JP2010515653A - 水素−酸素のミキサー−スパージャー - Google Patents

Abstract

過酸化水素を生成させるための装置が開示されている。本発明の装置は、気泡クラウドを移送する液体を生成させることで大量の過酸化水素の製造を可能にする。過酸化水素を生成させるためには、極めて小さな体積を有する気泡を、反応器ベッド上を流れる前に生成させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、過酸化水素の製造に関し、さらに詳細には、過酸化水素の大規模製造に関する。

現在、最も広く実施されている工業的規模の過酸化水素製造法は、アルキルアントラキノンを作用物質として使用する水素と酸素との間接的な反応による方法である。最初の接触水素化工程において、アルキルアントラキノン〔有機溶媒（例えば、ジイソブチルカルビノールやメチルナフタレン）を含む作用溶液中に溶解〕をアルキルアントラヒドロキノンに転化させる。別の自動酸化工程においてこの還元化合物を酸化して、アルキルアントラキノンを再生し、過酸化水素を生成させる。引き続き、水性抽出操作、精製操作、及び濃縮操作による分離を行って、商業用等級の生成物を得る。

このようなＨ_２Ｏ_２製造のための間接的ルート（キャリヤー媒体を還元し、次いで酸化する）は、全体としては、複雑さが増し、高い設備コストと高い運転コストを必要とする。１つの顕著な欠点は、過酸化水素生成物を分離するために使用される水性抽出媒体に対するアルキルアントラキノンの溶解性がかなり高いという点である。このため作用溶液の損失が助長され、過酸化水素が輸送に適したレベルに濃縮されたときに、過酸化水素と反応しやすい有機化学種による過酸化水素生成物の汚染が引き起こされる。第２の問題点は、アルキルアントラキノン作用溶液に対する水性抽出溶液の溶解性に関するものである。湿潤作用溶液が、間接的な酸化段階へ再循環すべく水性相から分離されると、有機溶液内の残留水性相“ポケット”は、過酸化水素生成物が危険になる程度にまで濃縮される領域をもたらす。第３の問題点は、水性流れ中に有機汚染物が含まれない少量の過酸化水素が必要とされる場合の有機化合物の使用量と回収に関する問題である。

アルキルアントラキノンによるルートよりはるかに単純で経済的なのが、水素ガス供給流れと酸素ガス供給流れからの過酸化水素の直接合成である。この方法は、米国特許第４，８３２，９３８Ｂ１号及び他の文献に開示されているが、商業化に向けた試みの中で、該方法に内在する固有の爆発危険性のために、工場災害を引き起こした。すなわち、標準温度及び標準圧力での、酸素−水素気体混合物中における水素の爆発濃度は４．７〜９３．９容量％である。このように爆発濃度の範囲は極めて広い。

さらに、この気体混合物を窒素のような不活性ガスで希釈しても、２種の気体の下限濃度（不活性ガスを含まない場合を基準として）はほとんど変わらない、ということが知られている。圧力変化（０．１〜２０ＭＰａ）と温度変化（０〜１００℃）の通常範囲内では、爆発範囲は殆ど変わらないことが知られている。さらに、これらの反応物が、可燃性範囲の範囲外の比率で均一な状態で一緒にされたときでも、純粋な成分から均一な状態が確立される場合に、必然的に可燃性範囲を少なくとも一時的に通過する。これらの理由から、水素と酸素の直接的な接触に伴う爆発危険性は、簡単には軽減されない。

酸素と水素を直接接触させる技術分野においては、液相中での反応を含むように幾らかの努力も行われた。例えば米国特許第５，９２５，５８８Ｂ１号は、水性液相中で最適性能が得られるように、改質された疎水性／親水性担体を有する触媒を使用することを開示している。さらに、米国特許第６，０４２，８０４Ｂ１号は、急速に流れる酸性の水性液体媒体（触媒を含有）中に水素と酸素の微小なバブルを分散させることを開示している。しかしながら残念なことに、水素反応物と酸素反応物は、これらの特許文献に開示されている水性反応溶媒に対してほんのわずかの溶解性しか示さない。

他の特許文献、すなわち米国特許第４，３３６，２４０Ｂ１号と米国特許第４，３４７，２３１Ｂ１号は、均一系触媒が有機相中に溶解した二相反応系を開示している。これら２つの特許文献のうちの前者に記載されているように、均一触媒系は一般に商業的利用を妨げるような欠点を有する。不利な特性としては、反応条件下での触媒安定性が良くないこと、反応媒体に対する触媒の溶解性が限られていること、及び過酸化水素の生成に対する反応速度が低いことなどが挙げられる。さらに、二相液体反応系より上方の気体のＨ_２／Ｏ_２含有環境は、液相中に溶解しているこれら反応物の平衡濃度を維持している。従って、反応液体より上方の該気体雰囲気は、必ず可燃性範囲の外側でなければならず、このため液相中の可能な反応物モル比の範囲が大幅に制限される。

