Synthesis of ethylene oxide in a microreaction system

Abstract

Abstract. Since 1937 ethylene oxide has been produced by direct oxidation of ethylene over a supported silver catalyst and it has become a very important industrial product. Consequently, the synthesis of ethylene oxide has been the subject of a large number of scientific and industrial studies. These examinations of the ethylene oxidation have suggested that this process can be used for the comparison of potential microreactor systems to current industrial processes. Therefore, this reaction was chosen as a benchmark to evaluate the potential of a microstructured reactor in the synthesis of ethylene oxide. Here, a microreactor, designed and constructed by IMM, was used for the investigations. Silver foils (126 channels: length 9 mm, height 50 f-lm, width 500 f-lm) served as the catalytically active component. Most of the experiments worked at pressures between 5 and 15 bar in a temperature range of 500-570 K. In order to optimize the selectivity while still having a satisfying yield, the reactant gas composition was varied over a wide range. In this study it was found that the selectivities and conversions reached were comparable to those achieved in industrial processes and the selectivity was not strongly dependent on the oxygen concentration. Additionally, the possibility to run the reactor with gas compositions within the explosion limits for ethylene was demonstrated.

Chemie in Mikrostrukturreaktoren

“…[80,88] Es wurden auch zahlreiche Fluorierungen, [34,[89][90][91][92][93] Chlorierungen, [48] Nitrierungen, [32,36,[94][95][96][97] Hydrierungen [98][99][100][101] und Oxidationen [39,40,56,[102][103][104][105][106][107][108][109][110] beschrieben. Unter diesen Umsetzungen finden sich Additionen, [56,102,105,106,111] Eliminierungen, [74,99,[112][113][114][115][116] nucleophile Substitutionen an Aliphaten, [117] elektrophile Substitutionen an Arenen, [34,91,[94][95][96] Cycloadditionen …”

“…[3,4]). Auch großvolumige industrielle Verfahren wie der Andrussow-Prozess [118] und die Ethylenoxidsynthese [56,102,105,106,108] konnten im kleinen Maßstab durchgeführt werden.…”

“…[9,48,56,60,74,100,101,[105][106][107][204][205][206][207][208][209][210][211][212][213] Solche Stapel werden entweder unmittelbar von außen verschweißt (Abbildung 23), [48,204] mit einer Hülle umgeben (Abbildung 24), [9,100,101,205,206,212,213] mit Endplatten versehen, die fluidische Anschlüsse enthalten (Abbildung 25), [74,207,208] oder direkt in ein meist zweiteiliges Gehäuse eingelegt, das eine entsprechende Aussparung aufweist (Abbildung 26). [56,60,[209][210][211] Graphit-oder andere Dichtungen trennen gegebenenfalls einzelne fluidische Bereiche auf den Platten und isolieren die Platten untereinander.…”

“…Beispiele für Stapel-Mikrostrukturreaktoren in Gehäusen sind der Reaktor der Arbeitsgruppe um Schouten (Eindhoven) für die Ammoniakoxidation [60,214] und die Mikrostrukturreaktoren von Richter, Cominos et al (IMM) für die Ethylenoxidsynthese [56,105] und die Methanol-Dampfreformierung. [215,216] Schubert und Mitarbeiter (Karlsruhe) haben langjährige Erfahrung in der Fertigung von diffusionsgeschweißten Stapel-Mikrostrukturreaktor, die unbeschichtet auch als hervorragende Wärmeübertrager dienen können.…”

“…REM-Aufnahmen dokumentieren die (Mikro)Struktur der Katalysatoren. [56,105] Die Analyse von Querschnittsprofilen zeigt, dass die Dicke der Schichten häufig uneinheitlich ist (Abbildung 31). Besonders große Unterschiede der Schichtdicken findet man zwischen Kanalboden und halber Kanalhöhe.…”