WO2007028375A1 - Inherent and reliable selective method for directly synthesising hydrogen peroxide from oxygen and hydrogen with the aid of a catalytically coated wettable porous membrane - Google Patents

Inherent and reliable selective method for directly synthesising hydrogen peroxide from oxygen and hydrogen with the aid of a catalytically coated wettable porous membrane Download PDF

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    • B01J2219/0011Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids part or all of the reactants being heated or cooled outside the reactor while recycling involving reactant liquids

Definitions

  • the invention relates to a process for the direct synthesis of hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen with a catalytically coated wettable porous membrane, and to an apparatus for carrying out the method.
  • Hydrogen peroxide is an important industrial chemical; the currently installed production capacity amounts to 1.2 million tonnes in Europe and 860,000 tonnes in the US (as of 2004), - consumption in 2003 was just over 1 million tonnes in Europe. Capacity utilization is in some cases over 90% and the trend is rising, as the growth rate per year for Europe is estimated at 4-5% for the next few years and at 2-3% for the USA. Hydrogen peroxide is widely used in the bleaching of wood, pulp, paper, textiles, fats and oils, bleaching agents for the detergent industry, and hair bleaching cosmetics, as well as cleaners and disinfectants. In the chemical and pharmaceutical industries hydrogen peroxide serves as a selective and environmentally friendly oxidant, especially for epoxidations and hydroxylations.
  • Hydrogen peroxide is produced industrially today predominantly by an indirect reaction of hydrogen and oxygen, which uses alkylanthraquinone as a medium.
  • a first catalytic hydrogenation step the alkylanthraquinone is reacted in an organic solvent mixture to the Alkylanthrahydrochinon.
  • this reduced compound is then oxidized with oxygen to regenerate the alkylanthraquinone and obtain hydrogen peroxide as a product.
  • extraction of the hydrogen peroxide with water to give a 15-35% solution, which is purified and concentrated by distillation to up to 70% as needed.
  • a thin palladium film of 0.1 to 1 .mu.m thickness is deposited in addition, which is oxidized by the action of an oxidizing agent (O 2 , N 2 O, H 2 O 2 , HClO 4 , HOCl, KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7 ) on the surface becomes.
  • an oxidizing agent O 2 , N 2 O, H 2 O 2 , HClO 4 , HOCl, KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7
  • a hydrophobic layer of polyfluorocarbons, silicone rubber or polysulfones is applied to the membrane with the aid of solvents and crosslinking agents.
  • the reactants can be introduced into the organic phase in different ways without direct gas-phase contact with each other, - in order to avoid their accumulation in the reactor gas phase beyond, this is purged with inert gas.
  • the extraction of the hydrogen peroxide formed in the organic phase of a suspended catalyst in the aqueous phase is preferably carried out in the direct synthesis reactor itself (reactive extraction), but can also be done separately in a downstream apparatus.
  • the organic phase has a much higher density (by 1.5 g / ml) than the aqueous phase to facilitate phase separation.
  • the method has opposite to the indirect oxidation, z. B. on the Antrachinonclar advantages based essentially on the better solvent properties.
  • the required special organic solvents eg 3M TM - performance fluids
  • the equipment required to carry out the reaction in a three-phase emulsion / slurry reactor is considerable.
  • porous hydrophobic catalyst layer serves for the controlled supply of water Substance in the reaction layer.
  • a macroporous support may be disposed between both layers to impart the necessary rigidity to differential pressure operation throughout the structure.
  • the oxygen needed for the reaction is supplied on the side of the hydrophobic catalyst layer in a suitable solvent, while the hydrogen is metered through the porous membrane.
  • the carrier and the membrane for metering hydrogen are preferably hydrophobic;
  • the membrane may be provided with a protective layer over the catalyst layer to prevent a gradual removal of catalyst.
  • the weak point of this method results from the use of a hydrophobic reaction layer. This requires that the contacting of the catalyst by the reactants takes place in the gas phase. For this purpose, the oxygen must pass into the gas phase at the transition to the reaction layer.
  • the resulting oxygen partial pressure in the reaction layer and the oxygen to hydrogen molar ratio which is important for the selectivity of the reaction, depend in complex ways on the transport properties of the gas metering membrane, the pressure difference across this membrane, and the mass transfer of oxygen to the gas phase at the point of contact with the reaction layer and can therefore only be adjusted poorly to the desired value range (sufficient oxygen excess).
  • FIG. 2 shows the functional principle of the catalytic gas / liquid membrane contactor. The contact of the reactants with the active catalyst takes place in contrast to the previously described concept in dissolved form. A porous membrane for the controlled metering of hydrogen is not needed.
  • the characteristic of the concentration profiles in the catalytically active covering layer shown in FIG. 4 results qualitatively, which guarantees an excess of oxygen over hydrogen within the entire reaction zone. Since, according to the stoichiometry of the reaction shown in FIG. 1, the amount of hydrogen consumed per unit time by reaction must always be greater than or equal to the amount of oxygen consumed locally per unit time, the reaction can be carried out by suitably adjusting the parameters of the fine-pored cover layer (porosity, thickness , catalytic activity) and the experimental conditions (pressures, temperature, solvents) are carried out so that the entire, by diffusion over the outer surface of the membrane entering the outer layer of hydrogen reacts within this.
  • the parameters of the fine-pored cover layer porosity, thickness , catalytic activity
  • the experimental conditions pressures, temperature, solvents
  • FIG. 3 Concentration profiles in the catalytic diffuser with hydrogen supply through the membrane and saturation of the reaction solution with oxygen.
  • CO 2 , L stands for the concentration of oxygen in the phase core of the liquid phase
  • cH 2 , L for the corresponding hydrogen concentration.
  • c * H 2 and c * O 2 represent the concentrations in the liquid phase immediately at the gas / liquid phase boundary.
  • FIG. 4 Concentration profiles in the catalytic diffuser with oxygen supply through the membrane and saturation of the reaction solution with dilute hydrogen.
  • FIG. 5 Basic circuit of the proposed method for the safe direct synthesis of hydrogen peroxide in connection with the modified contacting principle of the catalytic diffuser according to FIG. 4.
  • Fig. 6 Laboratory autoclave for the investigation of the kinetic properties of the catalytic membrane for the direct synthesis of hydrogen peroxide. Operation: a) H 2 in the membrane and O 2 in the liquid; b) O 2 in the membrane and H 2 / N 2 in the liquid.
  • Fig. 7 Increase in the concentration of hydrogen peroxide and water as a function of the reaction time in Stainless steel autoclave. Operation a) Dosing of pure hydrogen in the membrane and of pure oxygen in the gas space above the liquid phase.
  • Fig. 8 Increase in the concentration of hydrogen peroxide and water as a function of the reaction time in stainless steel autoclave. Operation a) Dosing of pure oxygen in the membrane and 9% hydrogen in nitrogen in the gas space above the liquid phase.
  • Fig. 5 a basic circuit of the method is outlined as well as way of adding the reactants oxygen and hydrogen explained, which ensures that nowhere in the reactor explosive mixtures can arise.
  • the reaction solution is saturated with a hydrogen-containing gas (for example hydrogen diluted with nitrogen) under a pressure of typically 20-200 bar.
  • a hydrogen-containing gas for example hydrogen diluted with nitrogen
  • This solution is conveyed via a metering pump 2 into the membrane module 3 and flows there on the side of the fine-pored cover layer along the membrane surface.
  • a compressed oxygen-containing gas is supplied to the membrane module on the coarse-pored carrier side of the membrane, wherein the pressure is typically chosen such that firstly the partial pressure of oxygen is about 2-3 times the partial pressure of hydrogen in the saturator 1, and secondly the total pressure difference between the Gas side and the liquid side is sufficiently high to displace the liquid from the pores of the coarsely porous carrier.
  • the guidance of the gas and liquid phases may differ in individual cases, but it always follows these general considerations.
  • the liquid throughput through the membrane module 3 is controlled so that the total, located in the solution of hydrogen at the output of the module 3 is consumed. For this purpose, the dissolved hydrogen concentration of the liquid at the module outlet is continuously recorded.
  • the emerging from the module reaction solution is expanded via a pressure relief valve 4 in a container 5 to ambient pressure, the escaping gas consists of unreacted oxygen and inert gases (hydrogen is at best in traces) and can optionally be delivered directly to the atmosphere.
  • the saturated at ambient pressure with oxygen solution is cooled if necessary in the cooler 6 to remove the heat of reaction. About a splitter 7, a partial flow is removed as a product, the residual flow is recompressed by means of a circulation pump 8 to saturation pressure and returned to the saturator 1.
  • the concentration of the hydrogen peroxide solution produced can be adapted to the product-side requirements. Even with a possible failure of the membrane, no critical state is reached in this process, since membrane failure is immediately recognized on the basis of the pressure difference across the membrane and the supply of dissolved hydrogen via the metering pump 2 can be stopped immediately. Further improvement in yield is achieved by periodically modulating the gas pressure in the membrane at a sufficiently high frequency, thereby inducing a permanent renewal of the gas / liquid phase interface within the porous membrane, thus increasing the mass transfer rate.
  • Tube-shaped microfiltration membranes made of ⁇ -alumina from the Hermsdorfer Institute of Technical Ceramics (HITK) eV with 10 mm outer and 7 mm inner diameter and 100 mm length were coated with palladium according to the procedure described in FIG.
  • the membranes consist of a coarse-pored carrier with an average pore size of 3 microns and about 1600 microns wall thickness.
  • On the outside of the carrier there are two intermediate layers of about 30 microns thick and graded average pore diameters of 0.8 microns and 0.2 microns.
  • the membranes have a fine-pored cover layer with a thickness of approximately 20 ⁇ m and an average pore diameter of 100 nm. The porosity of the individual layers decreases from the carrier layer.
  • the cover layer is about 25-30% for the support, 35-40% for the intermediate layers and 45-50% for the cover layer.
