ES2250875T3 - Procedimiento para la produccion de peroxido de hidrogeno. - Google Patents

Procedimiento para la produccion de peroxido de hidrogeno.

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ES2250875T3 ES03709743T ES03709743T ES2250875T3 ES 2250875 T3 ES2250875 T3 ES 2250875T3 ES 03709743 T ES03709743 T ES 03709743T ES 03709743 T ES03709743 T ES 03709743T ES 2250875 T3 ES2250875 T3 ES 2250875T3
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Abstract

Un procedimiento para la producción de peróxido de hidrógeno por el procedimiento de la antraquinona, que comprende una etapa de hidrogenación, en la que derivados de antraquinona contenidos en una disolución de trabajo se hidrogenan con un gas que contiene hidrógeno en presencia de un catalizador de hidrogenación, una etapa de oxidación, en la que los derivados de antrahidroquinona formados en la etapa de hidrogenación se reconvierten en derivados de antraquinona con un gas que contiene oxígeno, en particular aire, con la formación de peróxido de hidrógeno, el aislamiento del peróxido de hidrógeno de la disolución de trabajo oxidada y la devolución de la disolución de trabajo a la etapa de hidrogenación, caracterizado porque, la hidrogenación se lleva a cabo en presencia de oxígeno molecular (O2) añadido, en una cantidad por lo menos de 0, 02 mmol de O2 por mol de H2, que está por debajo del límite de explosión en las condiciones de hidrogenación, y se introduce en la etapa de hidrogenación en la forma de un gas que contiene oxígeno.

Description

Procedimiento para la producción de peróxido de hidrógeno.
La invención se refiere a un procedimiento para la producción de peróxido de hidrógeno por el procedimiento de la antraquinona, por medio de oxidación y reducción alternas de una disolución de trabajo que contiene uno o más derivados de antraquinona. La invención produce una mejora del tiempo de residencia del catalizador en la etapa de hidrogenación.
Es conocida la producción de peróxido de hidrógeno por el llamado procedimiento de la antraquinona. Este procedimiento está basado en la hidrogenación y oxidación alternas de derivados de antraquinona, convencionalmente 2-alquilantraquinonas y 2-alquiltetrahidroantraquinonas, siendo el grupo alquilo lineal o ramificado y teniendo generalmente de 2 a 6 átomos de carbono. Los derivados de antraquinona a los que nos referimos, y los derivados de antraquinona obtenidos en la etapa de hidrogenación serán conocidos de aquí en adelante por el nombre general de reactantes. En el procedimiento de la antraquinona, estos reactantes se disuelven en un sistema disolvente orgánico, siendo conocida la disolución como disolución de trabajo. La disolución de trabajo frecuentemente contiene dos 2-alquilantraquinonas diferentes y sus derivados tetrahidro.
En la etapa de hidrogenación del procedimiento de la antraquinona, las alquilantraquinonas y alquiltetrahidroantraquinonas contenidas en la disolución de trabajo se convierten por lo menos parcialmente con hidrógeno o un gas que contiene hidrógeno en presencia de un catalizador en las correspondientes alquilantrahidroquinonas o alquiltetrahidroantraquinonas. La disolución de trabajo se hidrogena en presencia de un catalizador en suspensión, en particular un catalizador en suspensión que contiene un metal precioso. Alternativamente, también es conocida la hidrogenación de la disolución de trabajo en presencia de un catalizador de lecho fijo dispuesto en un reactor de hidrogena-
ción.
La disolución de trabajo hidrogenada libre de catalizador se trata a continuación con un gas que contiene oxígeno, convencionalmente con aire, siendo reconvertidas las alquilantraquinonas o alquiltetrahidroantraquinonas y formándose peróxido de hidrógeno al mismo tiempo.
El peróxido de hidrógeno se aísla a continuación de la disolución de trabajo oxidada. Esta es en su mayor parte una etapa de extracción, siendo extraído peróxido de hidrógeno con una disolución acuosa y siendo purificada y concentrada esta disolución a continuación. La disolución de trabajo se devuelve a la etapa de hidrogenación. El procedimiento de la antraquinona generalmente incluye también etapas de procedimiento de la serie de regeneración de la disolución de trabajo y regeneración del catalizador. Un resumen del procedimiento de la antraquinona para la producción de peróxido de hidrógeno y varias realizaciones de etapas individuales se pueden encontrar en Ullmann's Encyclopedia of Ind. Chem., 5th ed., vol. A 13, p. 447-456.
