JPH02275703A - 反応と混合を同時に行なう過酸化水素の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアントラキノン法による過酸化水素の製造方法
、特にその部分工程である水素化の方法にかんする。さ
らに特定すれば、本発明は、アントラキノン誘導体を固
体触媒の存在下に水素化するため、反応溶液を循環させ
、該反応溶液に水素または水素を含有する気体と操業溶
液（νｏｒｋｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎ　：アントラキノ
ン誘導体を有機溶媒に溶解したもの）とを、連続したも
しくは複数の部分からなる管状の静的混合領域を通して
供給し、水素化された操業溶液と気体を循環する反応溶
液から分離除去することからなる方法に関する。また、
本発明は、１以上の部分からなる管状の静的混合装置お
よび該混合装置の上記方法における使用に関する。

〔従来技術とその問題点〕

公知のとおり、過酸化水素はいわゆるアントラキノン法
により製造することができる。この方法では、１種以上
の成分からなる溶媒にアントラキノン誘導体を溶解させ
る。この溶液は、操業溶液と呼ばれる。過酸化水素の製
造においては、水素化工程にまず操業溶液が供給される
。この工程で、アン１−ラキノン誘導体は、触媒の存在
下に対応するアントラヒドロキノンに還元される。その
後、水素化された操業溶液は、これに酸素または酸素を
含有する気体を導入する工程に移され、ここで溶液中に
過酸化水素が形成される。アントラキノン法の主反応は
以下に示すとおりである：過酸化水素を含有する操業溶
液は抽出工程に導かれ、ここで過酸化水素は、抽出によ
り操業溶液から水溶液に移動させられる。抽出の済んだ
操業溶液は、過剰量の水分を取除くことにより乾燥され
、循環プロセスの最初の工程、すなわち水素化工程へと
再循環される。抽出により得られた過酸化水素水溶液は
精製濃縮される。

上記の水素化は、アントラキノン法では不可欠の工程で
あり、水素化触媒には高度の活性と高選択性が要求され
る。水素化工程における転換の進行および反応の選択性
は、水素分圧や温度、反応物の濃度、触媒および反応器
中のフロー条件に依存する。副次的な反応により、過酸
化水素を生じるアントラキノンの厘が減少する。水素化
には懸濁液型の反応器および固定床型の反応器が用いら
れてきた。

従来使用されている囚濁型触媒には、多孔質の、いわゆ
るパラジウム・ブロック、担体（たとえば、アルミナや
活性炭）内に吸収させたパラジウムおよびラネー・ニッ
ケルがある。たとえば、混合槽型反応器または管状反応
器中で、操業溶液に多孔質触媒を懸濁させ水素を分散さ
せる。管状反応器においては、操業溶液の大きな線速度
により混合が行なわれる。通常、開放管での線速度は３
ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓである（米国特許第４，４２８，
９２３号）。収斂と拡大を繰返す管を反応管として用い
る改良された混合方法も知ら九でいる（　Ｘａｂｉｓｃ
ｈ等の米国特許第３，４２３，１７６号）。

フィンランド特許出願第８６４９７１号によれば、さら
に、水素、操業溶液およびｉ！ｉ濁された固体触媒を含
有する反応溶液を、連続的なまたは複数の部分からなる
静的混合装置を備えた管状反応器システムに循環させる
上述のタイプの方法が知られている。管状システム内の
圧は１５バール以下であり、温度は１００℃以下である
。この方法では、操業溶液は反応管内を３１１／ｓ以下
の流速で循環させる。

触媒、操業溶液および水素ガスの接触面ならびに接触時
間も水素化反応にとって重要である。固定された固体触
媒を水素化に用いた場合、触媒反応においての接触時間
は短縮され、この結果、副反応の割合は減少する。固定
触媒を用いる場合には懸濁触媒を用いる場合と比較して
経費のかかる濾過工程がないという大きな利点がある。

触媒粒子は微細であるから、濾過は技術的にも困難をき
たすこともある。

水素化反応においては、懸濁触媒は部分的にしか利用さ
れていない。これは触媒が処理サイクルの大部分の時間
、（たとえば循環タンク内のような）水素の存在しない
領域にあること、あるいはまた、触媒が処理サイクルに
固着してしまうことがあるためである。また、懸濁触媒
は凝縮（ｓｉｎｔｒａｔｉｏｎ）　Ｌやすく機械的摩損
をより受けやすい。