  • palladium, finely divided, well-adhering, approximately hemispherical, palladium nanoparticles are predominantly present in the cover layer of the membrane, in lesser concentrations also in the two intermediate layers and to a lesser extent in the support.
  • the size of the particles moves according to experience between 3 and 15 nm, the total amount of deposited palladium is under the usual conditions about 12-15 mg. Based on the outer pipe surface of approx. 30 cm2, this corresponds to a palladium loading of 4-5 g / m2.
  • the membranes were sequentially tested in various operations in a conventional stirred stainless steel autoclave, as shown schematically in Figure 6, for productivity and selectivity for the direct oxidation of hydrogen by oxygen to hydrogen peroxide.
  • the conditions were as follows:
  • Fig. 6 shows a laboratory autoclave for investigating the kinetic properties of the catalytic membrane for the direct synthesis of hydrogen peroxide.
  • the mode of operation is either a) H 2 in the membrane and O 2 in the liquid or b) O 2 in the membrane and H 2 / N 2 in the liquid, where between the modes a) H 2 addition via the membrane and O 2 feed dissolved in the liquid, and b) O 2 addition across the membrane and H 2 feed to be distinguished.
  • the productivity reached at dosage of pure oxygen into the membrane and 9% hydrogen and 91% nitrogen in the gas space in the reactor with 45 g H 2 O 2 per g palladium and hour a comparable order of magnitude, but at an average selectivity to H 2 O 2 of 90% (see Fig. 8). In this case, only 10% of the hydrogen used was converted to water.

Abstract

The invention relates to a method for directly synthesising a hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen with the aid of a catalytically coated wettable porous membrane. According to a prior method, the explosion hazard was very high during a hydrogen peroxide production due to a hydrogen and oxygen mixture in a gaseous phase. The aim of said invention is to use a known per se gas/liquid membrane contactor for synthesis, thereby avoiding a direct contact of reaction partners in a gaseous phase. Certainly, the reversed procedure, opposite to the prior usual contacting method, makes it possible to supply oxygen through a membrane and also reduce a hydrogen concentration in the reaction mixture by rendering inert at least a half of the dissolved oxygen concentration expected inside the membrane at a gas/liquid boundary phase by means of nitrogen.

Description

Beschreibung description
Inhärent sicheres selektives Verfahren zur direkten Synthese von Wasserstoffperoxid aus Wasserstoffund Sauerstoffmit einer kata- lytisch beschichteten benetzbaren porösen Membran und eine Vorrichtung zum Durchführen des VerfahrensInherently safe selective process for the direct synthesis of hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen with a catalytic coated wettable porous membrane and apparatus for carrying out the process
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur direkten Synthese von Wasserstoffperoxid aus Wasserstoff und Sauerstoff mit einer katalytisch beschichteten benetzbaren porösen Membran, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens .The invention relates to a process for the direct synthesis of hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen with a catalytically coated wettable porous membrane, and to an apparatus for carrying out the method.
Wasserstoffperoxid ist eine wichtige Industriechemikalie; die gegenwärtig installierte Produktionskapazität beträgt 1.2 Mio. t in Europa und 860.000 t in den USA (Stand 2004) ,- der Verbrauch in 2003 lag in Europa knapp über 1 Mio. t. Die Auslastung der Kapazitäten liegt damit teilweise über 90% bei weiter steigender Tendenz, denn die Zuwachsrate pro Jahr für Europa wird auch für die nächsten Jahre auf 4-5%, für die USA auf 2-3% geschätzt. Wasserstoffperoxid findet vielfältige Anwendung zum Bleichen von Holz, Zellstoff, Papier, Textilien, Fetten und Ölen, zur Herstellung von Bleichmitteln für die Waschmittelindustrie und in der Kosmetik für die Haarbleiche sowie als Reinigungs- und Desinfektionsmittel. In der chemischen und Pharmaindustrie dient Wasserstoffperoxid als selektives und umweltfreundliches Oxidationsmittel, vor allem für Epoxidierungen und Hydroxylierungen. In hochreiner Form findet es Verwendung in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von gedruckten Schaltkreisen und zur Reinigung von Halbleiteroberflächen. Weitere Einsatzgebiete sind die Metallbearbeitung und, mit in Zukunft weiter zunehmender Bedeutung, die Entgiftung und Desodorierung von Abwässern und Abluftströmen. Wasserstoffperoxid wird industriell heute überwiegend durch eine indirekte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt, die Alkylanthrachinon als Medium nutzt. In einem ersten katalytischen Hydrierungsschritt wird das Alkylanthrachinon in einem organischen Lösemittelgemisch zum Alkylanthrahydrochinon umgesetzt . Hiervon getrennt wird diese reduzierte Verbindung dann mit Sauerstoff oxidiert, um das Alkylanthrachinon zu regenerieren und Wasserstoffperoxid als Produkt zu erhalten. Es schließt sich eine Extraktion des Wasserstoffperoxids mit Wasser an, bei der man eine 15-35%-ige Lösung erhält, die gereinigt und je nach Bedarf destillativ auf bis zu 70% aufkonzentriert wird.Hydrogen peroxide is an important industrial chemical; the currently installed production capacity amounts to 1.2 million tonnes in Europe and 860,000 tonnes in the US (as of 2004), - consumption in 2003 was just over 1 million tonnes in Europe. Capacity utilization is in some cases over 90% and the trend is rising, as the growth rate per year for Europe is estimated at 4-5% for the next few years and at 2-3% for the USA. Hydrogen peroxide is widely used in the bleaching of wood, pulp, paper, textiles, fats and oils, bleaching agents for the detergent industry, and hair bleaching cosmetics, as well as cleaners and disinfectants. In the chemical and pharmaceutical industries hydrogen peroxide serves as a selective and environmentally friendly oxidant, especially for epoxidations and hydroxylations. It is used in a highly purified form in the semiconductor industry for the production of printed circuits and for the cleaning of semiconductor surfaces. Other areas of application include metalworking and, with further increasing importance in the future, the detoxification and deodorizing of waste water and exhaust air streams. Hydrogen peroxide is produced industrially today predominantly by an indirect reaction of hydrogen and oxygen, which uses alkylanthraquinone as a medium. In a first catalytic hydrogenation step, the alkylanthraquinone is reacted in an organic solvent mixture to the Alkylanthrahydrochinon. Separately, this reduced compound is then oxidized with oxygen to regenerate the alkylanthraquinone and obtain hydrogen peroxide as a product. This is followed by extraction of the hydrogen peroxide with water to give a 15-35% solution, which is purified and concentrated by distillation to up to 70% as needed.
In der Summe macht die indirekte Herstellroute, bei der ein organisches Übertragungsmedium zunächst reduziert, dann oxidiert wird, das Verfahren relativ komplex und verursacht hohe Investitions- und Betriebskosten. Ein erheblicher Nachteil resultiert dabei aus der nicht vernachlässigbaren Löslichkeit des Alkylanthrachinons in der wässrigen Extraktionsphase, wodurch erstens ein Verlust dieses teuren Arbeitsmediums eintritt und zweitens es zu organischen Verunreinigungen des Wasserstoffperoxids kommt, die bei der destillativen Aufarbeitung zu unerwünschten Reaktionen führen können. Ein weiteres Problem ist die Löslichkeit der wässrigen Extraktionsphase in der organischen Alkylanthrachinonlösung . Wird letztere nach Abtrennung der wässrigen Phase in die Oxidationsstufe zurückgeführt, so können sich dabei in der organischen Phase Bereiche wässriger Phasen (sogenannte "Taschen") bilden, in denen gefährlich hohe Wasserstoffperoxidkonzentrationen vorliegen.In sum, the indirect manufacturing route, in which an organic transfer medium is first reduced, then oxidized, makes the process relatively complex and causes high capital and operating costs. A considerable disadvantage results from the non-negligible solubility of the alkylanthraquinone in the aqueous extraction phase, which firstly leads to a loss of this expensive working medium and secondly to organic impurities of the hydrogen peroxide, which can lead to undesired reactions during the work-up by distillation. Another problem is the solubility of the aqueous extraction phase in the organic alkylanthraquinone solution. If the latter is recycled to the oxidation state after separation of the aqueous phase, areas of aqueous phases (so-called "pockets") can form in the organic phase in which dangerously high hydrogen peroxide concentrations are present.
Erheblich einfacher und ökonomischer als die Alkylanthra- chinonroute ist die direkte Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid (Direktsynthese) . Ein vereinfachtes ReaktionsSchema der direkten Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid ist in Fig. 1 dargestellt.Considerably simpler and more economical than the alkylanthraquinone route is the direct oxidation of hydrogen with oxygen to hydrogen peroxide (direct synthesis). A simplified reaction scheme of direct oxidation of Hydrogen with oxygen to hydrogen peroxide is shown in FIG.
Dieses fast seit Beginn des 20 Jahrhunderts bekannte Verfahren ist u. a. im US-Patent 4,832,938 Bl beschrieben. Die bisherigen Versuche zur technischen Umsetzung haben aber zu industriellen Unfällen geführt, die letztlich der inhärenten Explosionsgefahr dieses Verfahrens zuzuschreiben sind. Diese resultiert aus dem sehr weiten Explosionsbereich von Wasserstoff/Sauerstoff-Gasmischungen, der sich zwischen 4.7 und 93.9 vol.-% Wasserstoff erstreckt. Weiterhin ist bekannt, dass auch die Verdünnung mit Inertgasen, wie Stickstoff, die untere Explosionsgrenze der Wasserstoff/Sauerstoff-Mischung - auf Inertgas-freier Basis - nur wenig verschiebt. Die Explosionsgrenzen sind zudem im Rahmen üblicher Druck- und Temperaturbereiche (1 - 200 bar, 0 - 1000C) nur wenig variabel. Und selbst wenn die Reaktanden in einem Verhältnis zusammengebracht werden, das im Zustand homogener Durchmischung außerhalb des explosionsfähigen Bereiches liegt, so müsste doch beim Vermischungsvorgang selbst unweigerlich wenigstens zeitweise der Explosionsbereich durchlaufen werden. Aus diesen Gründen ist das Explosionsrisiko verbunden mit einer direkten Kontaktierung von Wasserstoff und Sauerstoff in der Gasphase technisch nicht einfach beherrschbar.This method, which has been known since the beginning of the 20th century, is described inter alia in US Pat. No. 4,832,938 B1. However, the previous attempts at technical implementation have led to industrial accidents, which are ultimately attributable to the inherent risk of explosion of this method. This results from the very wide explosive range of hydrogen / oxygen gas mixtures, which extends between 4.7 and 93.9 vol .-% hydrogen. Furthermore, it is known that the dilution with inert gases, such as nitrogen, the lower explosion limit of the hydrogen / oxygen mixture - on an inert gas-free basis - only slightly shifts. The explosion limits are also within the usual pressure and temperature ranges (1 - 200 bar, 0 - 100 0 C) only slightly variable. And even if the reactants are brought together in a ratio that is outside the explosive range in the state of homogeneous mixing, the blending process itself would inevitably have to undergo the explosion zone at least temporarily. For these reasons, the risk of explosion associated with a direct contact of hydrogen and oxygen in the gas phase is technically not easily controlled.
