KR20100014773A - Hydrogen-oxygen mixer-sparger - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 과산화수소의 제조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 과산화수소의 대규모 생산에 관한 것이다. The present invention relates to the production of hydrogen peroxide, and more particularly to the large-scale production of hydrogen peroxide.
현재 가장 널리 실시되고 있는 과산화수소의 산업적 규모의 제조 방법은 작용재로서 알킬란트라퀴논(alkylanthraquinone)을 채용하는 수소와 산소의 간접적 반응이다. 제1 촉매 수소화 단계에 있어서, 유기 용제들(예컨대, 디이소부틸카비놀과 메틸 나프탈렌)을 포함하는 작용액 내에 용해된 알킬란트라퀴논은 알킬란트라하이드로퀴논(alkylanthrahydroquinone)으로 전환된다. 별개의 자동 산화 단계에서, 이 환원된 화합물은 산화되어 알킬란트라퀴논을 재생하여 과산화수소를 산출한다. 수성 추출, 정련 및 농축 작업에 의한 후속의 분리를 채용하여 상업 등급의 생성물을 제공한다. The most widely used industrial scale production of hydrogen peroxide is the indirect reaction of hydrogen and oxygen employing alkylanthraquinone as an agent. In the first catalytic hydrogenation step, alkyllantraquinone dissolved in a working solution comprising organic solvents (eg, diisobutylcarbinol and methyl naphthalene) is converted to alkylanthrahydroquinone. In a separate automatic oxidation step, this reduced compound is oxidized to regenerate alkyllantraquinone to yield hydrogen peroxide. Subsequent separation by aqueous extraction, refining and concentration operations is employed to provide a commercial grade product.
전체적으로, 캐리어 매체가 환원된 다음 산화되는 H2O2 형성으로의 간접적인 루트는 복잡성을 추가하여 높은 설비 비용과 작동 비용을 필요로 한다. 한가지 두드러진 단점은 과산화수소 생성물을 분리하는 데에 사용되는 수성 추출 매체에서 알킬란트라퀴논의 상당한 용해성이다. 이는 작용액의 손실을 촉진시키고, 과산화 수소가 운반에 적절한 수준으로 농축될 때에 과산화수소와 반응하는 유기종에 의한 과산화수소 생성물의 오염을 초래한다. 두번째 문제는 알킬란트라퀴논 작용액에서 수성 추출 용액의 용해성에 관한 것이다. 습성 작용액이 간접적인 산화 단계로의 재순환을 위해 수성 상태로부터 분리되는 경우에, 유기 용액 내에 잔류하는 수성 상태의 "포켓"은 과산화수소 생성물을 위한 구역을 제공하여 위험한 범위까지 농축시킨다. 세번째 문제는 수성 스트림에 유기 오염물 없이 소량의 과산화수소가 요구될 때에 유기 화합물의 용법과 복구에 관한 것이다. Overall, the indirect route to H 2 O 2 formation, where the carrier medium is reduced and then oxidized, adds complexity and requires high plant and operating costs. One notable drawback is the significant solubility of alkyllantraquinones in the aqueous extraction media used to separate the hydrogen peroxide product. This promotes loss of working fluid and leads to contamination of the hydrogen peroxide product by organic species that react with hydrogen peroxide when the hydrogen peroxide is concentrated to a level suitable for transport. The second problem concerns the solubility of the aqueous extraction solution in the alkyllantraquinone working solution. In case the wet working solution is separated from the aqueous state for recycling to the indirect oxidation step, the "pocket" of the aqueous state remaining in the organic solution provides a zone for the hydrogen peroxide product and concentrates to a dangerous range. The third problem concerns the use and recovery of organic compounds when a small amount of hydrogen peroxide is required in the aqueous stream without organic contaminants.
알킬란테라퀴논 루트보다 매우 더 간단하고 경제적인 루트는 기상 수소와 산소 공급물 스트림으로부터 과산화수소의 직접적인 합성이다. 이 공정은 미국 특허 제4,832,938 B1호 및 다른 인용 문헌들에 개시되어 있지만, 상업화 시도는 이 공정 고유의 폭발 위험으로부터 생기는 산업적 재해에 이르게 된다. 즉, 정상 온도 및 압력에서 산소-수소 기상 혼합물에서의 수소의 폭발성 농도는 4.7 내지 93.9 용적%이다. A much simpler and more economical route than the alkyllanteraquinone route is the direct synthesis of hydrogen peroxide from the gaseous hydrogen and oxygen feed streams. Although this process is disclosed in US Pat. No. 4,832,938 B1 and other cited documents, commercialization attempts lead to industrial disasters resulting from the explosion hazard inherent to this process. That is, the explosive concentration of hydrogen in the oxygen-hydrogen gaseous mixture at normal temperature and pressure is 4.7 to 93.9 volume percent.
질소와 같은 불활성 가스로 기상 혼합물을 희석하는 것은 불활성 가스가 없는 경우를 고려할 때에 2개의 가스의 하한 농도를 거의 변화시키지 않는다고 알려져 있다. 압력 변동(0.1 - 20 MPa)과 온도 변동(0 - 100℃)의 정상 범위 내에서, 폭발 범위는 거의 변하지 않는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 이들 반응 물질들이 균질한 조건에서 가연성 엔빌로프 외측에 있는 비율로 결합되더라도, 순수한 성분들로부터 균질성의 달성은 가연성 엔빌로프를 통한 적어도 일시적인 통과를 반드시 포함한다. 이 이유로, 수소와 산소의 직접적인 접촉과 관련된 폭발 위험은 쉽게 완화되지 않는다. Dilution of the gaseous mixture with an inert gas such as nitrogen is known to hardly change the lower concentrations of the two gases, considering the absence of an inert gas. Within the normal range of pressure fluctuations (0.1-20 MPa) and temperature fluctuations (0-100 ° C.), the explosion range is known to hardly change. Moreover, even if these reactants are combined at a rate outside the combustible envelope in homogeneous conditions, the attainment of homogeneity from pure components necessarily involves at least a temporary passage through the combustible envelope. For this reason, the explosion risk associated with the direct contact of hydrogen and oxygen is not easily mitigated.
