專利名稱:一種氫氟鹵烴和氫氟烴的氣相催化生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種氫氟鹵烴和氫氟烴的生產(chǎn)方法,即在加熱和氟化催化劑存在下,將多鹵烯烴或烷烴與氟化氫進行氣相反應(yīng)生產(chǎn)氫氟鹵烴或氫氟烴的生產(chǎn)方法。
由于氟里昂能破壞臭氧層,因此,人類已限制這類物質(zhì)的生產(chǎn)和應(yīng)用,所以,氟里昂代用品的開發(fā)研究已成為一項世人矚目的課題。CFC12的應(yīng)用面廣量大,已深入國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域,CFC12的限制,將給各國經(jīng)濟帶來巨大的損失,因此CFCs類代用品的開發(fā)中CFC12代用品的開發(fā)尤為重要。
經(jīng)過長期的探索,目前各國基本上得到一個共識,氫氯氟烴(HCFC)和氫氟烴(HFC)是較滿意的代用品,如HFC23、HFC134、FC14等,特別是HFC134a的熱物性質(zhì)與CFC12極為相似,其分子式為CF3CH2F,即1,1,1,2-四氟乙烷。分子量102,沸點-26.2℃,液體密度1.2g/ml,在室溫之下是無色、無味、無毒之氣體,對臭氧破壞潛值(ODP值)為0,對大氣溫室效應(yīng)貢獻也很小(GWP值<0.1)。因此尋找HFC134a的合成方法,特別是能適用于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的合理工藝,是解決CFC12代用品的關(guān)鍵。
事實上,早在1959年美國Dow化學公司以CClH=CCl2(TCE)和HF為原料在CrF6存在下,經(jīng)高溫反應(yīng)就已合成了HFC134a,但產(chǎn)率僅有3%,大部分是HCFC133a(CF3CH2Cl)。進入六十年代,日本專利用電化學氟化的方法,以乙烯(CH2=CH2)為原料,電介合成得HFC134a,產(chǎn)率7.8%,到七十年代,英、美、蘇、日等,大力加強了工業(yè)化開發(fā)研究,經(jīng)過近十多年的努力,花費了大量的資金,使工業(yè)化生產(chǎn)有了較大的進展,在這些工業(yè)化開發(fā)研究中,主要考慮到下列兩點要求。
1.應(yīng)以最廉價的原料出發(fā)以降低生產(chǎn)成本。
2.適于大規(guī)模生產(chǎn)的合理工藝流程。
作為氟的來源,HF,KF是最廉價的原料,除此之外,任何其它氟化劑作為氟的來源,在成本上都是不利的。而另一主要原料應(yīng)以乙烯、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、三氯乙烷等為主,當然也可以用上述原料與HF反應(yīng)后產(chǎn)生的一些氟代烴中間體為原料,如HCFC133a,F(xiàn)114,F(xiàn)113,F(xiàn)124a……等等。通常HFC134a的工業(yè)化合成路線較為成熟的有高壓液相法和常壓氣相法兩種。液相法具有產(chǎn)物較純、付反應(yīng)少、易于分離純化的優(yōu)點,但反應(yīng)壓力,溫度偏高,設(shè)備復(fù)雜(耐壓)而且不易于實現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。氣相法系在常壓進行的管道式反應(yīng),設(shè)備簡單,易于連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn),但催化劑的使用壽命是實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵,此外反應(yīng)的產(chǎn)物較復(fù)雜不易得到高純度的產(chǎn)品,是它主要的缺點。為此駱昌平等人曾發(fā)明了一種氫氟鹵烴和氫氟烴的氣相催化生產(chǎn)方法(CN93112531.6)。故HFC134a的工業(yè)化開發(fā)研究是世界各國當今熱門的課題。