Um die Explosionsgefahr durch Mischen von Wasserstoff und Sauerstoff in der Gasphase sicher zu vermeiden, wurden verschiedene Strategien (siehe in Folgenden (A) bis (D) ) vorgeschlagen .To avoid the risk of explosion by mixing hydrogen and oxygen in the gas phase, various strategies have been proposed (see below (A) to (D)).
(A) Choudhary et al . beschreiben im US-Patent 6,448,199 Bl die Verwendung einer hydrophoben, nur für Wasserstoff durchlässigen Kompositmembran zur Trennung gasförmigen Wasserstoffs von einer mit Sauerstoff gesättigten Reaktionslösung. Als Ausgangsmaterial werden poröse keramische Rohrmembrane verwendet, wie sie für die Ultrafiltration eingesetzt werden. Die Membrane besitzen auf der Innen- seite eine Deckschicht aus γ-Aluminiumoxid, α-Aluminium- oxid oder Zirkoniumoxid. Auf diese wird durch stromlose, elektrochemische Abscheidung (electroless plating) eine gasdichte Schicht aus einer Palladium-Legierung, vorzugsweise mit Silber, Kupfer, Gold oder Ruthenium als Zweitmetall aufgebracht, die nur für Wasserstoff durchlässig ist. Anschließend wird zusätzlich ein dünner Palladiumfilm von 0.1 - 1 μm Dicke abgeschieden, der durch Einwirkung eines Oxidationsmittels (O2, N2O, H2O2, HClO4, HOCl, KMnO4, K2Cr2O7) noch oberflächig oxidiert wird. Schließlich wird eine hydrophobe Schicht aus Polyfluorkohlenwas- serstoffen, Silikongummi oder Polysulfonen unter Zuhilfenahme von Lösungs- und Vernetzungsmitteln auf die Membran aufgebracht. So hergestellte Membrane vermeiden die Notwendigkeit der Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff in der Gasphase und erlauben so eine sichere Durchführung der Reaktion. Bei vollständigem Umsatz des durch die Membran transportierten Wasserstoffs konnte eine Wasserstoffperoxid-Selektivität von 83,2% erzielt werden, allerdings bei geringer Produktivität, so dass nur sehr niedrige Konzentrationen von Wasserstoffperoxid um 0,02 Gew.-% erreicht wurden. Die Oxidation des Palladiumfilms ist dabei erforderlich, um eine hohe Selektivität zu Wasserstoffperoxid zu gewährleisten. Ungeachtet der Sicherheitsvorteile hat dieses System für die praktische Anwendung zwei gravierende Nachteile :(A) Choudhary et al. in US Pat. No. 6,448,199 Bl describe the use of a hydrophobic, hydrogen-only permeable composite membrane for separating gaseous hydrogen from an oxygen-saturated reaction solution. As starting material, porous ceramic tube membranes are used, as they are used for ultrafiltration. The membranes have on the inner side a cover layer of γ-alumina, α-alumina or zirconia. On this electroless plating is applied by electroless plating a gas-tight layer of a palladium alloy, preferably with silver, copper, gold or ruthenium as a second metal, which is permeable only to hydrogen. Subsequently, a thin palladium film of 0.1 to 1 .mu.m thickness is deposited in addition, which is oxidized by the action of an oxidizing agent (O 2 , N 2 O, H 2 O 2 , HClO 4 , HOCl, KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7 ) on the surface becomes. Finally, a hydrophobic layer of polyfluorocarbons, silicone rubber or polysulfones is applied to the membrane with the aid of solvents and crosslinking agents. Thus produced membranes avoid the need for mixing of hydrogen and oxygen in the gas phase and thus allow a safe execution of the reaction. With complete conversion of the hydrogen transported through the membrane, a hydrogen peroxide selectivity of 83.2% could be achieved, but with low productivity, so that only very low concentrations of hydrogen peroxide by 0.02 wt .-% were achieved. The oxidation of the palladium film is required to ensure a high selectivity to hydrogen peroxide. Despite the safety advantages, this system has two serious disadvantages for practical application:
1) eine geringe Produktivität, die sich aus der Limitierung der Reaktionsgeschwindigkeit durch die langsame Diffusion von Wasserstoff durch den dichten Metallfilm bei der vergleichsweise niedrigen Reaktionstemperatur erklärt, und1) a low productivity, which is explained by the limitation of the reaction rate by the slow diffusion of hydrogen through the dense metal film at the comparatively low reaction temperature, and
2) eine relativ große erforderliche Menge an Palladium für den Film, was mit hohen Kosten verbunden ist. (B) Pujado beschreibt im US-Patent 6,768,013 ein anderes Konzept zur inhärent sicheren Durchführung der Wasserstoffperoxid-Direktsynthese: es beruht auf dem Einsatz spezieller, z. B. hoch-fluorierter organischer Lösemittel, wie Tetrafluorooctan mit sehr guter Löslichkeit für die Reaktanden Sauerstoff (z. B. ca. 0.7 gO2/L bei 250C und 1 atm) und Wasserstoff, geringer Löslichkeit für das Produkt Wasserstoffperoxid und nahezu vollständiger Un- mischbarkeit mit einer zweiten, im Reaktor befindlichen wässrigen Akzeptorphase für das gebildete Wasserstoffperoxid. Die Reaktionspartner können auf verschiedene Art und Weise ohne direkten Gasphasen-Kontakt miteinander in die organische Phase eingebracht werden,- um deren Akkumulation in der Reaktor-Gasphase darüber hinaus zu vermeiden, wird diese mit Inertgas gespült. Die Extraktion des in der organischen Phase an einem suspendierten Katalysator gebildeten Wasserstoffperoxids in die wässrige Phase wird vorzugsweise im Direktsynthesereaktor selbst durchgeführt (Reaktivextraktion) , kann aber auch in einem nachgeschalteten Apparat getrennt erfolgen. Die organische Phase besitzt zur Erleichterung der Phasentrennung eine deutlich höhere Dichte (um 1.5 g/ml) als die wässrige Phase . Das Verfahren weist gegenüber der indirekten Oxidation, z. B. nach dem Antrachinonverfahren Vorteile auf, die im Wesentlichen auf den besseren Lösemitteleigenschaften beruhen. Allerdings ist für die benötigten speziellen organischen Lösemittel (z.B. 3M™ - Performance Fluids) mit erheblichen Kosten zu rechnen, und auch der apparative Aufwand für die Durchführung der Reaktion in einem drei-Phasen Emulsions-/Suspensionsreaktor ist erheblich.2) a relatively large required amount of palladium for the film, which is associated with high costs. (B) Pujado, in US Pat. No. 6,768,013, describes another concept for the inherently safe performance of direct hydrogen peroxide synthesis: it relies on the use of specific, e.g. B. highly-fluorinated organic solvent, such as Tetrafluorooctan (z. B. about 0.7 gO 2 / L at 25 0 C and 1 atm) with very good solubility for the reactants complete oxygen and hydrogen, a low solubility for the product hydrogen peroxide and almost Immiscibility with a second aqueous acceptor phase in the reactor for the hydrogen peroxide formed. The reactants can be introduced into the organic phase in different ways without direct gas-phase contact with each other, - in order to avoid their accumulation in the reactor gas phase beyond, this is purged with inert gas. The extraction of the hydrogen peroxide formed in the organic phase of a suspended catalyst in the aqueous phase is preferably carried out in the direct synthesis reactor itself (reactive extraction), but can also be done separately in a downstream apparatus. The organic phase has a much higher density (by 1.5 g / ml) than the aqueous phase to facilitate phase separation. The method has opposite to the indirect oxidation, z. B. on the Antrachinonverfahren advantages based essentially on the better solvent properties. However, the required special organic solvents (eg 3M ™ - performance fluids) can be expected to incur significant costs, and the equipment required to carry out the reaction in a three-phase emulsion / slurry reactor is considerable.
