KR101858008B1 - 과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법 - Google Patents

과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101858008B1
KR101858008B1 KR1020160140929A KR20160140929A KR101858008B1 KR 101858008 B1 KR101858008 B1 KR 101858008B1 KR 1020160140929 A KR1020160140929 A KR 1020160140929A KR 20160140929 A KR20160140929 A KR 20160140929A KR 101858008 B1 KR101858008 B1 KR 101858008B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water
hydrogen peroxide
anthraquinone
oil
reaction part
Prior art date
Application number
KR1020160140929A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180046097A (ko
Inventor
정영민
Original Assignee
군산대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 군산대학교산학협력단 filed Critical 군산대학교산학협력단
Priority to KR1020160140929A priority Critical patent/KR101858008B1/ko
Publication of KR20180046097A publication Critical patent/KR20180046097A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101858008B1 publication Critical patent/KR101858008B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B15/00—Peroxides; Peroxyhydrates; Peroxyacids or salts thereof; Superoxides; Ozonides
    • C01B15/01—Hydrogen peroxide
    • C01B15/022—Preparation from organic compounds
    • C01B15/023—Preparation from organic compounds by the alkyl-anthraquinone process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/0066—Stirrers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

본 발명은 과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기의 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 과산화수소 제조용 이상 반응기는 안트라퀴논, 유기용매, 및 촉매가 주입되는 유상반응부, 물이 주입되는 수상반응부, 및 유상반응부와 수상반응부를 연결하는 연결부를 포함하고, 유상반응부와 연결부의 연결부위에 촉매필터가 설치되어 유상반응부 내의 촉매가 수상반응부로 이동되는 것을 차단함으로써, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지하여 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 뿐 아니라, 높은 순도의 과산화수소를 수득할 수 있으면서도 간단한 공정으로 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법에 따르면, 유상반응부에 유기용매, 안트라퀴논, 촉매를 주입하고, 수상반응부에 물을 주입하여 교반을 실시하는 교반단계, 유상반응부에 수소를 주입하여 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논으로 수소화하는 수소화단계, 수소화된 안트라하이드로퀴논이 연결부를 통해 수상반응부로 이동되는 제 1 이동단계, 수상반응부에 공기를 주입하여 산화시켜 과산화수소를 제조하는 산화단계, 수상반응부 내의 안트라퀴논이 유상반응부로 이동되는 제 2 이동단계, 및 수상반응부 내의 과산화수소를 수득하는 수득단계를 포함하며, 특히, 유상반응부와 연결부의 연결부위에 촉매필터가 설치되어 유상반응부 내의 촉매가 수상반응부로 이동하는 것을 차단함으로써, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지하여 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 뿐 아니라, 높은 순도의 과산화수소를 수득할 수 있으면서도 간단한 공정으로 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 제조할 수 있다.

Description

과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법{TWO-PHASE REACTOR FOR MANUFACTURING OF HYDROGEN PEROXIDE AND METHOD FOR MANUFACTURING HYDROGEN PEROXIDE USING THE SAME}
본 발명은 과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 교육부와 한국연구재단의 “이공학개인기초연구지원”지원으로 수행된 연구 결과이다(과제고유번호 : 1345249448, 세부과제번호 : 2016R1D1A3B02006928).
과산화수소(H2O2)는 수소와 공기의 화합물로서, 분석시약의 산화제, 견사나 양모의 표백제, 플라스틱 공업의 촉매제, 반도체분야 세정제, LCD/PCB 분야 에칭제 등으로 다양하게 활용되며, 농도에 따라 다양한 분야에 활용될 수 있다. 일반적으로 과산화수소는 수소화, 산화, 추출, 정제, 농축 등의 단계로 이루어진 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)으로 제조된다.
안트라퀴논 공정에서는 주로 팔라듐 촉매를 사용하며, 안트라퀴논과 유기용매가 혼합된 작동용액에 수소를 주입하여 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논으로 수소화시킨 뒤, 공기를 주입하여 안트라하이드로퀴논을 안트라퀴논으로 산화시키면서 과산화수소를 생성하고, 여기에 순수를 투입하여 생성된 과산화수소를 추출, 정제, 농축시킴으로써 과산화수소를 수득한다. 그러나, 안트라퀴논의 수소화에 사용된 촉매에 의해, 오히려 생성된 과산화수소가 분해되어, 과산화수소의 제조 효율이 저하되는 문제가 있었다.
한편, 과산화수소의 제조 효율을 위해, 대한민국 등록특허 제10-0779894호에서는 탈양성자화 형태의 알킬 안트라히드로퀴논 및/또는 알킬 테트라히드로안트라히드로퀴논을 함유하는 수용액과 작동용액을 접촉되게 함으로써 작동용액을 재생하는 과산화수소의 제조방법을 개시하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-0998082호에서는 2-알킬안트라퀴논 및 이들의 반복적인 순환으로 서서히 생성된 2-테트라하이드로알킬안트라퀴논의 종류 및 조성비율, 불활성물질과 수분함량, 수소화 반응 정도의 조절을 통해 과산화수소의 생산성을 높이면서 작동용액의 오염을 최소화하는 과산화수소의 제조방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 등록특허들은 안트라퀴논과 용매를 포함하는 작동용액을 재생시키고 불순물을 제거하거나, 안트라퀴논의 용해도를 높임으로써 과산화수소의 제조 효율을 향상시키고자 할 뿐, 여전히 하나의 반응기 내에 안트라퀴논의 수소화에 이용된 촉매와 과산화수소가 함께 혼합되어 있으므로, 촉매에 의해 과산화수소가 분해되어 과산화수소 제조 효율이 저하되는 문제가 있었다.
게다가, 순수를 이용하여 과산화수소를 추출하는 과정에서 불순물에 의해 높은 순도의 과산화수소를 추출하기 어렵고, 고농도의 과산화수소를 얻기 위해 수소화단계, 산화단계, 추출단계, 정제단계, 농축단계 등의 전체 공정을 반복함에 따라, 과산화수소의 제조시간이 길어지는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 제10-0779894호 대한민국 등록특허 제10-0998082호
본 발명의 첫 번째 목적은 안트라퀴논, 유기용매, 및 촉매가 주입되는 유상반응부, 물이 주입되는 수상반응부, 및 유상반응부와 수상반응부를 연결하는 연결부로 구성되어, 유상반응부와 연결부의 연결부위에 촉매필터가 설치되어 유상반응부 내의 촉매가 수상반응부로 이동되는 것을 차단함으로써, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지하여 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 뿐 아니라, 유상반응부와 수상반응부를 분리함으로써, 높은 순도의 과산화수소를 수득할 수 있으면서도 간단한 공정으로 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 제조할 수 있는 과산화수소 제조용 이상 반응기를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 두 번째 목적은 유상반응부에 유기용매, 안트라퀴논, 촉매를 주입하고, 수상반응부에 물을 주입하여 교반을 실시하고, 유상반응부에 수소를 주입하여 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논으로 수소화하고, 수소화된 안트라하이드로퀴논이 연결부를 통해 수상반응부로 이동되면 수상반응부에 공기를 주입하여 산화시켜 과산화수소를 제조한 뒤 수득하며, 특히, 유상반응부와 연결부의 연결부위에 촉매필터가 설치되어 유상반응부 내의 촉매가 수상반응부로 이동하는 것이 차단됨에 따라, 촉매에 의한 과산화수소의 분해가 방지되어 과산화수소의 제조 효율이 향상될 뿐 아니라, 유상반응부에서 수소화가 진행되고 수상반응부에서 산화가 분리되어 진행됨에 따라, 높은 순도의 과산화수소를 수득할 수 있으면서도 간단한 공정으로 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 제조할 수 있는 상기의 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 첫 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 안트라퀴논, 유기용매, 및 촉매가 주입되는 유상주입구 및 수소, 공기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 기체가 주입되는 제 1 주입관을 포함하는 유상반응부, 물이 주입되는 수상주입구, 과산화수소가 배출되는 배출구, 및 공기가 주입되는 제 2 주입관을 포함하는 수상반응부, 및 관 형태로 형성되어 일단은 상기 유상반응부의 하측과 연결되고, 타단은 상기 수상반응부의 하측에 연결되어 상기 유상반응부와 상기 수상반응부를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 유상반응부, 상기 수상반응부, 및 상기 연결부의 내부에는 교반기가 설치되며, 상기 유상반응부의 하측과 상기 연결부의 일단 사이의 연결부위에는 촉매필터가 설치되어 상기 촉매의 상기 수상반응부로의 이동이 차단되는 과산화수소 제조용 이상 반응기를 제공한다.
상기 연결관에는 공기가 주입되는 제 3 주입관이 형성될 수 있다.
상기 연결관에서 바닥면으로부터 상기 유상반응부의 하측과 연결된 상기 연결관의 일단의 높이가 상기 바닥면으로부터 상기 수상반응부의 하측과 연결된 상기 연결관의 타단의 높이 보다 더 높을 수 있다.