La actividad, productividad y tiempo de residencia del catalizador de hidrogenación y la selectividad con la que hidrogena los derivados de antraquinona son cruciales para la economía del procedimiento de la antraquinona.
Cuando se usan catalizadores en suspensión, tales como negro de paladio o catalizadores de paladio soportados, por ejemplo, la desactivación del catalizador en la etapa de hidrogenación se tiene en cuenta separando periódica o continuamente parte del catalizador de la disolución de trabajo, regenerándolo fuera del procedimiento propiamente dicho y devolviéndolo a la etapa de hidrogenación. Aunque esta separación y regeneración externa del catalizador es técnicamente cara, evita la reducción de la capacidad que es el resultado cuando se para una planta para la regeneración del catalizador.
También es conocido el uso de catalizadores de lecho fijo en la etapa de hidrogenación:
En el procedimiento según la patente de EE.UU. 3.009.782 se usa un lecho fijo con partículas de catalizador unidas a un soporte en la etapa de hidrogenación y como resultado, se forman menos subproductos y por ello se incrementa la selectividad.
Aunque el catalizador de lecho fijo monolítico de forma de panal usado en la etapa de hidrogenación del procedimiento según la patente de EE.UU. 4.552.748 y el mezclador estático revestido con catalizador usado según la patente de EE.UU. 5.071.634 produce un aceptable tiempo de residencia del catalizador, aquí también se debe regenerar el reactor de lecho fijo periódicamente para incrementar de nuevo la actividad.
Finalmente, en el procedimiento según el documento DE 19953185 el tiempo de residencia del catalizador en un reactor de lecho fijo relleno con un catalizador en forma de partículas se incrementa haciendo funcionar el reactor de lecho fijo como una columna de burbujeo de corriente ascendente.
Una desventaja de todas las variantes de hidrogenación de lecho fijo descritas a modo de ejemplo anteriormente, es que a pesar de los tiempos de residencia del catalizador mejorados, el catalizador desactivado se deber regenerar periódicamente. El catalizador se regenera o reprocesa retirando el catalizador del reactor para un procesamiento externo o, no menos costosamente, parando el reactor y regenerando el catalizador desactivado sin retirarlo. La interrupción de la producción para la regeneración se puede evitar si se instalan varios reactores de hidrogenación, cada uno de los cuales se usa sucesivamente para la hidrogenación y para la regeneración. Sin embargo, esto incrementa los costes de inversión del tal sistema de producción y reduce su economía.
Se realizaron intentos para reducir el problema del limitado tiempo de residencia del catalizador seleccionando recetas de catalizador especiales con una baja velocidad de desactivación. De este modo la patente de EE.UU: 4.800.075 describe el uso de un catalizador de paladio sobre un soporte de alfa-óxido de aluminio con una superficie específica BET de 5-108 m^{2}/g y el documento DE-OS 19713376 describe el uso de un catalizador de paladio sobre un soporte de sílice con un diámetro medio de poro de 80-400 Angstrom. Sin embargo, incluso aquí, se debe hacer provisión en una planta de producción industrial para la regeneración del catalizador.
Según el documento EP 0778085 A1, un catalizador de hidrogenación se puede regenerar y activar por tratamiento del catalizador con un ácido. Sin embargo, esta regeneración se lleva a cabo externamente o requiere que se interrumpa la operación y también conduce al uso de productos químicos ajenos.
En el procedimiento según el documento EP 0670182, según el cual el catalizador de hidrogenación desactivado se regenera en el reactor de hidrogenación poniéndolo en contacto durante varias horas con disolución de trabajo oxidada, debe ser también suspendida la alimentación de hidrógeno y de este modo la hidrogenación.
En el procedimiento según la patente de EE.UU. 3.004.831 el catalizador desactivado se regenera reduciendo periódicamente la presión de hidrógeno en la etapa de hidrogenación y pasando un gas inerte a través del reactor durante un periodo de tiempo suficiente. Este procedimiento de este modo requiere que se suspenda la operación.