수소와 산소를 직접 접촉시키는 영역에서, 액상에서의 반응을 포함하도록 몇몇의 노력이 또한 이루어졌다. 예컨대, 미국 특허 제5,925,588 B1호는 수성 액상에서 최적의 성능을 제공하도록 변경된 소수성/친수성 지지체를 갖는 촉매의 사용을 개시하고 있다. 또한, 미국 특허 제6,042,804 B1호는 수소와 산소의 미소 기포를 촉매를 함유하고 신속하게 유동하는 산성의 수성 액체 매체 내로 분산시키는 것을 개시하고 있다. 그러나, 불행하게도, 수소와 산소 반응 물질은 이들 문헌에 개시된 수성 반응 용제들에서 약간만 용해될 수 있다. Several efforts have also been made to include reactions in the liquid phase in the region of direct contact of hydrogen with oxygen. For example, US Pat. No. 5,925,588 B1 discloses the use of a catalyst with a hydrophobic / hydrophilic support modified to provide optimal performance in aqueous liquid phases. U. S. Patent No. 6,042, 804 B1 also discloses dispersing microbubbles of hydrogen and oxygen into a rapidly flowing acidic aqueous liquid medium containing a catalyst. Unfortunately, however, hydrogen and oxygen reactants can only be slightly dissolved in the aqueous reaction solvents disclosed in these documents.
다른 문헌, 즉 미국 특허 제4,336,240 B1호와 미국 특허 제4,347,231 B1호는 유기 상에 용해된 균질한 촉매를 갖는 2상 반응 시스템을 개시하고 있다. 이들 2개의 문헌 중 전자에 언급한 바와 같이, 균질한 촉매 시스템은 일반적으로 상업적 용도를 방해하는 단점이 있다. 불리한 특징들로는 반응 조건하에서 불충분한 촉매 안정성과, 반응 매체에서 제한된 촉매 용해성과, 과산화수소의 생산을 위해서는 낮은 반응률이 있다. 또한, 2상 액체 반응 시스템 위에서 기상의 H2/O2 함유 환경은 액상에 용해되는 이들 반응 물질의 평형 농도를 유지한다. 따라서, 반응 액체 위의 이러한 기상 분위기는 반드시 가연성 엔빌로프 외측에 있어야 하므로, 액상에서 잠재적인 반응 물질 몰비의 범위를 크게 제한한다. Another document, US Pat. No. 4,336,240 B1 and US Pat. No. 4,347,231 B1, discloses a two-phase reaction system with a homogeneous catalyst dissolved in an organic phase. As mentioned in the former of these two documents, homogeneous catalyst systems generally have the disadvantage of hindering commercial use. Disadvantages include insufficient catalyst stability under reaction conditions, limited catalyst solubility in the reaction medium, and low reaction rates for the production of hydrogen peroxide. In addition, the gaseous H 2 / O 2 containing environment above the two-phase liquid reaction system maintains an equilibrium concentration of these reactants dissolved in the liquid phase. Thus, this gaseous atmosphere on the reaction liquid must be outside the combustible envelope, thus greatly limiting the range of potential reactant molar ratios in the liquid phase.
물에서 과산화수소를 제조하는 데에는 2가지 타입의 리액터가 있다. 제1 리액터는 가스 기포와 촉매가 유동 액상에 분산되는 슬러리 리액터이다. 이 슬러리 리액터는 혼합에 이점이 있어 양호한 열 및 질량 전달을 제공하지만, 이 방법은 촉매 회수 및 재순환 방법 외에 고가의 촉매를 다량 필요로 한다. 제2 리액터는 가스와 액체가 촉매의 충전층 위에서 유동하는 살수층 리액터이다. 살수층 리액터의 주요 단점은 가스가 연속상이어서 수소와 산소가 위험 기간으로 진입하는 것을 방지하도록 작은 채널 크기, 이에 따라 작은 파티클 크기를 필요로 한다는 것이다.There are two types of reactors for producing hydrogen peroxide from water. The first reactor is a slurry reactor in which gas bubbles and catalyst are dispersed in the flowing liquid phase. This slurry reactor has the advantage of mixing to provide good heat and mass transfer, but this method requires large amounts of expensive catalysts in addition to the catalyst recovery and recycle methods. The second reactor is a trickle bed reactor in which gas and liquid flow over a packed bed of catalyst. The main disadvantage of the trickle bed reactor is that the gas is in a continuous phase, requiring a small channel size, and hence a small particle size, to prevent hydrogen and oxygen from entering the critical period.
환경 안전 방법을 위한 여분의 화학 물질이 필요없고 폐기 생성물 스트림을 발생시키지 않는 것을 기본으로 하여 다량의 과산화수소를 제조하는 장치 및 공정을 갖는 것이 유용한다.It is useful to have an apparatus and process for producing large amounts of hydrogen peroxide based on the need for no extra chemicals for environmental safety methods and no waste product stream generation.
현재의 과산화수소 제조 방법의 단점을 극복하는 한가지 방법은 액체 내에 소형 기포의 분산 상에서 다량의 수소와 산소 혼합물을 발생시키는 것이다. 본 발명은 작은 가스 기포로서 수소와 산소의 혼합물을 발생시키는 장치를 제공한다. 본 발명은 제1 플레이트가 메인 채널과 제1 가스를 운반하기 위해 제1 플레이트 내에 형성된 복수 개의 소형 채널을 갖고, 제2 플레이트가 메인 채널과 제2 가스를 운반하기 위해 제2 플레이트 내에 형성된 복수 개의 소형 채널을 갖는 한쌍의 플레이트를 구비한다. 플레이트는 적층된 경우에 제2 플레이트의 소형 채널 내에서 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 혼합을 제공하고, 가스 혼합물은 액체 스트림으로 소형 기포로서 빠져나간다. One way to overcome the shortcomings of current hydrogen peroxide production processes is to generate a large amount of hydrogen and oxygen mixture in the dispersion of small bubbles in the liquid. The present invention provides an apparatus for generating a mixture of hydrogen and oxygen as small gas bubbles. According to the present invention, a first plate has a plurality of small channels formed in the first plate for carrying the main channel and the first gas, and a second plate has a plurality of small channels formed in the second plate for carrying the main channel and the second gas. It has a pair of plates with small channels. The plates, when stacked, provide a mixture of the first gas stream and the second gas stream in the small channel of the second plate, and the gas mixture exits as small bubbles into the liquid stream.
