KR100569622B1 - 기체-액체 반응의 수행방법 및 상응하는 유동 반응기 - Google Patents

기체-액체 반응의 수행방법 및 상응하는 유동 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동 방향으로 개방되어 있는 수 개의 평행 반응 챔버(8)를 갖는 유동 반응기(1)에서 기체-액체 반응을 수행하는 방법에 관한 것이다. 공간-시간 수율(STY)은 슬릿 폭(s)에 대한 챔버 폭(b)의 비가 평균 3을 초과하며 슬릿 폭(s)이 5 내지 100㎜, 바람직하게는 5 내지 50㎜이고, s/b가 5 내지 100인 세 개 이상의 챔버를 갖는 반응기를 사용함으로써 증가시킬 수 있다. 세 개 이상의 챔버(8)를 포함하고 위의 비(s/b)를 나타내는 본 발명에 의해 제공된 유동 반응기는 바람직하게는 튜브형이고 하나 이상의 플레이트 스택(5)을 함유한다. 위의 방법은 현탁-수소화 촉매를 사용한, 안트라퀴논법에 따르는 과산화수소의 제조에 적합하다.
기체-액체 반응, 플레이트 스택, 안트라퀴논, 과산화수소, 유동 반응기, 공간-시간 수율(STY)

Description

기체-액체 반응의 수행방법 및 상응하는 유동 반응기{Method for carrying out gas-liquid reactions and corresponding flow reactor}
본 발명은 반응 성분이거나, 용해되거나 유화되거나 현탁된 형태의 반응 성분을 함유하는 액상과, 반응될 기체를 함유하는 기상을 촉매의 존재 또는 부재하에 수 개의 반응 챔버를 갖는 연속 유동 반응기로 통과시키는, 기체-액체 반응의 수행방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 안트라퀴논 공정에 의한 과산화수소 제조와 같은, 촉매적 수소화 및 산화 반응에 관한 것이다. 본 발명은 당해 공정을 수행하기 위한, 평행하게 배열되어 있는 수 개의 반응 챔버를 갖는 연속 유동 반응기를 추가로 제공한다.
기체-액체 반응은 반응기의 내용물을 순환시키거나 순환시키지 않고, 상이한 디자인의 기포 컬럼(bubble column)에서 수행할 수 있다[참조: Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry, 5th ed., Vol. B4, 276-278 (1992)]. 일반적인 유형의 기체-액체 반응의 공간-시간 수율(STY)은 상당한 정도까지 반응기의 유동 조건에 좌우된다. STY는 주류의 난류(turbulence)에 의한 물질 이동 공정을 강화시킴으로써 증가시킬 수 있다. 이는 루프(loop) 반응기에서 순환 속도를 증가시킴으로써 특정한 정도로 발생시킬 수 있다. 기포의 더 나은 분포는 스타틱스 혼합기 부재를 포함한, 반응기 삽입물, 예를 들면, 컬럼 트레이 및 패킹에 의해 달성할 수 있다. 또 다른 양태에 따라, 기포 컬럼은 평행으로 배열된, 개별적인 샤프트로 나눌 수 있다. 본 발명의 기본을 형성하는 챔버 폭과 슬릿 폭 사이의 비와 슬릿 폭 중의 어느 것도 당해 문헌으로부터 유도될 수 없다.
독일 특허공보 제10 67 783호로부터 촉매 반응을 수행하기에도 적합한, 접촉 정류 컬럼이 공지되어 있다. 컬럼은 평행 플레이트를 갖는 수 개의 컬럼부을 포함하며, 이는 주류의 방향으로 개방된 챔버를 형성한다. 예로서 제시된 10m 높이의 컬럼에 대한 플레이트 간격은 1.2㎜이다. 문헌에는 더 넓은 플레이트 간격 부분은 교시되어 있지 않다.
독일 특허공보 제10 55 501호에는, 증류용 또는 기타 물질 이동용 컬럼이 교시되어 있다. 당해 컬럼은 플레이트 스택(plate stack)을 함유한다. 기체-액체 반응용 컬럼의 용도 및 플레이트 간격에 대한 교시는 당해 문헌으로부터 유추할 수 없다.