Solo en el procedimiento según el documento DE-OS 20 42 523 se puede mantener la selectividad y actividad del catalizador de hidrogenación durante un largo periodo de tiempo sin interrumpir la reacción de hidrogenación, por medio de una regeneración in situ que se lleva a cabo usando una disolución de trabajo que se va a hidrogenar que contiene por lo menos 250 mg/l, en particular de 300 a 1000 mg de H_{2}O_{2}/l de peróxido de hidrógeno reactivo. La cantidad requerida de peróxido de hidrógeno se puede fijar por extracción parcial de la disolución de trabajo oxidada o añadiendo una cantidad apropiada de disolución de trabajo oxidada a una disolución de trabajo totalmente extraída. La desventaja de este procedimiento es que alimentar parte del peróxido de hidrógeno previamente formado en la etapa de hidrogenación reduce el rendimiento.
El objetivo de la presente invención es por lo tanto demostrar un procedimiento adicional para la etapa de hidrogenación del procedimiento de la antraquinona para la producción de peróxido de hidrógeno, que incrementa el tiempo de residencia del catalizador sin suspender la hidrogenación y sin tener que usar peróxido de hidrógeno previamente formado.
Un objetivo adicional es que el procedimiento debe ser simple de llevar a cabo y no deber requerir substancias auxiliares ajenas.
Un objetivo adicional es que el tiempo de residencia del catalizador se debe incrementar en particular en reactores de lecho fijo, que incluyen un reactor de lecho de goteo o un reactor de columna de burbujeo, porque con estas realizaciones el peróxido de hidrógeno incluido en la disolución de trabajo no es obviamente efectivo en todo el área del reactor.
Los objetivos mencionados anteriormente y otros objetivos que surgen de la descripción a continuación, se pueden conseguir por el procedimiento según la invención, según el cual la disolución de trabajo se hidrogena en presencia de una pequeña cantidad de oxígeno elemental añadido.
Se encontró un procedimiento para la producción de peróxido de hidrógeno por el procedimiento de la antraquinona, que comprende una etapa de hidrogenación, en la que derivados de antraquinona contenidos en una disolución de trabajo se hidrogenan con un gas que contiene hidrógeno en presencia de un catalizador de hidrogenación, una etapa de oxidación, en la que los derivados de antrahidroquinona formados en la etapa de hidrogenación se reconvierten en derivados de antraquinona con un gas que contiene oxígeno, en particular aire, con la formación de peróxido de hidrógeno, el aislamiento del peróxido de hidrógeno de la disolución de trabajo oxidada y la devolución de la disolución de trabajo a la etapa de hidrogenación, que está caracterizada porque la hidrogenación se lleva a cabo en presencia de oxígeno molecular (O_{2}) añadido, en una cantidad por lo menos de 0,02 mmol de O_{2} por mol de H_{2} que está por debajo del límite de explosión en las condiciones de hidrogenación y que se introduce en la etapa de hidrogenación en la forma de gas que contiene oxígeno. Las sub-reivindicaciones se refieren a realizaciones preferidas de los procedimientos según la invención.
Se alimenta oxígeno molecular, o preferentemente aire, al reactor de hidrogenación en uno o más puntos, directamente o junto con el gas de hidrogenación que contiene hidrógeno y/o mezclado con un gas inerte, tal como nitrógeno adicional, y/o con una disolución de trabajo que se va a hidrogenar, que ha sido previamente cargada con oxígeno. La última se puede obtener poniendo en contacto la disolución de trabajo extraída con aire u oxígeno. Cuando se dosifica el oxígeno o aire en el gas de hidrogenación o en el reactor de hidrogenación, se debe asegurar que no se pasa de los intervalos críticos de explosión, incluso localmente. Purificando hidrogeno previamente producido como corresponde, se puede incorporar en el hidrógeno la cantidad de oxígeno requerido según la invención. El límite superior del contenido de oxígeno se determina únicamente por requerimientos de seguridad (límite de explosión); la cantidad mínima se mide de tal modo para provocar un incremento efectivo del tiempo de residencia del catalizador. Sorprendentemente, usando las medidas según la invención, el tiempo de residencia del catalizador se incrementa significativamente.