本發(fā)明方法是一種氫氟鹵烴和氫氟烴的生產(chǎn)方法,是在自己工作基礎(chǔ)上的一種發(fā)展,主要是將多鹵烯烴或烷烴在加熱和氟化催化劑存在下,與氟化氫進行氣相氟化催化反應(yīng)生產(chǎn)氟鹵烴和氫氟烴的方法。所述的多鹵烯烴或氟鹵烴是具有HwCnFyXz的分子式,所述的氫鹵烴和氫氟烴是具有HwCnFgXz的分子式,其中z=Cl、Br、I,n=1、2或3,w≥1,y=0-2n,z=1-2n,g=1-2n+1,w+y(或g)+z=2-8。更適用n=2或3,w+y(或g)+z=4-8的分子。
多鹵的烯烴或烷烴中鹵素易被氟置換的易難程度為Cl<Br<I。所以氟氯烴和含氯的烯烴更難地被氟取代,選擇合適的氟化催化劑是關(guān)鍵。本發(fā)明方法完全適合于氟氯烴和含氯的烯烴中氯被氟取代,所以,尤其適合于氣相常壓法生產(chǎn)HCFC133a、HFC134a、HFC134、FC14、HFC23等并可進行氣相連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)。
具體地說,本發(fā)明方法采用一種低溫高效的氣相氟化催化劑,是由鋁、鉻、銦或鎵和鉍、鈹、鎂或鈣的四種金屬元素重量比為30-70,20-70,1-10和1-20的無機混合物組成,所述的無機混合物是上述金屬元素的氟化物,鋁和鉻的化合物是主催化劑,但銦或鎵和鉍、鈹、鎂或鈣二種元素也是必不可少的,銦或鎵是助催化劑,鉍、鈹、鎂或鈣的作用主要是防止烯烴原料的聚合,特別是在以氯化烯烴為原料時能有效地防止聚合的發(fā)生。其中銦或鎵和鉍、鈹、鎂或鈣的二種元素重量比應(yīng)不低于催化劑中上述金屬元素總重量的1%。采用上述催化劑還可以含有少量的氟氧化物、氧化物或氫氧化物,這時含氟量(重量比)可以是20-45%,但以30-40%為好。
本發(fā)明中采用的催化劑的形態(tài)對反應(yīng)沒有影響,可以是粉狀、粒狀、片劑或圓柱形的,也可吸附于載體上,如分子篩、活性炭等,以使其具有更大的催化表面。
本發(fā)明的方法是氫氟鹵烴和氫氟烴的生產(chǎn)方法,在100-350℃下,將多鹵的烯烴或烷烴通過氟化催化劑,即可獲得氫氟鹵烴和氫氟烴,多鹵的烯烴或烷烴與氟化氫的重量比是1∶0.5-20,更多的氟化氫也是對反應(yīng)和提高轉(zhuǎn)化率是有利的,但要增加氟化氫的回收裝置的容量和能量。最佳流量比是1∶1-8。
本發(fā)明方法中,反應(yīng)溫度、多鹵的烯烴或烷烴與氟化氫的比例,可視反應(yīng)的易難程度而選擇,通常轉(zhuǎn)化率隨溫度遞增而遞增,選擇性隨著溫度遞增而略有下降。即可以提高反應(yīng)溫度達到高轉(zhuǎn)化率,而要獲純的產(chǎn)物,就必須選擇適當?shù)姆磻?yīng)溫度。如用TCE與氟化氫反應(yīng)生產(chǎn)HCFC133a,兩者流量比為1∶1-5時,TCE的轉(zhuǎn)化率、選擇性與溫度關(guān)系如
圖1所示,其中縱座標為轉(zhuǎn)化率或選擇性,橫座標為反應(yīng)溫度,“○”為轉(zhuǎn)化率,“×”為HCFC133a選擇性,“●”為HFC134a的選擇性,從圖可知,選擇反應(yīng)溫度為140-240℃時為好。若用HCFC133a進一步與氟化氫反應(yīng)生產(chǎn)HFC134a時,一般總是采用HF過量,HF過量不僅可提高被氟化物質(zhì)HCFC133a的平均轉(zhuǎn)化率和加快反應(yīng)速度,而且還有利于導(dǎo)出反應(yīng)熱和延長催化劑的壽命,還能提高選擇性。但是,HF過量太多,一方面使產(chǎn)物由于HF量太多,造成反應(yīng)器中氣流速率太快,停留時間縮短,導(dǎo)致HFC-133a轉(zhuǎn)化率降低,但HFC134a選擇性是很高的。如果HF過量很少,則反應(yīng)器中的氣流速率太慢,停留時間延長,反應(yīng)熱帶不出來,反應(yīng)結(jié)果使HCFC133a的轉(zhuǎn)化率升高,但同時也產(chǎn)生了副產(chǎn)物,有利于生成HCFC124a和F1122的副反應(yīng)。適宜的原料配比一般為HCFC133a∶HF1∶3-8(重量比)。轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度如圖2所示,F(xiàn)134a的選擇性與反應(yīng)溫度關(guān)系示于圖3。