영국 특허공보 제620 129호에는, 컬럼에 팩킹시키는 대신 증기 유동 방향과 평행하게 정렬된 플레이트를 함유하는 증류 장치가 공지되어 있다. 액체와 증기 유동은 역류한다.
독일 특허원 제195 36 971호에 따르는 유동 반응기는 주류의 방향과 실질적으로 평행한 모세관 유동 채널을 함유한다. 채널의 폭은 0.08 내지 0.4㎜이다.
기체-액체 반응기의 뚜렷한 기술적 용도는 과산화수소의 제조를 위한 안트라퀴논 공정이다[참조: Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry, 5th. ed. Vol. A 13, 447-457 (1989)]. 당해 공정의 수소화 단계에서는 가공 용액에 용해된 안트라퀴논 반응 지지물이 현탁 촉매의 존재하에 수소에 의해 안트라퀴논 형태로 변환된다. 독일 특허공보 제15 42 089호(미국 특허 제3,423,176호)에 따르면, 수소화는 연속적인, 수직의, 교대로 좁고 넓은 파이프의 구불구불한 반응 챔버의 3상 반응 시스템에서 수행한다. 수소화 속도는 반응기에서 달성되는 증가된 난류로 인해 증가한다. 그러나, 미국 특허 제4,428,923호에 교시되어 있는 바와 같이, 상승 구획과 하강 구획에서 횡단면이 동일한 튜브로 이루어진 구불구불한 튜브형 반응기를 사용하는 동일한 방법으로, 미세난류를 증가시켜, 이에 따라 공간-시간 수율에 상응하는 생산성을 증가시킬 수 있다.
난류를 발생시키는 데 필요한 에너지 이동(에너지 소산) 효율은 난류 구조에 의해 영향받는다. 에너지는 조악하고 미세한 미세난류를 통해 캐스캐이드 방식으로 파괴되며, 다중상 시스템의 실제 화학 공정은 주로 미세난류에 의해 조절된다.
현탁 촉매를 사용하는 튜브형 반응기 대신, 유럽 특허공보 제0 102 934호에 따르는 과산화수소를 제조하기 위한 안트라퀴논 공정의 수소화 단계는 또한 벌집형 촉매를 사용하여 수행할 수도 있다. 이러한 촉매는 벽이 촉매로 피복되어 있는 다수의 평행 채널을 함유한다. 협소한 채널은 미국 특허 제5,071,634호에서 주지한 바와 같이, 반드시 현저한 압력 강하를 유도하여, 수소를 가공 용액과 약하게 혼합시키고, 임의로 또한 상 분리를 유도한다. 촉매 피복된, 벌집형 부재 - 촉매 피복된 정지 혼합기 부재에도 동일하게 적용됨 - 의 단점은 당해 부재가 어렵게 막대한 비용으로만, 예를 들면, 부재를 교환함에 의해서만 재생될 수 있다는 점이다. 또 다른 단점은 벌집형 촉매 지지체의, 편리하게는 세라믹 물질로 제조된 내부 영역으로부터 외부로 열을 부적합하게 이동시킨다는 것이다. 촉매 반응 및 열 제거 영역은 따라서 서로 분리된다. 이는 열을 제거하는 데 추가의 장치가 필요하도록 한다.
미국 특허 제5,071,634호에 따르는 H2O2 제조를 위한 안트라퀴논 공정에서는, H2가 발포되는 가공 용액을, 촉매로 피복된 수 개의 배플 플레이트를 갖는, 길고 협소한 정지 혼합기 영역으로 통과시킨다. 정지 혼합기 영역은, 유동의 전체 횡단면에 걸친 분포 및 냉각된 외부 벽으로의 열의 우수한 이동으로 인하여 H2 기포와 가공 용액과의 우수한 혼합을 보장하지만, 높은 압력 강하로 인하여 에너지를 더 많이 사용할 필요가 있다. 또한, 정지 혼합기 부재는 공정을 현탁 촉매를 사용하여 작동시켜야 하는 경우에 사용될 수 없는데, 이는 유동의 종방향 및 횡방향으로 정렬된 정지 혼합기의 배플 플레이트가 촉매를 가라앉도록(침강) 하기 때문이다.