La cantidad de oxígeno usado es por lo menos 0,02 mol de O_{2}/ mol de H_{2} y está preferentemente en el intervalo de 0,1 a 20 mmol de O_{2} por mol de hidrógeno, aunque los niveles pueden estar por debajo o por encima de estos límites. En particular, la cantidad usada está preferentemente en el intervalo de 0,5 a 10 mmol de O_{2} por mol de hidrógeno. Preferentemente se usa un gas que contiene hidrógeno con un contenido de oxígeno de 100 vpm a 5000 vpm (vpm = partes
por millón en volumen) como gas de hidrogenación. Si el gas de hidrogenación consiste sustancialmente en hidrógeno y el oxígeno se introduce en el reactor de hidrogenación con el hidrógeno, esta mezcla preferentemente contiene de 100 a 20.000 vpm de O_{2} (vpm = partes por millón en volumen). Si se introduce oxígeno en el reactor de hidrogena-
ción con la disolución de trabajo que se va a hidrogenar, el oxígeno se puede disolver y/o dispersar finamente en ella.
Dependiendo de la composición de la disolución de trabajo, las condiciones de extracción y el tratamiento subsecuente, tal como secar a presión reducida, la disolución de trabajo alimentada al reactor de hidrogenación puede contener aún una pequeña cantidad de peróxido de hidrógeno. Se supone que este peróxido de hidrógeno se puede descomponer en agua y oxígeno en presencia del catalizador de hidrogenación y ejerce adicionalmente una cierta influencia en el incremento del tiempo de residencia del catalizador. Añadiendo oxígeno elemental según la invención, en otras palabras, oxígeno que no se origina del peróxido de hidrógeno aún presente en la disolución de trabajo, se mejora adicionalmente el tiempo de residencia del catalizador. Este efecto es particularmente claro si el reactor de hidrogenación es un lecho fijo formado por catalizador en forma de partículas y el reactor se hace funcionar como una columna de burbujeo o lecho de goteo.
Aunque R. Willstätter et al. en Chemische Berichte 54B, 113-123, (1921) publicaron que la hidrogenación catalítica de anhídridos, ácidos aromáticos y ésteres de ácido cinámico con catalizadores de platino o paladio se acelera en presencia de oxígeno, sorprendentemente nunca antes se ha introducido oxígeno en la etapa de hidrogenación del procedimiento de la antraquinona para la producción de peróxido de hidrógeno.
Se pueden usar en el procedimiento según la invención los conocidos soportes, catalizadores y variantes del procedimiento de hidrogenación así como los conocidos disolventes para la disolución de trabajo.
Los reactantes particularmente apropiados son 2-alquilantraquinonas y sus 2-alquiltetrahidroantraquinonas de núcleo hidrogenado, teniendo el grupo alquilo de dos a seis átomos de carbono y siendo lineal o ramificado. Se usa preferentemente como reactante una combinación que contiene 2-etilantraquinona y (alquil de C_{4} a C_{6})-antraquinona y sus derivados tetrahidro. La disolución de trabajo contiene uno o más disolventes, en los que tanto los derivados de antraquinona como los derivados de antrahidroquinona son altamente solubles.
Los catalizadores convencionalmente usados en el procedimiento de la antraquinona se pueden usar en el procedimiento según la invención. Estos son preferentemente catalizadores que contienen un metal precioso, en particular catalizadores que contienen paladio. El componente catalíticamente activo puede estar presente en forma libre o soportada o como un constituyente del revestimiento en un reactor de forma de panal o en un mezclador estático. Se usa preferentemente un catalizador de lecho fijo que contiene metal precioso, en particular que contiene paladio, de partículas con un diámetro medio de 0,5 a 20 mm.