溫度升高HCFC133a的轉(zhuǎn)化率明顯增加,而反應(yīng)溫度對HFC134a的選擇性沒有太大的影響,一般可在89-97%之間,以上說明催化劑對HFC134a的選擇是很高的。隨著反應(yīng)溫度增加,對F125、HCFC124a而言略有增加,而對F1122而言則反而減少,這對純化過程是極為有利的。推薦反應(yīng)溫度為200-300℃,產(chǎn)品中雜質(zhì)含量可控制在<5%,可減輕純化工段的麻煩。面對n=1的鹵代烴,反應(yīng)溫度可適應(yīng)降低為100-150℃。
本發(fā)明的方法中,氣相催化反應(yīng)能在極快時間完成。物料與催化劑的接觸時間越長越有利于反應(yīng)的完全,接觸時間過短,反應(yīng)也能進行,但不完全,轉(zhuǎn)化率低,所以反應(yīng)原料與催化劑的接觸時間應(yīng)≥0.5秒。但過長時間從反應(yīng)的完全性看是沒有必要的,反而要減少設(shè)備利用率和產(chǎn)量,通常0.5-50秒已能滿足反應(yīng)要求,推薦接觸時間是2-20秒。
本發(fā)明以來源廣泛的氟化氫和三氯乙烯為其中原料,可以通過氣相氟化催化作用,首先合成中間體HCFC133a,然后通過類似的另一套設(shè)備只要相應(yīng)地提高催化塔的溫度和調(diào)整HF與HCFC133a的原料比,即可順利地合成氟利昂代用品HCF134a,總轉(zhuǎn)化率,選擇性均很理想。
在合成HCFC133a時,選擇合適條件,三氯乙烯平均轉(zhuǎn)化率>85%,HCFC133a的選擇性>90%。合成HFC134a時,應(yīng)選擇合適的轉(zhuǎn)化率,如40-60%時,HFC134a的選擇性可達≥90%,進一步提高轉(zhuǎn)化率會降低F134a的選擇性。
采用本發(fā)明的方法生產(chǎn)所得HCFC133a、HFC134a或其它的氫氟鹵烴及氫氟烴,由于產(chǎn)品較純,可以用常規(guī)方法進行分離純化,如用分餾法,可將本發(fā)明的一步法制得的HFC134a提純至含量>99.5%。分離出來的原料可以循環(huán)使用。
本發(fā)明的方法還可適用于其它低沸點的氫氟氯烴及氫氟烴的生產(chǎn)。尤其適合于HFC134a的生產(chǎn),不僅反應(yīng)溫度低,如在常壓下小于300℃反應(yīng),無需特殊設(shè)備,而且催化劑使用壽命長、轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)雜質(zhì)總含量低、產(chǎn)品純度高,易于進一步分離純化,可直接進行分餾處理。此外,生產(chǎn)設(shè)備與CFC12生產(chǎn)設(shè)備相似,對原生產(chǎn)CFC12的舊有設(shè)備利用率可達80%以上,易將原有設(shè)備改造成HFC134a的生產(chǎn)線,可減少新工藝的設(shè)備投資。
通過下述實施例將有助于進一步理解本發(fā)明,而不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
實施例1將含有鉻、鋁、銦和鉍金屬元素的重量比為30-70,20-70,1-10和1-20的上述元素的氧化物,磨細,混合,逐步升溫至400℃,通入氫氣2-5小時,隨后通入無水HF1-5小時,得氟化催化劑。
將1公斤催化劑裝入反應(yīng)管內(nèi),反應(yīng)溫度為150-170℃,通入三氯乙烯和無水HF的重量比為1∶4的混合氣體,出口氣體經(jīng)冷卻、水洗、干燥并收集于冷阱內(nèi),混合氣體與催化劑接觸時間20秒,從冷阱中獲得F133a,選擇性>85%,轉(zhuǎn)化率>80%。
實施例2將鉻、鋁、銦和鉍的氯化物,按含金屬元素重量比30-70∶20-70∶1-10和1-20的比例混合,用水溶解,用5-20%NH4OH水溶液滴加,至灰白色氫氧化物沉淀,過濾,用石油醚洗滌,真空干燥,干燥溫度50-120℃,時間3小時,放入爐內(nèi)加熱,100℃時干燥2小時,逐步升溫至350℃,并保持10小時,逐漸連續(xù)通入無水氟化氫0.5-20倍量,即得氟化催化劑,含氟量為30-42%。上述催化劑中可以含有上述金屬的氟氧化物0-20%,氫氧化物0-10%或氧化物0-20%。