유럽 특허원 제0 672 617호의 방법에서는, 가공 용액과 수소의 혼합물을 촉매 고정상을 통하여 상부에서 기저까지 비교적 고속으로 통과시킨다. 당해 문헌의 도 2에 따르면, 반응기는 촉매 입자가 사이에 포함된 두 개의 네트로 이루어진 수직 플레이트를 가질 수 있다. 촉매와 네트는 반응기 횡단면의 약 30%를 차지하여, 횡단면의 대부분이 유동하는 기체-액체 분산액을 함유하지 않고 존재한다. 플레이트는 투과성이어서 이러한 플레이트의 좌우의 가공 용액의 지속적인 교환이 촉매 반응의 예비 조건으로서 가능해야 한다. 이의 단점은, 일반적으로 수소가 과량으로 사용되므로 후자가 재순환되어야 한다는 것이다. 촉매의 제한된 농도로 인하여, 반응기 용적 및 이에 따른 고가의 가공 용액의 억류(hold-up)가 증가한다.
본 발명의 목적은 반응기의 장치 디자인을 통하여 공지된 튜브형 연속 유동 반응기를 사용하는 경우보다 더 높은 공간-시간 수율을 유도하는 기체-액체 반응을 수행하는 방법을 밝히는 것이다. 반응기는 가능한 한 단순한 구조를 가져야 하고, 현탁 촉매와 같은 액체 매질에 현탁된 고체의 존재하에 기체-액체 반응을 수행하는 데 적합해야 한다. 또 다른 목적에 따라, 현탁 촉매를 사용하여 과산화수소를 제조하기 위한 안트라퀴논 공정의 STY는 공지된 구불구불한 튜브형 반응기를 사용하는 방법과 비교하여 증가되어야 한다.
반응 성분이거나, 용해되거나 유화되거나 현탁된 형태의 반응 성분을 함유하는 액상과, 반응될 기체를 함유하는 기상을, 촉매의 존재 또는 부재하에 서로 평행하게 배열되어 있고 동일한 유동 방향으로 디자인되며 슬릿 폭(s)에 대한 폭(b)의 비가 평균 3을 초과하는 세 개 이상의 슬릿형 반응 챔버를 갖는 연속 유동 반응기로 동시에 통과시켜 기체-액체 반응을 수행하는 방법으로서,
반응 챔버의 슬릿 폭(s) 범위가 5 내지 100㎜인 연속 유동 반응기를 사용함을 특징으로 하는 방법이 밝혀졌다.
종속항은 안트라퀴논 공정으로 과산화수소를 제조하는 방법 및 이의 용도의 바람직한 양태에 관한 것이다. 사용되는 특히 바람직한 튜브형 반응기의 비(b/s)의 범위는 통상적으로 5 내지 100, 특히 10 내지 50이고, 슬릿 폭(s)의 범위는 5 내지 100㎜, 특히 5 내지 50㎜이다.
당해 공정을 수행하기에 적합한 연속 유동 반응기는 튜브형 또는 용기형 반응기 벽, 반응 성분을 도입하기 위한 유입구, 반응된 반응 혼합물을 배출하기 위한 배출구 및 서로 평행으로 배열되어 있고 동일한 유동 방향으로 디자인되며 슬릿 폭(s)에 대한 챔버 폭(b)의 비가 평균 3을 초과하는 세 개 이상의 슬릿형 반응 챔버를 포함하며, 슬릿 폭(s)의 범위는 5 내지 100㎜임을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 연속 유동 반응기에서는, 미세난류를 단순한 수단으로 발생시켜 반응을 촉진한다. 물질 관련 소산 성능(W/kg)은 대규모 난류의 거시 규모(= 발생하는 주요 난류의 최대 볼(ball)의 치수)가 증가함에 따라 감소한다는 것이 공지되어 있다. 본 발명에 따르는 반응기의 형태의 결과, 대규모의 난류를 최소화하고 소산 성능을 증가시킬 수 있다. 정의 deq = 4A/U(여기서, deq는 둥근 튜브 속의 수압 직경과 동등한 상응하는 상이한 형상의 반응 챔버의 직경이고, A는 면적에 상응하며, U는 다른 반응 챔버의 원주이다)로부터, 식 deq = 2·b·s/(b+s)(여기서, s는 거시 규모에 거의 상응하는 슬릿폭이고, b는 챔버 폭이다)은 본 발명에 따르는 슬릿형 반응 챔버와 같은 직사각형 횡단면을 따르며, s
Figure 112004036488018-pct00001
b인 경우 deq는 약 2s이다.