La hidrogenación se lleva a cabo por el método conocido per se con respecto a la temperatura y presión y los caudales y de este modo al tiempo de contacto en el reactor. La temperatura está principalmente en el intervalo de 10 a 100ºC, en particular de 40 a 80ºC, la presión en el intervalo de 0,01 a 2 mPa, en particular de 0,1 a 0,7 mPa. La hidrogenación se puede llevar a cabo en reactores conocidos para hidrogenación en suspensión o hidrogenación en lecho fijo. En una realización preferida, la hidrogenación se lleva a cabo en un reactor de lecho fijo con una LHSV (velocidad espacial horaria en volumen) de la carga líquida de 0,1 h^{-1} a 20 h^{-1}. Un reactor de lecho fijo se hace funcionar preferentemente como lecho de goteo.
Según una realización preferida son tales las dimensiones del reactor y las condiciones de hidrogenación se fijan de tal modo que la alimentación de hidrógeno al reactor se consume completamente en su camino a través del reactor.
Las ventajas del procedimiento según la invención son que el tiempo de residencia del catalizador es significativamente más alto que el del método de operación previamente conocido, que no hay necesidad de la construcción de un reactor de hidrogenación costoso, que el procedimiento se puede usar para la hidrogenación tanto en lecho fijo como en suspensión, aunque la hidrogenación en lecho fijo es particularmente ventajosa, y la etapa de hidrogenación no está ligada a una composición particular de la disolución de trabajo y/o catalizador de hidrogenación.
La invención se explica adicionalmente por los siguientes ejemplos (B) y ejemplos de referencia (VB).
Ejemplos
La hidrogenación se llevó a cabo continuamente en un tubo de reacción con un volumen de 5 ml de catalizador. El reactor era de 10 mm de diámetro. La unidad consistía en un receptor de líquido, el reactor y un separador de líquido. La temperatura de reacción se fijó por medio de un intercambiador de calor de circulación de aceite. La presión y la corriente de hidrógeno se regularon electrónicamente. La disolución de trabajo se dosificó en una corriente de hidrógeno con una bomba y la mezcla se desprendió desde la parte superior del reactor (método del lecho de goteo). Después de pasar a través del reactor, el producto se retiró del separador a intervalos regulares.
La disolución de trabajo, que se retiró de un procedimiento de circulación de antraquinona después de la etapa de extracción, contenía compuestos aromáticos alquílicos y tetrabutilurea como disolventes y una mezcla de 2-alquilantraquinonas y sus 2-alquiltetrahidroantraquinonas en una relación molar de 1:3,2 como reactantes.
La sobrepresión del reactor en los ejemplos y ejemplos de referencia era en cada caso 0,2 mPa. La LHSV de la carga líquida era 10 h^{-1} y la temperatura del reactor 76ºC en todos los casos. La corriente gaseosa que contiene hidrógeno alimentada al reactor era 4Nl/h en todos los casos.
Se usó hidrógeno que, según la información de los fabricantes, contenía oxígeno en un intervalo <10 vpm como gas de hidrogenación en los ejemplos de referencia VB 1.1 a VB 1.5. Se usó hidrógeno enriquecido hasta un contenido de oxígeno de 3000 vpm en los ejemplos según la invención B 1.1 a B 1.5.
El catalizador usado era un catalizador soportado, a saber, paladio sobre SiO_{2} (Aerolyst, Degussa). La distribución de tamaño de partícula del catalizador granular soportado era 1,0-1,4 mm.
Se usó una disolución acuosa de nitrato de paladio para cargar el soporte. Se colocaron 50 g del material de soporte en un recipiente de revestimiento y se vertió en él una disolución de 200 g de agua y 270 mg de nitrato de paladio mientras giraba el recipiente. El soporte revestido se secó al aire a 170ºC durante 12 horas. El catalizador se redujo a continuación en el reactor con hidrógeno (< 10 vpm de O_{2}) a 100ºC durante 2 h.
La tabla 1 a continuación muestra los resultados de los ejemplos B 1.1 a B 1.5 según la invención y los ejemplos de referencia VB 1.1 a VB 1.5. El H_{2}O_{2} equivalente se da como medida de la hidrogenación como una función del período de operación.