水中で過酸化水素を製造するための２つのタイプの反応器がある。第１の反応器は、流動する液相中に気泡と触媒が分散されるスラリー反応器である。この方法は、混合に対して有利であって、良好な熱伝達と物質移動をもたらすが、高価な触媒を大量に必要とすることに加えて、触媒の回収と再循環が必要となる。第２の反応器は、気体と液体が触媒の充填層上を流れるトリクルベッド反応器である。トリクルベッド反応器の主な欠点は、気体が連続相であり、従って水素と酸素が危険な状態に入り込まないように小さな流路サイズ、従って小さな粒子サイズを必要とする、という点である。

米国特許第４，８３２，９３８号明細書 米国特許第５，９２５，５８８号明細書 米国特許第６，０４２，８０４号明細書 米国特許第４，３３６，２４０号明細書 米国特許第４，３４７，２３１号明細書

環境面からより安全な方法を得るために過剰の化学物質を使用する必要のない、そして廃棄物流れを生成することのない、必要に応じて大量の過酸化水素を製造するための装置と方法を入手することが有用である。

現在の過酸化水素製造法の欠点を解消するための１つの方法は、大量の水素ガス／酸素ガス混合物を小さな気泡の液体中分散相の形で生成させる、という方法である。本発明は、水素と酸素の混合物を極めて小さな気泡として生成させるための装置を提供する。本発明の装置は、第１のプレートが、第１の気体を移送するための、第１のプレート中に画定された主要流路と複数のより小さな流路を有し、そして第２のプレートが、第２の気体を移送するための、第２のプレート中に画定された主要流路と複数のより小さな流路を有する、という一対のプレートを含む。該プレートは、積み重ねると、第２のプレートのより小さな流路において第１の気体流れと第２の気体流れとの混合が可能となり、従って気体混合物が液体流れ中に小さな気泡として存在するようになる。

別の実施態様では、装置は、より小さな流路を抜け出す気泡を運ぶための液体流れを供給する冷却プレートを含む。該冷却プレートを、第１と第２の気体分配プレートと共に、第１のプレート、第２のプレート、そして冷却プレートとなるように繰り返して積み重ねる。

さらに別の実施態様では、装置は、水素と酸素を含有する気泡と液体から過酸化水素を生成させるための反応器を含む。その設計構造は、気泡クラウドを運ぶ液体が反応器上を流れ、ここで気泡クラウドがより大きな気泡に凝集できないようになっており、従って反応器の安全な運転が可能となる、というものである。

本発明の他の目的、利点、及び応用は、下記の詳細な説明と図面から当業者には明らとなるであろう。本発明のさらなる目的、実施態様、及び詳細は、下記の本発明の詳細な説明から得ることができる。

図１は、ミキサー用の第１のプレートの設計構造を示す。 図２は、ミキサー用の第２のプレートの設計構造を示す。 図３は、ミキサーの第１のプレート、第２のプレート、及び、これらのプレートを通る流れの略図である。 図４は、ミキサー用の冷却プレートの設計構造を示す。 図５は、気体と液体がスパージャー中を流れている状態での、組み立てスパージャーの略図である。 図６Ａは、環状構造を有するミキサー用の第１のプレートの設計構造の上面図である。 図６Ｂは、環状構造を有するミキサー用の第１のプレートの設計構造の断面図である。 図７Ａは、環状構造を有するミキサー用の第２のプレートの設計構造の上面図である。 図７Ｂは、環状構造を有するミキサー用の第２のプレートの設計構造の断面図である。 図８は、ミキサーの第１のプレート、第２のプレート、及び、これらのプレートを通る流れの略図である。 図９Ａは、環状構造を有するミキサー用の冷却プレートの設計構造の上面図である。 図９Ｂは、環状構造を有するミキサー用の冷却プレートの設計構造の断面図である。 図１０は、図５のスパージャー設計構造を使用するラジアル反応器の設計構造の図である。 図１１は、過酸化水素を生成させるためのスパージャーと反応器の工程の模式図である。 図１２は、向流流れを使用する過酸化水素反応器の工程の模式図である。 図１３は、過酸化水素反応器用のハイブリッド設計構造の模式図である。

本発明は、水素と酸素を水中で大規模に混合して過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を生成する反応を起こさせるための装置を含む。過酸化水素の製造をスケールアップする際の問題点は、大量の水素／酸素混合物をもたらす量の生成である。これは、潜在的に危険な状況である。従って、水中への速やかな溶解と反応によって過酸化水素が得られるように、大量の水素／酸素混合物を、小さな気泡の水中分散相の形で生成させることが望ましい。大規模使用に適したミキサーの新たな設計構造が提供される。