상기 두 번째 목적을 달성하기 위하여, 상기 유상반응부에 상기 유기용매, 안트라퀴논(Anthraquinone), 및 촉매를 주입하여 교반하고, 상기 수상반응부에 상기 물을 주입하여 교반하는 교반단계, 상기 유상반응부의 제 1 주입관으로 상기 수소를 주입하여 상기 유상반응부 내의 상기 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논(Anthrahyeroquinone)으로 수소화하는 수소화단계, 상기 유상반응부 내의 상기 안트라하이드로퀴논 중 일부가 상기 연결부를 통해 상기 수상반응부로 이동되는 제 1 이동단계, 상기 수상반응부의 제 2 주입관으로 상기 공기를 주입하여 상기 제 1 이동단계에서 상기 수상반응부로 이동된 상기 안트라하이드로퀴논을 안트라퀴논으로 산화시키면서 과산화수소(H2O2)를 생성하는 산화단계, 상기 수상반응부 내의 상기 안트라퀴논이 상기 연결부를 통해 상기 유상반응부로 이동되는 제 2 이동단계, 및 상기 수상반응부 내의 상기 과산화수소를 수득하는 수득단계를 포함하고, 상기 유상반응부 내의 상기 촉매는 상기 촉매필터에 의해 상기 수상반응부로의 이동이 차단되며, 상기 수소화단계, 상기 제 1 이동단계, 상기 산화단계, 상기 제 2 이동단계가 실시되는 동안 상기 유상반응부, 상기 수상반응부, 및 상기 연결부는 교반되는 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 이동단계에서 상기 연결부의 제 3 주입관을 통해 공기를 공급하고, 상기 제 2 이동단계에서 상기 연결부의 제 3 주입관을 통해 공기를 공급할 수 있다.
상기 교반단계에서는 상기 유상반응부에 상기 안트라퀴논 100 중량부와 상기 안트라퀴논 100 중량부에 대해 상기 유기용매를 1500 ~ 2000 중량부로 주입하고, 상기 수상반응부에 상기 안트라퀴논 100 중량부에 대해 상기 물을 1800 ~ 2300 중량부로 주입할 수 있다.
상기 안트라퀴논은 2-에틸-안트라퀴논(2-Ethyl-anthraquinone)이고, 상기 안트라하이드로퀴논은 2-에틸-안트라하이드로퀴논(2-Ethyl-anthrahydroquinone) 일 수 있다.
상기 유상반응부 및 상기 수상반응부에 불활성가스를 주입하는 퍼징단계를 더 포함하고, 상기 퍼징단계는 상기 수소화단계를 실시하고 난 후에 상기 유상반응부에 상기 불활성가스를 주입하는 제 1 퍼징단계, 및 상기 산화단계를 실시하고 난 후에 상기 수상반응부에 상기 불활성가스를 주입하는 제 2 퍼징단계를 포함할 수 있다.
상기 수소화단계, 상기 제 1 이동단계, 상기 산화단계, 및 상기 제 2 이동단계가 동시에 실시될 수 있다.
상기 수소화단계, 상기 제 1 이동단계, 상기 산화단계, 및 상기 제 2 이동단계를 수회 반복할 수 있다.
상기 수소화단계, 상기 제 1 이동단계, 상기 산화단계, 및 상기 제 2 이동단계는 18 ~ 25 ℃에서 실시될 수 있다.
상기 수소화단계에서 상기 유상반응부 내의 제 1 주입관으로 상기 수소를 주입하여 상기 유상반응부 내의 상기 안트라퀴논을 안트라하이트로퀴논으로 수소화한 뒤에, 상기 유상반응부 내의 제 1 주입관으로 상기 공기를 더 주입할 수 있다.
상기 유기용매는 물과 불혼화성일 수 있다.
상기 유기용매는 톨루엔, 폴리알킬화된 벤젠을 포함하는 방향족 벤진, 트리스-(2-에틸헥실)포스페이트, 메틸사이클로헥실아세테이트, N-옥틸 카프로락탐, 테트라부틸 우레아, 피롤리돈, 카르바메이트, 및 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 과산화수소 제조용 이상 반응기는 안트라퀴논, 유기용매, 및 촉매가 주입되는 유상반응부, 물이 주입되는 수상반응부, 및 유상반응부와 수상반응부를 연결하는 연결부로 구성되고, 유상반응부와 연결부의 연결부위에 촉매필터가 설치되어 유상반응부 내의 촉매가 수상반응부로 이동되는 것을 차단함으로써, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지하여 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 안트라퀴논, 촉매, 유기용매가 주입되는 유상반응부와 물이 주입되는 수상반응부를 분리하고, 과산화수소가 수상반응부 내에 용해되어 농축되게 함으로써, 높은 순도의 과산화수소를 수득할 수 있으면서도 간단한 공정으로 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 제조할 수 있다.
본 발명의 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법에 따르면, 유상반응부에 유기용매, 안트라퀴논, 촉매를 주입하고, 수상반응부에 물을 주입하여 교반을 실시하고, 유상반응부에 수소를 주입하여 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논으로 수소화하고, 수소화된 안트라하이드로퀴논이 연결부를 통해 수상반응부로 이동되면 수상반응부에 공기를 주입하여 산화시켜 과산화수소를 제조한 뒤 수득하며, 특히, 유상반응부와 연결부의 연결부위에 촉매필터가 설치되어 유상반응부 내의 촉매가 수상반응부로 이동하는 것을 차단함으로써, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지하여 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 유상반응부에서는 안트라퀴논이 수소화되고 수상반응부에서는 안트라하이드로퀴논이 산화되어 과산화수소를 생성함에 따라, 수소화 및 산화가 분리되어 높은 순도의 과산화수소를 수득할 수 있으면서도 간단한 공정으로 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과산화수소 제조용 이상 반응기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과산화수소 제조용 이상 반응기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4 내지 도 8은 상기 도 3의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 제 2 이동단계에서의 안트라퀴논, 안트라하이드로퀴논, 촉매, 과산화수소를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 명세서 전체에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 명세서 전체에 있어서, "A 및/또는 B"는, A 또는 B, 또는 A 및 B를 의미한다.
본 발명의 명세서 전체에 있어서, “불혼화성”은 서로 혼합되거나 섞이지 않는 것을 의미한다.
본 발명의 명세서 전체에 있어서, “공기 또는 공기”는 공기와 불활성가스가 혼합된 혼합기체일 수 있다.
본 발명의 명세서 전체에 있어서, “수소 또는 수소가스”는 수소와 불활성 가스가 혼합된 혼합기체일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에서는 과산화수소 제조용 이상 반응기를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과산화수소 제조용 이상 반응기의 단면도로, 과산화수소 제조용 이상 반응기는 유상반응부(10), 수상반응부(20), 및 연결부(30)로 구성된다. 또한, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과산화수소 제조용 이상 반응기의 단면도로, 바닥면으로부터 연결부(30)의 유상반응부(10)와 연결되는 일단의 높이를 수상반응부(20)와 연결되는 타단의 높이에 비해 높게 형성한 형태를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 과산화수소 제조용 이상 반응기는 안트라퀴논의 수소화가 실시되는 유상반응부(10), 안트라하이드로퀴논의 산화가 실시되는 수상반응부(20), 및 유상반응부(10)와 수상반응부(20)를 연결하는 연결부(30)로 구성되고, 유상반응부(10)와 연결부(30)의 연결부위에 촉매필터(17)가 설치되어 유상반응부(10) 내의 촉매가 수상반응부(20)로 이동되는 것이 차단됨에 따라, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지할 수 있다.
즉, 유상반응부(0) 및 수상반응부(20)를 분리하고, 촉매필터(17)를 설치하여 촉매와 과산화수소의 접촉을 최소화함으로써 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 뿐 아니라, 높은 순도의 과산화수소를 수득할 수 있으면서도 간단한 공정으로 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 제조할 수 있다.
유상반응부(10)는 안트라퀴논, 유기용매, 및 촉매가 주입되는 유상주입구(11) 및 수소, 공기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 기체가 주입되는 제 1 주입관(13)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유상반응부(10)는 안트라퀴논, 유기용매, 촉매, 및 기체들이 수용될 수 있는 내부공간을 가지며, 일측에 안트라퀴논, 유기용매, 및 촉매가 주입되는 유상주입구(11)와 수소, 공기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 기체가 주입되는 제 1 주입관(13)이 형성될 수 있고, 바람직하게는 유상반응부(10)의 상측에 유상주입구(11)와 제 1 주입관(13)이 형성될 수 있다. 도 1과 같이, 유상반응부(10) 내부에는 내부로 주입된 물질을 혼합하기 위한 교반기(15)가 설치되며, 교반기(15)는 안트라퀴논, 유기용매, 촉매, 기체 등에 의해 변질되지 않도록 스테인리스 재질로 이루어진 것일 수 있다.
또한, 유상반응부(10)의 하측의 중앙에는 구멍, 즉, 연결공(미도시)이 형성되어 있으며, 연결공과 연결부(30)의 일단이 접합됨으로써 유상반응부(10)와 연결부(30)는 연결될 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 유상반응부(10)의 하측과 연결부(30)의 일단 사이의 연결부위에 촉매필터(17)를 설치함으로써 촉매의 수상반응부(20)로의 이동이 차단되도록 하여, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지할 수 있다.