TABLA
No. Periodo de operación (h) H_{2}O_{2} equivalente (g/l)
VB 1.1 1 9,1
VB 1.2 21 4,3
VB 1.3 43 2.2
VB 1.4 120 0,7
VB 1.5 146 0,5
B 1.1 2 7,9
B 1.2 23 5,8
B 1.3 42 4,9
B 1.4 119 3,8
B 1.5 145 3,6
Los ensayos muestran que para el periodo de operación seleccionado, el H_{2}O_{2} equivalente de la realización según la invención permanece virtualmente constante después de una pérdida inicial de actividad. Con la realización previamente conocida, en otras palabras, la hidrogenación sin una cantidad de oxígeno activo según la invención, la pérdida de actividad es muchas veces mayor y no se consigue un valor constante, continuando la pérdida de actividad hasta la desactivación completa.
Ejemplos de referencia 2.1 a 2.5
Estos ejemplos se llevaron a cabo del mismo modo que el ejemplo de referencia 1, aunque se añadió una disolución de trabajo oxidada no extraída a la disolución de trabajo extraída antes de la etapa de hidrogenación, de modo que la mezcla tuviera un H_{2}O_{2} equivalente en el intervalo de 0,5 a 0,3 g/l. Los resultados se muestran en la Tabla 2.
TABLA 2
No. Periodo de operación (h) H_{2}O_{2} equivalente en el receptor H_{2}O_{2} equivalente después de la
(g/l) hidrogenación (g/l)
VB 2.1 1 0,5 9,7
VB 2.2 23 0,5 7,7
VB 2.3 47 0,4 6,3
VB 2.4 119 0,5 3,5
VB 2.5 143 0,3 2,8
Estos ejemplos de referencia muestran que aunque la adición de H_{2}O_{2} a la disolución de trabajo que se va a hidrogenar mejora el tiempo de residencia del catalizador, el efecto es mucho menor que el obtenido por el procedimiento según la invención y, una vez más, el procedimiento previamente conocido usa H_{2}O_{2} previamente formado.

Claims (8)

1. Un procedimiento para la producción de peróxido de hidrógeno por el procedimiento de la antraquinona, que comprende una etapa de hidrogenación, en la que derivados de antraquinona contenidos en una disolución de trabajo se hidrogenan con un gas que contiene hidrógeno en presencia de un catalizador de hidrogenación, una etapa de oxidación, en la que los derivados de antrahidroquinona formados en la etapa de hidrogenación se reconvierten en derivados de antraquinona con un gas que contiene oxígeno, en particular aire, con la formación de peróxido de hidrógeno, el aislamiento del peróxido de hidrógeno de la disolución de trabajo oxidada y la devolución de la disolución de trabajo a la etapa de hidrogenación,
caracterizado porque,
la hidrogenación se lleva a cabo en presencia de oxígeno molecular (O_{2}) añadido, en una cantidad por lo menos de 0,02 mmol de O_{2} por mol de H_{2}, que está por debajo del límite de explosión en las condiciones de hidrogenación, y se introduce en la etapa de hidrogenación en la forma de un gas que contiene oxígeno.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque,
se alimenta oxígeno molecular o aire solo, o mezclado con el gas de hidrogenación que contiene hidrógeno o un gas inerte al reactor de hidrogenación en uno o más puntos.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque,
la disolución de trabajo de la etapa de extracción se pone en contacto con oxígeno molecular o aire antes de entrar en el reactor de hidrogenación disolviendo y/o dispersando de este modo el oxígeno en la disolución de trabajo.
4. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque,
se alimenta al reactor de hidrogenación de 0,1 a 20 mmol, en particular de 0,5 a 10 mmol de oxígeno molecular por mol de hidrógeno.
5. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque,
se usa un gas que contiene hidrógeno con un contenido de oxígeno de 100 a 5000 partes por millón en volumen como gas de hidrogenación.
6. Un procedimiento según las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque,
la hidrogenación se lleva a cabo en un reactor de lecho fijo con una LHSV (velocidad espacial horaria en volumen) de la carga líquida de 0,1 h^{-1} a 20 h^{-1}.
7. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque,
se usa un catalizador de lecho fijo que contiene un metal precioso, en particular que contiene paladio, de partículas con un diámetro medio de 0,5 a 20 mm.
8. Un procedimiento según la reivindicación 6 o 7,
caracterizado porque,
el reactor de lecho fijo se hace funcionar como lecho de goteo.
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