다른 실시예에 있어서, 장치는 소형 채널을 빠져나가는 가스 기포를 내포하기 위한 액체 스트림을 또한 제공하는 냉각판을 포함한다. 냉각판은 제1 플레이트, 제2 플레이트, 냉각판이 반복하는 방식으로 제1 및 제2 가스 분배 플레이트와 적층된다. In another embodiment, the apparatus includes a cold plate that also provides a liquid stream for containing gas bubbles exiting the small channel. The cold plate is laminated with the first and second gas distribution plates in a manner that the first plate, the second plate, and the cold plate repeat.
또 다른 실시예에 있어서, 장치는 수소와 산소를 함유하는 가스 기포와 액체로부터 과산화수소를 발생시키기 위한 리액터를 구비한다. 그 구성은 가스 기포 구름을 내포한 액체가 리액터 위에서 흐르도록 되어 있고, 가스 기포 구름은 보다 큰 가스 기포로 응집되지 않아 리액터의 안전한 작동을 제공한다. In yet another embodiment, the apparatus includes a gas bubble containing hydrogen and oxygen and a reactor for generating hydrogen peroxide from the liquid. The configuration is such that liquid containing gas bubble clouds flows over the reactor, and the gas bubble clouds do not aggregate into larger gas bubbles to provide safe operation of the reactor.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 용례는 이하의 상세한 설명 및 도면으로부터 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 추가 목적, 실시예 및 상세 내용은 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 얻을 수 있다. Other objects, advantages and applications of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description and drawings. Further objects, examples and details of the invention can be obtained from the following detailed description of the invention.
도 1은 믹서용 제1 플레이트의 구성이다.1 is a configuration of a first plate for a mixer.
도 2는 믹서용 제2 플레이트의 구성이다.2 is a configuration of a second plate for a mixer.
도 3은 제1 및 제2 플레이트의 개략도로서, 믹서의 플레이트들을 통한 유동을 보여준다. 3 is a schematic diagram of the first and second plates, showing the flow through the plates of the mixer.
도 4는 믹서용 냉각판의 구성이다. 4 is a configuration of a cooling plate for a mixer.
도 5는 가스와 액체가 스파저에서 유동하는 조립된 스파저의 다이어그램이다.5 is a diagram of an assembled sparger in which gas and liquid flow in the sparger.
도 6a 및 6b는 환형 형태를 갖는 믹서용 제1 플레이트의 구성으로서, 도 6a는 평면도이고 도 6b는 단면도이다.6A and 6B show a configuration of a first plate for a mixer having an annular shape, in which FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a sectional view.
도 7a 및 7b는 환형 형태를 갖는 믹서용 제2 플레이트의 구성으로서, 도7a는 평면도이고 도 7b는 평면도이다.7A and 7B show a configuration of a second plate for a mixer having an annular shape, in which FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a plan view.
도 8은 제1 및 제2 플레이트의 개략도로서, 믹서용 플레이트를 통한 유동을 보여준다.8 is a schematic of the first and second plates, showing flow through the plate for the mixer.
도 9a 및 9b는 환형 형태를 갖는 믹서용 냉각판의 구성으로서, 도 9a는 평면도이고 도 9b는 단면도이다.9A and 9B are configurations of a cooling plate for a mixer having an annular shape, in which Fig. 9A is a plan view and Fig. 9B is a sectional view.
도 10은 도 5의 스파저 구성을 이용하는 래디얼 리액터의 구성이다.FIG. 10 is a configuration of a radial reactor using the sparger configuration of FIG. 5.
도 11은 과산화수소를 발생을 위한 스파저와 리액터의 스테이지들의 개략도이다.11 is a schematic diagram of stages of a sparger and a reactor for generating hydrogen peroxide.
도 12는 향류 유동을 이용하는 과산화수소 리액터의 스테이지들의 개략도이다.12 is a schematic of the stages of a hydrogen peroxide reactor using countercurrent flow.
도 13은 과산화수소 리액터용 하이브리드 구성의 개략도이다.13 is a schematic diagram of a hybrid configuration for a hydrogen peroxide reactor.
본 발명은 과산화수소(H2O2)를 발생시키도록 반응하기 위해 물에서 수소와 산소를 대규모로 혼합시키는 장치를 포함한다. 과산화수소의 생산을 늘리는 데 있어서의 문제는 대용적의 수소와 산소의 혼합을 야기하는 양의 발생이다. 이는 잠재적으로 위험한 상황이다. 따라서, 다량의 혼합된 수소 및 산소를 발생시키되, 물에서 급속한 용해와 과산화수소를 생성하는 반응을 위해 물 내에서 작은 기포의 분산 상(dispersed phase)으로 발생시키는 것이 요망된다. 대규모 용도에 적절한 믹서의 신규한 구성이 제시되어 있다.The present invention includes an apparatus for massively mixing hydrogen and oxygen in water to react to generate hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). A problem in increasing the production of hydrogen peroxide is the generation of amounts that result in the mixing of large volumes of hydrogen and oxygen. This is a potentially dangerous situation. Thus, it is desired to generate large amounts of mixed hydrogen and oxygen, but to produce a small bubble dispersed phase in water for reactions that result in rapid dissolution in water and hydrogen peroxide. New configurations of mixers suitable for large scale applications are presented.