상기된 바와 같은 유상반응부(10)에서는 안트라퀴논의 수소화반응이 실시될 수 있다. 더 상세히 설명하면, 유상반응부(10)의 유상주입구(11)를 통해 안트라퀴논, 유기용매, 및 촉매를 주입하고, 안트라퀴논이 유기용매에 충분히 용해될 수 있도록 교반기(15)로 교반을 실시한다. 교반을 실시한 후에, 제 1 주입관(13)을 통해 유상반응부(10) 내로 수소를 주입하게 되면 유기용매 내에 용해되어 있는 안트라퀴논이 수소와 반응하여 안트라하이드로퀴논을 형성한다. 특히, 유상반응부(10)에서 생성된 안트라하이드로퀴논은 유기용매와 물에 모두 용해될 수 있으므로, 일부 안트라하이드로퀴논은 유상반응부(10)에서 연결부(30)를 통해 수상반응부(20)로 이동될 수 있다.
한편, 안트라퀴논은 방향족 유기화합물로 안트라센의 유도체이며 물과 알코올에는 용해되지 않으나, 니트로벤젠, 아닐린 등과 같은 유기용매에는 잘 용해되는 특성을 가지며, 유기용매에 용해되어 노란색을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 안트라퀴논과 유기용매가 주입된 유상반응부(10)는 노란색을 나타낼 수 있다.
수상반응부(20)는 물이 주입되는 수상주입구(21), 공기가 주입되는 제 2 주입관(23), 및 과산화수소가 배출되는 배출구(27)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수상반응부(20)는 물, 공기가 수용될 수 있는 내부공간을 가지며, 일측에 물이 주입되는 수상주입구(21), 공기가 주입되는 제 2 주입관(23), 및 과산화수소가 배출될 수 있는 배출구(27)가 형성될 수 있고, 배출구(27)를 통해서는 과산화수소, 물, 및 과산화수소를 포함하는 물이 배출될 수 있다.이러한 수상주입구(21)와 제 2 주입관(23)은 수상반응부(20)의 상측에 형성되고, 배출구(27)는 수상반응부(20)의 하측에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 수상반응부(20) 내부에는 내부로 주입된 물질을 혼합하기 위한 교반기(25)가 설치되며, 교반기(25)는 안트라퀴논, 유기용매, 촉매, 기체 등에 의해 변질되지 않도록 스테인리스 재질로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 수상반응부(20)의 하측의 중앙에는 구멍, 즉, 연결공(미도시)이 형성되어 있으며, 연결공과 연결부(30)의 타단이 결합됨으로써 수상반응부(20)와 연결부(30)는 결합될 수 있다. 다만, 수상반응부(20)에는 촉매가 주입되지 않으므로 촉매필터(17)는 설치되지 않는다.
이러한 수상반응부(20)에서는 안트라하이드로퀴논의 산화반응이 실시될 수 있다. 더 상세히 설명하면, 연결부(30)를 통해 유상반응부(10)에서 생성된 안트라하이드로퀴논이 이동되어 주입되고, 수상주입구(21)를 통해 물이 주입되면 교반기(25)로 교반을 실시하여 물에 안트라하이드로퀴논이 충분히 용해될 수 있도록 한다. 교반을 실시한 후에 제 2 주입관(23)을 통해 수상반응부(20) 내로 공기를 주입하게 되면, 물에 용해되어 있는 안트라하이드로퀴논이 공기와 반응하여 안트라퀴논으로 산화되면서 과산화수소를 생성한다. 특히, 상기와 같이 생성된 과산화수소는 수상반응부(20) 내의 물에 용해되어 있으므로, 수상반응부(20)의 배출구(27)로 물을 분리함으로써 쉽게 과산화수소를 수득할 수 있다.
연결부(30)는 관 형태로 형성되어 일단은 유상반응부(10)의 하측과 연결되고, 타단은 수상반응부(20)의 하측에 연결되어 유상반응부(10)와 수상반응부(20)를 연결한다.
도 1을 참조하면, 연결부(30)는 긴 관 형태로 형성되며, 일단은 유상반응부(10)의 하측의 연결공(미도시)과 접합되어 연결되고, 타단은 수상반응부(20)의 하측의 연결공(미도시)과 접합되어 연결되어 있어, 유상반응부(10)와 수상반응부(20)를 연결하는 통로의 역할을 하며, 유상반응부(10) 내부의 물질과 수상반응부(20) 내부의 물질은 연결부(30)를 통해 이동될 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 유상반응부(10)와 유상반응부(10)에 결합되는 연결부(30)의 일단 사이에는 촉매필터(17)가 설치됨으로써 유상반응부(10) 내의 촉매는 연결부(30)로 이동될 수 없다. 촉매필터(17)로 유기용매, 안트라퀴논, 안트라하이드로퀴논 등의 물질은 통과될 수 있으나, 촉매는 촉매필터를 통과할 수 없다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유상반응부(10)와 가까운 연결부(30)의 일측에는 유상반응부(10) 내부로 주입된 유기용매의 일부가 유상반응부(10)의 연결공을 통과하여 연결부(30)에 담겨져 있으며, 수상반응부(20)와 가까운 연결부(30)의 타측에는 수상반응부(20) 내부로 주입된 물의 일부가 수상반응부(20)의 연결공(미도시)을 통과하여 연결부(30)에 담겨져 있다. 특히, 본 실시예에서는 물 보다 낮은 밀도를 가지며, 물과 불혼화성인 유기용매를 사용함에 따라, 연결부(30)의 중앙측에 유기용매와 물이 서로 접촉되는 경계영역(빗금)이 형성될 수 있다.
즉, 연결부(30) 내부에는 유기용매와 물이 담겨 있으며, 유기용매와 물을 통해 유상반응부(10)에서 생성된 안트라하이드로퀴논은 수상반응부(20)로 이동하고, 수상반응부(20)에서 안트라하이드로퀴논의 산화에 의해 생성된 안트라퀴논은 다시 유상반응부(10)로 이동될 수 있다. 특히, 상기와 같은 연결부(30)의 중앙측의 경계영역(빗금)은 유상반응부(10) 내부의 안트라퀴논이 수상반응부(20)로 이동되는 것을 방지하며, 수상반응부(20) 내부의 과산화수소가 유상반응부(10)로 이동되는 것을 방지하는 필터의 역할을 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연결부(30)의 경계영역에 교반기(35)를 설치하여 안트라퀴논과 안트라하이드로퀴논의 이동을 활발히 하여 수소화 및 산화반응의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 도 1의 연결부(30)의 중앙측에 공기가 주입되는 제 3 주입관(33)을 형성할 수 있다. 특히, 연결부(30)의 중앙측에 제 3 주입관(33)을 형성하고 공기를 주입할 경우, 유상반응부(10)에서 수상반응부(20)로 이동하는 안트라하이드로퀴논 중 일부가 1차 산화되어 과산화수소를 생성하고, 연결부(30)에서 산화되지 못한 잔여 안트라하이드로퀴논만을 수상반응부(20)에서 산화시켜 과산화수소를 생성함에 따라, 과산화수소의 제조 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
연결부(30)는 관 형태로 형성되는데, 도 1에 도시된 바와 같이 바닥면으로부터 연결부(30)의 양단의 높이가 동일한 형태로 형성될 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 바닥면으로부터 연결부(30)의 양단의 높이가 상이하게 형성될 수도 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 연결부(30)에서 바닥면으로부터 유상반응부(10)의 하측과 연결된 연결부(30)의 일단의 높이가 바닥면으로부터 수상반응부(20)의 하측과 연결된 연결부(30)의 타단의 높이 보다 더 높게 형성될 수 있다.
만약, 도 2와 같이 연결부(30)에서 바닥면으로부터 유상반응부(10)의 하측과 연결된 연결부(30)의 일단의 높이가 바닥면으로부터 수상반응부(20)의 하측과 연결된 연결부(30)의 타단의 높이 보다 더 높게 형성될 경우에는, 물 보다 밀도가 낮은 유기용매는 상측에 위치하고, 유기용매 보다 밀도가 높은 물은 하측에 위치하게 되어, 연결부(30)에서 교반을 실시하거나 공기를 공급하는 과정에서 유기용매와 물이 혼합되는 문제를 최소화할 수 있다.