이러한 식은, 둥근 튜브에서와 동일한 레이놀즈 수(Reynolds number)를 갖는 슬릿형 반응 챔버에서 약 반에 불과한 거시 규모가 존재한다는 것을 말해준다. 따라서, 슬릿형 채널에서는, 튜브 다발과 비교하여, 매우 낮은 압력 강하로 동일한 소산이 달성된다. 유동 속도 뿐만 아니라, 벽 마찰도 압력 강하에 영향을 미친다. 적층 영역에 접근함에 따라, 본 발명에 따르는 반응기 내부의 압력 강하는 추가로 감소된다. 놀랍게도, 이러한 측면이 기체-액체 반응용 연속 유동 반응기의 디자인에 적용된 적이 없었다.
본 발명을 도를 참조로 하여 추가로 설명한다.
도 1은 두 플레이트 스택이 서로 90° 각도로 회전된 튜브형 연속 유동 반응기를 관통한 횡방향 단면을 도시한 것으로, 한 스택은 단순한 플레이트로 이루어져 있고, 다른 스택은 열교환기 플레이트로 이루어져 있다.
도 2a는 열교환기 플레이트 스택을 갖는 튜브형 연속 유동 반응기의 투시도를 도시한 것이다.
도 2b는 도 2a의 반응기를 관통한 횡단면도를 도시한 것이다.
도 3은 프로파일(profile) 열교환기 플레이트를 관통한 횡단면도를 도시한 것이다.
도 4는 현탁 촉매의 존재하에 수소화를 예로 들어 본 발명에 따르는 방법을 수행하는 공정 다이아그램을 도시한 것이다.
구조는 도 1의 바람직한 연속 유동 반응기를 참조로 하여 명시한다. 튜브형 연속 유동 반응기(1)는 반응기 벽(2), 유입구(3), 배출구(4) 및 반응기 튜브 안에 배열된 두 개의 플레이트 스택(5) 및 (6)을 포함한다. 각각의 스택은 평행으로 배열된 몇 개(n개)의 플레이트(7/1) 내지 (7/n)을 갖고, 이는 파이프에 대해 종방향으로 정렬되어 유동 방향으로 개방된 n+1개의 슬릿형 반응 챔버(8)를 형성한다. 도 1의 반응기에서 플레이트 스택(5)은 플레이트 스택(6)에 대하여 90°로 회전되어 있다. 슬릿 폭은 플레이트 간격(s)(도에서 플레이트(7/1)와 (7/2) 사이로 표시됨)에 상응한다. 플레이트는 구간 슬리브(9)에 의해 서로 연결되고 앵커(10)에 의해 튜브에 고정된다. 슬릿형 반응 챔버(8)는 폭(b)을 갖고, 이는 튜브의 중앙에 위치한 플레이트(7/m) 위의 플레이트 스택(6)에 플레이트 폭(b)으로 표시되어 있다. 본 발명에 필수적인 특성은, 튜브형 반응기 및 횡단면이 상이한 반응기 모두 슬릿 폭(s)에 대한 폭(b)의 비가 평균 3을 초과하고, 바람직하게는 5를 초과하며, 특히 바람직하게는 10을 초과한다는 것이다. 비(b/s)의 범위는 통상적으로 5 내지 100, 특히 10 내지 50이고, 슬릿 폭의 범위는 5 내지 100㎜, 특히 5 내지 50㎜, 특히 바람직하게는 10 내지 50㎜이다.