일실시예에 있어서, 장치는 플레이트 어레이를 포함하고, 각 플레이트는 플레이트 내에 형성된 채널을 가지며, 플레이트들은 서로 결합된다. 채널을 형성하는 수단으로는 에칭, 프레싱, 스탬핑 및 밀링(이들로 제한되지 않음)을 포함하고 당업계에 널리 알려져 있다. 플레이트들을 함께 결합시키는 수단은 당업계에 널리 알려져 있고, 확산 접합, 브레이징 및 용접을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 상기 플레이트 어레이는 한쌍의 플레이트인 것이 바람직하고, 여기서 플레이트들은 교호적인 순서로 적층된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 한쌍의 플레이트 중 제1 플레이트(10)는 제1면, 대향면, 제1 에지, 제2 에지, 제3 에지 및 제4 에지를 갖는다. 제1 플레이트(10)는 입구(14)와, 제1 플레이트(10)의 일면에 있는 복수 개의 출구(16)를 갖는 메인 채널(12)을 포함한다. 메인 채널은 제1 플레이트(10)를 관통하지 않게 플레이트 내로 에칭, 프레싱, 스탬핑 또는 밀링된다. 제1 플레이트(10)는 메인 채널(12)과 동일한 플레이트(10)의 면 상에 복수 개의 소형 채널(18)을 더 포함하고, 각 소형 채널은 메인 채널(12)로부터 대응하는 출구(16)와 유체 연통하는 입구를 갖는다. 소형 채널(18)은 대향면으로 제1 플레이트(10)를 통해 연장하는 출구(20)를 각각 구비하여 플레이트의 대향면에 슬릿 어레이를 생성한다. 특정한 실시예에 있어서, 소형 채널(18)은 플레이트(10)의 에지로 연장하지 않지만, 다른 실시예에서는 소형 채널이 제1 플레이트(10)의 에지로 연장할 수 있다. In one embodiment, the apparatus comprises a plate array, each plate having a channel formed in the plate, the plates being joined to each other. Means for forming the channel include, but are not limited to, etching, pressing, stamping and milling, and are well known in the art. Means for joining the plates together are well known in the art and include but are not limited to diffusion bonding, brazing and welding. The plate array is preferably a pair of plates, where the plates are stacked in an alternating order. As shown in FIG. 1, the
실시예는 도 2에 도시된 바와 같이 제1면, 대향면, 제1 에지, 제2 에지, 제3 에지 및 제4 에지를 갖는 한쌍의 플레이트 중 제2 플레이트(30)를 더 구비한다. 제2 플레이트(30)는 입구(34)와, 제2 플레이트(30)의 일면에 있는 복수 개의 출구(36)를 갖는 메인 채널(32)을 구비한다. 메인 채널은 제2 플레이트(30)를 관통하지 않게 플레이트 내로 에칭, 프레싱, 스탬핑 또는 밀링된다. 제2 플레이트(30)는 메인 채널(32)과 동일한 플레이트(30)의 면에 복수 개의 소형 채널(38)을 더 구비하고, 각 소형 채널(38)은 메인 채널(32)로부터 대응하는 출구(36)와 유체 연통하는 입구를 갖는다. 소형 채널(38)은 제2 플레이트(30)의 한 에지로 개방되는 출구(40)를 각각 갖는다. 메인 채널(32)과 같이, 소형 채널(38)은 제2 플레이트(30)를 통과하여 반대면으로 연장되지 않는다. The embodiment further includes a
2개의 플레이트(10, 30)는 각각 동일한 개수의 소형 채널(18, 38)을 갖고, 각 채널(18)은 대응하는 채널(38)을 갖는다. 플레이트(10, 30)가 적층될 때에, 대응하는 소형 채널(18, 38)은 제1 플레이트의 소형 채널(18)의 출구(20)가 제2 플레이트의 대응하는 채널(38)과 유체 연통하도록 정렬된다. 제1 플레이트의 소형 채널(18)은 제2 플레이트의 소형 채널(38) 내로 종결되는 출구(20)를 갖는다. 제1 플레이트 소형 채널(18)의 출구(20)의 하류에 있는 제2 플레이트 소형 채널(38)의 섹션은 2개의 채널(18, 38)로부터 나오는 가스들이 혼합할 구역을 제공한다. 제2 소형 채널(38) 내의 이 섹션의 길이는 제2 플레이트 소형 출구(40)에서 가스 혼합물이 빠져나가기 전에 양호한 가스들의 혼합을 달성하도록 선택된다. The two
복수 개의 플레이트(10, 30) 쌍들이 적층되어 함께 고정되는 경우에, 결과적인 실시예는 6면이 있는 장방형 프리즘 형태를 갖게 되어 스파저(sparger)를 형성한다. 일면에는 제1 플레이트용 메인 채널(12)의 입구가 있고, 제1면의 반대측인 제2면에는 제2 플레이트용 메인 채널(32)의 입구가 있으며, 제3면에는 제2 플레이트의 소형 채널(38)의 출구(40)인 소형 개구의 어레이가 있다. 이는 메인 채널(12, 32)에 진입하여 혼합물로서 소형 채널 출구(40)로부터 배출되는 가스들의 양호한 혼합을 제공한다. 소형 채널 출구(40) 위에서 액체가 흐르기 때문에, 가스 기포 구름이 액체에 동반되어 액체 내에 가스 혼합물을 용해시키는 개선된 질량 전달을 제공한다. In the case where a plurality of pairs of
본 발명에 의한 2가지 가스들의 혼합을 보여주는 개략도가 도 3에 도시되어 있다. 제1 가스는 화살표(15)로 지시되는 바와 같이 제1 플레이트 메인 채널(12) 내로 유입된다. 이어서, 제1 가스는 분배되어 화살표(17)로 지시되는 바와 같이 이차 채널(18)로 유입된다. 제1 가스는 제1 플레이트 이차 채널(18)을 빠져나가 화살표(19)로 지시되는 바와 같이 제2 플레이트 이차 채널로 유입된다. 제2 가스는 화살표(25)로 지시되는 바와 같이 제2 플레이트 메인 채널(32) 내로 유입된다. 이어서, 제2 가스는 분배되어 화살표(27)로 지시되는 바와 같이 이차 채널(38)로 유입된다. 제2 가스는 제1 가스와 혼합하여 화살표(19)로 지시되는 바와 같이 제2 플레이트 이차 채널(38) 내로 유입된다. 제1 가스와 제2 가스의 혼합물은 화살표(29)로 지시되는 바와 같이 제2 플레이트 이차 채널(38)을 빠져나간다. A schematic diagram showing the mixing of two gases according to the present invention is shown in FIG. 3. The first gas is introduced into the first plate
본 실시예에 있어서, 메인 채널(12, 32)의 크기는 폭이 대략 50 mm이고 깊이가 대략 0.5 mm로 되어, 25 mm2의 단면적을 제공한다. 소형 채널(18, 38)의 크기는 폭이 대략 0.2 mm이고 깊이가 대략 0.2 mm로 되어, 0.04 mm2의 단면적을 제공한다. 메인 채널로부터 소형 채널로의 가스의 양호한 분배는 메인 채널의 단면적 대 소형 채널들의 단면적의 합의 비율이 적어도 3이 되도록 유지함으로써 달성된다. 본 실시예에 있어서, 현행 채널의 크기는 각 메인 채널에 200개가 넘는 소형 채널을 허용한다. 소형 채널에 대한 작은 채널 치수의 사용은 가스들의 라멜라 혼합을 제공하여 연소 없이 수소와 산소의 혼합의 안전하고 효과적인 방식인 것으로 나타났다.In this embodiment, the size of the