한편, 상기의 유상주입구(11), 수상주입구(21), 제 1 내지 제 3 주입관(33), 및 배출구(27) 등의 출입구들은 모두 벨브로 조절될 수 있으며, 벨브 이외에 개폐를 위한 다양한 방법이 적용될 수 있고, 유상반응부(10), 수상반응부(20), 및 연결부(30)에는 과산화수소 제조 시의 적절한 온도와 압력을 유지하기 위한 별도의 온도조절기, 온도측정센서, 압력조절기, 압력측정센서 등이 더 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 상기의 유상반응부(10), 수상반응부(20), 및 연결부(30)를 포함하는 과산화수소 제조용 이상 반응기에 의해, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지하여 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 수 있으면서도 높은 순도의 과산화수소를 수득할 수 있다. 게다가, 간단한 공정으로 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 제조할 수 있어 대규모 공정에도 적용할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 상기의 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법을 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 또한, 도 4 내지 도 8은 도 3에 도시된 과산화수소의 제조의 각 단계에서의 안트라퀴논, 안트라하이드로퀴논, 촉매, 과산화수소의 상태(생성 또는 이동)를 나타낸 것으로, 도 4는 수소화단계, 도 5는 제 1 이동단계, 도 6은 산화단계, 및 도 7은 제 2 이동단계를 도시한 도면이고, 도 8은 제 2 이동단계가 끝난 후를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법은 유상반응부(10)에 유기용매, 안트라퀴논, 촉매를 주입하고, 수상반응부(20)에 물을 주입하여 교반을 실시하는 교반단계, 유상반응부(10)에 수소를 주입하여 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논으로 수소화하는 수소화단계. 수소화된 안트라하이드로퀴논이 연결부(30)를 통해 수상반응부(20)로 이동하는 제 1 이동단계, 수상반응부(20)에 공기를 주입하고 안트라하이드로퀴논을 산화시켜 과산화수소를 제조하는 산화단계, 산화단계에서 생성된 안트라퀴논이 유상반응부(10)로 이동하는 제 2 이동단계, 및 과산화수소 수득단계를 포함하고, 이 때 유상반응부(10) 내의 촉매는 촉매필터(17)에 의해 수상반응부(20)로의 이동이 차단됨에 따라, 촉매에 의한 과산화수소의 분해를 방지하여 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
혼합단계에서 안트라퀴논은 유기용매에 용해되며, 수소화단계에서 생성된 안트라하이드로퀴논은 유기용매 및 물에 용해되고, 산화단계에서 생성된 과산화수소는 물에 용해되며, 산화단계에서 생성된 안트라퀴논은 유기용매에 용해(청구항1)됨에 따라, 산화단계에서 생성된 과산화수소는 모두 수상반응부(20)의 물에 용해되어 있어 수상반응부(20)의 물층을 분리함으로써 과산화수소를 수득할 수 있다. 즉, 종래와 같이 별도로 순수를 추가하여 반응용액(작동용액) 내에서 과산화수소를 추출할 필요가 없어 고 순도의 과산화수소를 간단한 공정으로 수득할 수 있다.
또한, 종래와 같이 수소화, 산화, 과산화수소의 추출, 정제, 농축 등의 전체 공정을 반복하는 것이 아니라, 수소화 및 산화만을 반복함으로써 특정 농도의 과산화수소 용액을 제조할 수 있으므로, 대규모 공정에도 적용할 수 있다.
(1)교반단계에서는 유상반응부(10)에 유기용매, 안트라퀴논(Anthraquinone), 및 촉매를 주입하여 교반하고, 수상반응부(20)에 물을 주입하여 교반한다. 먼저, 유상반응부(10)에 유기용매, 안트라퀴논, 및 촉매를 주입하여 유상반응부(10) 내부의 교반기(15)를 이용하여 균일하게 교반할 수 있다. 또한, 교반단계가 실시되는 동안, 부반응을 최소화하기 위해, 유상반응부(10), 수상반응부(20), 및 연결부(30)의 주입관들은 모두 닫혀 있어 내부로 기체가 주입되지 않도록 한다.
안트라퀴논은 방향족 유기화합물로 안트라센의 유도체이며 물과 알코올에는 용해되지 않으나, 니트로벤젠, 아닐린 등과 같은 유기용매에는 잘 용해되는 특성을 가짐에 따라, 함께 주입되는 유기용매에 용해되어 노란색을 나타낼 수 있다. 교반단계에서 사용되는 안트라퀴논의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 안트라퀴논은 2-에틸-안트라퀴논(2-Ethyl-anthraquinone)일 수 있다.
본 실시예에서는 안트라퀴논은 유기용매에 용해되고, 안트라하이드로퀴논은 유기용매와 물에 동시에 용해되고, 과산화수소는 물에 용해됨에 따라, 생성된 과산화수소의 대부분이 수상반응부(20)의 물에 용해되어 있어 쉽게 과산화수소를 수득할 수 있는데, 유기용매와 물이 쉽게 혼합된다면 안트라퀴논, 안트라하이드로퀴논, 과산화수소, 유기용매, 물은 모두 혼합된 형태가 되어 과산화수소의 추출 내지 분리가 어려워질 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는 물과 불혼화성인 유기용매를 사용할 수 있다. 또한, 유기용매의 밀도를 물 보다 낮은 것으로 선정하여 유기용매와 물이 밀도 차이에 의해 층을 이루도록 하여 물과 유기용매의 혼합을 최소할 수 있다.
본 실시예의 유기용매는 물과 불혼화성이며 안트라퀴논 및 안트라하이드로퀴논을 용해시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 유기용매는 톨루엔, 폴리알킬화된 벤젠을 포함하는 방향족 벤진, 트리스-(2-에틸헥실)포스페이트, 메틸사이클로헥실아세테이트, N-옥틸 카프로락탐, 테트라부틸 우레아, 피롤리돈, 카르바메이트, 및 이들의 혼합물일 수 있다.
촉매는 과산화수소의 제조에 사용될 수 있는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 촉매는 활성 금속과 활성 금속을 담지할 수 있는 담체를 포함할 수 있으며, 활성 금속은 금, 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐, 은, 오스미움, 니켈, 구리, 코발트, 티타늄, 망간, 철 등을 포함할 수 있다.
또한, 수상반응부(20)의 상측의 수상주입구(21)를 통해 물을 투입하고, 교반기(25)를 이용하여 물을 교반한다. 본 실시예의 물은 생성된 과산화수소를 저장하는 역할을 하며, 물은 순수, 증류수, 탈이온수 등에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 순수가 사용될 수 있다.
한편, 교반단계에서는 유상반응부(10)에 안트라퀴논 100 중량부와 안트라퀴논 100 중량부에 대해 유기용매를 1500 ~ 2000 중량부로 주입하고, 수상반응부(20)에 안트라퀴논 100 중량부에 대해 물을 1800 ~ 2300 중량부로 주입할 수 있다. 특히, 상기와 같은 비율로 유상반응부(10)에 유기용매, 안트라퀴논을 주입하고, 수상반응부(20)에 물을 주입함으로써, 안트라퀴논이 유기용매에 충분히 용해되고, 안트라하이드로퀴논이 유기용매와 물에 충분히 용해되며, 생성된 과산화수소가 물에 충분히 용해될 수 있어, 과산화수소의 제조효율이 향상될 수 있다. 만약, 안트라퀴논 100 중량부에 대해 유기용매 1500 ~ 2000 중량부, 물 1800 ~ 2300 중량부의 비율을 벗어나게 되면, 안트라퀴논이 부족하여 수소 내지 공기와 충분히 반응하지 못하거나, 안트라퀴논이 과다하여 유기용매와 물에 용해되지 못해 미사용되는 안트라퀴논에 의해 경제성이 저하될 수 있다.
유기용매는 안트라퀴논 100 중량부에 대해 1500 ~ 2000 중량부로 포함될 수 있으며, 안트라퀴논 100 중량부에 대해 유기용매가 1500 중량부 미만일 경우, 반응기에 투입되는 안트라퀴논이 유기용매에 충분히 용해되지 못하여 과산화수소 제조 공정에 사용되지 못함에 따라 과산화수소 제조 효율이 저하될 수 있으며, 안트라퀴논 100 중량부에 대해 유기용매가 2000 중량부를 초과할 경우, 유기용매가 과량 사용되어 경제성이 저하될 수 있다.
물은 안트라퀴논 100 중량부에 대해 1800 ~ 2300 중량부로 포함될 수 있으며, 안트라퀴논 100 중량부에 대해 물이 1800 중량부 미만일 경우, 수소화단계에서 생성되는 안트라하이드로퀴논과 산화단계에서 생성되는 과산화수소가 충분히 용해되지 못해 과산화수소 제조 효율이 저하될 수 있으며, 안트라퀴논 100 중량부에 대해 물이 2300 중량부를 초과할 경우, 과산화수소를 추출한 후에 버려지는 물의 양이 증가되어 경제성이 저하될 수 있다.
(2) 수소화단계에서는 유상반응부(10)의 제 1 주입관(13)으로 수소를 주입하여 유상반응부(10) 내의 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논(Anthrahyeroquinone)으로 수소화한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 수소화단계에서는 교반단계에서 주입된 촉매(●)존재 하에서, 유기용매에 안트라퀴논이 용해되어 있는 유상반응부(10)의 제 1 주입관(13)의 벨브를 열어 수소를 주입하게 되면, 안트라퀴논(○)이 수소화되어 안트라하이드로퀴논(△)을 형성할 수 있다. 수소화단계에서는 유상반응부(10)의 제 1 주입관(13)을 열어 유상반응부(10)로 수소를 주입하며, 수상반응부(20)의 제 2 주입관(23)의 벨브는 잠궈 기체의 유입을 막는다.