１つの実施態様においては、装置が一連のプレートを含み、ここで、各プレートがプレート中に形成された流路を有し、プレートが互いに結合されている。流路を作製するための手段としては、エッチング、プレス、スタンピング、及びフライス削り（ｍｉｌｌｉｎｇ）などがあり（これらに限定されない）、当業界でよく知られている。プレートを結合させるための手段は当業界でよく知られており、拡散接合を使用する方法、ろう付けを使用する方法、及び溶着を使用する方法などがあるが、これらに限定されない。配列はプレートが対になっていることが好ましく、このときプレートは、交互の順序で積み重ねられている。図１に示すように、一対のプレートのうちの第１のプレート１０は、第１の側、反対側、第１のエッジ、第２のエッジ、第３のエッジ、及び第４のエッジを有する。プレート１０は、入口１４を有する主要流路１２、及びプレート１０の一方の側に複数の出口１６を有する。主要流路は、プレート１０を通り抜けることなく、プレート中にエッチング、プレス、スタンピング、又はフライス削りされている。第１のプレート１０はさらに、プレート１０の同じ側に複数のより小さな流路１８を主要流路１２として有し、このとき、より小さな流路１８のそれぞれが、主要流路１２からの対応した出口と流体連通状態にある入口を有する。より小さな流路１８はそれぞれ、プレート１０を通って反対側にまで伸びている出口２０を有し、従ってプレートの反対側に一連のスリットがつくり出される。この特定の実施態様では、より小さな流路１８がプレート１０のエッジにまでは伸びていないが、他の実施態様では、流路がプレート１０のエッジにまで伸びてよい。

本実施態様はさらに、図２に示すように、一対のプレートのうちの第２のプレート３０を含み、第１の側、反対側、第１のエッジ、第２のエッジ、第３のエッジ、及び第４のエッジを有する。プレート３０は、入口３４を有する主要流路３２、及びプレート３０の一方の側に複数の出口３６を有する。主要流路は、プレート３０を通り抜けることなく、プレート中にエッチング、プレス、スタンピング、又はフライス削りされている。第２のプレート３０はさらに、プレート３０の同じ側に複数のより小さな流路３８を主要流路３２として有し、このとき、より小さな流路３８のそれぞれが、主要流路３２からの対応した出口３６と流体連通状態にある入口を有する。より小さな流路３８はそれぞれ、第２のプレート３０の一方のエッジに開いている出口４０を有する。主要流路３２と同様に、より小さな流路３８も、プレート３０を通って反対側にまでは伸びていない。

２つのプレート１０と３０はそれぞれ、同じ数のより小さな流路１８と３８を有し、流路１８はそれぞれ対応する流路３８を有する。プレート１０と３０を積み重ねると、対応するより小さな流路１８と３８が、第１のプレートのより小さな流路１８の出口２０が第２のプレートの対応する流路３８と流体連通状態になるように整列する。第１のプレートのより小さな流路１８は、第２のプレートのより小さな流路３８中で終点となる出口２０を有する。第１のプレートのより小さな流路１８の出口２０より下流の、第２のプレートのより小さな流路３８の部分が、２つの流路１８と３８から流入する気体が混ざり合うための領域を提供する。第２のプレートのより小さな流路３８におけるこの部分の長さは、気体混合物が第２のプレートのより小さな流路の出口４０を抜け出す前に、気体の良好な混合が達成されるように選定される。

プレート１０と３０の複数の対を積み重ねて貼り合わせると、得られる実施態様は、６つの面を含んだ直角プリズム形状を有する（これによりスパージャーが形成される）。第１の面に、第１のプレートに対する主要流路１２のための入口があり、第２の面（第１の側とは反対）に、第２のプレートに対する主要流路３２のための入口があり、そして第３の面に、一連の小さな開口（第２のプレートのより小さな流路３８のための出口である）がある。これにより、主要流路１２と３２から入ってきて、より小さな流路の出口４０から混合物として抜け出す気体の良好な混合が可能となる。液体がより小さな流路の出口４０上を流れるときに、気泡のクラウドが液体中に取り込まれ、気体混合物を液体中に溶解させるための改良された物質移動が可能となる。

