ EXN der Firma Conradty in Nürnberg) durchgeführt. Variiert wird die Strotnmenge bzw. die Elektrolysezeit wie in Beispiel 3· Die Kathode besteht aus V2A-Stahl. In Tabelle 4 sind die erhaltenen Ergebnisse zusammengestellt.In the apparatus described in Example 1 are discontinuous Tests carried out on a graphite anode (type EXN from Conradty in Nuremberg). The amount of Strotn is varied or the electrolysis time as in Example 3 · The cathode exists made of V2A steel. Table 4 shows the results obtained.

Tabelle 4Table 4

Kapillarspaltzelle mit 1 Kapillarspalt (F = 1 dm2), T = 450C, pH = 9, 2 % NaBr, j = 10 A/dm2, V c E =0,48 l/min, VEly = 2,56 l/min, d = 0,5 mm 5 6 Capillary gap cell with 1 capillary gap (F = 1 dm 2 ), T = 45 0 C, pH = 9, 2 % NaBr, j = 10 A / dm 2 , V c E = 0.48 l / min, V Ely = 2, 56 l / min, d = 0.5 mm 5 6

QZ£h7QZ £ h7 ^Z DU^ Z YOU Stromausbeute {%) Current yield {%) C5H6Br2 C 5 H 6 Br 2 EnergiebedarfEnergy requirements C3H6OC 3 H 6 O 3,13.1 /Bfti/kg PC7/ Bfti / kg PC7 44th 3,43.4 7575 5,95.9 4,24.2 88th 3,53.5 7373 6,86.8 4,04.0 1616 3,53.5 6969 6,06.0 4,74.7 3232 3,23.2 6262 5,55.5 4,94.9 6464 3,43.4 5353 6,06.0

509808/ 1 1 22509808/1 1 22

Claims (4)

O.Z.O.Z. 2323 .Z. 30 QP.Z. 30 QP 233628233628 PatentansprücheClaims Verfahren zur direkten elektrochemischen Herstellung von Olefinoxiden über die nichtisolierte Zwischenstufe des HaIogenhydrins in einer ungeteilten Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Elektrodenabstand in der ungeteilten Zelle von 0,05 bis 2 mm einhält.Process for the direct electrochemical production of olefin oxides via the non-isolated intermediate stage of halohydrin in an undivided cell, characterized in that an electrode spacing of 0.05 to 2 mm is maintained in the undivided cell. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Leitelektrolyt ein lösliches Alkalibromid in einer Konzentration von 0,01 bis 10 Gew.% verwendet.2. The method according to claim 1, characterized in that a soluble alkali bromide used as a supporting electrolyte in a concentration of 0.01 to 10 wt.%. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Anode Graphit oder mit Rutheniumdioxid aktiviertes Titan verwendet. 3. The method according to claim 1, characterized in that there is used as anode graphite or titanium activated with ruthenium dioxide. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Olefin Propylen verwendet wird, das in feinster Verteilung im Elektrolyten dispergiert wird, wobei das Verhältnis der zudosierten Propylenmenge zur theoretisch in der Zelle verbrauchten Propylenmenge 1 bis 100 beträgt.4. The method according to claim 1, characterized in that the olefin used is propylene which is finely dispersed in the electrolyte, the ratio of the amount of propylene added to the amount of propylene theoretically consumed in the cell is 1 to 100. Zeichn. BASF AktiengesellschaftSign. BASF Aktiengesellschaft 509808/1122509808/1122 LeerseiteBlank page
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