수소화단계에서 안트라퀴논과 수소가 반응하여 안트라하이드로퀴논을 형성하는데, 안트라퀴논으로 2-에틸-안트라퀴논을 사용할 경우, 수소화단계에서 생성된 안트라하이드로퀴논은 2-에틸-안트라하이드로퀴논(2-Ethyl-anthrahydroquinone) 일 수 있다. 수소화단계에서 생성된 안트라하이드로퀴논은 안트라퀴논과 달리 유기용매에도 용해될 뿐 아니라 물에도 용해되는 특성을 가지므로, 수소화단계에서는 유기용매에 안트라퀴논과 안트라하이드로퀴논이 용해되어 있고, 물에는 안트라하이드로퀴논이 용해되어 있을 수 있다.
또한, 수소화단계에서 수소와 반응하지 못하고 남은 잔여 안트라퀴논 및 생성된 안트라하이드로퀴논은 유기용매에 용해되어 노란색을 나타내므로, 수소화단계에서 유상반응부(10)는 노란색을 나타내고, 수상반응부(20)는 무색을 나타낼 수 있다. 다만, 수소화단계가 실시되는 동시에 생성된 안트라하이드로퀴논이 연결부(30)를 통해 수상반응부(20)로 이동될 수 있으므로 수상반응부(20)는 무색 ~ 옅은 노란색을 나타낼 수 있다.
한편, 수소화단계에서 유상반응부(10) 내의 제 1 주입관(13)으로 수소를 주입하여 유상반응부(10) 내의 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논으로 수소화한 뒤에, 유상반응부(10) 내의 제 1 주입관(13)으로 공기를 더 주입하여, 수소화단계와 산화단계를 동시에 실시할 수 있다.
즉, 유상반응부(10)에서 수소화단계 및 산화단계가 실시되고, 수상반응부(20)에서 산화단계가 실시되며, 안트라퀴논의 수소화반응에 의해 형성된 안트라하이드로퀴논은 유상반응부(10), 수상반응부(20), 연결부(30)에서 모두 산화되어 과산화수소를 생성할 수 있고, 생성된 과산화수소는 연결부(30)를 통해 수상반응부(20)로 이동될 수 있다. 다만, 이와 같은 경우, 촉매가 있는 유상반응부(10)에서도 산화반응이 일어나 과산화수소가 생성됨에 따라, 과산화수소가 촉매에 의해 분해되는 문제가 있을 수 있다.
(3) 제 1 이동단계에서는 유상반응부(10) 내의 안트라하이드로퀴논 중 일부가 연결부(30)를 통해 수상반응부(20)로 이동된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 이동단계에서는 수소화단계에서 생성된 안트라하이드로퀴논(△)이 연결부(30)를 통해 유상반응부(10)에서 수상반응부(20)로 이동되며, 유상반응부(10)와 연결된 일단 측의 연결부(30)에는 유기용매가 담겨져 있어 수소화되지 못한 안트라퀴논(○)과 하이드로안트라퀴논(△)은 존재할 수 있으나, 유상반응부(10) 내의 촉매(●)는 유상반응부(10)와 연결부(30)의 사이의 촉매필터(17)에 의해 걸러져 연결부(30)로 이동되지 못함에 따라, 촉매(●)는 촉매필터(17)에 의해 수상반응부(20)로의 이동은 차단될 수 있다. 또한, 유상반응부(10)에서 연결부(30)로 넘어온 안트라퀴논(○)은 물에는 용해되지 못하므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 유기용매와 물이 접하는 경계영역(빗금)을 넘어 수상반응부(20)로 이동할 수 없다.
특히, 제 1 이동단계에서 연결부(30)의 제 3 주입관(33)을 통해 공기를 공급하여 안트라하이드로퀴논을 1차적으로 산화시킴으로써, 과산화수소의 제조 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 도 1과 같이, 연결부(30)의 중앙측의 경계영역(빗금)에 공기가 주입되는 제 3 주입관(33)이 형성된 경우, 연결부(30)의 중앙측의 경계영역(빗금)으로 공기를 주입하면, 유상반응부(10)에서 수상반응부(20)로 이동하는 안트라하이드로퀴논 중 일부가 1차 산화되어 과산화수소를 생성하고, 연결부(30)에서 산화되지 못한 잔여 안트라하이드로퀴논만을 수상반응부(20)에서 산화시켜 과산화수소를 생성함에 따라, 안트라하이드로퀴논의 산화량이 증가하여 과산화수소의 제조 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 수소화단계에서 안트라하이드로퀴논은 형성됨과 동시에 확산되어 연결부(30)로 이동될 수 있으므로, 제 1 이동단계는 수소화단계와 거의 동시에 실시될 수 있다.
(4) 산화단계에서는 수상반응부(20)의 제 2 주입관(23)으로 공기를 주입하여 제 1 이동단계에서 수상반응부(20)로 이동된 안트라하이드로퀴논을 안트라퀴논으로 산화시키면서 과산화수소(H2O2)를 생성한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 이동단계에서 유상반응부(10)로부터 수상반응부(20)로 안트라하이드로퀴논(△)이 이동되어, 수상반응부(20)의 물에 용해되어 있는데, 이 때, 수상반응부(20)의 제 2 주입관(23)의 벨브를 열어 공기를 주입하게 되면, 도 6에 도시된 바와 같이 안트라하이드로퀴논(△)과 공기 내의 산소가 반응하여 안트라하이드로퀴논(△)이 산화되어 안트라퀴논(○)과 과산화수소(□)를 생성할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 생성된 과산화수소(□)가 바로 물에 용해되어 농축 내지 저장되어 있으므로, 수득단계에서는 수상반응부(20) 내의 물을 분리하는 간단한 방법으로 순도 높은 과산화수소(□)를 얻을 수 있다.
본 실시예에서 안트라퀴논으로 2-에틸-안트라퀴논을 사용한 경우, 수소화단계에서 안트라하이드로퀴논은 2-에틸-안트라하이드로퀴논일 수 있고, 산화단계에서의 안트라퀴논은 2-에틸-안트라퀴논일 수 있다.
도 6을 참조하면, 산화단계가 실시되는 도중 또는 산화단계가 실시된 후, 수상반응부(20)에는 생성된 과산화수소(□), 안트라퀴논(○), 및 일부 산화되지 못한 안트라하이드로퀴논(△)이 존재할 수 있다. 이 때, 과산화수소(□)는 무색이며, 안트라퀴논(○)은 물에 용해되지 않으므로, 물에 용해되어 있는 안트라하이드로퀴논(△)이 물에 용해되어있어 수상반응부(20)는 옅은 노란색을 나타낼 수 있다.
(5) 제 2 이동단계에서는 수상반응부(20) 내의 안트라퀴논이 연결부(30)를 통해 유상반응부(10)로 이동된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 이동단계에서는 산화단계에서 생성된 안트라퀴논(○)이 연결부(30)를 통해 수상반응부(20)에서 유상반응부(10)로 이동되며, 유기용매와 물에 모두 용해될 수 있는 안트라하이드로퀴논(△)은 유상반응부(10), 수상반응부(20), 연결부(30)에 모두 존재할 수 있다.
이에 따라, 제 2 이동단계에서는 안트라하이드로퀴논(△)이 유상반응부(10), 수상반응부(20), 연결부(30)에 모두 존재하나, 안트라퀴논(○)은 유기용매에만 용해되므로 유상반응부(10)가 가장 진한 노란색을 나타내며, 수상반응부(20)가 가장 옅은 노란색을 나타낼 수 있다. 연결부(30)의 경우, 유상반응부(10)와 연결되어 유기용매가 차있는 측은 진한 노란색을 나타내며 수상반응부(20)와 연결되어 물이 차있는 측은 연한 노란색을 나타낼 수 있다.
본 실시예의 제 2 이동단계에서는 연결부(30)의 제 3 주입관(33)을 통해 공기를 공급함으로써, 수상반응부(20)에서 산화되지 못하고 연결부(30)에 존재하는 안트라하이드로퀴논을 산화시켜 과산화수소의 제조 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계가 순차적으로 실시될 수도 있고, 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계가 동시에 실시될 수도 있다. 특히, 본 실시예에서는 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계를 수회 반복하여, 수상반응부(20) 내의 물에 과산화수소를 고농도로 농축시킨 뒤, 수상반응부(20)의 배출구(27)로 물을 분리함으로써 쉽게 고농도의 과산화수소를 수득할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 과산화수소의 추출, 농축, 정제 공정을 모두 반복하여야 하는 것이 아니라, 수소화 및 산화만을 반복함에 따라, 단 시간 내에 고농도의 과산화수소를 수득할 수 있으므로, 대규모 공정에 적용이 가능할 수 있다.
상기의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계는 18 ~ 25 ℃에서 실시될 수 있다. 만약, 상기의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계가 18℃ 이하의 온도에서 실시되면 안트라퀴논의 수소화반응 및 안트라하이드로퀴논의 산화반응이 제대로 이뤄지지 않아 과산화수소 제조 효율이 저하될 수 있으며, 상기의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계가 25℃ 이상의 온도에서 실시되면 안트라퀴논의 수소화반응 및 안트라하이드로퀴논의 산화반응 속도는 빨라지나 생성된 과산화수소의 분해가 촉진되어 과산화수소의 제조 효율이 저하될 수 있다. 또한, 상기의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계가 실시되는 동안 유상반응부(10), 수상반응부(20), 및 연결부(30)에서는 교반이 주기적으로 또는 지속적으로 실시될 수 있으며, 과산화수소를 수득하는 과정에서는 교반을 실시하지 않을 수 있다.