本発明による２種の気体の混合を表わしている模式図を図３に示す。第１の気体が、矢印１５で示されている第１のプレートの主要流路１２中に流入する。次いで第１の気体が分配され、矢印１７で示されている二次流路１８中に流入する。第１の気体が、第１のプレートの二次流路１８を出て、矢印１９で示されている第２のプレートの二次流路中に流入する。第２の気体が、矢印２５で示されている第２のプレートの主要流路３２中に流入する。次に、第２の気体が分配され、矢印２７で示されている二次流路３８中に流入する。第２の気体が、矢印１９で示されている第１の気体と混ざり合い、第２のプレートの二次流路３８中に流入する。第１の気体と第２の気体の混合物が、矢印２９で示されている第２のプレートの二次流路３８を抜け出す。

本実施態様では、主要流路１２と３２は、幅が約５０ｍｍで深さが約０．５ｍｍのサイズで形成されており、従って断面積は２５ｍｍ^２となる。より小さな流路１８と３８は、幅が約０．２ｍｍで深さが約０．２ｍｍのサイズで形成されており、従って断面積は０．０４ｍｍ^２となる。主要流路からより小さな流路への気体の良好な分配は、主要流路の断面積とより小さな流路の合計断面積との比を３以上に保つことによって達成される。本実施態様においては、最新の流路サイズは、各主要流路に対して２００を超えるより小さな流路を可能にする。より小さな流路に対して小さい流路寸法を使用すると、気体の層状混合が可能となり、燃焼を起こすことなく水素と酸素を混合する安全かつ効果的な方法であることがわかった。

この実施態様のためのより小さな流路１８と３８の特定の設計構造は、２００マイクロメートル（０．２ｍｍ）という有効直径を有している一方、より小さな流路１８と３８の流路形状と流路設計構造は、スパージャーによって混合しようとする気体の組成に基づいて制約を受ける。水素と酸素を混合するこのケースでは、より小さな流路１８と３８は、５０マイクロメートル（０．０５ｍｍ）〜３００マイクロメートル（０．３ｍｍ）〔好ましくは２００マイクロメートル（０．２ｍｍ）以下〕の有効直径を有する。

本発明の設計構造は、過酸化水素を製造すべく水素と酸素を混合するのに使用するためのものであるが、本発明はこれらの気体に限定されるのではなく、それとは逆に、本発明を使用して気体のいかなる層状混合も行うことができる。

他の実施態様においては、本発明は、図４に示すように冷却プレート５０を含む。冷却プレート５０はさらに、出口４０を出た気泡が取り込まれる液体成分を供給するための導管として機能する。冷却プレート５０は、交互の順序で、第１のプレート１０及び第２のプレート３０と共に入れ子状に重なるように（すなわち、第１のプレート１０、第２のプレート３０、冷却プレート５０、第１のプレート１０、第２のプレート３０、冷却プレート５０、等々）設計されている。

冷却プレート５０は、一連のパラレル流路５２を含むように設計されている。流路５２は、エッチング、スタンピング、プレス、フライス削り、あるいは他の方法でプレート中に作製される。流路５２は、入口５４と出口５６を有する。プレートを積み重ねると、冷却プレート５０の出口５６は、スタック構造に関して、第２のプレートのより小さな流路の出口４０と同じ側に存在する。図５は、組立スパージャー６２の略図であって、気体入口５８と６０、及び気体出口４０を示しており、液体が冷却プレートの流路５２を通って流れ、分散された気泡を含む流れが生成する。気体入口５８と６０が、個々の気体を、プレート１０と３０の対応する主要流路の入口１４と３４に誘導する。冷却プレート５０は、第３の成分（この特定の場合おいてには液体）を受け入れる。本発明において使用可能な液体としては、水、メタノール、アルコール類、及びこれらの混合物がある。好ましい液体は水である。冷却プレート５０は、冷却流路入口５４と流体連通する適切なマニホールドを介して第３の気体成分を移送するためのより小さな流路を含むように設計することができる（図示せず）。複数のスパージャー６２を、気泡の生成を増大させるべく並列配置もしくは直列配置にして使用することができる。

第３の実施態様には、上記のようなスタックであるが、冷却プレート５０を含まないものが記載されている。本実施態様には、スパージャーの出口４０を横切って液体を移送するためのマニホールド（図示せず）が含まれている。マニホールドは、より短い寸法の方向にスパージャーの出口側を横切って流れるように、流体を誘導することが好ましい。マニホールドは、別々の流路を作り出すように仕切ることができ、これにより流れが分離され、そしてさらに、液相中において移送される気泡の合流が防止される。