플레이트는 도 1의 플레이트 스택(5)에서 볼 수 있는 바와 같이 반응기 벽을 향하여 개방되어 있거나 폐쇄될 수 있다. 도 2에서 명확히 볼 수 있는 바와 같은 개방 구조의 경우, 더욱 균일한 플레이트 폭 및 이에 따른 특히 단순한 디자인에 상응하는 챔버 폭을 갖는 플레이트 스택을 디자인할 수 있다. 반응기 벽에 이르기까지, 플레이트는 둥근 횡단면을 갖는 튜브형 반응기의 경우에 반드시 상이한 폭을 가져서, 이러한 경우 비(b/s)가 슬릿 폭당 평균 플레이트 폭의 비를 나타내도록 한다.
도 1의 반응기에서 플레이트 스택(5)은 단순한 배플 플레이트(baffle plate)로 구성되는 반면, 다른 한편으로 플레이트 스택(6)은 열교환기 플레이트로 구성되어, 이로부터 또는 여기까지 가열 또는 냉각 매질이 연결부(11) 및 (12)를 통하여 공급된다. 난류를 증가시키기 위하여, 플레이트도 프로파일링된다. 반응기는 동일하거나 상이한 디자인의 하나 이상의 플레이트 스택을 가질 수 있다.
도 2a는 투시적으로, 튜브(202) 안에서 평행으로 배열된 일정한 폭의 몇 개의 열교환기 플레이트(207) 스택(205)을 갖는 부분적으로 개방된 튜브형 반응기(201)를 도시한다. 가열 또는 냉각 매질은 연결부(211) 및 (212)를 통하여 플레이트로 공급되고 플레이트로부터 공급된다. 플레이트의 평행 배열은 구간 슬리브로서 작용함과 동시에 가열/냉각 매질을 각각의 플레이트에 분배하는 데 사용하는 연결 못 또는 플레이트(209/1) 및 (209/2)에 의해 본원에서 보장된다. 도 2b에서는, 도 2a에 도시한 반응기(201)의 횡단면을 열교환기의 내부 스택(205)으로 도시한 것이며, 부호는 도 2a의 부호에 상응하다. 도 2b에서는, 플레이트 고정부(=앵커)(210)가 추가로 들어가 있다. 반응 매질, 즉 기체-액체 혼합물은 플레이트 사이에 형성된 반응 챔버(208)를 통하여, 스택의 위 및 아래에 형성된 튜브 단편(213)을 통하여, 그리고 임의로는 또한 스택의 좌우로 형성된 튜브 단편(214)을 통하여 유동한다.
(도 1의 스택(5)에 따르는) 단순한 배플 플레이트와 (도 1, 도 2a 및 도 2b의 스택(6)에 따르는) 열교환기 플레이트를 사용하여 플레이트에 프로파일링된 형상을 제공하여 미세난류의 형성을 유리하게 할 수 있다. 이러한 유형의 프로파일링된 플레이트는 도 3에서 횡단면으로 도시하며, 이는 가열/냉각 매질에 대한 채널을 갖는 용접된 열교환기 플레이트이다.
본 발명에 따르는 튜브형 반응기가 특히 바람직하지만, 본 발명에 따르는 특성(b/s)을 갖는 하나 이상의 플레이트 스택이 그 속에 배열된 블록형 반응기를 디자인할 수 있다. 이러한 유형의 블록형 반응기는 플레이트가 용접된 열교환기 플레이트로 이루어지는 경우 유용하다.