본 실시예를 위한 소형 채널(18, 38)의 특정한 구성은 200 마이크로미터(0.2 mm)의 유효 직경을 갖고, 소형 채널(18, 38)의 채널 형태와 구성은 오직 스파저에 의해 혼합될 가스들의 조성을 기초로 하여 강제된다. 수소와 산소를 혼합하는 즉각적인 경우에, 소형 채널(18, 38)은 50 마이크로미터(0.05 mm) 내지 300 마이크로미터(0.3 mm), 바람직하게는 200 마이크로미터(0.2 mm) 이하의 유효 직경을 갖는다. The specific configuration of the
본 발명의 구성은 과산화수소의 생산을 위해 수소와 산소를 혼합하는 데 사용하기 위한 것이지만, 본 발명은 이들 가스로 제한되지 않고, 오히려 가스들의 임의의 라멜라 혼합이 본 발명에 의해 수행될 수 있다. While the configuration of the present invention is for use in mixing hydrogen and oxygen for the production of hydrogen peroxide, the present invention is not limited to these gases, but rather any lamellar mixing of gases may be carried out by the present invention.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 냉각판(50)을 포함한다. 냉각판(50)은 또한 출구(40)를 빠져나가는 가스 기포가 동반되는 액체 성분을 제공하기 위한 도관으로서 작용한다. 냉각판(50)은 교호적인 순서로, 즉 제1 플레이트(10), 제2 플레이트(30), 냉각판(50), 제1 플레이트(10), 제2 플레이트(30), 냉각판(50) 등으로 제1 플레이트(10) 및 제2 플레이트(30)와 포개지도록 구성된다. In another embodiment, the present invention includes a
냉각판(50)에는 일련의 평행한 채널(52)이 구성된다. 채널(52)은 플레이트에 에칭, 스탬핑, 프레싱, 밀링되거나 달리 형성된다. 채널(52)은 입구(54)와 출구(56)를 갖는다. 플레이트들이 적층될 때에, 냉각판(50)의 출구(56)는 제2 플레이트 소형 채널 출구(40)와 동일한 적층 구조의 면에 있다. 조립된 스파저(62)의 다이어그램이 가스 입구(58, 60)와 가스 출구(40)를 보여주는 도 5에 도시되어 있으며, 냉각판 채널(52)을 통해 상방으로 유동하는 액체는 분산된 가스 기포와 함께 흐름을 발생시킨다. 가스 입구(58, 60)는 개별적인 가스들을 플레이트(10, 30)의 대응하는 메인 채널 입구(14, 34)로 지향시킨다. 냉각판(50)은 제3 성분, 특정한 경우에 액체를 허용한다. 본 발명에 사용될 수 있는 액체는 물, 메타놀, 알콜 및 그 혼합물을 포함한다. 바람직한 액체는 물이다. 냉각판(50)에는 냉각 채널 입구(54)와 유체 연통하는 적절한 매니폴드로 제3 기상 성분을 운반하기 위한 소형 채널(도시 생략)이 구성될 수 있다. 가스 기포의 생성을 증가시키기 위해 복수 개의 스파저(62)가 병렬 또는 직렬 형태로 사용될 수 있다. The cooling
제3 실시예에서, 적층은 상기와 같이 설명되지만 냉각판(50)이 없다. 이 실시예는 스파저의 출구(40)를 가로질러 액체를 운반하기 위한 매니폴드(도시 생략)를 포함한다. 이 매니폴드는 바람직하게는 보다 짧은 치수 방향으로 스파저의 출구측을 가로질러 유동하도록 유체를 지향시킨다. 매니폴드는 별개의 채널들을 생성하도록 분할될 수 있어, 흐름을 분리시키고 액상으로 운반되는 기포들의 합체를 더 방지한다. In the third embodiment, the lamination is described as above but without the
환형 실시예에 있어서, 장치는 플레이트 어레이를 포함하고, 각 플레이트는 환형 형태를 갖는다. 제1 실시예에서처럼, 어레이는 교호적인 순서로 적층되는 플레이트 쌍이다. 도 6a 및 6b는 제1 환형 플레이트(70)의 평면도 및 단면도이다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 플레이트 쌍 중 제1 플레이트(70)는 상부면, 바닥면, 내측 에지 및 외측 에지를 갖는다. 제1 플레이트(70)는 플레이트(70)의 외측 에지에 배치되는 하나 이상의 입구(74)와 플레이트(70)의 상부면에 있는 복수 개의 출구(76)를 갖는 메인 채널(72)을 구비한다. 제1 플레이트(70)는 또한 메인 채널(72)과 동일한 제1 플레이트(70)의 면에 복수 개의 소형 채널(78)을 갖고, 각 소형 채널(78)은 메인 채널(72)로부터 대응하는 출구(76)와 유체 연통하는 입구를 갖는다. 소형 채널(78)은 플레이트(70)를 통해 플레이트의 바닥으로 연장하여, 플레이트(70)의 바닥에 슬릿 어레이를 생성하는 출구(80)를 각각 갖는다. 이 실시예에 있어서, 소형 채널(78)은 플레이트(70)의 내측 에지로 연장되지 않는다.In an annular embodiment, the device comprises an array of plates, each plate having an annular shape. As in the first embodiment, the array is a pair of plates stacked in alternating order. 6A and 6B are a plan view and a cross-sectional view of the first
환형 실시예는 도 7a와 7b에 도시된 바와 같이 상부면, 바닥면, 내측 에지 및 외측 에지를 갖는 한쌍의 플레이트 중 제2 플레이트(90)를 더 구비한다. 도 7a 및 7b는 제2 환형 플레이트(90)의 평면도와 단면도를 도시하고 있다. 제2 플레이트(90)는 입구(94)와, 제2 플레이트(90)의 일면에 있는 복수 개의 출구(96)를 갖는 메인 채널(92)을 구비한다. 제2 플레이트(90)는 메인 채널(92)과 동일한 플레이트(90)의 면에 복수 개의 소형 채널(98)을 더 구비하고, 각 소형 채널(98)은 메인 채널(92)로부터 대응하는 출구(96)와 유체 연통하는 입구를 갖는다. 소형 채널(98)은 제2 플레이트(90)의 내측 에지에서 개방되는 출구(100)를 각각 갖는다. 메인 채널(92)에서처럼, 소형 채널(98)은 제2 플레이트(90)를 통해 반대면으로 연 장되지 않는다. 제2 플레이트(90)의 소형 채널(98)의 섹션은 채널(78, 98)로부터의 가스들이 출구(100)를 빠져나가기 전에 혼합하는 구역을 제공한다. The annular embodiment further comprises a
제1 실시예에서처럼, 플레이트들은 에칭, 스탬핑, 밀링, 프레싱되거나 달리 당업계에 공지된 방법들에 의해 생성된다. As in the first embodiment, the plates are etched, stamped, milled, pressed or otherwise produced by methods known in the art.