環状の実施態様においては、装置が一連のプレートを含み、このとき各プレートが環状の配置構成を有する。第１の実施態様の場合と同様に、配列は、交互の順序で積み重ねられた複数対のプレートで構成されている。図６Ａと６Ｂは、第１の環状プレート７０の上面図と断面図を示している。図６Ａと６Ｂに示されているように、プレート対の第１のプレート７０は、上側、下側、内端、及び外縁を有する。プレート７０は、少なくとも１つの入口７４をプレート７０の外縁に、そして複数の出口７６をプレート７０の上側に配置した主要流路７２を有する。第１のプレート７０はさらに、主要流路７２と同じ側に複数のより小さな流路７８を有しており、このときより小さな流路７８はそれぞれ、主要流路７２からの対応する出口７６と流体連通している入口を有する。より小さな流路７８はそれぞれ、プレート７０を通ってプレートの底部に伸びている出口８０を有し、これによりプレート７０の底部に一連のスリットが作り出される。本実施態様では、より小さな流路７８はプレート７０の内端に伸びていない。

環状物の実施態様はさらに、図７Ａと７Ｂに示すように、一対のプレートの第２のプレート９０を含み、第２のプレート９０は、上側、下側、内端、及び外縁を有する。図７Ａと７Ｂは、第２の環状プレート９０の上面図と断面図である。プレート９０は、プレート９０の一方の側に、入口９４と複数の出口９６とを有する主要流路９２を有する。第２のプレート９０はさらに、主要流路９２と同じ側に複数のより小さな流路９８を有し、このときより小さな流路９８はそれぞれ、主要流路９２からの対応する出口９６と流体連通している入口を有する。より小さな流路９８はそれぞれ、第２のプレート９０の内端にて開いている出口１００を有する。主要流路９２の場合と同様に、より小さな流路９８は、プレート９０を通って反対側に伸びていない。第２のプレート９０のより小さな流路９８の部分が、流路７８と９８からの気体が、出口１００を抜け出す前に混ざり合う領域を提供する。

第１の実施態様の場合と同様に、プレートは、エッチング、スタンピング、フライス削り、プレス、あるいは当業界に公知の方法によって作製される。

本実施態様においては、プレートを積み重ねることでパイプ状構造物が形成され、このとき液相が構造物の中央部を流れ落ちる。出口１００を抜け出す混合気体が液相中に分散され、構造物の長手方向に沿っての下方に移送される。プレートの対（７０と９０）を積み重ねて貼り合わせると、得られる実施態様はドーナツ状構造物であり、外側面と内側面を有するスパージャーが形成される。外側に、プレートのための主要流路７２と９２に対する入口があり、内側に、第２のプレートのより小さな流路９８に対する出口１００である一連の小さな開口がある。プレートのスタックの内側面によって形成される流路を液体が流れ落ちる。液体がより小さな流路の出口１００上を流れるときに、気泡のクラウドが液体中に取り込まれ、気体混合物を液体中に溶解させるための改良された物質移動がもたらされる。

図８は、本発明による２種の気体の混合を示す模式図である。第１の気体が、矢印７３で示すように、第１のプレートの主要流路７２中に流入する。次いで第１の気体が、矢印７５で示すように、第１のプレートの二次流路７８中に流入する。第１の気体が、図６Ｂに示すように、出口８０を介して第１のプレートの底部を出て、矢印７７で示される第２のプレートの二次流路９８中に流入する。第２の気体が、矢印９３で示すように、第２のプレートの主要流路９２中に流入する。次いで第２の気体が、矢印９５で示すように二次流路９８中に流入する。第２の気体が、第２のプレートの二次流路９８において、第１のプレート７０からの第１の気体流れ７７と混ざり合う。第１の気体と第２の気体との混合物が、矢印９７で示すように、第２のプレートの二次流路９８を抜け出す。

別の実施態様では、本発明はさらに、図９Ａと９Ｂに示すように、環状の冷却プレート１１０を含み、この冷却プレートは、出口１００を気泡として抜け出す気体混合物を液相が移送するための導管としても機能する。図９Ａと９Ｂは、冷却プレート１１０の上面図と断面図である。冷却プレート１１０は、液体のための主要流路１１２を含む。主要流路１１２は、少なくとも１つの入口１１４と複数の出口１１６を含む。冷却プレート１１０はさらに、複数のより小さな分配流路１１８を含み、このときより小さな流路１１８がそれぞれ、主要流路の出口１１６に対応する入口及び出口１１９を有する。冷却プレート１１０は内端と外縁を有しており、出口１１９は、より小さな流路１１８を抜け出す液体を分配するよう、内端を囲むように配置されている。

本実施態様では、プレート７０、９０、及び１１０を交互の順序で積み重ねると、内部導管を有するパイプ状構造物（図示せず）が形成され、この導管に沿って、気体混合物と液体のための交互の開口タイヤが含まれる。

別の実施態様では、装置はさらに反応器ベッドを含む。装置は、液体供給物をガススパージャー上に移送するための導管を含み、このとき液体は、スパージャーの出口と流体連通している。液体は、スパージャーの出口を通り過ぎた後は、気泡クラウドを移送する液体となる。反応器ベッド（図示せず）は、液体を運ぶ気泡クラウドと流体連通している入口、及び出口を有する。

