利用微通道反应器制备过氧化氢的方法
【技术领域】
[0001]本发明是涉及过氧化氢的制备技术领域，具体涉及一种利用微通道反应器制备过氧化氢的方法。
【背景技术】
[0002]过氧化氢是一种常见氧化剂，由于其在反应过程中不产生污染环境的副产物，被公认为一种绿色清洁的化工产品，已经广泛应用于化工、纺织、造纸、食品、医疗等行业。目前过氧化氢工业生产的主流方法为蒽醌法(国外95%以上的产能、国内98%以上的产能)。其主要流程为:首先以适当的溶剂溶解蒽醌的衍生物形成工作液，在催化剂的存在下用氢将其中的蒽醌还原为氢蒽醌，后者在氧气或空气的存在下自动氧化成蒽醌并生成双氧水。用水萃取溶液中的过氧化氢经分离得双氧水水溶液，进一步精制浓缩得各种浓度的产品，萃取后的余液经处理后回到氢化阶段循环使用。蒽醌法技术成熟，反应过程中不存在氧气和氢气的直接接触，比较安全，然而其工艺流程比较复杂，装置投资大，耗能多，所使用的有机溶剂体系毒性大，对环境污染严重。由于蒽醌法生产工艺仅在生产规模较大(年产4万吨以上)时盈利，需要在集中生产之后将成品运输至需求处，过氧化氢在运输过程中的安全风险和额外成本也是此类生产工艺的缺陷之一。
[0003]由氢气和氧气直接化合生产过氧化氢，是一种理想的原子经济、绿色环保的生产方法。此方法自1914年由Henkel和Weber提出之后就受到了人们的广泛关注，然而受限于技术方面的因素，迄今未能实现工业化生产。首先，在氢气被氧化为过氧化氢的同时，氢氧化合生成水、过氧化氢分解以及过氧化氢氢化等副反应也会伴随发生，且均为热力学有利，反应的选择性不高。其次，由于氢气的爆炸极限范围宽(氧气中4%-94%，空气中4% -74% )，工艺过程易发生燃爆，危险系数大。Dupont公司曾尝试在10%氢气气氛下直接合成过氧化氢，但因爆炸事故频发，不得不关闭了一套中试装置。如在氢气爆炸下限以下浓度合成过氧化氢，过低的产率又需要繁复的分离和浓缩步骤，增加生产成本，经济上不可行。
[0004]微流体控制技术是指微米或纳米尺度的低维通道结构中，控制体积为皮升或纳升的液体进行流动并传质传热的技术。微流体反应器的反应尺度小，比表面积大，传质传热迅速彻底，可以精确控制反应过程和条件，在化工合成、生物检测领域已有应用，然而关于直接化合法制备过氧化氢方面却未见报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种利用微通道反应器制备过氧化氢的方法，氢氧直接化合法在微反应器上的实现，从本质安全的角度解决了其燃爆危险高的问题，并通过微结构的设计提高反应转化率和选择性。
[0006]其技术解决方案包括:
[0007]一种利用微通道反应器制备过氧化氢的方法，所述的微通道反应器包括混合区、反应区和出料区，所述混合区和反应区在微通道芯片上实现，所述微通道芯片上包括若干个阵列的微通道，所述微通道包括用于气体进料的侧通道和用于液相载体通过的主通道，所述出料区的尾部连接有收集罐，所述方法依次包括以下步骤:
[0008]a、通过气体源将原料气氢气、氧气分别通入所述侧通道中，向所述主通道内输入液相载体，氢气和氧气通过扩散作用迅速混合；
[0009]b、在所述芯片单元上加载催化剂，混合后的氢气、氧气沿主通道前进与催化剂混合，并在一定的温度下反应；
[0010]C、反应完成后，反应产物由液相载体带出进入收集罐中，气相在收集罐中稀释后排出或进入反应体系循环利用。
[0011]作为本发明的一个优选方案，述侧通道的前半部分为弯曲段，后半部分为平直段，所述弯曲段用于促进原料气混合。
[0012]作为本发明的另一个优选方案，步骤a中，所述气体源将原料气依次通过减压阀、气体流量计后通入侧通道中。