固定床反応器では、担体ペレットやいわゆるハニカム触
媒が用いられてきた（Ｂｅｒｇｌｉｎ等の米国特許第４
，５５２，７４８号）。使用される担体は、通常、活性
アルミナであるが、たとえば、ＳｉＯ□や活性炭のよう
な大きな比表面積を有する他の多孔性担体も用いること
ができる。担体内には責合！（通常はパラジウム）が活
性成分として吸収される。固定床反応器においては、濾
過は、固定床から脱離した触媒粒子を操業溶液から分離
するため、酸化工程前にある種の後処理的な濾過が行な
われることがあるにすぎない。

固定床反応器では、通常はペレット（通常、直径０．２
〜１０ｍｍ）を篩板または網の間に組込んで用いている
。この大きさのペレットでは、原料が最深の孔に移動し
そこから出ていくのには時間がかかるため、ペレット内
部の活性金属は反応中利用されないまま残る。同様に圧
損失も大きく１．このような自由充填の固定床ではフロ
ーの疎通（ｃａｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）が生じる。還元
ガスもそれ自体からなる相に分離する傾向があるため、
水素化の速度は減少する。また、操業溶液や還元ガスに
触媒毒が混入しないように特別の注意が必要である。

いわゆるハニカム触媒は、平行した流路（ｃａｎａｌ）
を有する分室性の（ｃｅｌｌｕｌａｒ）支持構造物から
できている。支持構造上には多孔性担体が薄層として固
定され、さらにその中に貴金属が吸収される。

このような基本構造の反応器では、水素と操業溶液との
混合が不十分で、ガス気泡がそれ自体からなる相に分離
する可能性がある。ハニカム内部からの熱移動も不十分
であるため、内部の温度が過度に上昇し好ましくない副
生物の量が増加する。

固定床反応器において水素化を制限する段階の一つは、
ガス気泡から操業溶液へ水素が移行する段階である。水
素の移行速度は操業溶液中での水素気泡の大きさに依存
する。水素を含む溶液中の気泡が小さければ小さいほど
、操業溶液とガス相との全接触面積は大きくなる。水素
と操業溶液との混合は、固定床反応器に入る前の時点で
静的混合装置を使用することにより改善された（米国特
許第４，４２８，９２２号）。この方法では、反応器に
入ると直ちに水素は操業溶液中に細かな気泡となるが、
反応器中での疎通のため、ガスの分散は弱められる。

水素化の前の時点で操業溶液を水素で飽和させる予備混
合反応器も使用されている（米国特許第２．８３７，４
１１号）。

本発明の目的は、アントラキノン法により過酸化水素を
製造する方法および装置であって従来の方法および装置
の問題点を解消した方法および装置を提供することであ
る。本発明の主要な特徴は特許請求の範囲に示すとおり
である。

〔発明の構成〕

本発明の方法においては、水素または水素を含有する気
体と操業溶液とからなる反応混合物を。

一定の径のまたは収斂と拡大を繰返す管状反応システム
に循環させる。該反応システムは水平または垂直に設置
され、連続したもしくは複数の部分からなる、触媒物質
で被覆された管状の静的混合装置を備えている。反応混
合物は、混合装置内で、混合されると同時に触媒作用を
受ける。管状反応器は、水素がその末端に達するまでに
反応するに充分なだけの長さを有すればよい。還元ガス
は反応器内に循環させる必要はない。

本発明の静的混合装置は、その表面に多孔性担体を固定
した金属、セラミック、高分子またはその他の相応な材
料からなる支持構造物を有している。担体は、たとえば
、アルミナ、５ｉ０２、ケイ酸塩または活性炭である。

水素化活性のある金属、たとえば、パラジウム、プラチ
ナ、ロジウム、ニッケルまたはこれらの混合物を該担体
に吸収させておく。

本発明の反応器では、静的混合装置により、気液間の充
分な物質移動および反応混合物から管壁／ｓの充分な熱
移動が達成される。静的混合装置は、たとえば以下の刊
行物に記載されている：　Ｃｈｅｍ、−Ｉｎｇ、−Ｔｅ
ｃｈ　５２　（１９８０）、　４．　ｐｐ、２８５−２
９１；　Ｃｈｅｍ。

Ｅｎｇ、　Ｐｒｏｇ、　８２　（Ｊｕｌｙ　１９８６）
、　７．　ｐｐ、４２−４８および同２０（Ｍａｙ−Ｊ
ｕｎｅ　１９８６）、　３．　ｐｐ、１４７−１５４：
Ｐｅｒｒｙ、　Ｒ。

Ｈ，ａｎｄ　Ｃｈｉｌｔｏｎ、　Ｃ，Ｈ，、Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ’５Ｈａｎｄｂｏｏｋ、　５
．　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　ＭｃＧｒｏｗ−）ｆｉｌｌ　
（１９７３）Ｓｅｃｔｉｏｎ　１９．　ｐ、２２゜静的
混合装置では、上記の特長のほか、軸方向の混合が最小
限に抑えられ、管を横断的に見た場合に温度および濃度
が均一になる。