(C) Über einen dritten Ansatz zur inhärent sicheren Durchführung der Wasserstoffperoxid-Direktoxidation wurde im Rahmen des Herbst-Jahrestreffens 2004 des American Institute of Chemical Engineers (AIChE) in Austin/TX, USA von der Firma UOP berichtet. Hierbei wird ein kommerzieller, mit hydrophoben porösen Polymer-Hohlfasermembranen ausgerüsteter Membrankontaktor auf der Innenseite mit Wasserstoff beaufschlagt, während sich im Mantelraum, der von einer wässrigen, mit Sauerstoff gesättigten Reaktionslösung durchströmt wird, ein konventioneller Katalysator (z. B. Palladium auf Aktivkohle) befindet. Da die Hohlfasermembrane nicht benetzt werden, kann die Flüssigkeit nicht in die Poren eindringen und es wird eine hohe spezifische Gas/Flüssigkeits-Phasengrenzfläche und ein hoher volumetrischer Gas/Flüssigkeits-Stoffaustausch- koeffizient erreicht, der Voraussetzung für eine technisch interessante Produktivität ist. Von Nachteil sind j edoch :(C) A third approach to the inherently safe performance of hydrogen peroxide direct oxidation was reported by UOP at the autumn 2004 annual meeting of the American Institute of Chemical Engineers (AIChE) in Austin, TX, USA. Here, a commercial, with hydrophobic porous polymer hollow fiber membranes Hydrogen is applied to the inside of the membrane contactor on the inside, while a conventional catalyst (for example palladium on activated carbon) is located in the jacket space through which an aqueous, oxygen-saturated reaction solution flows. Since the hollow fiber membranes are not wetted, the liquid can not penetrate into the pores and a high specific gas / liquid phase interface and a high volumetric gas / liquid mass transfer coefficient is achieved, which is a prerequisite for a technically interesting productivity. Of disadvantage, however, are:
1) Die mangelnde Beständigkeit der gängigen Polymermembrane gegenüber organischen Lösemitteln, die sich als vorteilhaft für die Reaktion erwiesen haben (z. B. Methanol), und1) The lack of resistance of the common polymer membranes to organic solvents which have proved advantageous for the reaction (eg methanol), and
2) ein uneinheitlicher, relativ langer Diffusionsweg für Wasserstoff von der Gas/Flüssig-Phasengrenze auf der geometrischen Oberfläche der Hohlfasern zu dem (bzw. auch in die Poren des) im Mantelraum verteilten Katalysator (s) .2) a non-uniform, relatively long diffusion path for hydrogen from the gas / liquid phase boundary on the geometric surface of the hollow fibers to the (or in the pores of) in the shell space distributed catalyst (s).
3) Außerdem erfordert das Einbringen des Katalysators in den Mantelraum eines Polymer-Hohlfaserbündels spezielle konstruktive Lösungen und kann sich besonders bei einer ggf. erforderlichen Regenerierung des Katalysators, die in-situ wegen der geringen Temperaturbeständigkeit der Polymermembranen nicht möglich sein wird, als Schwachεtelle erweisen.3) In addition, the introduction of the catalyst into the mantle space of a polymer hollow fiber bundle requires special constructive solutions and may prove to be a weak spot, especially if regeneration of the catalyst is necessary, which will not be possible in situ due to the low temperature resistance of the polymer membranes.
Ein verwandter Ansatz, der auf der Verwendung einer porösen hydrophoben Katalysatorschicht in Verbindung mit einer porösen Membran zur kontrollierten Gasdosierung beruht, ist in der WO 99/02264 beschrieben. Hierbei dient die poröse Membran zur kontrollierten Zufuhr von Wasser- Stoff in die Reaktionsschicht . Zwischen beiden Schichten kann ein makroporöser Träger angeordnet sein, um der gesamten Struktur die nötige Steifigkeit für einen Betrieb unter Differenzdruck zu verleihen. Der für die Reaktion benötigte Sauerstoff wird auf der Seite der hydrophoben Katalysatorschicht in einem geeigneten Lösemittel zugeführt, während der Wasserstoff durch die poröse Membran dosiert wird. Der Träger und die Membran zur Dosierung von Wasserstoff sind vorzugsweise hydrophob; ferner kann die Membran mit einer Schutzschicht über der Katalysatorschicht ausgerüstet sein, um einen graduellen Abtrag von Katalysator zu verhindern.A related approach based on the use of a porous hydrophobic catalyst layer in conjunction with a porous membrane for controlled gas metering is described in WO 99/02264. Here, the porous membrane serves for the controlled supply of water Substance in the reaction layer. A macroporous support may be disposed between both layers to impart the necessary rigidity to differential pressure operation throughout the structure. The oxygen needed for the reaction is supplied on the side of the hydrophobic catalyst layer in a suitable solvent, while the hydrogen is metered through the porous membrane. The carrier and the membrane for metering hydrogen are preferably hydrophobic; Furthermore, the membrane may be provided with a protective layer over the catalyst layer to prevent a gradual removal of catalyst.
Der Schwachpunkt dieser Methode resultiert aus der Verwendung einer hydrophoben ReaktionsSchicht. Diese bedingt, dass die Kontaktierung des Katalysators durch die Reaktanden in der Gasphase erfolgt . Hierzu muss der Sauerstoff am Übergang zur Reaktionsschicht in die Gasphase übertreten. Der sich ergebende Sauerstoffpartialdruck in der Reaktionsschicht und das für die Selektivität der Reaktion wichtige Stoffmengenverhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff hängen in komplexer Weise von den Transporteigenschaften der Gasdosierungsmembran, von der Druckdifferenz über dieser Membran und vom Stoffübergang von Sauerstoff in die Gasphase an der Kontaktstelle zur Reaktionsschicht ab und lassen sich dadurch nur schlecht auf den gewünschten Wertebereich einstellen (ausreichender Sauerstoffüberschuss) .The weak point of this method results from the use of a hydrophobic reaction layer. This requires that the contacting of the catalyst by the reactants takes place in the gas phase. For this purpose, the oxygen must pass into the gas phase at the transition to the reaction layer. The resulting oxygen partial pressure in the reaction layer and the oxygen to hydrogen molar ratio, which is important for the selectivity of the reaction, depend in complex ways on the transport properties of the gas metering membrane, the pressure difference across this membrane, and the mass transfer of oxygen to the gas phase at the point of contact with the reaction layer and can therefore only be adjusted poorly to the desired value range (sufficient oxygen excess).
(D) Ein viertes Konzept, bei dem diese Nachteile vermieden werden, wurde von Centi et al . 2003 vorgestellt. Hier wird ebenfalls ein Gas/Flüssigkeits-Membrankontaktor vorgeschlagen, um einen direkten Kontakt der beiden Reaktionspartner in der Gasphase zu vermeiden, allerdings auf Basis hydrophiler poröser, keramischer bzw. mit Kohlenstoff beschichteter keramischer Rohrmembrane . Die mit Sauerstoff gesättigte, im Mantelraum geführte Reaktions- lösung benetzt in diesem Fall die Membran und dringt da- her in die Poren ein, dagegen wirkt ein Überdruck von Wasserstoff im Rohrinneren . Durch geeignete Einstellung dieses Überdrucks in Verbindung mit einer über mehrere Schichten abnehmenden Porengröße der asymmetrischen Membran von der Gasseite zur Flüssigkeitsseite wird erreicht, dass nur die dünne, feinporöse Deckschicht mit Flüssigkeit gefüllt ist und die Gas/Flüssig-Phasengrenze sich innerhalb der porösen Membran am Übergang der feinporigen Deckschicht zum grobporigen Träger einstellt . Der Katalysator befindet sich in dieser Deckschicht in Form von auf der Porenwand abgeschiedenen Nanopartikeln. In Fig. 2 ist das Funktionsprinzip des katalytischen Gas/Flüssig-Membrankontaktor dargestellt. Der Kontakt der Reaktanden mit dem aktiven Katalysator erfolgt im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Konzept in gelöster Form. Eine poröse Membran zur kontrollierten Dosierung von Wasserstoff wird nicht benötigt.(D) A fourth approach, which avoids these disadvantages, was developed by Centi et al. 2003 presented. Here, too, a gas / liquid Membrane contactor is proposed to avoid direct contact of the two reactants in the gas phase, but on the basis of hydrophilic porous, ceramic or carbon-coated ceramic tube membrane. In this case, the reaction solution saturated with oxygen and conducted in the mantle space wets the membrane and penetrates the membrane. Her in the pores, on the other hand, an overpressure of hydrogen acts in the tube interior. By suitably setting this overpressure in conjunction with a decreasing over several layers of the asymmetric membrane size of the gas side to the liquid side is achieved that only the thin, finely porous cover layer is filled with liquid and the gas / liquid phase boundary is within the porous membrane at the transition the fine-pored cover layer to coarse-pored carrier sets. The catalyst is in this cover layer in the form of nanoparticles deposited on the pore wall. FIG. 2 shows the functional principle of the catalytic gas / liquid membrane contactor. The contact of the reactants with the active catalyst takes place in contrast to the previously described concept in dissolved form. A porous membrane for the controlled metering of hydrogen is not needed.
Dieses, auch als katalytischer Diffusor bezeichnete Prinzip ist in der Patentschrift DE 100 64 622 Al für die selektive Hydrierung von Nitrat in wässriger Lösung zu Stickstoff beschrieben. Gegenüber dem hydrophoben Membrankontaktor ergibt sich bei der Wasserstoffperoxid-Di- rektεynthese damit der Vorteil kurzer Diffusionswege für beide Reaktionspartner, was gegenüber den unter (A) und (C) genannten Konzepten zu einer höheren erreichbaren Produktivität führt.This principle, also referred to as a catalytic diffuser, is described in the patent DE 100 64 622 A1 for the selective hydrogenation of nitrate in aqueous solution to nitrogen. Compared with the hydrophobic membrane contactor, the advantage of short diffusion paths for both reaction partners is the hydrogen peroxide direct synthesis, which leads to a higher achievable productivity compared to the concepts mentioned under (A) and (C).