한편, 상기된 바와 같이, 본 실시예에서는 유상반응부(10)와 연결부(30)의 일단 사이에 촉매필터(17)를 설치하여 유상반응부(10)로부터 수상반응부(20)로 촉매가 이동되는 것을 차단함에 따라, 촉매에 의해 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계를 통해 생성된 과산화수소가 분해되지 않으므로, 과산화수소 제조 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 산화단계에서 안트라퀴논은 형성됨과 동시에 확산되어 연결부(30)로 이동될 수 있으므로, 제 2 이동단계는 산화단계와 거의 동시에 실시될 수 있다.
(6) 퍼징단계에서는 상기의 수소화단계가 실시된 유상반응부(10) 및 상기의 산화단계가 실시된 수상반응부(20)에 불활성가스를 주입할 수 있다(도 3에 미도시).
유상반응부(10) 및 수상반응부(20)에 불활성가스를 주입하는 퍼징단계를 더 포함하고, 퍼징단계는 수소화단계를 실시하고 난 후에 유상반응부(10)에 불활성가스를 주입하는 제 1 퍼징단계, 및 산화단계를 실시하고 난 후에 수상반응부(20)에 불활성가스를 주입하는 제 2 퍼징단계를 포함할 수 있다. 즉, 퍼징단계에서는 유상반응부(10)에 주입된 수소 및 수상반응부(20)에 주입된 공기를 제거하여 과산화수소 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
상기된 바와 같이, 퍼징단계를 실시함으로써 반응기 내부로 투입되는 수소, 공기에 의해 불순물 생성, 부가반응 등이 최소화되어 과산화수소의 제조 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계가 순차적으로 실시되어 수회 반복되거나, 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 및 제 2 이동단계가 동시에 실시되어 수회 반복될 경우에도 수소화단계 및 산화단계 이후에 퍼징단계를 실시할 수 있으며, 연결부(30)에서 산화단계가 실시될 경우 연결부(30)도 퍼징을 실시할 수 있다.
본 실시예에서는 유상반응부(10)의 제 1 주입관(13), 수상반응부(20)의 제 2 주입관(23), 연결부(30)의 제 3 주입관(33)을 통해 불활성가스가 각각 내부로 주입될 수 있으며, 불활성가스는 예를 들어, 헬륨, 네온, 아르콘, 크립톤, 크세논, 라돈, 질소, 이산화탄소, 프레온 등일 수 있으며, 바람직하게는 질소를 포함할 수 있다.
(7) 수득단계에서는 수상반응부(20) 내의 과산화수소를 수득한다.
상기의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 제 2 이동단계, 및 퍼징단계가 수회 반복하여 실시되고 나면 도 8에 도시된 바와 같이, 수상반응부(20) 내의 물에 과산화수소가 용해되어 있으므로, 수득단계에서는 상기의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 제 2 이동단계가 실시되고 난 후에 수상반응부(20)의 물을 배출구(27)로 분리함으로써, 과산화수소를 수득할 수 있다.
과산화수소는 강력한 산화력을 가지므로 일반적으로 과산화수소 100 %의 용액을 사용하지 않고, 과산화수소와 물이 혼합되어 있는 특정 농도의 과산화수소 용액을 사용한다. 본 실시예에서 상기의 수소화단계, 산화단계, 이동단계, 및 퍼징단계가 실시된 후의 물층은 물과 과산화수소가 혼합된 과산화수소 용액과 동일함으로, 본 실시예에서는 수상반응부(20) 내의 물층만을 분리함으로써 과산화수소 용액을 수득할 수 있다. 즉, 수득단계를 실시하여 반응을 종결함과 동시에 특정 농도의 과산화수소 용액을 제조할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 수소화단계 내지 산화단계를 수회 반복함에 따라, 물층의 과산화수소 농도를 저농도에서 고농도로 조절할 수 있으며, 저농도의 과산화수소 용액을 제조하고자 할 경우에는 상기의 수소화단계, 산화단계, 및 퍼징단계를 적은 횟수로 반복하여 적은 양의 과산화수소가 물에 용해되도록 하고, 고농도의 과산화수소 용액을 제조하고자 할 경우에는 상기의 수소화단계, 산화단계, 및 퍼징단계를 많은 횟수로 반복하여 많은 양의 과산화수소가 물에 용해되도록 함에 따라, 수상반응부(20) 내의 물층을 한 번 수득하는 수득단계를 통해 특정 농도의 과산화수소의 수득이 가능할 수 있다.
이에 따라, 특정 농도의 과산화수소 용액을 간단한 공정으로 단 시간 내에 제조할 수 있어 경제적이며, 대규모 공정에도 적용이 가능할 수 있다.
이하 실시예, 비교예, 및 실험예를 통하여 본 발명의 과산화수소 제조방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
실시예 1
촉매필터가 장착된 유상반응부에 안트라퀴논 2.5 Kg, 톨루엔 50 L, 팔라듐 촉매(5 wt% Pd/Al2O3) 0.1 Kg을 투입하여 400 rpm 속도로 교반하고, 동시에 수상반응부에 순수 50 L를 투입하여 400 rpm 속도로 교반을 시작하였으며, 연결부에서도 400 rpm의 속도로 교반을 시작하였다.
이어서, 유기용매, 촉매, 및 안트라퀴논이 혼합되어 있는 유상반응부 내부에 50 L/min의 유속으로 수소가스를 30 분 동안 주입한 뒤. 5분 동안 질소가스를 이용하여 유상반응부 내부를 1차 퍼징하였고, 이 후에, 수상반응부 내부에 50 L/min의 유속으로 공기를 30분 주입한 뒤, 5분 동안 질소가스를 이용하여 수상반응부 내부를 2차 퍼징하였다. 2차 퍼징을 실시하고 난 뒤에, 수상반응부로부터 물층을 분리하여 과산화수소를 추출함으로써 과산화수소를 수득하였다. 또한, 상기 과산화수소 제조과정 중 유상반응부, 수상반응부, 및 연결부 내부의 온도는 약 20 ℃로 유지하였으며, 내부의 압력은 1 Bar로 유지하였고, 과산화수소 제조과정이 진행되는 동안 유상반응부, 수상반응부, 연결부에서는 계속해서 교반을 실시하였다.
실시예 2
촉매필터가 장착된 유상반응부에 안트라퀴논 2.4 Kg, 톨루엔 50 L, 팔라듐 촉매(5 wt% Pd/Al2O3) 0.1 Kg을 투입하여 400 rpm 속도로 교반하고, 동시에 수상반응부에 순수 55 L를 투입하여 400 rpm 속도로 교반을 시작하였으며, 연결부에서도 400 rpm의 속도로 교반을 시작하였다.
이어서, 유기용매, 촉매, 및 안트라퀴논이 혼합되어 있는 유상반응부 내부에 50 L/min의 유속으로 수소가스를 30 분 동안 주입한 뒤. 5분 동안 질소가스를 이용하여 유상반응부 내부를 1차 퍼징하였고, 이 후에, 수상반응부 및 연결부 내부에 50 ml/min의 유속으로 공기를 30분 주입한 뒤, 5분 동안 질소가스를 이용하여 수상반응부 내부를 2차 퍼징하였다. 2차 퍼징을 실시하고 난 뒤에, 수상반응부로부터 물층을 분리하여 과산화수소를 추출함으로써 과산화수소를 수득하였다. 또한, 상기 과산화수소 제조과정 중 유상반응부, 수상반응부, 및 연결부 내부의 온도는 약 20 ℃로 유지하였으며, 내부의 압력은 1 Bar로 유지하였고, 과산화수소 제조과정이 진행되는 동안 유상반응부, 수상반응부, 연결부에서는 계속해서 교반을 실시하였다.
실시예 3
실시예 3과 동일하나, 연결부가 도 2에 도시된 바와 같은 형태로 형성된 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용하여 실험을 실시하였다.
실시예 4
촉매필터가 장착된 유상반응부에 안트라퀴논 2.6 Kg, 톨루엔 50 L, 팔라듐 촉매(5 wt% Pd/Al2O3) 0.1 Kg을 투입하여 400 rpm 속도로 교반하고, 동시에 수상반응부에 순수 57 L를 투입하여 400 rpm 속도로 교반을 시작하였으며, 연결부에서도 400 rpm의 속도로 교반을 시작하였다.
이어서, 유기용매, 촉매, 및 안트라퀴논이 혼합되어 있는 유상반응부 내부에 50 L/min의 유속으로 수소가스를 주입하면서 수상반응부에도 50 L/min의 유속으로 공기를 주입하여, 약 30분이 지난 뒤, 5분 동안 질소가스를 이용하여 유상반응부, 수상반응부, 및 연결부의 내부를 퍼징하였다. 퍼징을 실시하고 난 뒤에, 수상반응부로부터 물층을 분리하여 과산화수소를 추출함으로써 과산화수소를 수득하였다. 또한, 상기 과산화수소 제조과정 중 유상반응부, 수상반응부, 및 연결부 내부의 온도는 약 20 ℃로 유지하였으며, 내부의 압력은 1 Bar로 유지하였고, 과산화수소 제조과정이 진행되는 동안 유상반응부, 수상반응부, 연결부에서는 계속해서 교반을 실시하였다.