이 실시예에서, 플레이트들의 적층은 파이프형 구조를 생성하고, 여기서 액상은 구조의 중앙 구역 아래로 유동한다. 출구(100)를 빠져나가는 혼합된 가스들은 액상으로 분산되어 구조의 길이 아래로 운반된다. 플레이트(70, 90)의 쌍은 적층되어 함께 고정되고, 결과적인 실시예는 도넛형 구조가 되어, 외표면과 내표면이 있는 스파저를 형성한다. 외측면에는 플레이트들의 메인 채널(72, 92)용 입구가 있고, 내측면에는 제2 플레이트의 소형 채널(98)용 출구(100)인 소형 개구들의 어레이가 있다. 액체는 플레이트들의 적층체의 내표면에 의해 형성되는 채널 아래로 유동한다. 액체가 소형 채널 출구(100) 위에서 흐름에 따라, 가스 기포 구름이 액체 내에 동반되어 액체 내에 가스 혼합물을 용해시키기 위해 개선된 질량 전달을 제공한다. In this embodiment, the stack of plates produces a pipe-like structure, where the liquid phase flows down the central region of the structure. The mixed gases exiting the
본 발명에 의해 2가지 가스들의 혼합을 보여주는 개략도가 도 8에 도시되어 있다. 제1 가스는 화살표(73)로 지시된 바와 같이 제1 플레이트 메인 채널(72) 내로 유입된다. 이어서, 제1 가스는 화살표(75)로 지시된 바와 같이 제1 플레이트 이차 채널(78) 내로 유입된다. 제1 가스는 도 6b에 도시된 바와 같이 출구(80)를 통해 제1 플레이트의 바닥을 빠져나가고, 화살표(77)로 지시된 바와 같이 제2 플레이트 이차 채널(98) 내로 유입된다. 제2 가스는 화살표(93)로 지시된 바와 같이 제2 플레이트 메인 채널(92) 내로 유입된다. 이어서, 제2 가스는 화살표(95)로 지시된 바와 같이 이차 채널(98) 내로 유입된다. 제2 가스는 제2 플레이트 이차 채널(98) 내에서 제1 플레이트(70)로부터 유동하는 제1 가스와 혼합된다. 제1 가스와 제2 가스의 혼합물은 화살표(97)로 지시된 바와 같이 제2 플레이트 이차 채널(98)을 빠져나간다. A schematic showing the mixing of two gases by the present invention is shown in FIG. 8. The first gas is introduced into the first plate
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이, 기포로서 출구(100)를 빠져나가는 가스 혼합물을 운반하도록 액상용 도관을 또한 제공하는 환형 냉각판(110)을 더 포함한다. 도 9a 및 9b는 냉각판(110)의 평면도 및 단면도를 도시하고 있다. 냉각판(110)은 액체용 메인 채널(112)을 구비한다. 메인 채널(112)은 적어도 하나의 입구(114)와 복수 개의 출구(116)를 포함한다. 냉각판(110)은 복수 개의 소형 분배 채널(118)을 더 포함하고, 각 소형 채널(118)은 메인 채널 출구(116)에 대응하는 입구와, 출구(119)를 갖는다. 냉각판(110)은 내측 에지와 외측 에지를 갖고, 출구(119)는 소형 채널(118)을 빠져나가는 액체를 분배하도록 내측 에지 둘레에 배치된다. In another embodiment, the present invention further includes an
이 실시예는 플레이트(70, 90, 110)가 교호적인 순서로 적층될 때에 내측 도관을 갖는 파이프형 구조(도시 생략)를 생성하고, 이 구조를 따라 가스 혼합물과 액체를 위한 개구들의 교호적인 줄이 구비되어 있다. This embodiment produces a pipe-like structure (not shown) with inner conduits when
다른 실시예에서, 장치는 리액터 베드를 더 포함한다. 장치는 가스 스파저에 걸쳐 액체 공급물을 운반하기 위한 도관을 포함하고, 액체는 스파저의 출구와 유체 연통된다. 스파저 출구를 통과한 후의 액체는 가스 기포 구름을 담지한 액체 이다. 리액터 베드(도시 생략)는 가스 기포 구름을 내포한 액체와 유체 연통하는 입구와, 출구를 갖는다. In another embodiment, the apparatus further comprises a reactor bed. The apparatus includes a conduit for conveying a liquid feed across the gas sparger, the liquid in fluid communication with the outlet of the sparger. The liquid after passing through the sparger outlet is the liquid supporting the gas bubble cloud. The reactor bed (not shown) has an inlet and an outlet in fluid communication with a liquid containing a gas bubble cloud.