Allerdings resultieren aus der Tatsache, dass die Reaktanden von gegenüberliegenden Seiten in die Reaktions- zone gelangen, unweigerlich gegenläufige Konzentrations- profile von Wasserstoff und Sauerstoff (vgl. Fig. 3) . Bei einer Betriebsweise nach dem oben beschriebenen 4. Konzept (D) mit Zufuhr von Wasserstoff durch die Membran ergibt sich daraus eine für die technische Anwendung zu geringe Selektivität zu Wasserstoffperoxid, die im Wesentlichen auf zwei Effekte zurückzuführen ist. 1) Durch den Einsatz von reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff ergeben sich bei der für viele Lösungsmittel, wie z. B. Wasser, Methanol oder gängige organische Lösungsmittel, ähnlichen Löslichkeit der beiden Gase in der Reaktionslösung und wegen des ähnlichen Drucks auf beiden Seiten der Membran vergleichbare Konzentrationen an den gegenüberliegenden Rändern der feinporigen Deckschicht. Aufgrund dieses gegenläufigen Charakters der Konzentrationsprofile kommt es bei schneller Reaktion zu einer starken Änderung des Verhältnisses von gelöstem Sauerstoff zu gelöstem Wasserstoff und damit zu einer Änderung des Oxidati- onsgrads der Oberfläche der Katalysatorpartikel innerhalb der Reaktionszone, die sich ungünstig auf die Selektivität auswirkt. Dabei lassen sich, wie in Fig. 3 angedeutet, zwei Zonen unterscheiden: Nahe der äußeren Oberfläche der Membran liegt ein großer Überschuß von Sauerstoff vor, während sich nahe der Gas/Flüssigkeits-Phasen- grenze die Verhältnisse umkehren und Wasserstoff im Überschuss vorliegt. Hier sind die Bedingungen nun zu stark reduzierend, wodurch die parallele Bildung von Wasser, bei höheren Konzentrationen von Wasserstoffperoxid auch dessen Hydrogenolyse begünstigt wird. Die Trennlinie zwischen diesen beiden Bereichen wurde in Fig. 3 bei einem molaren Verhältnis Sauerstoff/Wasserstoff von etwa 2 gezogen. Nach Angaben von Li et al . (L. Li, S. Gandhi, K. Van den Busche, Membrane reactor for direct synthesis of hydrogen peroxide, AIChE National Meeting, Austin/TX, USA, Beitrag No. 554a, 10. November 2004) geht die Selektivität mit abnehmendem Verhältnis Sauerstoff/Wasserstoff stark zurück; ein Wert von 2 sollte daher möglichst nicht unterschritten werden, um akzeptable Selektivitäten zu erreichen. 2) Sofern sich auch im grobporigen Träger in gewissem Umfang katalytisch aktive Metallpartikel befinden, was präparationsseitig oft nicht völlig ausgeschlossen werden kann, wird eventuell vorhandener RestSauerstoff (vgl. c*02 in Fig. 3), der an der Gas/Flüssigkeits-Phasengrenze innerhalb der porösen Membran aus der Flüssigphase in die Gasphase gelangt, dort mit dem im Überschuss vorhandenen Wasserstoff zu Wasser abreagieren. Hierdurch wird die Selektivität ebenfalls erniedrigt .However, the fact that the reactants pass from opposite sides into the reaction zone inevitably results in opposing concentration profiles of hydrogen and oxygen (compare FIG. 3). In a mode of operation according to the above-described 4th concept (D) with supply of hydrogen through the membrane, this results in a selectivity to hydrogen peroxide, which is too low for industrial application, which is essentially attributable to two effects. 1) Through the use of pure hydrogen and pure oxygen arise in the case of many solvents, such. As water, methanol or common organic solvents, similar solubility of the two gases in the reaction solution and because of the similar pressure on both sides of the membrane comparable concentrations at the opposite edges of the fine-pored outer layer. Because of this opposite nature of the concentration profiles, a rapid change in the ratio of dissolved oxygen to dissolved hydrogen leads to a change in the degree of oxidation of the surface of the catalyst particles within the reaction zone, which has an unfavorable effect on the selectivity. In this case, as indicated in FIG. 3, two zones can be distinguished: Near the outer surface of the membrane there is a large excess of oxygen, while near the gas / liquid phase boundary the conditions are reversed and hydrogen is present in excess. Here, the conditions are now too strong reducing, whereby the parallel formation of water, at higher concentrations of hydrogen peroxide and its hydrogenolysis is favored. The dividing line between these two regions was drawn in Fig. 3 at an oxygen / hydrogen molar ratio of about 2. According to Li et al. (L. Li, S. Gandhi, K. Van den Busche, Membrane Reactor for Direct Synthesis of Hydrogen Peroxide, AIChE National Meeting, Austin, TX, USA, Item No. 554a, November 10, 2004), selectivity decreases with decreasing ratio Strongly back oxygen / hydrogen; a value of 2 should therefore not be undercut if possible in order to achieve acceptable selectivities. 2) If, to a certain extent, catalytically active metal particles are also present in the coarse-pored carrier, which can often not be completely ruled out on the preparation side, any residual oxygen (cf., c * 02 in Fig. 3) which is present at the gas / liquid phase boundary will be present the porous membrane from the liquid phase enters the gas phase, where it reacts with the excess of hydrogen present to water. As a result, the selectivity is also lowered.
Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass alle bisherigen Ansätze zur Implementierung einer inhärent sicheren Wasserstoffperoxid-Direktoxidation mit vertretbarem Aufwand und gleichzeitig für die technische Anwendung ausreichender Produktivität und Selektivität bislang nicht zufriedenstellend sind. Es besteht daher nach wie vor die Aufgabe, den Bedarf für ein einfaches, sicheres, effizientes und damit kostengünstiges Verfahren zur Direktoxi- dation von Wasserstoffperoxid, nicht zuletzt auch für kleinere Anwendungen, bei denen eine kostengünstige Vor- Ort-Erzeugung nach Bedarf wirtschaftlich und auch aus Sicherheitsgründen interessant sein könnte, zu befriedigen.In summary, it should be noted that all previous approaches to implementing an inherently safe hydrogen peroxide direct oxidation with reasonable effort and at the same time for the technical application of sufficient productivity and selectivity are not yet satisfactory. There is therefore still the task, the need for a simple, safe, efficient and therefore cost-effective method for the direct oxidation of hydrogen peroxide, not least for smaller applications in which an inexpensive on-site generation as needed economically and also for safety reasons could be interesting to satisfy.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß nun so gelöst, dass unter Beibehaltung des unter (D) erläuterten Prinzips des katalytischen Diffusors und der damit verbundenen Kontak- tierung des Katalysators aus der Flüssigphase die Kontak- tierung umgekehrt wird, d. h. Sauerstoff wird nun durch die Membran zugeführt, und außerdem die Wasserstoffkon- zentration in der Reaktionslösung durch Inertisierung mit Stickstoff auf etwa die Hälfte der an der Gas/Flüssig- Phasengrenze innerhalb der Membran erwarteten Gelöst- Sauerstoffkonzentration abgesenkt wird.This object has been achieved according to the invention so that while maintaining the principle of the catalytic diffuser explained under (D) and the associated contact of the catalyst from the liquid phase, the contact is reversed, d. H. Oxygen is now supplied through the membrane, and also the hydrogen concentration in the reaction solution is lowered by inerting with nitrogen to about half of the expected dissolved oxygen concentration at the gas / liquid phase boundary within the membrane.
Auf diese Weise wird eine optimale StoffStromführung der Reaktionspartner bei der Direktoxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid in einem katalytisch beschichteten, porösen Gas/Flüssig-Membrankontaktor erreicht und dadurch eine inhärente Verfahrenssicherheit und eine für die industrielle Anwendung nötige hohe Produktivität und Selektivität zu Wasserstoffperoxid erzielt .In this way, an optimal material flow of the reactants in the direct oxidation of hydrogen achieved with oxygen to hydrogen peroxide in a catalytically coated, porous gas / liquid Membrane contactor, thereby achieving an inherent process safety and high productivity and selectivity to hydrogen peroxide required for industrial application.
Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultiert qualitativ die in Fig. 4 dargestellte Charakteristik der Konzentrationsprofile in der katalytisch aktiven Deckschicht, die einen ϋberschuss von Sauerstoff gegenüber Wasserstoff innerhalb der gesamten Reaktionszone garantiert . Da gemäß der in Fig. 1 gezeigten Stöchiometrie der Reaktion zudem die lokal pro Zeiteinheit durch Reaktion verbrauchte Stoffmenge an Wasserstoff immer größer oder gleich der lokal pro Zeiteinheit verbrauchten Sauerstoffmenge sein muss, kann die Reaktion durch geeignete Einstellung der Parameter der feinporigen Deckschicht (Porosität, Dicke, katalytische Aktivität) und der Versuchsbedingungen (Drücke, Temperatur, Lösemittel) so durchgeführt werden, dass der gesamte, durch Diffusion über die äußere Oberfläche der Membran in die Deckschicht eintretende Wasserstoff innerhalb dieser abreagiert. Dadurch kann an den auch bei optimierter Präparationstechnik möglicherweise nicht ganz vermeidbaren katalytisch aktiven Partikeln im trockenen Bereich des Trägers keine unerwünschte Total- oxidation des Wasserstoffs eintreten, die zu einer Verringerung der Selektivität zu Wasserstoffperoxid führen würde .From the process according to the invention, the characteristic of the concentration profiles in the catalytically active covering layer shown in FIG. 4 results qualitatively, which guarantees an excess of oxygen over hydrogen within the entire reaction zone. Since, according to the stoichiometry of the reaction shown in FIG. 1, the amount of hydrogen consumed per unit time by reaction must always be greater than or equal to the amount of oxygen consumed locally per unit time, the reaction can be carried out by suitably adjusting the parameters of the fine-pored cover layer (porosity, thickness , catalytic activity) and the experimental conditions (pressures, temperature, solvents) are carried out so that the entire, by diffusion over the outer surface of the membrane entering the outer layer of hydrogen reacts within this. As a result, undesired total oxidation of the hydrogen, which would lead to a reduction in the selectivity to hydrogen peroxide, can not occur in the dry region of the support, even if the preparation technique is not completely avoidable, even in the case of optimized preparation technology.
Eine zweite, ebenso wichtige Maßnahme, um inhärente Sicherheit zu garantieren, wird durch den Vorrichtungsanspruch definiert .A second equally important measure to guarantee inherent safety is defined by the device claim.
Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen: Fig. 1. Vereinfachtes ReaktionsSchema der direkten Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid .In the following, the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. To show: Figure 1. Simplified Reaction Scheme of Direct Oxidation of Hydrogen with Oxygen to Hydrogen Peroxide.
Fig. 2. Katalytischer Gas/Flüssig-Membrankontaktor - FunktionsprinzipFig. 2. Catalytic gas / liquid membrane contactor - operating principle
Fig. 3. Konzentrationsprofile im katalytischen Diffu- sor bei Wasserstoffzufuhr durch die Membran und Sättigung der Reaktionslösung mit Sauerstoff . CO2, L steht für die Konzentration von Sauerstoff im Phasenkern der Flüssigphase, cH2, L für die entsprechende Wasserstoffkon- zentration. Dagegen bedeuten c*H2 und c*O2 die Konzentrationen in der Flüssigphase unmittelbar an der Gas/Flüssigkeits-Phasen- grenze .FIG. 3. Concentration profiles in the catalytic diffuser with hydrogen supply through the membrane and saturation of the reaction solution with oxygen. CO 2 , L stands for the concentration of oxygen in the phase core of the liquid phase, cH 2 , L for the corresponding hydrogen concentration. In contrast, c * H 2 and c * O 2 represent the concentrations in the liquid phase immediately at the gas / liquid phase boundary.
Fig. 4. Konzentrationsprofile im katalytischen Diffu- sor bei Sauerstoffzufuhr durch die Membran und Sättigung der Reaktionslösung mit verdünntem Wasserstoff.FIG. 4. Concentration profiles in the catalytic diffuser with oxygen supply through the membrane and saturation of the reaction solution with dilute hydrogen.
Fig. 5. Grundschaltung des vorgeschlagenen Verfahrens zur sicheren Direktsynthese von Wasserstoffperoxid in Zusammenhang mit dem modifizierten Kontaktierungsprinzip des katalytischen Dif- fusers nach Fig. 4.FIG. 5. Basic circuit of the proposed method for the safe direct synthesis of hydrogen peroxide in connection with the modified contacting principle of the catalytic diffuser according to FIG. 4.
Fig. 6. Laborautoklav zur Untersuchung der kinetischen Eigenschaften der katalytischen Membrane für die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid. Betriebsweise: a) H2 in der Membran und O2 in der Flüssigkeit; b) O2 in der Membran und H2/N2 in der Flüssigkeit .Fig. 6. Laboratory autoclave for the investigation of the kinetic properties of the catalytic membrane for the direct synthesis of hydrogen peroxide. Operation: a) H 2 in the membrane and O 2 in the liquid; b) O 2 in the membrane and H 2 / N 2 in the liquid.
Fig. 7. Konzentrationsanstieg von Wasserstoffperoxid und Wasser als Funktion der Reaktionsdauer im Edelstahl-Autoklaven. Betriebsweise a) Dosierung von reinem Wasserstoff in die Membran und von reinem Sauerstoff in den Gasraum über der Flüssigphase.Fig. 7. Increase in the concentration of hydrogen peroxide and water as a function of the reaction time in Stainless steel autoclave. Operation a) Dosing of pure hydrogen in the membrane and of pure oxygen in the gas space above the liquid phase.
Fig. 8. Konzentrationsanstieg von Wasserstoffperoxid und Wasser als Funktion der Reaktionsdauer im Edelstahl-Autoklaven. Betriebsweise a) Dosierung von reinem Sauerstoff in die Membran und 9% Wasserstoff in Stickstoff in den Gasraum über der Flüssigphase .Fig. 8. Increase in the concentration of hydrogen peroxide and water as a function of the reaction time in stainless steel autoclave. Operation a) Dosing of pure oxygen in the membrane and 9% hydrogen in nitrogen in the gas space above the liquid phase.
Durch das folgende, detaillierte Beispiel soll die Erfindung genauer beschrieben und die Vorteile der Erfindung deutlich gemacht werden. Hinsichtlich der Figuren 1 bis 4 wird auf das oben Beschriebene verwiesen.By the following detailed example, the invention will be described in detail and the advantages of the invention will be made clear. With regard to the figures 1 to 4, reference is made to the above.
In Fig. 5 ist eine Grundschaltung des Verfahrens skizziert sowie Art und Weise der Zugabe der Reaktionspartner Sauerstoff und Wasserstoff erläutert, die sicherstellt, daß nirgendwo im Reaktor explosionsfähige Gemische entstehen können.In Fig. 5 a basic circuit of the method is outlined as well as way of adding the reactants oxygen and hydrogen explained, which ensures that nowhere in the reactor explosive mixtures can arise.
Demnach wird in einem dem katalytisehen Membranmodul vorgeschalteten Sättiger 1 die Reaktionslösung mit einem wasserstoffhaltigen Gas (z. B. Wasserstoff verdünnt mit Stickstoff) unter einem Druck von typischerweise 20 - 200 bar gesättigt. Diese Lösung wird über eine Dosierpumpe 2 in das Membranmodul 3 gefördert und strömt dort auf der Seite der feinporigen Deckschicht an der Membranoberfläche entlang. Ein komprimiertes sauerstoffhaltiges Gas wird dem Membranmodul auf der grobporigen Trägerseite der Membran zugeführt, wobei der Druck typischerweise so gewählt wird, dass erstens der Partialdruck von Sauerstoff etwa dem 2-3-fachen Partialdruck von Wasserstoff im Sättiger 1 entspricht, und zweitens der Gesamtdruckunterschied zwischen der Gasseite und der Flüssigkeitsseite genügend hoch ist, um die Flüssigkeit aus den Poren des grobporigen Trägers zu verdrängen. Je nach Konstruktionsprinzip des Moduls 3 und Ausgestaltung der katalyti- schen Membran kann sich die Führung von Gas und Flüssig- phase im Einzelfall unterscheiden, sie folgt jedoch stets diesen übergeordneten Gesichtspunkten.Accordingly, in a saturator 1 upstream of the catalytic membrane module, the reaction solution is saturated with a hydrogen-containing gas (for example hydrogen diluted with nitrogen) under a pressure of typically 20-200 bar. This solution is conveyed via a metering pump 2 into the membrane module 3 and flows there on the side of the fine-pored cover layer along the membrane surface. A compressed oxygen-containing gas is supplied to the membrane module on the coarse-pored carrier side of the membrane, wherein the pressure is typically chosen such that firstly the partial pressure of oxygen is about 2-3 times the partial pressure of hydrogen in the saturator 1, and secondly the total pressure difference between the Gas side and the liquid side is sufficiently high to displace the liquid from the pores of the coarsely porous carrier. Depending on the design principle of the module 3 and the design of the catalytic membrane, the guidance of the gas and liquid phases may differ in individual cases, but it always follows these general considerations.
Der Flüssigkeitsdurchsatz durch das Membranmodul 3 wird so geregelt, dass der gesamte, in der Lösung befindliche Wasserstoff am Ausgang des Moduls 3 verbraucht ist. Hierzu wird die Gelöst-Wasserstoffkonzentration der Flüssigkeit am Modulausgang kontinuierlich erfasst. Die aus dem Modul austretende Reaktionslösung wird über ein Entspannungsventil 4 in einen Behälter 5 auf Umgebungsdruck entspannt, das entweichende Gas besteht aus nicht umgesetztem Sauerstoff sowie Inertgasen (Wasserstoff ist allenfalls in Spuren) und kann ggf. direkt an die Atmosphäre abgegeben werden. Die bei Umgebungsdruck mit Sauerstoff gesättigte Lösung wird nötigenfalls im Kühler 6 abgekühlt, um die Reaktionswärme zu entfernen. Über einen Splitter 7 wird ein Teilstrom als Produkt entnommen, der Reststrom wird mit Hilfe einer Kreislaufpumpe 8 auf Sättigerdruck rekomprimiert und in den Sättiger 1 zurückgeleitet . Durch den gegenüber dem Umgebungsdruck hohen Druck im Sättiger 1 wird sichergestellt, dass die mit der zurückgeführten Lösung pro Zeiteinheit eingetragene Sauerstoffmenge klein ist gegenüber der pro Zeiteinheit in den Sättiger 1 dosierten Wasserstoffmenge, so dass es auch im Sättiger 1 nicht zur Bildung explosionsfähiger Gasgemische kommen kann. Durch geeignete Wahl des Rückführverhältnisses im Splitter 7 kann die Konzentration der hergestellten Wasserstoffperoxidlösung an die pro- duktseitigen Erfordernisse angepasst werden. Auch bei einem möglichen Versagen der Membran wird bei diesem Pro- zess kein kritischer Zustand erreicht, da Membranversagen anhand der Druckdifferenz über der Membran sofort erkannt wird und die Zufuhr von gelöstem Wasserstoff über die Dosierpumpe 2 unmittelbar gestoppt werden kann. Ein weitere Verbesserung der Ausbeute wird erreicht, indem der Gasdruck in der Membran mit ausreichend hoher Frequenz periodisch moduliert wird, wodurch eine permanente Erneuerung der Gas/Flüssigkeits-Phasengrenzfläche innerhalb der porösen Membran und so eine Erhöhung der Stoffübergangsgeschwindigkeit ausgelöst wird.The liquid throughput through the membrane module 3 is controlled so that the total, located in the solution of hydrogen at the output of the module 3 is consumed. For this purpose, the dissolved hydrogen concentration of the liquid at the module outlet is continuously recorded. The emerging from the module reaction solution is expanded via a pressure relief valve 4 in a container 5 to ambient pressure, the escaping gas consists of unreacted oxygen and inert gases (hydrogen is at best in traces) and can optionally be delivered directly to the atmosphere. The saturated at ambient pressure with oxygen solution is cooled if necessary in the cooler 6 to remove the heat of reaction. About a splitter 7, a partial flow is removed as a product, the residual flow is recompressed by means of a circulation pump 8 to saturation pressure and returned to the saturator 1. By the relation to the ambient pressure high pressure in the saturator 1 it is ensured that the amount of oxygen introduced per unit of time with the recycled solution is small compared to the amount of hydrogen metered into the saturator 1 per unit of time, so that even in the saturator 1 explosive gas mixtures can not form , By suitable choice of the recycling ratio in the fragment 7, the concentration of the hydrogen peroxide solution produced can be adapted to the product-side requirements. Even with a possible failure of the membrane, no critical state is reached in this process, since membrane failure is immediately recognized on the basis of the pressure difference across the membrane and the supply of dissolved hydrogen via the metering pump 2 can be stopped immediately. Further improvement in yield is achieved by periodically modulating the gas pressure in the membrane at a sufficiently high frequency, thereby inducing a permanent renewal of the gas / liquid phase interface within the porous membrane, thus increasing the mass transfer rate.
Somit steht ein apparativ einfaches, sicheres, effizientes und flexibles Verfahren zur Verfügung, das sich insbesondere auch für kleinere Anlagengrößen empfiehlt. Es ist ein deutlich geringerer Preis des nach diesem Verfahren erzeugten Wasserstoffperoxids im Vergleich zu den etablierten Herstellverfahren zu erwarten, der in der Folge auch die Wirtschaftlichkeit vieler auf Wasserstoffperoxid basierender Verfahren verbessern sollte und somit zu einer breiteren Anwendung von Wasserstoffperoxid als umweltfreundliches Oxidationsmittel führen kann.Thus, a device-simple, safe, efficient and flexible method is available, which is particularly recommended for smaller system sizes. A significantly lower price of the hydrogen peroxide produced by this process compared to the established production methods is expected, which should consequently also improve the economy of many hydrogen peroxide-based processes and thus lead to a wider use of hydrogen peroxide as an environmentally friendly oxidizing agent.
Beispiel: Direktsynthese von Wasserstoffperoxid in Methanol unter Verwendung von Rohrmembranen aus α-Al2O3 beschichtet mit monometallischem Palladium als KatalysatorExample: Direct synthesis of hydrogen peroxide in methanol using tubular membranes of α-Al 2 O 3 coated with monometallic palladium as a catalyst
Rohrförmige, vom Hermsdorfer Institut für Technische Keramik (HITK) e.V. bezogene Mikrofiltrationsmembrane aus α-Aluminiumoxid mit 10 mm Außen- und 7 mm Innendurchmesser sowie 100 mm Länge wurden gemäß der in beschriebenen Prozedur mit Palladium beschichtet . Die Membrane bestehen aus einem grobporigen Träger mit einer durchschnittlichen Porengröße von 3 μm und etwa 1600 μm Wandstärke. Auf der Außenseite des Trägers befinden sich zwei Zwischenschichten mit ca. 30 μm Dicke und abgestuften mittleren Porendurchmessern von 0.8 μm und 0.2 μm. Als letzte Schicht besitzen die Membrane eine feinporige Deckschicht mit ca. 20 μm Dicke und einem mittleren Porendurchmesser von 100 nm. Die Porosität der einzelnen Schichten nimmt vom Trä- ger über die Zwischenschichten zur Deckschicht hin zu und beträgt etwa 25-30% für den Träger, 35-40% für die Zwischenschichten und 45-50% für die Deckschicht. Nach der Palladiumabscheidung liegen vorwiegend in der Deckschicht der Membran feinverteilte, gut haftende, näherungsweise halbkugelförmige Palladium-Nanopartikeln vor, in geringerer Konzentration auch in den beiden Zwischenschichten und in untergeordnetem Umfang im Träger. Die Größe der Partikel bewegt sich erfahrungsgemäß zwischen 3 und 15 nm, die Gesamtmenge an abgeschiedenem Palladium beträgt unter den üblichen Bedingungen etwa 12-15 mg. Bezogen auf die Rohraußenfläche von ca. 30 cm2 entspricht dies einer Palladium-Beladung von 4-5 g/m2. Umfangreiche Untersuchungen mit der Atomabsorptionsspektroskopie und einer Elektronenstrahl-Mikrosonde konnten zeigen, dass die nach der genannten Methode präparierten Membranen eine weitgehend gleichmäßige Verteilung des Palladiums über den Umfang und in axialer Richtung aufweisen sowie dass etwa 2/3 des abgeschiedenen Palladiums sich in der Deckschicht und der darunter liegenden Zwischenschicht finden.Tube-shaped microfiltration membranes made of α-alumina from the Hermsdorfer Institute of Technical Ceramics (HITK) eV with 10 mm outer and 7 mm inner diameter and 100 mm length were coated with palladium according to the procedure described in FIG. The membranes consist of a coarse-pored carrier with an average pore size of 3 microns and about 1600 microns wall thickness. On the outside of the carrier there are two intermediate layers of about 30 microns thick and graded average pore diameters of 0.8 microns and 0.2 microns. As the last layer, the membranes have a fine-pored cover layer with a thickness of approximately 20 μm and an average pore diameter of 100 nm. The porosity of the individual layers decreases from the carrier layer. is about 25-30% for the support, 35-40% for the intermediate layers and 45-50% for the cover layer. After the deposition of palladium, finely divided, well-adhering, approximately hemispherical, palladium nanoparticles are predominantly present in the cover layer of the membrane, in lesser concentrations also in the two intermediate layers and to a lesser extent in the support. The size of the particles moves according to experience between 3 and 15 nm, the total amount of deposited palladium is under the usual conditions about 12-15 mg. Based on the outer pipe surface of approx. 30 cm2, this corresponds to a palladium loading of 4-5 g / m2. Extensive investigations using atomic absorption spectroscopy and an electron microprobe have shown that the membranes prepared by the above-mentioned method have a largely uniform distribution of the palladium over the circumference and in the axial direction, and that about 2/3 of the deposited palladium is present in the cover layer and find underlying intermediate layer.
Die Membrane wurden nacheinander in verschiedenen Betriebsweisen in einem konventionellen Edelstahl-Rührautoklaven, wie in Fig. 6 schematisch gezeigt, im Hinblick auf die Produktivität und die Selektivität für die Di- rektoxidation von Wasserstoff durch Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid untersucht. Die Bedingungen waren dabei wie folgt :The membranes were sequentially tested in various operations in a conventional stirred stainless steel autoclave, as shown schematically in Figure 6, for productivity and selectivity for the direct oxidation of hydrogen by oxygen to hydrogen peroxide. The conditions were as follows:
Reaktorvolumen: 1.5 1Reactor volume: 1.5 1
Flüssigkeitsvolumen: 1.2 1Fluid volume: 1.2 1
Stabilisator (H2SO4) : 1-10-2 mol/1Stabilizer (H 2 SO 4 ): 1-10-2 mol / l
Promotor (NaBr) : 8 mg/1Promoter (NaBr): 8 mg / l
Lösungsmittel : MeOHSolvent: MeOH
Temperatur : 25°CTemperature: 25 ° C
Druck auf der Flüssigkeit: a) 67 bar (100 % O2) b) 64 bar (9 % H2, 91% N2) Druck in der Membran: a) 69 bar (100 % H2) b) 66 bar (100 % O2)Pressure on the liquid: a) 67 bar (100% O 2 ) b) 64 bar (9% H 2 , 91% N 2 ) Pressure in the membrane: a) 69 bar (100% H 2 ) b) 66 bar (100% O 2 )
Rührerdrehzahl : 800 rpmStirrer speed: 800 rpm
Fig. 6 zeigt einen Laborautoklav zur Untersuchung der kinetischen Eigenschaften der katalytischen Membrane für die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid. Die Betriebsweise ist entweder a) H2 in der Membran und O2 in der Flüssigkeit oder b) O2 in der Membran und H2/N2 in der Flüssigkeit, wobei zwischen den Betriebsweisen a) H2-Zu- gabe über die Membran und O2-Zufuhr gelöst in der Flüssigkeit, und b) O2-Zugabe über die Membran und H2-Zufuhr gelöst zu unterscheiden ist.Fig. 6 shows a laboratory autoclave for investigating the kinetic properties of the catalytic membrane for the direct synthesis of hydrogen peroxide. The mode of operation is either a) H 2 in the membrane and O 2 in the liquid or b) O 2 in the membrane and H 2 / N 2 in the liquid, where between the modes a) H 2 addition via the membrane and O 2 feed dissolved in the liquid, and b) O 2 addition across the membrane and H 2 feed to be distinguished.
Im Betrieb mit Zufuhr von reinem Wasserstoff in die Membran und reinem Sauerstoff in den Gasraum über der Flüssigkeit wurde eine Produktivität von etwa 54 g H2O2 pro g Palladium und Stunde und eine mittlere Selektivität zu H2O2 von 20% beobachtet (vgl. Fig. 7). Dies bedeutet, dass 80% des verbrauchten Wasserstoffs zur Bildung von Wasser führten.In operation with supply of pure hydrogen into the membrane and pure oxygen into the headspace above the liquid, a productivity of about 54 g H 2 O 2 per g palladium and hour and a mean selectivity to H 2 O 2 of 20% was observed (cf. Fig. 7). This means that 80% of the hydrogen consumed led to the formation of water.
Die Produktivität erreichte bei Dosierung von reinem Sauerstoff in die Membran und 9% Wasserstoff und 91% Stickstoff in den Gasraum im Reaktor mit 45 g H2O2 pro g Palladium und Stunde eine vergleichbare Größenordnung, allerdings bei einer mittleren Selektivität zu H2O2 von 90% (vgl. Fig. 8) . In diesem Fall wurden also nur 10% des verbrauchten Wasserstoffs zu Wasser umgesetzt.The productivity reached at dosage of pure oxygen into the membrane and 9% hydrogen and 91% nitrogen in the gas space in the reactor with 45 g H 2 O 2 per g palladium and hour a comparable order of magnitude, but at an average selectivity to H 2 O 2 of 90% (see Fig. 8). In this case, only 10% of the hydrogen used was converted to water.