실시예 5
촉매필터가 장착된 유상반응부에 안트라퀴논 2.6 Kg, 톨루엔 50 L, 팔라듐 촉매(5 wt% Pd/Al2O3) 0.1 Kg을 투입하여 400 rpm 속도로 교반하고, 동시에 수상반응부에 순수 48 L를 투입하여 400 rpm 속도로 교반을 시작하였으며, 연결부에서도 400 rpm의 속도로 교반을 시작하였다.
이어서, 유기용매, 촉매, 및 안트라퀴논이 혼합되어 있는 유상반응부 내부에 50 L/min의 유속으로 수소가스를 주입하면서 수상반응부 및 연결부 내부에도 50 L/min의 유속으로 공기를 주입하여, 약 30분이 지난 뒤, 5분 동안 질소가스를 이용하여 유상반응부, 수상반응부, 및 연결부의 내부를 퍼징하였다. 퍼징을 실시하고 난 뒤에, 수상반응부로부터 물층을 분리하여 과산화수소를 추출함으로써 과산화수소를 수득하였다. 또한, 상기 과산화수소 제조과정 중 유상반응부, 수상반응부, 및 연결부 내부의 온도는 약 20 ℃로 유지하였으며, 내부의 압력은 1 Bar로 유지하였고, 과산화수소 제조과정이 진행되는 동안 유상반응부, 수상반응부, 연결부에서는 계속해서 교반을 실시하였다.
비교예 1
단일 반응기에 안트라퀴논 2.5 Kg, 톨루엔 100 L, 및 팔라듐 촉매(5 wt% Pd/Al2O3) 0.1 Kg을 투입하여, 400 rpm 속도로 약 5 ~ 10 분 동안 교반을 실시하여 혼합하였다. 이어서, 유기용매, 및 안트라퀴논이 혼합되어 있는 반응기 내부에 50 L/min의 유속으로 수소가스를 30 분 동안 주입한 뒤에. 5분 동안 질소가스를 이용하여 반응기 내부를 1차 퍼징하였고, 퍼징된 반응기 내부에 50 L/min의 유속으로 공기를 30분 주입한 뒤에, 5분 동안 질소가스를 이용하여 반응기 내부를 2차 퍼징하였다. 이후, 생성된 과산화수소를 추출함으로써 과산화수소를 수득하였다. 또한, 상기 과산화수소 제조과정 중에서 유기용매와 물의 온도는 약 20 ℃로 유지하였으며, 반응기 내부의 압력은 1 Bar로 유지되도록 설정하였다.
비교예 2
실시예 1과 동일하나, 촉매필터가 장착되지 않은 유상반응부를 이용하였다.
비교예 3
실시예 2(수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 제 2 이동단계 순차진행 + 연결부에서 공기주입)와 동일하나, 톨루엔을 30 L 사용하였다.
비교예 4
실시예 2와 동일하나, 물을 10 L 사용하였다.
실험예 1 : 실시예 1-5, 및 비교예 1-4에 따른 과산화수소 농도 측정
실시예 1 내지 5에서 반응이 끝난 후에 수상반응부에서 물층을 분리하여 이의 과산화수소 농도를 측정하였으며, 비교예 1 내지 4에서 반응이 끝난 후에 수상반응부에서 물층을 분리하여 과산화수소 농도를 측정하였다.
실험예 1에서 과산화수소의 농도는 적정을 통해 측정되었으며, 적정은 Cerium(IV) sulfate 용액과 Ferrion 지시제를 이용하여 실시(2Ce4+ + H2O2 → 2Ce3 + O2 + 2H+)하였으며, 측정값은 하기의 표 1 내지 2에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
과산화수소의
농도(wt%)		 0.45 0.68 0.71 0.43 0.70
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
과산화수소의
농도(wt%)		 0.12 0.30 0.28 0.26
표 1을 참고하면, 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 제 2 이동단계, 및 퍼징단계를 순차적으로 반복한 실시예 1과 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 제 2 이동단계, 및 퍼징단계를 동시에 실시한 실험예 4의 과산화수소 농도가 비슷한 값을 가지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용할 경우, 상기의 수소화단계, 제 1 이동단계, 산화단계, 제 2 이동단계, 및 퍼징단계가 순차적으로 실시되거나 동시에 실시되어도 과산화수소 제조 효율이 우수함을 알 수 있다.
특히, 연결부에서도 공기를 공급하였던 실시예 2, 실시예 5의 경우, 과산화수소의 제조 효율이 매우 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는 연결부에서 공기를 공급함에 따라, 안트라하이드로퀴논이 산화되어 과산화수소를 생성하여 과산화수소의 제조 효율이 향상됨을 의미한다.
반면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5와는 달리, 수소화단계 및 산화단계가 하나의 반응기에서 실시된 비교예 1의 과산화수소 농도값이 현저히 낮은 것을 알 수 있다. 이는 본 발명과 같이 수소화단계 및 산화단계가 별도의 반응기에서 실시될 경우 과산화수소 제조 효율이 향상됨을 의미한다.
또한, 실시예 1 내지 5와 비교예 2를 비교하면, 실시예 1 내지 5에 비해, 촉매필터를 사용하지 않은 비교예 2의 과산화수소 농도가 현저히 낮은 것을 알 수 있다. 이는, 촉매필터를 사용하지 않은 경우, 촉매가 수상반응부로 이동하여 생성된 과산화수소를 분해시켰음을 의미한다.
또한, 실시예 1 내지 5와 비교예 3을 비교하면, 실시예 1 내지 5와 달리 본 발명에서 제시하는 중량비를 따르지 않은 비교예 3의 과산화수소 농도가 현저히 낮은 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에서 제시하는 중량비를 따를 경우에는 과산화수소의 제조 효율을 향상시킬 수 있음을 의미한다.
실험예 2 : 실시예 2, 실시예 5, 비교에 2를 총 3회 반복
실험예 2에서는 수소화단계 내지 산화단계를 수회 반복할 때, 수상반응부의 물층 내의 과산화수소 농도의 농도를 측정하여 그 변화를 관찰하였다.
먼저, 실시예 2 및 비교예 2에서 수소화단계 ~ 2차 퍼징단계를 총 3회 반복하면서 각 회마다 물층 내의 과산화수소 농도를 측정하였으며, 실시예 5에서 수소화단계, 산화단계, 및 퍼징단계를 총 3회 반복하면서 각 회마다 물층 내의 과산화수소 농도를 측정하여 표 3 내지 5에 나타내었다. 실험예 2에서 과산화수소의 농도는 적정을 통해 측정되었으며, 적정은 Cerium(IV) sulfate 용액과 Ferrion 지시제를 이용하여 실시(2Ce4+ + H2O2 → 2Ce3 + O2 + 2H+)하였으며, 측정값은 하기의 표 3 내지 5에 나타내었다.
또한, 각 회마다의 과산화수소 농도 값을 이용하여, 초기의 과산화수소 농도 대비 과산화수소 농도의 증가율을 계산하여 표 3 내지 5에 나타내었다.
실시예 2
수소화-산화 반복횟수 과산화수소의 농도(wt%) 과산화수소 농도 증가율(%)
1 0.68 -
2 0.79 16.2
3 0.91 33.8
실시예 5
수소화-산화 반복횟수 과산화수소의 농도(wt%) 과산화수소 농도 증가율(%)
1 0.70 -
2 0.81 15.7
3 0.91 30.0
비교예 2
수소화-산화 반복횟수 과산화수소의 농도(wt%) 과산화수소 농도 증가율(%)
1 0.30 -
2 0.34 13.3
3 0.36 20.0
상기 표 3-5를 참조하면, 촉매필터를 사용하지 않은 비교예 2의 경우, 초기의 과산화수소 농도 증가율이 실시예 2 및 실시예 5와 비슷하나, 반복횟수가 증가할수록 과산화수소 농도 증가율이 실시예 2 및 실시예 5에 비해 현저히 낮은 것을 알 수 있다. 이는 촉매가 유상반응부 뿐 아니라 연결부, 수상반응부로 이동하여 생성된 과산화수소의 분해를 촉진시키는 것을 의미한다.
실험예 3 : 실시예 1-2, 및 비교예 1-3의 순도측정
실험예 1에 사용되었던, 실시예 1-5, 및 비교예 1-2의 수상반응부의 물을 이용하여 순도를 측정하는 실험을 실시하였다. 실험예 1에 사용되었던 실시예 1-5, 및 비교예 1-2의 물층 일부를 채취하여 분석장비로 안트라퀴논 또는 안트라하이드로퀴논, 톨루엔, 알루미늄, 팔라듐의 농도를 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 6에 나타내었다.