본 발명의 경우, 본 발명에 따르는 반응기 속에서 현탁 촉매의 존재하에 가공 용액(AL)을 수소화시키는 공정인 기체-액체 반응을 수행하기 위한 공정 다이아그램을 도 4에 도시한다. 도시한 공정 다이아그램은 어떠한 기체-액체 반응에도, 예를 들면, 수소와, 액체 매질에 현탁된 수소화 촉매를 함유하는 기체를 사용한 수소화 및 산소를 함유한 기체에 의한 산화 반응에 적용할 수 있다. 한가지 적용 예는 안트라퀴논 공정에 의한 과산화수소 제조방법에 관한 것으로, 당해 방법에서, 제1 단계에서는, 가공 용액에 용해된 안트라퀴논 반응 지지체를 수소로 촉매적으로 수소화하고, 후속 단계에서는, 수소화 반응 지지체를 O2 함유 기체로 산화시키고, 최종적으로, 형성된 과산화수소를 물로 추출하며, 여기서 과산화수소 단계는 본 발명에 따르는 반응기를 사용하여 현탁 촉매 및/또는 산화 단계의 존재하에 수행한다. 당해 공정의 수소화 단계에서, 유기 용매 또는 용매의 혼합물에 용해시킨, 수소화되는 반응 지지체(통상적으로 2-알킬 안트라퀴논 또는 2-알킬 안트라퀴논과 2-알킬 테트라하이드로안트라퀴논의 혼합물)를 현탁 촉매, 통상적으로 팔라듐 블랙의 존재하에 적어도 부분적으로 하이드로퀴논 형태로 전환시킨다. 본 발명에 따르는 이러한 하이드로퀴논 단계는 반응 지지체, 용매 및 혼합물, 및 선행 기술에 공지된 현탁 촉매를 사용하여 수행할 수 있으며, 이와 관련하여 위에서 언급한 울만(Ullmann) 문헌[vol. A13, 447-457 (1989)]을 참조한다.
도 4에 따르는 장치는 본 발명에 따라 디자인된 연속적으로 연결된 두 개의 튜브형 연속 유동 반응기(401)를 포함한다. 서로에 대하여 회전된 각각의 플레이트 스택(411)은 교대로 회색 단편과 백색 단편으로 표시한다. 수소는 라인(402)을 통해 액체이거나 현탁되거나 용해된 형태의 반응 성분과 현탁 촉매를 함유한 순환 라인(404)으로 도입된다. 수소화될 성분을 함유한 가공 용액(AL)은 라인(403)을 통하여 순환 라인(404)으로 도입된다. 기체-액체 반응 혼합물은 반응기(401)를 통하여 유동하고, 여기서 수소는 통상적으로 완전히 전환된다. 제2 반응기에서 방출된 액체 매질은 중간 관(405) 속을 통과하여 이로부터 펌프(406)에 의해 라인(407)을 거처 필터(408)로 통과한다. 상이한 필터 부재(409), 예를 들면, 필터 캔들을 함유하거나, 교차 유동 필터의 형태일 수 있는 필터(408)에서, 필터 부재를 사용하여 부분 스트림(410)에서 현탁된 촉매를 제거한다. 작은 부분도 필요한 경우 필터를 백-플러슁(back-flushing)하는 데 사용되는 부분 스트림(410)(=여액)을 후속적인 단계 또는 후처리 단계로 공급한다. 현탁된 촉매를 함유한 필터를 지나 유동하는 반응된 반응 혼합물의 일부를 라인(404)을 통하여 수소화 단계로 공급한다. 제거시킨 여액과 동등한 액체 매질의 양을 수소를 도입하기 전에 라인(403)을 거쳐 라인(404)으로 공급한다.
본 발명에 따르는 실시예(B) 및 비교 실시예(VB)로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 방법은 공간-시간 수율을 크게 증가시킨다. 본 발명에 따르는 반응기의 놀랍도록 높은 효율성에 의해 공간-시간 수율이 현저히 증가될 뿐만 아니라, 동시에 필요한 장치 및 에너지 필요량도 감소한다. 공지된 방법(미국 특허 제4,428,923호)에서는, 구불구불한 형상으로 배열된 다수의 반응 튜브가 필요한 반면, 이들 파이프에 본 발명에 따르는 플레이트 스택이 설치된 경우, 플랜트 생산량을 유지하면서 튜브의 수는 3분의 1 미만으로 감소시킬 수 있다. 또 다른 이점은 지금까지 필요했던 높은 순환 속도 및 이에 따라 요구되는 펌프 성능은 불필요하게 되었다는 사실에 있다. 지금까지, 부분적인 스트림만이 필터로 공급되었던 반면, 주 스트림이 수소화 단계로 다시 공급되면서, 이제 수소화 가공 용액에서 주 스트림 중의 현탁 촉매를 제거할 수 있다. 또 다른 이점은 반응 튜브의 수가, 가공 용액 및 현탁 촉매의 총 용적이 상응하게 크게 감소하여 함께 감소된다는 것이다. 반응 튜브의 수가 감소하면 더욱 소량의 구조적 강으로 인하여 추가로 플랜트 비용이 적게 들게 된다. 여액으로서 제거된 소량의 수소화 가공 용액만이 순환되고, 추가로 플랜트에서 미세난류를 생성하는 압력 강하가 공지된 방법에서보다 작으므로, 순환 펌프의 치수가 더 작아져서, 에너지 또한 절약할 수 있다.