本発明のスパージャー−反応器組み合わせ物の１つの実施態様では、複数のスパージャー６２（図５に示す）がドーナツ形状の反応器コア１２０の周りに配列されており（図１０に示す）、これによりスパージャー−反応器ユニット１２８が作り出される。スパージャー６２の一連の流路出口４０は、本実施態様では、触媒を所定の場所に保持する効果的なスクリーンとして機能し得るくらいに小さい。より大きな流路出口４０を有するスパージャー６２の場合は、任意的な構成としてのスクリーン（図示せず）が使用される。スパージャー−反応器ユニット１２８は、反応器コア１２０の内側面上に内部スクリーン１２２を含む。スクリーン１２２により、反応器コア１２０が採集スペース１２４から隔離され、ここで採集スペース１２４は、反応器における内部スクリーン１２２と内壁１２６によって画定されるスペースである。スクリーン１２２はさらに、反応器の粒子を所定の場所に保持するための手段として機能する。内壁１２６は、反応器内部の管によってもたらされ、過酸化水素を含有する液体を採集しつつ、圧力低下を最小限に抑えるようなサイズで形成される。必要に応じて、管が省略され、内部スペース１２４は、内部スクリーン１２２によって画定されるスペースである。この反応器集成体は、幾つかの利点をもたらす。ラジアル反応器を使用すると、小粒径を使用するトリクルベッド反応器に関連する圧力低下という制約に打ち勝つことができる。トリクルベッド反応器に場合の小さな粒径は、水素／酸素混合物のための気体スペースが大きくなるのを防ぐために必要である。ラジアル反応器の設計構造では、反応器ベッド１２０をより簡単な取り替えることが可能である。スパージャー６２の設計構造は、気体をより大きな気泡に凝集させることなく、小さな気泡を移送する液体を反応器ベッド１２０中に速やかに分配する。そして、スパージャー−反応器ユニット１２８は製作が容易であり、幅広い流量範囲をカバーする簡便なスケールアップのためのモジュールとして容易に組み立てることができる。

反応器ベッドは、水素と酸素から過酸化水素を生成させるための触媒を含む。触媒は、担体上にデポジットされた少なくとも１種の触媒金属成分を含み、このとき触媒金属成分は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、及び金（Ａｕ）からなる群から選択される。触媒は、２種の金属の混合物を含むことが好ましい。１つの実施態様では、触媒は、上記金属から選択される少なくとも１種の金属を担体上に含む。担体材料は、触媒をデポジットさせることができる任意の不活性物質であり、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭素、炭化ケイ素、シリカ−アルミナ、珪藻土、クレイ、及びモレキュラーシーブなどがあるが、これらに限定されない。担体は、反応が進行するように、より大きい表面積をもたらす多孔質物質であることが好ましい。

スパージャー−反応器は、必要に応じてユニットとして作製することができ、過酸化水素を生成させるために複数のユニットが使用される。

過酸化水素反応器の１つの実施態様においては、装置は、図１１に示すように、少なくとも２つのスパージャー−反応器段階を含む。スパージャー−反応器ユニット１２８は液体供給物１３０、水素供給物５８、及び酸素供給物６０を有する。水素と酸素がユニット１２８内のスパージャーに入り、液体中に分散され、ユニット１２８内の反応器ベッド上を流れる。スパージャー−反応器ユニット１２８は、残留気泡を移送する液体流れを含む生成物出口１３２を有する。生成物流れが気体−液体分離ユニット１３４に入り、ここで残留ガスが捕集され、液体から分離される。幾らかの過酸化水素を含有する液体流れがさらに、その次のスパージャー−反応器ユニット１２８に送られる。残留気体は、排出されるか又はプラントの他の部分に送られ、燃焼もしくは他の目的に使用することができる。気体−液体分離ユニット１３４は、必要に応じて、気体捕集ゾーンと流体連通しているガス入口を含む。このガス入口により、排出される水素−酸素混合物を希釈すべく気体を加えることが可能となる。希釈用ガスは、窒素等の不活性ガスであってよい。複数の段階を使用することの利点により、いずれの反応器においてもガス対液体の高い比率を必要とすることなく、高濃度の過酸化水素を液体状態で得ることが可能となる。このことが、気泡の凝集を制限することによって大きな気体体積の形成を防ぎつつ、気体が液体中に気泡クラウドとして生成させることを容易にする。それぞれの反応器段階への酸素−水素の流れは、１の体積比又は化学量論比を有することが好ましい。