[0013]优选的，步骤b中，催化剂通过涂覆法或填充法加载在微通道芯片上。
[0014]优选的，步骤b中，通过向主通道内加入粹灭剂来控制原料气的停留时间。
[0015]优选的，步骤a中，液相载体为水、酸性溶液或含有卤族离子的酸溶液。
[0016]优选的，步骤b中，催化剂为担载于Al203、Ti02、Zr02或活性炭载体上的Pd、Au、Pt或Ag的贵金属或其合金。
[0017]本发明所带来的有益技术效果:
[0018]本发明提供了一种安全、绿色、便捷地合成过氧化氢的新方法。与现有技术相比，本发明利用微通道反应器来制备过氧化氢，由于微通道反应器尺寸小，比表面积大，反应生成的自由基在与管壁的不断碰撞中被猝灭，火焰难以传播，即使氢氧混合后发生了爆炸，由于涉及物料量少，爆炸释放的能量少，对周围环境和人员造成的损伤也较小，能够极大地降低氢氧化合过程的风险。因此，在微通道反应器内反应时氢气和氧气的浓度不再受爆炸极限的限制，直接提高了反应速度，又避免了为了提高氢气浓度而采用高压条件，是一种本质安全化的新技术。此外，由于微反应器单元轻小易携，产量灵活可调，可将反应器直接安装到需求处，消除了高浓度过氧化氢在运输过程中的风险。
[0019]本发明中氢氧直接化合法在微反应器上的实现，从本质安全的角度解决了其燃爆危险高的问题，并通过微结构的设计提高反应转化率和选择性。
【附图说明】
[0020]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0021]图1为本发明制备方法所采用的装置结构示意图；
[0022]图2为芯片单元上气相预混后与液相载体接触形成气泡示意图；
[0023]图3为芯片单元上气相与液相载体接触形成气泡后混合的示意图；
[0024]图4为具有表面微结构的主管道的结构示意图；
[0025]图5为收集罐与微通道反应器的部分连接关系示意图；
[0026]图中，1、微通道反应器，2、储氢罐，2a、氢气，3、储氧罐，3a、氧气，4、液相载体，5、收集罐，6、猝灭剂，7、微通道内反应区。
【具体实施方式】
[0027]本发明公开了一种利用微通道反应器制备过氧化氢的方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
[0028]如图1所示，本发明过氧化氢的制备在微通道反应器I内反应，微通道反应器的结构与现有技术大体类似，其是由几组芯片单元叠加而成的，在每组芯片单元上有若干个通道，通道内供原料气和液相载体通过，在芯片单元上微通道反应区7内加载有催化剂，氢氧直接化合反应在此发生。
[0029]与微通道反应器配合使用的有储氢罐2、储氧罐3和收集罐5，储氢罐、储氧罐分别与微通道反应器的进料通道连通，在连通的管道上设置有减压阀和气体流量计，用于监控原料气的流量，收集罐5用于将反应产物中的气体稀释排空或者回收至反应体系利用，本发明选用惰性气体稀释。
[0030]催化剂的选择及加载方式:氢氧直接化合一般采用Pd、Au、Pt或Ag催化剂，常见催化剂载体为A1203、Ti02、ZrO2或活性炭，可以采用的担载方法一般为但不局限于涂层法和填充法；涂层法一般适用于较小内径的微通道，将催化剂(及载体)以悬浮液的形式引入通道内，经干燥脱水等过程形成包覆通道内表面的催化剂涂层；填充法一般适用于较大内径的微通道，是一种将催化剂(及载体)担载在可移动式填充物表面(如玻璃珠)，后将此填充物填充满微通道的作法。
[0031]芯片单元:芯片需要实现的功能为氢气与氧气的均匀混合，在载体相带动作用下或压力推动下通过微通道反应区7内的催化剂层，产物最终流出芯片。当使