Advances in the slurry reactor technology of the anthraquinone process for H₂O₂ production

Abstract

This paper overviews the development of the anthraquinone auto-oxidation (AO) process for the production of hydrogen peroxide in China and abroad. The characteristics and differences between the fixed-bed and fluidized-bed reactors for the AO process are presented. The detailed comparison indicates that the production of hydrogen peroxide with the fluidized-bed reactor has many advantages, such as lower operation cost and catalyst consumption, less anthraquinone degradation, higher catalyst utilization efficiency, and higher hydrogenation efficiency. The key characters of the production technology of hydrogen peroxide based on the fluidized-bed reactor developed by the Research Institute of Petroleum Processing, Sinopec are also disclosed. It is apparent that substituting the fluidized-bed reactor for the fixed-bed reactor is a major direction of breakthrough for the production technology of hydrogen peroxide in China.

Graphical abstract

Keywords

anthraquinone process / fixed-bed reactor / slurry-bed reactor / hydrogen peroxide

References

[1] Jose M C M,  Gema B B,  Jose L G F. Hydrogen peroxide synthesis: An outlook beyond the anthraquinone process. Angewandte Chemie International Edition, 2006, 45: 6962–6984

[2] Rosaria C, Lorenzo  A, Francesco M,  Mario P. Hydrogen peroxide: A key chemical for today’s sustainable development. ChemSusChem, 2016, 9: 1–9

[3] Pan Z, Gao  G, Yang K,  Zong B H. H₂O₂ production technology with slurry reactor. Scientia Sinica Chimica, 2015, 45(5): 541–546 (in Chinese)

[4] Roberts H C. Production of hydrogen peroxide by the partial oxidation of alcohols. US Patent, 2479111, 1949-08-16

[5] Rust F F. Verfahren zur herstellung von wasserstoffperoxyd. DE Patent, 935303, 1955-11-17

[6] Foller P C, Bombard  R T. Processes for the production of mixtures of caustic soda and hydrogen-peroxide via the reduction of oxygen. Journal of Applied Electrochemistry, 1995, 25(7): 613–627

[7] Chen A, Zhu  Q, Zhao Y,  Tastumi Y,  Iyoda T. Novel catalysts of Au/SiO₂ hybrid nanorod arrays for the direct formation of hydrogen peroxide. Particle & Particle Systems Characterization, 2013, 30(6): 489–493

[8] Edwards J K, Solsona  B E, Landon  P, Carley A F,  Herzing A,  Kiely C J,  Hutchings G J. Direct synthesis of hydrogen peroxide from H₂ and O₂ using TiO₂-supported Au-Pd catalysts. Journal of Catalysis, 2005, 236: 69–79

[9] Pashkova A, Dittmeyer  R, Kaltenborn N. Experimental study of porous tubular catalytic membranes for direct synthesis of hydrogen peroxide. Chemical Engineering Journal, 2010, 165(3): 924–933

[10] Paparatto G, D’Aloisio  R. Catalyst and process for the direct synthesis of hydrogen peroxide. US Patent, 6630118, 2003-10-7 

[11] Paparatto G, D’Aloisio  R. Catalyst and process for the direct synthesis of hydrogen peroxide. US Patent, 7122501, 2006-10-17 

[12] Gabriele C, Roland  D, Siglinda P,  Martin R. Tubular inorganic catalytic membrane reactors: Advantages and performance in multiphase hydrogenation reactions. Catalysis Today, 2003, 79-80: 139–149

[13] Zudin V V, Likholobov  V A, Yermakov  Y I. Catalytic synthesis of hydrogen peroxide from oxygen and water in the presence of carbon monoxide and phosphine complexes of palladium. Kinetics and Catalysis, 1979, 20: 1559–1600

[14] Goor G, Kunkel  W, Weiberg O. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH, 1989, 443–466

[15] Kirchner J R. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. New York: Wiley, 1979, 12–38

[16] Ren M, Mao  M, Duan X,  Song Q. Hydrogen peroxide synthesis by direct photoreduction of 2-ethylanthraquinone in aerated solutions. Journal of Photochemistry and Photobiology A Chemistry, 2011, 217: 164–168

[17] Chen Q. Development of an anthraquinone process for the production of hydrogen peroxide in a trickle bed reactor—from bench scale to industrial scale. Chemical Engineering and Processing, 2008, 47: 787–792

[18] Chen Q. Toward cleaner production of hydrogen peroxide in China. Journal of Cleaner Production, 2006, 14: 708–712

[19] Chen Q. Booming hydrogen peroxide industry in China. China Chemical Reporter, 2006, 17(12): 19–20