안트라퀴논 또는 안트라하이드로퀴논
(μg/l)		 톨루엔
(μg/l)		 알루미늄
(μg/l)		 팔라듐
(μg/l)
실시예 1 15.56 40.12 3.01 5.00
실시예 2 18.27 39.58 3.40 6.03
실시예 3 17.66 41.98 5.75 4.58
실시예 4 18.26 40.34 4.22 6.25
실시예 5 19.37 40.50 5.12 7.34
비교예 1 50.94 98.20 15 33
비교예 2 50.99 40.05 30 55
표 6을 참고하면, 동일한 반응기에 유기용매와 물을 투입하여 수소화와 산화를 진행하는 비교예 1에서 불순물로 톨루엔이 가장 많이 측정되었다.
또한, 촉매필터를 사용하지 않은 비교예 2에서 촉매성분인 알루미늄과 팔라듐 성분이 가장 많이 측정되었다. 이는 촉매가 유상반응부에서 수상반응부로 이동되었음을 의미하며, 이에 따라, 촉매에 의해 과산화수소가 분해되어 과산화수소 제조 효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 유상반응부
11 : 유상주입구
13 : 제 1 주입관
15 : 교반기
17 : 촉매 필터
20 : 수상반응부
21 : 수상주입구
23 : 제 2 주입관
25 : 교반기
27 : 배출구
30 : 연결부
33 : 제 3 주입관
35 : 교반기

Claims (14)

  1. 과산화수소 제조용 이상 반응기에 있어서,
    안트라퀴논, 물과 불혼화성이며 물 보다 밀도가 낮은 유기용매, 및 촉매가 주입되는 유상주입구 및 수소, 공기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 기체가 주입되는 제 1 주입관을 포함하는 유상반응부;
    물이 주입되는 수상주입구, 과산화수소가 배출되는 배출구, 및 공기가 주입되는 제 2 주입관을 포함하는 수상반응부; 및
    관 형태로 형성되어 일단은 상기 유상반응부의 하측과 연결되고, 타단은 상기 수상반응부의 하측에 연결되어 상기 유상반응부와 상기 수상반응부를 연결하는 연결부;를 포함하고,
    상기 유상반응부, 상기 수상반응부, 및 상기 연결부의 내부에는 교반기가 설치되며,
    상기 유상반응부의 하측과 상기 연결부의 일단 사이의 연결부위에는 촉매필터;가 설치되어 상기 촉매의 상기 수상반응부로의 이동이 차단되고,
    상기 연결부는 복수 회 절곡된 관 형태로 형성되어 공기가 주입되는 제 3 주입관을 포함하며,
    상기 연결부는 상기 연결부의 일단과 상기 제 3 주입관 사이에서 바닥면과 수평을 이루는 상기 연결부의 일측 영역 및 상기 제 3 주입관과 상기 연결부의 타단 사이에서 상기 바닥면과 수평을 이루는 상기 연결부의 타측 영역을 포함하되,
    상기 바닥면으로부터 상기 연결부의 일측 영역의 높이는 상기 바닥면으로부터 상기 연결부의 타측 영역의 높이 보다 높은 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조용 이상 반응기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항의 과산화수소 제조용 이상 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법에 있어서,
    상기 유상반응부에 상기 유기용매, 안트라퀴논(Anthraquinone), 및 촉매를 주입하여 교반하고, 상기 수상반응부에 상기 물을 주입하여 교반하는 교반단계;
    상기 유상반응부의 제 1 주입관으로 상기 수소를 주입하여 상기 유상반응부 내의 상기 안트라퀴논을 안트라하이드로퀴논(Anthrahyeroquinone)으로 수소화하는 수소화단계;
    상기 유상반응부 내의 상기 안트라하이드로퀴논 중 일부가 상기 연결부를 통해 상기 수상반응부로 이동되는 제 1 이동단계;
    상기 수상반응부의 제 2 주입관으로 상기 공기를 주입하여 상기 제 1 이동단계에서 상기 수상반응부로 이동된 상기 안트라하이드로퀴논을 안트라퀴논으로 산화시키면서 과산화수소(H2O2)를 생성하는 산화단계;
    상기 수상반응부 내의 상기 안트라퀴논이 상기 연결부를 통해 상기 유상반응부로 이동되는 제 2 이동단계; 및
    상기 수상반응부 내의 상기 과산화수소를 수득하는 수득단계;를 포함하고,
    상기 유상반응부 내의 상기 촉매는 상기 촉매필터에 의해 상기 수상반응부로의 이동이 차단되는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 이동단계에서 상기 연결부의 제 3 주입관을 통해 공기를 공급하고,
    상기 제 2 이동단계에서 상기 연결부의 제 3 주입관을 통해 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 교반단계에서는
    상기 유상반응부에 상기 안트라퀴논 100 중량부와 상기 안트라퀴논 100 중량부에 대해 상기 유기용매를 1500 ~ 2000 중량부로 주입하고,
    상기 수상반응부에 상기 안트라퀴논 100 중량부에 대해 상기 물을 1800 ~ 2300 중량부로 주입하는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 안트라퀴논은 2-에틸-안트라퀴논(2-Ethyl-anthraquinone)이고, 상기 안트라하이드로퀴논은 2-에틸-안트라하이드로퀴논(2-Ethyl-anthrahydroquinone) 인 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 유상반응부 및 상기 수상반응부에 불활성가스를 주입하는 퍼징단계를 더 포함하고,
    상기 퍼징단계는 상기 수소화단계를 실시하고 난 후에 상기 유상반응부에 상기 불활성가스를 주입하는 제 1 퍼징단계; 및
    상기 산화단계를 실시하고 난 후에 상기 수상반응부에 상기 불활성가스를 주입하는 제 2 퍼징단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소화단계, 상기 제 1 이동단계, 상기 산화단계, 및 상기 제 2 이동단계가 동시에 실시되는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소화단계, 상기 제 1 이동단계, 상기 산화단계, 및 상기 제 2 이동단계를 수회 반복하는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소화단계, 상기 제 1 이동단계, 상기 산화단계, 및 상기 제 2 이동단계는 18 ~ 25 ℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소화단계에서
    상기 유상반응부 내의 제 1 주입관으로 상기 수소를 주입하여 상기 유상반응부 내의 상기 안트라퀴논을 안트라하이트로퀴논으로 수소화한 뒤에,
    상기 유상반응부 내의 제 1 주입관으로 상기 공기를 더 주입하는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 유기용매는 물과 불혼화성인 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유기용매는
    톨루엔, 폴리알킬화된 벤젠을 포함하는 방향족 벤진, 트리스-(2-에틸헥실)포스페이트, 메틸사이클로헥실아세테이트, N-옥틸 카프로락탐, 테트라부틸 우레아, 피롤리돈, 카르바메이트, 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
KR1020160140929A 2016-10-27 2016-10-27 과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법 KR101858008B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160140929A KR101858008B1 (ko) 2016-10-27 2016-10-27 과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160140929A KR101858008B1 (ko) 2016-10-27 2016-10-27 과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180046097A KR20180046097A (ko) 2018-05-08
KR101858008B1 true KR101858008B1 (ko) 2018-05-15

Family

ID=62186882

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160140929A KR101858008B1 (ko) 2016-10-27 2016-10-27 과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101858008B1 (ko)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180046097A (ko) 2018-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0415448B1 (en) Process for making hydrogen peroxide
JP3382860B2 (ja) 過酸化水素の直接製造方法
RU2003104014A (ru) Способ получения перекиси водорода
ITMI20001881A1 (it) Processo per la produzione di acqua ossigenata
US7601323B2 (en) Method for producing hydrogen peroxide
KR101858008B1 (ko) 과산화수소 제조용 이상 반응기 및 상기 과산화수소 제조용 반응기를 이용한 과산화수소의 제조방법
EP0726227B1 (en) Process for the preparation of hydrogen peroxide
CN111533097A (zh) 一种黄磷氧化脱砷的方法
WO2002083550A2 (de) Verfahren zur herstellung von organischen wasserstoffperoxidlösungen, sowie deren verwendung
EP0221931A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur durchführung der oxidation im anthrachinonverfahren zur herstellung von wasserstoffperoxid.
JP2521574B2 (ja) 過酸化水素の製法及びそのための装置
CN111099563B (zh) 蒽醌法制备过氧化氢的氧化方法
KR101858007B1 (ko) 과산화수소의 제조방법
CN106892408B (zh) 一种双氧水生产过程的氧化方法
FI81556B (fi) Foerfarande foer framstaellning av vaeteperoxid.
JP4206556B2 (ja) 精製過酸化水素水溶液の製造方法
CA2535500C (en) Process for the preparation of hydrogen peroxide by the anthraquinone cyclic process
EP2352718B1 (en) Method for reducing the formation of by-product dinitrobenzene in the production of mononitrobenzene
KR20030007505A (ko) 과산화수소의 제조방법
CA1186869A (en) Process of reducing the oxygen content in gas mixtures
CN109824627B (zh) 一种透氧透氢耦合膜微反应器合成环氧丙烷的方法
CN105800564A (zh) 蒽醌法制过氧化氢的氧化方法和生产过氧化氢的方法
EP0999181A1 (fr) Procédé de fabrication de peroxyde d'hydrogène
KR100201964B1 (ko) 과산화수소의 제조방법
CA1049749A (en) Process for manufacturing hydrogen peroxide

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
R401 Registration of restoration