混合物表面の薄い（層の厚さ８５〜３００μｍ）触媒層
で反応は起こる。層が薄いため、収量を減少させる副反
応の割合は低く留まる。これは反応物および反応生成物
が孔内に保持される時間が短いためである。さらに、触
媒層を薄くすることで触媒活性のある金属を有効に使用
することができる。

この点で本発明の触媒層は、ペレットからなる固定床に
比べ有利である。

触媒片によって平行な同じ長さの流路を形成した米国特
許筒４，５５２，７４８号のハニカム型反応器は混合作
用を有しないが、これと比較すると１本発明の反応器で
は、静的混合装置が触媒で被覆され互いに異なる方向を
向いたフロー・バッフル（ｆｌｏｗｂａｆｆｌｅ）を有
し、これが反応器の全断面にわたって流れを振り向ける
ため、その構造物が触媒のための固定面になっているだ
けでなく混合器としても機能する。米国特許筒４，５５
２，７４８号による反応器にはこのような機能は存せず
、水素を操業溶液中に分散・溶解させるための別の混合
装置が必要である。

本発明では反応溶液が触媒作用を受けると同時に混合さ
れる点が極めて重要である。米国特許筒４．５５２，７
４８号のように触媒作用の遂行と混合を別の工程で行な
った場合には水素化反応はそれほど効率的には起こらな
いことが観察されている。

混合により、液相と触媒表面との間の熱および物質の移
動は、直線的で平行な流路からなるハニカム構造に比べ
て迅速なものとなる。また、静的混合装置は低い線速度
（たとえば、０．１〜１．５ｍ／ｓ）でも水素を操業溶
液中へ分散させるため、本発明による触媒を用いた場合
、反応器内の線速度を３ｍ／ｓ以下に下げることができ
る。このような速度では圧損失および触媒被覆の機械的
な摩損はわずかである。

本発明による静的混合装置における触媒活性は、長期間
にわたってほとんど変化しない。これは部分的には、流
れが比較的開放的（遮るものがない）であり、流れが流
路壁面を洗うため過度の不純物が触媒表面に付着するこ
とがないためである。さらに、液相がほとんど水を含ま
ず、気相が酸素を含まないことが金属の活性の維持に寄
与している。

反応器の長さは使用する混合装置の種類に依存する。静
的混合装置の流路が小さければ、混合装置の幾何学的な
表面積は大きくなり、この結果単位体積あたりにより多
くの触媒層を固定することができるが、同時に混合装置
内での力学的な圧損失が増大する。このようにして混合
装置流路の最適サイズが決定される。

本発明によれば、過酸化水素は活性金属の割合から計算
されるとおりの高収量で得られる。第一にこれは、すべ
ての触媒が反応システムの水素化反応が起こる部分に存
在していることによる。さらに薄層化した触媒は活性金
属の利用の面でも有利である。

本発明を類似の発明と比較した場合、本発明は物質と熱
の移動という点で有利な水素と操業溶液を混合する方法
であるという面がさらに重要である。すなわち、本発明
では、−様な反応環境がつくりだされるが、これは、水
素化反応の選択性および速度を有利なものにする。また
、薄い触媒層を使用することにより、水素化において活
性金属を有効に用いることができる。これはさらに反応
物と触媒との接触時間を短く保ち、副生物の量を減少さ
せる。

本発明による水素化方法は、還元における圧力条件を有
利な範囲に保ったまま工業的規模で実現することができ
る６反応器内圧は１〜１５バール、好ましくは２〜５バ
ールに維持する。操業溶液の温度は、たとえば小規模な
水素化では、反応器のジャケットを冷却することにより
４０〜６０℃という有利な温度範囲に維持する。

〔発明の具体的開示〕

以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する
。添付図面は本発明による水素化方法を図解的に記述し
たものである。

水素化工程には循環タンク１が含まれている。

水素化しようとする操業溶液１４はポンプ手段４により
前記タンクに供給する。操業溶液は管系８中のポンプ手
段３により水素化反応器２を通して循環タンク１に再循
環される。水素化反応器２は触媒材料で被覆された１以
上の静的混合装置９を備えている。また、水素化反応器
２は冷却ジャケット６を備えているが、もちろん冷却は
他の手段によって同様に行なってもよい。水素化しよう
とする操業溶液１４は、循環管系８内に直接供給しても
よい。水素は、水素化循環管系内に水素化反応器２より
もいくらか前の場所で管１２から導入する。

廃ガスは循環タンク１の上部に位置する管１１を通して
除去する。水素化された操業溶液は循環タンク１の下部
に接続する管１３を通して分離除去し、ポンプ５および
濾過器７を通して酸化工程に供給される。水素化反応の
転化率は水素１２の供給速度。