[20] Yang X, Qing  G, Fu Q,  Fang X. Optimization and reforming for hydrogen peroxide production unit by anthraquinone method.  Inorganic Chemicals Industry, 2013, 45(11): 35–49 (in Chinese)

[21] Tan J, Luo  G. Hydrogenation method for production of hydrogen peroxide by anthraquinone process.  CN Patent, 102009960A, 2011-04-13

[22] Tan J, Luo  G. Oxidation method for preparing hydrogen peroxide by anthraquinone method. CN Patent, 102009961A, 2011-04-13

[23] Kou Z, Zhu  A, Su G,  Fang X, Guo  J. Application research of tetrabutyl urea in hydrogen peroxide preparation by anthraquinone process.  Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2005, 3(5): 21–25 (in Chinese)

[24] Liu H, Fang  X, Jia L,  Liu Q. Improvement of working solution for H₂O₂ production by anthraquinone method. Acta Petrolei Sinica, 2015, 31(1): 72–77 (Petroleum Processing Section) (in Chinese)

[25] Qiao Y, Wan  S. Comparison of traditional process and all-acid process of hydrogen peroxide production by anthraquinone method.  Contemporary Chemical Industry, 2016, 45(1): 185–188 (in Chinese) 

[26] Jiang H, Ma  J. Characteristic research on new-style working solution hydrogenation reactor in hydrogen peroxide plant by anthraquinone process.  Chemical Engineering Design Communications, 2015, 41(1): 82–84 (in Chinese) 

[27] Jia X, Yang  Y, Liu G,  Pan Z, Tong  J. Measurement of the solubilities of 2-ethylanthraquinone and 2-amylanthraquinone in TMB/DIBC mixed solvents and their correlation with thermodynamic equations.  Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2014, 28(6): 1183–1189 (in Chinese) 

[28] Drelinkiewicz A, Pukkinen  A, Kangas R,  Laitinen R. Hydrogenation of 2-ethylanthraquinone over Pd-SiO₂ and Pd-Al₂O₃ in the fixed-bed reactor. The effect of the type of support. Catalysis Letters, 2004, 94: 157–170

[29] Kunkel W, Kwmnade  J. Continuous process for the production of hydrogen peroxide according to the anthraquinone process. US Patent, 4428923, 1984-01-31

[30] Boettcher A, Henkelmann  J. Verfahren zur suspensionshydrierung einer anthrachinon-verbindung in einem speziellen reaktor zur herstellung von wasserstoffperoxid. DE Patent, 19808385, 1999-09-029

[31] Wang W, Pan  Z, Li W,  Zheng B,  Zong B. Recent advances in development of the fluidized bed and fixed bed in the anthraquinone route.  Chemical Industry and Engineering Progress, 2016, 35(6): 1766–1773 (in Chinese) 

[32] Hu C, Su  G. Hydrogenation process of hydrogen peroxide fluidized bed by anthraquinone. CN Patent, 1817838A, 2006-08-16 

[33] Meng X, Chen  X. Method for hydrogenizing alkyl anthraquinone. CN Patent, 1616345A, 2005-05-18

[34] Liu B, Qiao  M, Deng J,  Fan K, Zhang  X, Zong B. Skeletal Ni catalyst prepared from a rapidly quenched Ni-Al alloy and its high selectivity in 2-ethylanthraquinone hydrogenation.  Journal of Catalysis, 2001, 204: 512–515

[35] Hu H, Wang  Y, Qiao M,  Fan K, Zong  B, Zhang X,  Li H. Effect of Mo on the structure and catalytic behavior of the rapidly quenched skeletal Ni–Mo catalysts.  Acta Chimica Sinica, 2004, 64(14): 1281–1286 (in Chinese)

[36] Hu H, Xie  F, Pei Y,  Qiao M, Yan  S, He H,  Fan K, Li  H, Zong B,  Zhang X. Skeletal Ni catalysts prepared from Ni-Al alloys rapidly quenched at different rates: Texture, structure and catalytic performance in chemoselective hydrogenation of 2-ethylanthraquinone. Journal of Catalysis, 2006, 237(1): 143–151

[37] Meng X, Chen  X. Process for hydrogenation of alkyl anthraquinone by using maqnetically stabilized bed. CN Patent, 1690035A, 2005-11-02

[38] Meng X, Lu  L. Precious metal carrying hydrogenation catalyst. CN Patent, 1541766A, 2004-11-03

[39] Peng M, Guo  J. Hydrogenation method for producing hydrogen peroxide and device adopting hydrogenation method. CN Patent, 104150447A, 2014-11-19 

Acknowledgments

This project is supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0301600).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany