Producción por autooxidación de peróxido de hidrógeno mediante oxidación de un microreactor.

Un método para producir peróxido de hidrógeno, caracterizado por realizar la oxidación de un compuesto de trabajo en un microrreactor para producir peróxido de hidrógeno y recuperar el peróxido de hidrógeno.

Producción por autooxidación de peróxido de hidr6geno mediante oxidación en un microreactor

Campo de la invención La presente invención se refiere a un metodo mejorado para producir peróxido de hidr6geno. Mas en particular, la 5 invención se refiere a un metodo de producción de peróxido de hidr6geno en el que se usa un microrreactor en la etapa de oxidación de un procedimiento de autooxidación.

Antecedentes de la invención El peróxido de hidr6geno (H202) es una materia prima química versatil con aplicaciones diversas. Las aplicaciones del peróxido de hidr6geno aprovechan sus propiedades de agente oxidante fuerte e incluyen blanqueo de pasta/papel, tratamiento de aguas residuales, sfntesis química, blanqueo textil, procesamiento de metales, producción de microelectrónica, envasado de alimentos, aplicaciones de salud y cosmeticas. La producción anual de EE.UU. de H202 es de 771 millones de kg al ano, que representa aproximadamente 30% de la producción mundial de 2676 millones de kg al ano. Se espera que el mercado mundial del peróxido de hidr6geno crezca de forma constante a aproximadamente 3% anual.

Se pueden usar diferentes procedimientos químicos para fabricar peróxido de hidr6geno a una escala comercial. Una clase principal de fabricación de peróxido de hidr6geno comprende la autooxidación (A0) de un "compuesto de trabajo" o "reaccionante de trabajo" o "compuesto reactivo", para dar peróxido de hidr6geno. La fabricación comercial de peróxido de hidr6geno por A0 ha usado compuestos de trabajo tanto en procedimiento cíclicos como no cíclicos.

Los procedimientos de A0 cíclicos típicamente implican la hidrogenación (reducción) de un compuesto de trabajo y despues la autooxidación del compuesto de trabajo hidrogenado para producir peróxido de hidr6geno. Los procedimientos de fabricación de peróxido de hidr6geno a gran escala mas actuales se basan en un procedimiento de A0 de antraquinona, en el que el peróxido de hidr6geno se forma por una reducción cfclica y posterior autooxidación de derivados de antraquinona. El procedimiento de autooxidación de la antraquinona para la fabricación de peróxido de hidr6geno es bien conocido, y fue descrito en 1930 por Riedl y Pfleiderer, p. ej., en las patentes de EE.UU. nO 2.158.525 y nO 2.215.883, y se describe en Kirk-0thmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd. ed., Volume 13, Wiley, New York, 1981, pag. 15-22.

Ademas de las antraquinonas, los ejemplos de otros compuestos de trabajo viables para usar en la fabricación de peróxido de hidr6geno por autooxidación cfclica, incluyen azobenceno y fenazina; vease, p. ej., Kirk-0thmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd. ed., Volume 13, Wiley, New York, 1981, pag. 15-22.

En los procedimientos comerciales de producción de peróxido de hidr6geno de A0, los derivados de antraquinona (es decir, los compuestos de trabajo) normalmente son alquil-antraquinonas y/o alquil-tetrahidroantraquinonas, y estos se usan como el o los compuestos de trabajo en una disolución de trabajo que contiene disolvente. Los derivados de antraquinona se disuelven en un sistema de disolvente inerte. Esta mezcla de compuestos de trabajo y disolvente (s) se llama la disolución de trabajo y es el fluido del ciclo del procedimiento de A0. Los componentes del disolvente normalmente se seleccionan basandose en su capacidad para disolver antraquinonas y antrahidroquinonas, pero otros criterios importantes para el disolvente son la presión de vapor baja, el punto de inflamabilidad relativamente alto, solubilidad en agua baja y caracterfsticas de extracción en agua favorables.

Los procedimientos no cíclicos de producción de peróxido de hidr6geno de A0, normalmente implican la autooxidación de un compuesto de trabajo, sin una etapa inicial de reducción de hidrogenación, como en la autooxidación del isopropanol u otro alcohol primario o secundario a un aldehído o cetona, para dar peróxido de hidr6geno.

La hidrogenación (reducción) de la disolución de trabajo que contiene antraquinona se lleva a cabo poniendo en contacto esta ultima con un gas que contiene hidr6geno, en presencia de un catalizador en un reactor de gran escala en condiciones adecuadas de temperatura y presión para producir antrahidroquinonas.

45 Una vez que la reacción de hidrogenación ha alcanzado el grado de terminación deseado, la disolución de trabajo hidrogenada se retira del reactor de hidrogenación y despues se oxida poniendola en contacto con un gas que contiene oxígeno, normalmente aire. La etapa de oxidación convierte otra vez las antrahidroquinonas en antraquinonas y forma simultaneamente H202 que normalmente permanece disuelta en la disolución de trabajo.

El resto de las etapas en procedimientos de autooxidación convencionales son operaciones ffsicas. El H202

50 producido en la disolución de trabajo durante la etapa de oxidación se separa de la disolución de trabajo en una etapa de extracción en agua. El H202 que sale de la etapa de extracción normalmente se purifica y concentra.

La disolución de trabajo de la cual se ha extrafdo el H202 se devuelve a la etapa de reducción. Por lo tanto, el ciclo

de hidrogenación-oxidación-extracción se lleva a cabo en un bucle continuo, es decir, como una operación cfclica.

Se da una visión general del procedimiento de A0 de la antraquinona para la producción de peróxido de hidr6geno en Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistr y , 5th Edition, Volume A13, paginas 447-456.

La etapa de oxidación es crftica para la economfa del procedimiento de autooxidación de producción de peróxido de hidr6geno. Los recipientes del aparato de oxidación típicos contienen una gran cantidad total de la disolución de trabajo. Esta costosa cantidad total de disolución de trabajo representa un alto coste de inversión de trabajo ademas del coste de inversión de dichos recipientes grandes. Ademas, la gran cantidad total de disolución de trabajo en los recipientes de aparatos de oxidación convencionales presenta un mayor riesgo de incendio inherente en la instalación de trabajo.

0tro inconveniente de la gran cantidad total en el reactor es el tiempo de permanencia alto en el reactor, que puede conducir a la formación de subproductos no deseados, tales como ep6xidos, y puede dar como resultado tasas mas altas de descomposición de peróxido de hidr6geno. La conversión de nuevo de dichos subproductos en reaccionantes utiles capaces de producir peróxido de hidr6geno requiere costosas operaciones de la unidad de flujo lateral. Por supuesto, la velocidad de generación de estos subproductos parasitos tiene una gran influencia en la capacidad sostenida y los costes de operación de un procedimiento de A0 convencional.

Un objetivo tecnico de los aparatos de oxidación basados en antraquinona es maximizar la productividad volumetrica del reactor. 0tro objetivo es maximizar la conversión en la reacción de oxidación de la antrahidroquinona para producir el producto deseado, el peróxido de hidr6geno. Ademas, la formación de compuestos subproductos tales como ep6xidos debe minimizarse. La etapa de oxidación típica requiere mas electricidad (cuando se usa la compresión con motor electrico típica para la corriente del agente oxidante) que cualquier otra operación de la unidad en el procedimientos de producción de peróxido de hidrogeno con antraquinona, de modo que la minimización de los requisitos de energfa es otro objetivo.

Las reacciones de oxidación comercial se llevan a cabo con mas frecuencia en un reactor de columna de burbujeo o de columna de burbujeo modificada. Estos reactores de columna pueden usar algun tipo de relleno interno o platos o, alternativamente puede estar vacfas. Los reactores de columna de burbujeo logran un buen mezclamiento de gas/lfquido y mantienen una fase líquida bien mezclada. Los reactores de burbujeo modificados son aquellos reactores de columna de burbujeo que usan dispositivos internos tales como relleno o mezcladores estaticos, o alternativamente, usan disposiciones del flujo que se desvfan de una sola entrada inferior de lfquido y una sola de gas, con el correspondiente flujo hacia arriba de corriente paralela. Preferiblemente se usa oxígeno puro, gas enriquecido en oxígeno y preferiblemente aire como el agente oxidante.

Se describe una columna de oxidación de antraquinona en contracorriente en la patente de EE.UU. nO 2.902.347, que requiere columnas rellenas para minimizar el tiempo de permanencia de la disolución de trabajo, para minimizar... [Seguir leyendo]

1. Un metodo para producir peróxido de hidr6geno, caracterizado por realizar la oxidación de un compuesto de trabajo en un microrreactor para producir peróxido de hidr6geno y recuperar el peróxido de hidr6geno.

2. El metodo de la reivindicación 1, caracterizado porque la producción de peróxido de hidr6geno comprende las etapas de hidrogenar catalfticamente un compuesto de trabajo para dar un compuesto de trabajo hidrogenado;

oxidar el compuesto de trabajo hidrogenado en un microrreactor de oxidación, para producir peróxido de hidr6geno;

separar el peróxido de hidr6geno resultante del compuesto de trabajo oxidado y recuperar el peróxido de hidr6geno en una disolución acuosa; y reciclar el compuesto de trabajo oxidado a la etapa de hidrogenación.

3. El metodo de la reivindicación 1, en el que el compuesto de trabajo se selecciona del grupo que consiste en compuestos hidrazo aromaticos sustituidos con amina, dihidrofenazina, derivados de dihidrofenazina alquilados, alquil-antrahidroquinonas, hidroalquil-antrahidroquinonas, mezclas de alquil-antrahidroquinonas e hidroalquilantrahidroquinonas, y alcoholes primarios y secundarios y alcoholes arflicos.