反応器内の圧および液体フロー８を調整することにより
影響を受ける。

実施例 操業溶液として１００ｇ／Ｑの２−二チルアントラキノ
ンを含むものを用いて、小規模のバッチ式の試験を行な
った。使用する溶媒は芳香族炭化水素と有機リン化合物
の混合物とした。触媒材料で被覆した長さ４０ｎｏｎの
静的混合装置１０基を、長さ約４００ｍｍ、径３９ｍｍ
の管状反応システムに組込んだ。この場合、反応混合物
は管の断面積から見て効果的に配分され、混合が行なわ
れると同時に触媒作用を受ける。

金属製の静的混合装置の表面には、多孔性γ酸化アルミ
ニウム担体の層約５０マイクロメートルを固定し、０．
５重量％のパラジウムを酸化アルミニウム層に吸収させ
ておいた。

操業溶液の流速は約２０００ｆｆ／ｈとした。これは０
．５ｍ／ｓの線速度に相当する。温度は５０℃とし、反
応器の初期圧力は４．０バールとした。

水素を反応器に５５Ｑ／ｈ　（ＮＴＰ）で供給したとこ
ろ、その一部のみが反応器内で消費された。反応器の過
酸化水素生成量は１時間あたり平均して５０ｋｇ／（ｋ
ｇパラジウム）であった。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による水素化方法を図解的に示した概念図
。 １・・・・・・循環タンク ２・・・・・・水素化反応器 ７・・・・・・濾過器 ９・・・・・・静的混合装置 特許出願人　　ケ　ミ　ラ　・　オ　イ代理人　弁理士
松井政広（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固体触媒の存在下にアントラキノン誘導体を水素化
   するために、水素または水素を含有するガス（１２）と
   アントラキノン誘導体の有機溶媒溶液である操業溶液（
   １４）とを反応混合物に供給し、該反応混合物を、連続
   したまたは複数の部分からなる概ね長方形の静的混合領
   域（２）に通して循環し、水素化された操業溶液（１３
   ）とガス（１１）を循環する反応混合物から除去するこ
   とからなるアントラキノン法による過酸化水素の製造方
   法であって：触媒で被覆された静的混合領域（２、９）
   を通して反応混合物（８）を循環することにより、反応
   混合物が触媒作用を受ける間、反応混合物を混合するこ
   とを特徴とする方法。 ２、請求項１に記載の方法であって、触媒で被覆された
   静的混合領域（２、９）における圧力が１〜１５バール
   （１×１０＾５〜１５×１０＾５Ｐａ）、温度が１００
   ℃以下に維持される方法。 ３、請求項１または２に記載の方法であって、触媒で被
   覆された静的混合領域（２、９）における圧力が２〜５
   バール（２×１０＾５〜５×１０＾５Ｐａ）に維持され
   る方法。 ４、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法であって
   、触媒で被覆された静的混合領域（２、９）における温
   度が４０〜６０℃に維持される方法。 ５、先行する請求項のいずれかに記載の方法であって、
   反応混合物（８）を、触媒で被覆された静的混合領域（
   ２、９）を０．１〜１．５ｍ／ｓの速度で循環する方法
   。 ６、水素または水素を含有するガス（１２）とアントラ
   キノン誘導体の有機溶媒溶液である操業溶液（１４）と
   含有する反応混合物を触媒を用いて水素化するための、
   １以上の部分からなる管状静的混合装置（９）であって
   、該混合装置（９）が固体触媒で被覆されているもの。 ７、請求項６に記載の静的混合装置であって、該混合装
   置が水素化触媒活性を有する金属が吸収された多孔性担
   体で被覆されているもの。 ８、請求項６に記載の静的混合装置であって、該被覆が
   最大で約３００μｍであるもの。 ９、請求項７に記載の静的混合装置であって、該被覆が
   最小で約５μｍであるもの。 １０、請求項７ないし〜９のいずれかに記載の静的混合
   装置であって、該多孔性担体が活性アルミナ、シリカ、
   ケイ酸塩および／または活性炭であるもの。 １１、請求項６ないし１０のいずれかに記載の静的混合
   装置であって、水素化触媒活性を有するパラジウム、プ
   ラチナ、ロジウムおよび／またはニッケルが混合装置（
   ９）に吸収されているもの。 １２、１以上の部分からなり、水素化触媒活性を有する
   金属が吸収された最大で約３００μｍの厚さの多孔性担
   体層で表面が被覆されている静的混合装置の、水素また
   は水素を含有するガスによるアントラキノン誘導体有機
   溶媒溶液の接触水素化のための使用。