過酸化水素反応器の他の実施態様では、図１２に示すように、装置が、向流の流動反応器設計構造中に少なくとも２つのスパージャー−反応器段階を含む。向流の流動反応器設計構造では、最後の反応器ユニット１２８ａが、前の反応器ユニット／気体−液体分離器からの液体供給流れ１３６を有し、水素５８と酸素６０が、酸素対水素の高い体積比でスパージャーに送られる。生成物流れが気体−液体分離器１３４において分離され、ここで酸素高含量気体が、前の反応器１２８ｂのためのスパージャーに誘導される。前の反応器１２８ｂは同様に、それより前の反応器１２８ｃからの液体供給流れ、水素５８、及びその後の反応器１２８ａからの酸素高含量ガス流れ１３８からの酸素を受け取る。このプロセスが、第１の反応器１２８に戻る方向で繰り返される。向流の流動反応器の設計構造は、最後の反応器の段階において気相中での高い酸素対水素体積比を可能にする。最後の段階において過剰の酸素濃度で操作すると、過酸化水素に対する選択性が高くなる。このプロセスを使用すると、気体中の酸素対水素体積比は、プロセスがある１つの反応器から次の反応器に進行するにつれて増大する。最後の反応器については、２〜１０の酸素対水素体積比を有することが望ましく、最初の反応器については１の酸素対水素体積比を有することが望ましい。これにより、それぞれの反応器段階において気体対液体の体積流量比が低いという利点、及び後方の反応器段階において酸素濃度が高いという利点を保持しつつ、全体として高い酸素転化率を得ることができる。

反応器の別の実施態様（図示せず）では、反応器は、単純化されたバージョンの向流設計構造を有するである。これを擬似向流反応器設計構造と呼ぶ。フロー・スキームは、酸素対水素の体積流量比が１〜２０の範囲で変わり、この比は、最初の反応器段階での１から最後の反応器段階での１〜２０の比まで増大する点を除いて、図１１に関して説明されているものと同様である。最終的な比は２〜４であることが好ましい。

別の実施態様では、反応器は、図１３に示すようなフロー・スキームを有する。フローは、液相に対して再循環流れを加えていること以外は、図１１に関して説明したフローと同様である。最後の反応器１２８ａからの液体生成物流れの一部が、ポンプ１４０を通して最後の反応器段階１２８ａの入口に再循環される。再循環流れの使用は、酸素対水素の体積比が、最後の反応器１２８ａについて２より大きい場合にのみ使用すべきである。この実施態様に対する変更点として、再循環流れを、最後の反応器１２８ａより上流の反応器の入口に送ることができるが、その反応器は、最後の反応器１２８ａに近い反応器の１つでなければならない。

１つの実施態様（図示せず）ではさらに、複数の反応器段階を通じての触媒の移動が可能である。過酸化水素生成用触媒の選択性は、触媒が不活性化されるにつれて高くなることが明らかになっている。後方の反応器においてより高い選択性を有することが望ましいので、触媒をある反応器ユニット１２８から次の反応器ユニット１２８に移動させつつ、フレッシュな触媒を最初の反応器ユニット１２８に加えるような反応器設計物が有利である。こうした反応器を設計する方法の１つは、最初の反応器ユニット１２８を最上位にして、その下に後続の反応器段階を積み重ねていくように反応器ユニット１２８を積み重ねるという方法である。次いで最上位の反応器ユニットに触媒を加え、反応器ユニット内の触媒が連続した下流の反応器ユニットに移行し、最後の反応器ユニットから触媒を抜き取って分離する。

本実施態様は、低い気体対液体の体積流量比を使用できるようにする。従って、液相中での安定な気泡クラウドの形成、及び高濃度の過酸化水素の生成が可能となる。さらに、反応器ユニットを直列で使用することで、運転状態のより十分な制御、及び過酸化水素の生成に対する選択性を改善することが可能となる。

現時点で好ましい実施態様であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示されている実施態様に限定されず、特許請求の範囲内に含まれる種々の改変物や均等な配置物を包含することは言うまでもない。

１０：第１のプレート
１２：主要流路
１４：入口
１６：出口
１８：二次流路
２０：二次流路出口
３０：第２のプレート
３２：主要流路
３４：入口
３６：出口
３８：二次流路
４０：二次流路出口
５０：冷却プレート
５２：流路
５４：入口
５６：出口
５８：気体入口（水素供給物）
６０：気体入口（酸素供給物）
６２：ガススパージャー
７０：第１のプレート
７２：主要流路
７４：入口
７６：出口
７８：二次流路
８０：二次流路出口
９０：第２のプレート
９２：主要流路
９４：入口
９６：出口
９８：より小さな流路
１００：出口
１１０：冷却プレート
１１２：流路
１１４：入口
１１６：出口
１１８：より小さな分配流路
１１９：出口
１２０：環状反応器ベッド
１２２：触媒保持スクリーン
１２４：生成物導管
１２６：スパージャー
１２８：スパージャー−反応器ユニット
１２８ａ：最後の反応器ユニット
１２８ｂ：前の反応器ユニット
１３０：液体供給物
１３２：生成物出口
１３４：気体−液体分離ユニット
１４０：ポンプ