도 2에 도시한 단순한 플레이트의 플레이트 스택 - 필요한 경우 플레이트도 프로파일링됨-과 열교환기 플레이트 스택의 합체의 치수는 문제의 반응의 열적 균형으로 인하여 필요한 것으로 입증된 치수이다.
본 발명에 따르는 놀라운 효과는 다음 실시예 및 비교 실시예에 의해 명백하다.
실시예(B) 및 비교 실시예(VB)
본 발명에 따르는 세 개의 연속 유동 반응기(401)(=1½ 루프)를 제외하고는, 도 4에 따르는 장치에서, 과산화수소를 제조하기 위한 안트라퀴논 공정의 수소화 단계(B)를 수행한다. 각각의 세 개의 튜브는 도 1에 따르는 단순한 플레이트의 스택과 열교환기 플레이트의 스택을 함유하며, 슬릿 간격은 25㎜이고, 챔버의 폭은 평균 350㎜이다.
비교 목적(VB)으로, 미국 특허 제4,428,923호의 도 1에 따르고, 반응기가 열 세 개의 튜브(=6½ 루프)를 포함하며, 미국 특허의 도 1에 도시한 순환 라인(4a)이 작동되는 장치로 공정을 수행한다. 튜브의 길이 및 튜브 직경은 비교 실시예와 본 발명에 따르는 실시예가 동일하다.
B 및 VB의 가공 용액은 동일하다. 이는 반응 지지체로서 알킬 방향족(Shellsol
Figure 112004036488018-pct00002
)과 트리옥틸 포스페이트의 혼합물의 용매 혼합물 중에 2-에틸안트라퀴논 및 2-아밀안트라퀴논과 이의 테트라하이드로안트라퀴논의 혼합물을 함유한다. 총 퀴논 함량은 175g/ℓ이다. 가공 용액은 현탁된 촉매로서 팔라듐 블랙을 가공 용액 1ℓ당 약 1g 함유한다. 60℃의 온도에서, H2를 도입하고, 반응 지지체를 수소화한다.
본 발명에 따르는 실시예 및 비교 실시예에서, 동량의 가공 용액을 필터를 통하여 배출(본원의 도 4의 (408) 및 미국 특허의 도 1의 (6))하고, 후속적인 공정 단계에 걸쳐 가공 용액 ℓ당 H2O2를 약 11 내지 13g 생성하기 위한 특정한 비율의 하이드로퀴논을 함유하는 산화 단계로 공급한다.
반응기 튜브에서 본 발명에 따르는 플레이트 팩의 결과, 플랜트 생산량을 유지하면서 반응기 튜브를 13개에서 3개로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 귀금속 촉매를 포함한, 반응 튜브에 함유되어 있는 가공 용액의 용적을 비교 실시예에서 필요한 양의 4분의 1로 감소시킬 수 있다. 동시에, 플랜트에서의 압력 강하 및 이에 따르는 에너지 소비가 감소된다. 본 발명에 따르는 실시예에서 제3 튜브는, 반응 지지체의 수소와의 반응이 제2 튜브에서 이미 완료되므로, 여분이다. 비교로 알 수 있는 바와 같이, 수소화 단계의 공간-시간 수율(= 시간당 반응기 용적 ㎥당 H2O2 동등물의 kg)은 현저히 증가된다.