在反應(yīng)管內(nèi)置有0.5Kg上述催化劑,反應(yīng)溫度為150-200℃時,通入三氯乙烯和無水HF重量比為1∶3的混合氣體,通過冷卻器回收三氯乙烯,出口氣體再經(jīng)冷卻、水洗、干燥、收集于冷阱內(nèi),物料與催化劑接觸時間為2-20秒,從冷阱中得到HCFC133a。回收三氯乙烯和HF經(jīng)補充物料和調(diào)整比例后循環(huán)使用,經(jīng)2000小時運轉(zhuǎn),F(xiàn)133a的產(chǎn)率為91%,轉(zhuǎn)化率≥87%。
實施例3將100g氯化鉻,60g氯化鋁,5g氯化鉍,15g氯化銦混合后,以稀鹽酸或水溶解,用稀堿溶液調(diào)節(jié)PH使之沉淀,過濾,用有機溶劑洗滌,經(jīng)100℃干燥1小時,300-400℃焙燒10小時,通入HF10小時,通入HF量為催化劑重量的8倍,經(jīng)6噸的壓機壓制成片劑。
在φ46×1200mm的鎳管內(nèi),裝上述催化劑1200g,有效高度1000mm,管外用管式電爐加熱。用工業(yè)級的三氯乙烯和HF,在常壓和150-200℃溫度下,平均進料速度為每小時500-800g混合料,氫氟酸與三氯乙烯重量比為3-20∶1。反應(yīng)器出口逸出的氣體產(chǎn)物經(jīng)冷卻、水洗、干燥,并收集于干冰-乙醇的冷阱內(nèi),即為HCFC133a粗產(chǎn)物。未反應(yīng)的三氯乙烯,經(jīng)冷卻、水洗塔則被回收在槽內(nèi)循環(huán)使用,經(jīng)過1000小時連續(xù)運轉(zhuǎn),產(chǎn)物經(jīng)色譜分析HCFC6133a含量85%,HFC134a含量<2.4%,F(xiàn)124a含量<3%,還有少量其它雜質(zhì)。
實施例4采用含鉻、鋁、鉍和銦的元素重量比為50∶30∶1和2的氟化物的催化劑,其含氟量為40%。同實施例3條件下結(jié)果如下表所示
實施例5如實施例3條件下,混合氣體流速加大將影響接觸時間,使反應(yīng)未完全,因此轉(zhuǎn)化率,選擇性均明顯降低。TCE流速對TCE轉(zhuǎn)化率的影響如下表所示,反應(yīng)溫度160℃。
實施例6將含有鉻、鋁、鉍或鈹和銦或鎵的元素重量比為100∶40∶2和10的氟化催化劑,含氟量為37%。將其用6噸壓機壓制成φ6mm×6mm的片狀物,其堆積密度0.90g/cm3,比表面2-3m2/g,機械強度>5Kg/cm2。
將1.2Kg上述催化劑裝入φ46×1200mm鎳管中,有效高度約1000mm,將實施例3所獲的HCFC133a與HF以重量比為3-8∶1的比例混合氣體,每小時進料速度為500-800g進入反應(yīng)管,由出口逸出的反應(yīng)氣體經(jīng)冷卻、水洗、干燥后用干冰-乙醇收集于冷阱內(nèi),用氣體氣譜分析收集得的產(chǎn)物組成。
只改變反應(yīng)溫度,結(jié)果如下表所示反應(yīng)器溫產(chǎn)物 度±10 250 190 250270290300 310350含量%℃F125a極少極少1.31.733.725.847.9712.17F134a極少極少40.645.951.653.653.852.6F112a極少極少0.50.30.120.080.080.08F124a極少極少1.21.82.443.014.515.14F133a少少57.550.242.037.4633.6430F133a轉(zhuǎn)化率223542.449.257.462.563.470F134a選擇性96.489.490.695.994.693.690.5 92.6溫度對F134a選擇性的影響不大,隨著溫度遞增F133a轉(zhuǎn)化率遞增,但雜質(zhì)稍有增加。
實施例7將含有鉻、鋁、銦和鉍或鎂的元素重量比為50∶80∶5和1-10氟化物的氟化催化劑,含氟量為30-40%。在φ24×800mm和φ60×1200mm的鎳制管中,分別各裝入上述氟化催化劑的0.6Kg和1Kg。