4. El metodo de la reivindicación 2, en el que el compuesto de trabajo se selecciona del grupo que consiste en compuestos azo aromaticos sustituidos con amino, fenazina, derivados de fenazina alquilados, alquil-antraquinonas e hidroalquil-antraquinonas y mezclas de alquil-antraquinonas e hidroalquilantraquinona.

5. El metodo de la reivindicación 1 6 2, en el que la oxidación usa un agente oxidante que comprende aire, oxígeno y gas rico en oxígeno.

6. El metodo de la reivindicación 1 6 2, en el que el microrreactor contiene uno o mas microcanales en los que se lleva a cabo la oxidación.

7. El metodo de la reivindicación 6, en el que el microcanal tiene al menos una dimensión de la sección transversal en el intervalo de 1 micr6metro a 5 mm.

8. El metodo de la reivindicación 6, en el que el microcanal tiene al menos una dimensión de la sección transversal en el intervalo de 5 micr6metros a 2 mm.

9. El metodo de la reivindicación 6, en el que el microcanal tiene al menos una dimensión de la sección transversal en el intervalo de 5 micr6metros a 1 mm.

10. El metodo de la reivindicación 6, en el que el microrreactor de oxidación contiene una entrada a uno o mas microcanales conectados y una salida de dichos microcanales, para introducir el compuesto de trabajo en el microrreactor y retirar el compuesto de trabajo oxidado del microrreactor, respectivamente.

11. El metodo de la reivindicación 6, en el que el microrreactor ademas contiene al menos un conducto adicional adyacente a al menos un microcanal de oxidación para efectuar la transferencia de calor y controlar la temperatura de oxidación usando un fluido de transferencia de calor durante la reacción de oxidación.

12. El metodo de la reivindicación 6, en el que el microrreactor comprende laminas en capas que contienen una red de microcanales interconectados.

13. El metodo de la reivindicación 1 6 2, en el que el compuesto de trabajo es portado en un disolvente organico.

14. El metodo de la reivindicación 13, en el que el compuesto de trabajo se selecciona del grupo que consiste en alquil-antraquinonas e hidroalquil-antraquinonas y mezclas de alquil-antraquinonas e hidroalquil-antraquinonas y el compuesto de trabajo es portado en una mezcla de disolventes de (i) un disolvente hidrocarburo aromatico C9-C11 y (ii) un segundo componente disolvente seleccionado del grupo que consiste en ureas alquiladas, derivados de urea cíclicos, fosfatos organicos, esteres de acidos carboxflicos, alcoholes C4-C12, amidas cfclicas y carbamatos de alquilo y mezclas de los mismos.

15. El metodo de la reivindicación 13, en el que la oxidación del compuesto de trabajo en un disolvente organico tambien se lleva a cabo en presencia de agua.

16. El metodo de la reivindicación 1 6 2, en el que la oxidación se facilita mediante un catalizador de oxidación usado en combinación con el compuesto de trabajo.

17. El metodo de la reivindicación 16, en el que el catalizador se selecciona del grupo que consiste en aminas secundarias y terciarias, hidróxidos de metales alcalinos, hidróxidos alcalinoterreos, carbonato s6dico, hidróxido s6dico e hidróxido amónico.

18. El metodo de la reivindicación 1 6 2, en el que la oxidación se lleva a cabo a temperaturas en el intervalo de 5 aproximadamente 20OC a aproximadamente 100OC.

19. El metodo de la reivindicación 1 6 2, en el que la oxidación se lleva a cabo a una presión en el intervalo de aproximadamente 34 kPa manometricos y 2068 kPa manometricos.

20. El metodo de la reivindicación 19, en el que la oxidación se lleva a cabo a una presión menor de aproximadamente 1034 kPa manometricos.

21. El metodo de la reivindicación 1, en el que el peróxido de hidr6geno se separa del compuesto de trabajo oxidado por extracción con agua, para producir un extracto acuoso que contiene peróxido de hidr6geno.

22. El metodo de la reivindicación 1, caracterizado por la producción cfclica de peróxido de hidr6geno que comprende las etapas de hidrogenar catalfticamente una disolución de trabajo de antraquinona, que comprende un derivado de 15 antraquinona portado en un disolvente organico, para dar una disolución de trabajo hidrogenada;

oxidar la disolución de trabajo hidrogenada en un microrreactor de oxidación, para producir peróxido de hidr6geno;

separar el peróxido de hidr6geno de la disolución de trabajo oxidada por extracción acuosa y recuperar una disolución acuosa de peróxido de hidr6geno; y reciclar la disolución de trabajo a la etapa de hidrogenación.