Claims (11)

  1. 반응 성분이거나, 용해되거나 유화되거나 현탁된 형태의 반응 성분을 함유하는 액상과, 반응될 기체를 함유하는 기상을, 촉매의 존재 또는 부재하에, 반응기의 종방향으로 서로 평행하게 배열되어 있고 동일한 유동 방향으로 디자인되며 슬릿 폭(s)에 대한 챔버 폭(b)의 비가 평균 3을 초과하는 세 개 이상의 슬릿형 반응 챔버를 갖는 연속 유동 반응기를 통하여 동시에 통과시켜 기체-액체 반응을 수행하는 방법으로서,
    반응 챔버의 슬릿 폭(s) 범위가 5 내지 100㎜인 연속 유동 반응기를 사용함을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 유동 방향으로는 개방되지만, 반응기의 벽쪽으로는 개방되거나 폐쇄될 수 있는 챔버가, 플레이트 간격(s)(=슬릿 폭)의 범위가 5 내지 50㎜이고 슬릿 폭에 대한 챔버 폭(b)의 비(b/s)의 범위가 평균 5 내지 100인 튜브 속에 배열된 플레이트 스택(plate stack)에 의해 형성된 튜브형 반응기가 사용됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 반응 챔버 사이에 위치한 벽의 적어도 일부가 열교환기 매질이 유동하는 열교환기 플레이트의 형태이고 반응 챔버의 온도가 이러한 매질에 의해 조절되는 반응기가 사용됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 유동 방향과 평행인 챔버를 형성하는 단순한 플레이트의 플레이트 스택 하나 이상과 유동 방향과 평행인 챔버를 형성하는 열교환기 플레이트의 플레이트 스택 하나 이상을 갖고 온도가 열교환기 플레이트를 통하여 유동하는 매질에 의해 조절되는 반응기가 사용됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 챔버의 슬릿 폭(s) 범위가 10 내지 50㎜이고 슬릿 폭(s)에 대한 챔버 폭(b)의 비(b/s)의 범위가 평균 10 내지 50인 반응기가 사용됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 용해된 반응 성분과 추가의 현탁 촉매를 함유하는 액상이 반응기를 동시에 통과함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 촉매적 수소화가 수소 함유 기체를 사용한 기체-액체 반응으로서 수행되거나 산소 함유 기체를 사용한 산화로서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 안트라퀴논 공정으로 과산화수소를 제조하기에 적합한, 용해된 안트라퀴논 반응 지지체를 함유하며 현탁 수소화 촉매를 함유하는 가공 용액(working solution)이 액상으로서 사용되고, 수소 함유 기체가 기상으로서 사용됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 튜브형 또는 용기형 반응기 벽, 반응 성분을 도입하는 유입구, 반응된 반응 혼합물을 배출하는 배출구 및 반응기의 종방향으로 서로 평행하게 배열되어 있고 동일한 유동 방향으로 디자인되며 슬릿 폭(s)에 대한 챔버 폭(b)의 비가 평균 3을 초과하는 세 개 이상의 슬릿형 반응 챔버를 포함하는 제1항 또는 제3항에 따르는 방법을 수행하기 위한 연속 유동 반응기로서,
    슬릿 폭(s)의 범위가 5 내지 100㎜임을 특징으로 하는, 연속 유동 반응기.
  10. 제9항에 있어서, 튜브형이고, 챔버가, 플레이트 간격(s)(= 슬릿 폭) 범위가 5 내지 50㎜인 튜브 속에 배열된 하나 이상의 플레이트 스택에 의해 형성되고, 슬릿 폭(s)에 대한 챔버 폭(b)의 비의 범위가 평균 5 내지 100이며, 챔버가 유동 방향으로는 개방되어 있으나, 반응기 벽쪽으로는 개방되거나 폐쇄될 수 있음을 특징으로 하는, 연속 유동 반응기.
  11. 제9항에 있어서, 유동 방향으로 평행인 챔버를 형성하는 단순한 플레이트의 플레이트 스택 하나 이상과 유동 방향으로 평행인 챔버를 형성하는 열교환기 플레이트의 플레이트 스택 하나 이상을 포함함을 특징으로 하는, 연속 유동 반응기.
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