Claims (10)

1. ２種のガスを混合するための装置であって、
   入口（１４）と複数の出口（１６）を有する第１の気体の主要流路（１２）及び第１の気体の複数の二次流路（１８）を画定する少なくとも１つの第１のプレート（１０）、ここで、該第１の気体の二次流路のそれぞれが、対応する第１の気体の主要流路出口と流体連通している入口及び第１の気体の二次流路出口（２０）を有する；並びに、
   入口（３４）と複数の出口（３６）を有する第２の気体の主要流路（３２）及び第２の気体の複数の二次流路（３８）を画定する少なくとも１つの第２のプレート（３０）、ここで、該第２の気体の二次流路のそれぞれが、対応する第２の気体の主要流路出口と流体連通している入口及び第２の気体の二次流路出口（４０）を有する；
   を含み、
   ここで、第１の気体の二次流路出口（２０）のそれぞれが第２の気体の二次流路出口（４０）と流体連通しており、第１のプレート（１０）と第２のプレート（２０）が交互の順序で積み重ねられ、結び付けられて、第１の気体入口と第２の気体入口と混合気体の出口とを有するガススパージャー（６２）を形成することを特徴とする前記装置。
2. 二次流路出口（４０）と流体連通している複数の入口、第３の成分を流入させるための少なくとも１つの入口、及び第１の気体と第２の気体と第３の成分との混合物が出ていくための少なくとも１つの出口、を有するマニホールドをさらに含み、ここで、前記マニホールドが複数の流路を画定するプレートを含み、各流路が第１の気体の二次流路出口（４０）の少なくとも１つと流体連通しており、第２の気体の二次流路出口（４０）の少なくとも１つが、第３の成分のための少なくとも１つの入口、及び第１の気体と第２の気体と第３の成分との混合物が出ていくための少なくとも１つの出口を有する、請求項１に記載の装置。
3. 複数の流路（５２）を含む冷却プレート（５０）をさらに含み、各流路（５２）が入口（５４）と出口（５６）を有し、冷却流路の出口（５６）が第２のガスの二次流路の出口（４０）と流体連通している、請求項１又は２に記載の装置。
4. 第１のガスの二次流路（１８）の出口が第２のガスの二次流路（３８）において終点となり、第１のガスの二次流路（１８）の出口より下流の第２のガスの二次流路（３８）のセクションが、３００マイクロメートル未満の有効直径を有する混合セクションを含むことをさらに特徴とする、請求項１、２、又は３のいずれかに記載の装置。
5. 液体供給物のための入口を有する液体供給導管、ここで、前記導管は、ガススパージャー（６２）及び気泡クラウドを移送する液体のための出口と流体連通している；並びに、
   液体供給導管の出口と流体連通している入口と、反応器−スパージャーユニットを形成する出口とを有する反応器ベッド；
   をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 反応器ベッドが、担体上にデポジットされた少なくとも１種の触媒金属成分を含む触媒を含み、前記触媒金属成分が、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、及びこれらの混合物からなる群から選択され、前記担体が、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭素、炭化ケイ素、シリカ−アルミナ、珪藻土、クレイ、モレキュラーシーブ、及びこれらの混合物からなる群から選択される物質を含む、請求項５に記載の装置。
7. 内側面と外側面を有するほぼ円筒形の環状反応器ベッド（１２０）；
   触媒保持スクリーン（１２２）；及び
   生成物導管（１２４）；
   を含む反応器ベッドをさらに含み、スパージャー（６２）が内側面と外側面のうちの一方の上に配置され、触媒保持スクリーン（１２２）が内側面と外側面のうちの他方の上に配置され、生成物導管が、該触媒保持スクリーンが境界となっている表面と流体連通している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 反応器ベッドが担体上触媒を含み、前記触媒が、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、及びこれらの混合物からなる群から選択される少なくとも１種の金属を含み、前記担体が、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭素、炭化ケイ素、シリカ−アルミナ、珪藻土、クレイ、モレキュラーシーブ、及びこれらの混合物からなる群から選択される物質を含む、請求項７に記載の装置。
9. 第１のプレート（１０）と第２のプレート（３０）が矩形平面構造を有する流路を画定する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
10. 第１のプレート（７０）と第２のプレート（９０）がラジアル構造を有する流路を画定する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。

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