본 발명의 스파저-리액터 조합의 일실시예에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같은 복수 개의 스파저(62)는 도 10에 도시된 바와 같은 도넛형 리액터 코어(120) 둘레에 배치되어 스파저-리액터 유닛(128)을 생성한다. 스파저(62)의 채널 출구(40)의 어레이는 본 실시예에서 촉매를 적소에 유지하는 효과적인 스크린으로서 작용하기에 충분히 작다. 대형 채널 출구(40)를 갖는 스파저(62)의 경우에, 선택적인 스크린(도시 생략)이 사용된다. 스파저-리액터 유닛(128)은 리액터 코어(120)의 내표면에 걸쳐 내측 스크린(122)을 포함한다. 스크린(122)은 리액터 코어(120)를 수집 공간(124)으로부터 분리하는데, 이 수집 공간(124)은 리액터 내에서 내측 스크린(122)과 내측벽(126)에 의해 형성되는 공간이다. 스크린(122)은 또한 리액터의 파티클을 적소에 유지하는 수단을 제공한다. 내측벽(126)은 리액터 내측의 튜브에 의해 제공되고, 그 크기는 과산화수소를 함유하는 액체를 수집하면서 압력 강하를 최소화하도록 된다. 선택적으로, 튜브가 생략되고, 내측 공간(124)은 내측 스크린(122)에 의해 형성되는 공간이 된다. 이 리액터 구조는 여러가지 이점을 제공한다. 래디얼 리액터는 작은 파티클 크기를 갖는 살수층 리액터(trickle bed reactor)와 관련된 압력 강하 제한을 극복한다. 살수층 리액터의 작은 파티클 크기는 수소-산소 혼합물을 위한 큰 가스 공간을 방지하는 데에 필수적이다. 래디얼 리액터 구성은 리액터 베드(120)의 보다 용이한 교체를 가능하게 한다. 스파저(62)의 구성은 가스가 보다 큰 가스 기포로 응집하는 일 없이 작은 가스 기포를 함유한 액체를 리액터 베드(120)로 신속하게 분배한다. 스파저-리액터 유닛(128)은 쉽게 제조되고 편리한 확장을 위한 모듈로서 조립되어 광범위한 범위의 유량을 망라한다. In one embodiment of the sparger-reactor combination of the present invention, a plurality of
리액터 베드는 수소와 산소로부터 과산화수소의 형성을 위한 촉매를 구비한다. 촉매는 지지체 상에 배치되는 하나 이상의 촉매 금속 성분을 포함하고, 촉매 금속 성분은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Au)으로 이루어지는 군에서 선택된다. 촉매 성분은 2개의 금속의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 일실시예에 있어서, 촉매는 상기 금속들로부터 선택된 하나 이상의 금속을 지지체 상에 구비한다. 지지체 재료는 촉매가 증착될 수 있는 임의의 불활성 재료이고, 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 탄소, 실리콘 카바이드, 실리카-알루미나, 규조토, 점토 및 분자체를 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 지지체는 진행할 반응을 위해 보다 큰 표면적을 제공하도록 다공질 재료인 것이 바람직하다. The reactor bed is equipped with a catalyst for the formation of hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen. The catalyst comprises one or more catalytic metal components disposed on a support, the catalytic metal components comprising platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os) and It is selected from the group consisting of gold (Au). The catalyst component preferably comprises a mixture of two metals. In one embodiment, the catalyst comprises at least one metal selected from the above metals on a support. The support material is any inert material on which the catalyst can be deposited and includes, but is not limited to, silica, alumina, titania, zirconia, carbon, silicon carbide, silica-alumina, diatomaceous earth, clays, and molecular sieves. The support is preferably a porous material to provide a larger surface area for the reaction to proceed.
리액터를 구비한 스파저는, 선택적으로 단일체로서 제조될 수 있고, 여기서 과산화수소를 발생시키도록 복수 개의 유닛이 사용된다. Spargers with reactors can optionally be manufactured as a single body, in which a plurality of units are used to generate hydrogen peroxide.
과산화수소 리액터의 일실시예에 있어서, 장치는 도 11에 도시된 바와 같이 2개의 스파저-리액터 스테이지를 포함한다. 스파저-리액터 유닛(128)은 액체 공급부(130), 수소 공급부(58) 및 산소 공급부(60)를 구비한다. 수소와 산소는 유닛(128) 내에서 스파저를 향하고 액체로 분산되며 유닛(128) 내에서 리액터 베드 위에서 유동한다. 스파저-리액터 유닛(128)은 가스의 잔여 기포를 담지한 액체 스 트림을 수용하는 생성물 출구(132)를 갖는다. 생성물 스트림은 가스-액체 분리 유닛(134)으로 진입하고, 여기서 임의의 잔여 가스가 수집되어 액체로부터 분리된다. 일부의 과산화수소를 함유하는 액체 스트림은 후속하는 스파저-리액터 유닛(128)으로 더욱 공급된다. 임의의 잔여 가스가 배기되거나, 플랜트의 다른 부품으로 지향되어, 연소 또는 다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 가스-액체 분리 유닛(134)은 가스 수집 구역과 유체 연통하는 가스 입구를 포함한다. 이는 배기될 수소-산소 혼합물을 희석시키도록 가스를 추가하게 한다. 희석 가스는 질소 등의 불활성 가스일 수 있다. 스테이지를 이용하는 이점은 임의의 리액터에서 가스 대 액체의 높은 비율을 필요로 하지 않으면서 액체에서 고농축의 과산화수소를 생산하게 한다. 이는 가스 기포들의 응집을 제한함으로써 큰 가스 용적의 형성을 방지하면서 액체에서 기포 구름으로서 가스의 발생을 촉진시킨다. 각 리액터 스테이지를 향한 산소 대 수소의 유동은 1의 용적비, 또는 화학 양론비를 갖는다. In one embodiment of the hydrogen peroxide reactor, the apparatus includes two sparger-reactor stages as shown in FIG. The