Der direkte Vergleich belegt eindrucksvoll, dass nur bei optimierter Zugabe der beiden Reaktionspartner Sauerstoff und Wasserstoff eine hohe Selektivität zu Wasserstoffperoxid erreicht wird, die neben ausreichend hoher Produktivität und inhärenter Sicherheit zwingende Voraussetzung für ein wirtschaftliches Verfahren zur Wasserstoffperoxidsynthese ist. BezugszeichenlisteThe direct comparison impressively proves that only with optimized addition of the two reactants oxygen and hydrogen, a high selectivity to hydrogen peroxide is achieved, which, in addition to sufficiently high productivity and inherent safety is a mandatory requirement for an economic process for hydrogen peroxide synthesis. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Sättiger Dosierpumpe Membranmodul Entspannungsventil BehälterSaturator dosing pump membrane module expansion valve tank
Kühler Splitter Kreislaufpumpe Cooler splitter circulation pump

Claims

Patentansprüche claims
1. Inhärent sicheres Verfahren zur Durchführung der Direktsynthese von Wasserstoffperoxid in einem benetzbaren, katalytischen Membrankontaktor mit hoher Produktivität und Selektivität zu Wasserstoffperoxid mit dem folgenden Schritt:1. An inherently safe process for carrying out the direct synthesis of hydrogen peroxide in a wettable, catalytic membrane contactor with high productivity and selectivity to hydrogen peroxide, comprising the following step:
Ein Membrankontaktor mit einer hydrophilen asymmetrischen Membran, die eine grobporige Trägerseite und eine feinporige, mit katalytisch aktiven Komponenten durchgängig beschichteter Deckschicht aufweist, wird zur Verfügung gestellt,A membrane contactor having a hydrophilic asymmetric membrane which has a coarse-pored carrier side and a fine-pored cover layer continuously coated with catalytically active components is provided.
gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:characterized by the further step:
Ein sauerstoffhaltiges Gas wird an die Trägerseite geführt, während sich auf der Seite der Deckschicht (Reaktionszone) eine mit Wasserstoff bei gegenüber der Gasseite abgesenktem Druck teilgesättigte Reaktionslösung befindet, die aufgrund der Kapillarkräfte in die hydrophile Deckschicht eindringt.An oxygen-containing gas is fed to the carrier side, while on the side of the cover layer (reaction zone) is a partially saturated with hydrogen at the side of the gas pressure saturated reaction solution, which penetrates due to the capillary forces in the hydrophilic cover layer.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffkonzentration in der Reaktionslösung durch Inertisierung mit einem Inertgas auf etwa die Hälfte der an der Gas/Flüssig-Phasengrenze innerhalb der Membran erwarteten Gelöst-Sauerstoffkonzentration abgesenkt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the hydrogen concentration in the reaction solution is lowered by inerting with an inert gas to about half of the expected at the gas / liquid phase boundary within the membrane dissolved oxygen concentration.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionslösung kontinuierlich umgesetzt wird, wobei die Flussrate der Reaktionslösung durch ein geeignetes Membranmodul derart eingestellt ist, dass die in einen dem Modul vorgeschalteten Sättiger einge- brachte Wasserstoffmenge nach Passieren des Moduls annähernd vollständig umgesetzt ist, so dass auch in einem nachgeschalteten Entspannungsbehälter keine explosionsfähige Gasmischung entsteht.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the reaction solution is reacted continuously, wherein the flow rate of the reaction solution is adjusted by a suitable membrane module such that in a module upstream of the saturator inserted brought hydrogen amount after passing through the module is almost completely implemented, so that even in a downstream flash tank no explosive gas mixture is formed.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchlauf der Reaktionslösung durch das Membranmodul der nicht umgesetzte Sauerstoff sowie ggf. gelöste Inertgase aus der Reaktionslösung entfernt werden, und dass ein Teil der Reaktionslösung rekomprimiert und in den Sättiger zurückgeführt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that after the passage of the reaction solution through the membrane module, the unreacted oxygen and optionally dissolved inert gases are removed from the reaction solution, and that a part of the reaction solution is recompressed and returned to the saturator.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der hergestellten Wasserstoffperoxidlösung in einfacher Weise durch Variation des Rückführverhältnisses an die produktseitigen Erfordernisse angepasst wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the concentration of the produced hydrogen peroxide solution is adjusted in a simple manner by varying the return ratio to the product side requirements.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrationsbereich der hergestellten Wasserstoffperoxidlösung 1 bis 35 Gew.% beträgt .6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the concentration range of the hydrogen peroxide solution prepared is 1 to 35 wt.%.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Nickel, Palladium, Platin oder eine Palladium-Verbindung bzw. eine Platin-Verbindung auf α-Aluminiumoxid, γ-Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid oder Ceroxid sowie auf Kohlenstoff oder den mit Kohlenstoff beschichteten, genannten keramischen Materialien als Katalysator/Träger-System eingesetzt werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that nickel, palladium, platinum or a palladium compound or a platinum compound on α-alumina, γ-alumina, zirconia, titania or ceria and on carbon or with carbon coated, said ceramic materials can be used as a catalyst / carrier system.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Palladium- bzw. Platin-Verbindung Silber, Gold, Rhodium, Ruthenium, Iridium oder Kupfer oder Zinn enthält. 8. The method according to claim 7, characterized in that the palladium or platinum compound contains silver, gold, rhodium, ruthenium, iridium or copper or tin.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadruch gekennzeichnet, dass asymmetrische Membrane eingesetzt werden, die aus einer feinporigen Deckschicht mit Porendurchmessern im Bereich von 1 - 200 nm, einer Dicke von 1 - 50 μm und einer Porosität von 10 - 60%, einem grobporigen Träger von 0.2 - 3 mm Dicke, 0.5 - 5 μm Porendurchmesser und einer Porosität von 10 - 40%, sowie optional einer oder mehrerer Zwischenschichten von 1 - 50 μm Dicke, 10 - 50% Porosität und 1 - 100 nm Porendurchmesser bestehen.9. The method according to claims 1 to 8, dadruch characterized in that asymmetric membranes are used which consist of a fine-pored cover layer with pore diameters in the range of 1 - 200 nm, a thickness of 1-50 microns and a porosity of 10 - 60%, a coarse-pored carrier of 0.2 to 3 mm thickness, 0.5 to 5 μm pore diameter and a porosity of 10 to 40%, and optionally one or more intermediate layers of 1 to 50 μm thickness, 10 to 50% porosity and 1 to 100 nm pore diameter.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Rohrbündel, Kapillarenbündel, Hohlfaserbündel, Mehrkanalelemente, rotierende Scheibenmembranen oder andere, heute in der Membrantechnik übliche Modulprinzipien eingesetzt werden.10. The method according to claims 1 to 9, characterized in that tube bundle, capillary bundles, hollow fiber bundles, multi-channel elements, rotating disc membranes or other, today common in membrane technology module principles are used.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von reinem Sauerstoff ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, z. B. aus einem Membrantrenn- prozess, als Oxidationsmittel eingesetzt wird.11. The method according to claims 1 to 10, characterized in that instead of pure oxygen, an oxygen-containing gas, in particular air or oxygen-enriched air, for. B. from a membrane separation process, is used as the oxidant.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von reinem Wasserstoff ein Wasserstoffhaltiges Gas, z. B. aus der Reformierung oder partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen oder Biomasse eingesetzt wird.12. The method according to claims 1 to 11, characterized in that instead of pure hydrogen, a hydrogen-containing gas, for. B. from the reforming or partial oxidation of hydrocarbons or biomass is used.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionslösung Wasser, Alkohole, organische Lösungsmittel oder Gemische derselben mit oder ohne Zusätze von Säuren, Stabilisatoren, Inhibitoren oder anderen Hilfskomponenten eingesetzt werden. 13. The method according to claims 1 to 12, characterized in that are used as reaction solution, water, alcohols, organic solvents or mixtures thereof with or without additions of acids, stabilizers, inhibitors or other auxiliary components.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck in der Membran mit ausreichend hoher Frequenz periodisch moduliert wird, wodurch eine permanente Erneuerung der Gas/Flüssigkeits- Phasengrenzfläche innerhalb der porösen Membran und so eine Erhöhung der Stoffübergangsgeschwindigkeit ausgelöst wird.14. The method according to claims 1 to 13, characterized in that the gas pressure in the membrane is modulated at a sufficiently high frequency periodically, whereby a permanent renewal of the gas / liquid phase interface within the porous membrane and thus an increase in the mass transfer rate is triggered.
15. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aufweist: Einen Sättiger (1) zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Reaktionslösung, einem Membranmodul (3) , einem Gas /Flüssigkeitsscheider (5) zum Abtrennen von überschüssigem Sauerstoff, einen Splitter15. A device for carrying out a method according to one of claims 1 to 14, characterized in that the device comprises: a saturator (1) for supplying hydrogen to a reaction solution, a membrane module (3), a gas / liquid separator (5) for Separating excess oxygen, a splinter
(7) zum Abzweigen eines Wasserstoffperoxid-Produkstromes und eine Kreislaufpumpe (8) zum Rückführen des nach Abzweigen des Wasserstoffperoxid-Produkstromes verbleibenen Teils der Reaktionlösung in den Sättiger (1) .(7) for branching off a hydrogen peroxide product stream and a circulation pump (8) for recycling the portion of the reaction solution remaining after branching off the hydrogen peroxide product stream into the saturator (1).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranmodul (3) wenigstens eine asymmetrische Membran aufweist, die aus einer feinporigen Deckschicht mit Porendurchmessern im Bereich von 1 - 200 ntα, einer Dicke von 1 - 50 μm und einer Porosität von 10 - 60%, einem grobporigen Träger von 0.2 - 3 mm Dicke, 0.5 - 5 μm Porendurchmesser und einer Porosität von 10 - 40%, sowie optional einer oder mehrerer Zwischenschichten von 1 - 50 μm Dicke, 10 - 50% Porosität und 1 - 100 nm Porendurchmesser besteht. 16. The device according to claim 15, characterized in that the membrane module (3) has at least one asymmetric membrane consisting of a fine-pored cover layer with pore diameters in the range of 1 - 200 ntα, a thickness of 1-50 microns and a porosity of 10 - 60%, a coarse-pored carrier of 0.2 to 3 mm thickness, 0.5 to 5 μm pore diameter and a porosity of 10 to 40%, and optionally one or more intermediate layers of 1 to 50 μm thickness, 10 to 50% porosity and 1 to 100 nm Pore diameter exists.
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