과산화수소 리액터의 변경예에 있어서, 장치는 도 12에 도시된 바와 같이 향류 유동 리액터 구성에서 적어도 2개의 스파저-리액터 스테이지를 포함한다. 향류 유동 구성에서, 마지막 리액터 유닛(128a)은 이전의 리액터 유닛/가스-액체 분리기로부터 액체 공급 스트림(136)을 갖고, 수소(58)와 산소(60)는 높은 산소 대 수소 용적비로 스파저로 공급된다. 생성물 스트림은 가스-액체 분리기(134)에서 분리되고, 산소 농후 가스는 이전의 리액터(128b)를 위한 스파저로 지향된다. 이전의 리액터(128b)는 다시 초기의 리액터(128c)로부터 액체 공급 스트림을 수신하고, 후속하는 리액터(128a)에서 산소 농후 가스 스트림(138)로부터 수소(58)와 산소를 수신 한다. 이 공정은 제1 리액터(128)로 다시 반복된다. 향류 유동 구성은 마지막 리액터 스테이지에서 가스상으로 높은 산소 대 수소 용적비를 가능하게 한다. 마지막 스테이지에서 초과의 산소 농도로 작동하는 것은 과산화수소의 선택성을 향상시킨다. 이 공정에 의해, 가스에서 산소 대 수소 용적비는 공정이 하나의 리액터로부터 후속하는 리액터로 진행함에 따라 증가한다. 마지막 리액터에서 산소 대 수소 용적비는 2 내지 10이고, 제1 리액터에서 산소 대 수소 용적비는 1인 것이 바람직하다. 이는 각 리액터 스테이지에서 낮은 가스 대 액체 유동 용적비와 이후의 스테이지에서 높은 산소 농도의 이점을 유지하면서 전체적인 높은 산소 전환을 제공한다. In a variant of the hydrogen peroxide reactor, the apparatus includes at least two sparger-reactor stages in a countercurrent flow reactor configuration as shown in FIG. 12. In the countercurrent flow configuration, the
리액터의 다른 실시예(도시 생략)에서, 리액터는 향류 구성의 간소화된 버전을 갖는다. 이는 의사-향류 리액터(pseudo-counter current reactor) 구성이라 칭한다. 유동 계획은 도 11에 도시되고 전술한 바와 동일하지만, 산소 대 수소 유동 용적비는 1에서 20으로 변동되는데, 용적비는 제1 리액터에서의 1로부터 마지막 스테이지에서의 1 내지 20의 용적비로 증가된다. 최종 용적비는 2 내지 4가 바람직하다. In another embodiment of the reactor (not shown), the reactor has a simplified version of the countercurrent configuration. This is called a pseudo-counter current reactor configuration. The flow scheme is shown in FIG. 11 and as described above, but the oxygen to hydrogen flow volume ratio varies from 1 to 20, with the volume ratio increasing from 1 in the first reactor to 1-20 in the last stage. As for the final volume ratio, 2-4 are preferable.
다른 변경예에 있어서, 리액터는 도 13에 도시된 바와 같은 유동 계획을 갖는다. 유동은 액상을 위한 재순환 스트림의 추가를 제외하고는 도 11에 대해 전술한 것과 유사하다. 마지막 리액터(128a)로부터 액체 생성물 스트림의 일부는 펌프(140)를 통해 마지막 리액터 스테이지(128a)의 입구로 재순환된다. 재순환 스트림의 사용은 산소 대 수소 용적비가 마지막 리액터(128a)에서 2보다 큰 상황에 대 해서만 사용되어야 한다. 이 실시예에 대한 변경으로서, 재순환 스트림은 마지막 리액터(128a)의 상류 리액터의 입구로 지향될 수 있지만, 이 리액터는 마지막 리액터(128a)에 가까운 리액터들 중 하나이어야 한다. In another variation, the reactor has a flow scheme as shown in FIG. 13. The flow is similar to that described above for FIG. 11 except for the addition of a recycle stream for the liquid phase. A portion of the liquid product stream from the
일실시예(도시 생략)는 또한 리액터 스테이지를 통한 촉매의 이동을 가능하게 한다. 과산화수소 생산을 위한 촉매의 선택성은 촉매가 비활성될 때에 증가하는 것으로 판명되었다. 마지막 리액터에서 보다 높은 선택성을 갖는 것이 바람직하기 때문에, 촉매를 리액터 유닛(128)으로부터 후속하는 리액터 유닛(128)으로 이동시키는 리액터 구성이 유리하고, 이때에 신선한 촉매가 제1 리액터 유닛(128)으로 추가된다. 이 리액터를 구성하는 한가지 방법은 제1 리액터 유닛(128)이 상부에 있고 계속되는 스테이지가 아래에 적층되도록 리액터 유닛(128)을 적층하는 것이다. 이때에, 촉매는 상부 유닛에 추가되고, 리액터 유닛 내의 촉매는 계속되는 유닛으로 하방을 향해 이동하며, 촉매는 마지막 리액터 유닛으로부터 추출되어 분리된다. One embodiment (not shown) also enables movement of the catalyst through the reactor stage. The selectivity of the catalyst for hydrogen peroxide production has been found to increase when the catalyst is deactivated. Since it is desirable to have higher selectivity in the last reactor, a reactor configuration is advantageous in which the catalyst is moved from
본 실시예는 낮은 비율의 가스 대 액체 용적 유량을 사용하게 하며, 이는 고농도의 과산화수소의 생산을 위해 액상 내에서 안정적인 기포 구름의 형성을 가능하게 한다. 또한, 직렬로 리액터 유닛을 이용하는 것은 작동 상태에 걸쳐 보다 큰 제어를 허용하고, 과산화수소 생산을 위한 선택성을 향상시킨다.This embodiment allows the use of a low ratio of gas to liquid volume flow rate, which allows for the formation of stable bubble clouds in the liquid phase for the production of high concentrations of hydrogen peroxide. In addition, using reactor units in series allows greater control over operating conditions and improves selectivity for hydrogen peroxide production.
본 발명을 현재 바람직한 실시예로 고려된 것을 이용하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함되는 다양한 수정 및 등가의 장치를 망라하도록 의도된다. Although the present invention has been described using what are presently considered to be the preferred embodiments, the invention is not limited to the disclosed embodiments but is intended to cover various modifications and equivalent apparatus falling within the scope of the appended claims.
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