將工業(yè)HF工業(yè)TCE(重量比)1.5-2.5∶1的混合氣體,以100-150g/h的TCE進料速度通入,反應(yīng)器溫度為150-180℃,第一根反應(yīng)管,出口的氣體經(jīng)冷卻塔回收TCE,再循環(huán)使用,其余氣體經(jīng)除氯化氫后再不斷加入HF,使HF∶HCFC133a(重量比)為3-7∶1,連續(xù)不斷通入第二根鎳制反應(yīng)管中,反應(yīng)溫度250-280℃,產(chǎn)物經(jīng)冷卻、水洗、干燥和收集于冷阱內(nèi)。經(jīng)2400小時連續(xù)運轉(zhuǎn),共得粗產(chǎn)物269Kg。經(jīng)色譜分析表明中間體中HCFC133a含量55%,HFC134a含量44.5%,其它<0.52%。HCFC133a的轉(zhuǎn)化率42±3%,HFC134a選擇性90-98.8%,烯烴雜質(zhì)含量<0.2%。
實施例8采用實施例2催化劑,用CH3CHCl2和HF重量比為1∶1-2時的混合氣體導(dǎo)入裝有1Kg催化劑的φ46×1200mm的反應(yīng)管中,每小時通入CH3CHCl2為100-200g,反應(yīng)溫度為200±30℃,出口氣體經(jīng)水洗滌、干燥、冷卻、收集于冷阱中,分析產(chǎn)物,轉(zhuǎn)化率為≥98%,所得主產(chǎn)物為CH3CHClF和CH3CHF2混合物。
實施例9采用實施例6的催化劑,以CCl4,CHCl3,CCl2=CH2,及CH3-CCl3,代替CH3CHCl2,其它條件同例8,結(jié)果如下原料反應(yīng)溫度產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率選擇性CCl4100-150 CF4~100% ~100%CCl3H 100-150 CF3~100% ≥98%CCl2-CH2250-300 CF3-CH3>85% ~90%CH3-CCl3250-300 CF3-CH395% ~80~85%
實施例10按實施例6合成的催化劑,但以氯化鈣代替例中的氯化鈹,其它條件同實施例3,結(jié)果三氯乙烯轉(zhuǎn)化率為30%,而選擇性40%。由HCFC133a合成HFC134a中,其HCFC133a轉(zhuǎn)化率30%,選擇性37%。
權(quán)利要求
1.一種從分子式為HwCnFyXz的多鹵烯烴或烷烴與氫氟酸在加熱和氟化催化劑存在下,氣相法生產(chǎn)分子式為HwCnFgXz的氫氟鹵烴或氫氟烴的方法,其中X=Cl、Br或I,n=1-3,w≥1,y=0-2n,z=1-2n,g=1-2n+1,w+y(或g)+z=2-8,其特征是所述的氟化催化劑是由鋁、鉻、銦或鎵和下列元素中一種鉍、鈹、鎂或鈣的四種金屬元素重量比為30-70,20-70,1-10和1-20的氟化物,其中銦或鎵和鉍、鈹、鎂或鈣二種元素的含量大于四種金屬元素總重量的1%。
2.一種如權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)方法,其特征是所述的氟化催化劑中還含有上述金屬元素的少量氟氧化物、氧化物或氫氧化物,催化劑中含氟量是20-45%,推薦為30-40%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的生產(chǎn)方法,其特征是反應(yīng)溫度是100-350℃。
4.如權(quán)利要求1或2所述的生產(chǎn)方法,其特征是所述的多鹵烯烴或烷烴與氟化氫的重量流量比是1∶0.5-20,推薦為1∶1-8。
5.如權(quán)利要求1或2所述的生產(chǎn)方法,其特征是所述的多鹵烯烴是三氯乙烯,所述的氫氟鹵烴是2-氯-1,1,1-三氟乙烷。
6.如權(quán)利要求5所述的生產(chǎn)方法,其特征是三氯乙烯與氟化氫的重量流量比為1∶1-5,反應(yīng)溫度為140-240℃。
7.一種如權(quán)利要求1或2所述的生產(chǎn)方法,其特征是所述的多氟烷烴是2-氯-1,1,1-三氟乙烷,所述的氫氟烴是1,1,1,2-四氟乙烷。
8.如權(quán)利要求7所述的生產(chǎn)方法,其特征是反應(yīng)溫度為200-300℃,2-氯-1,1,1-三氟乙烷與氟化氫的重量流量比為1∶3-8。
9.如權(quán)利要求1或2所述的生產(chǎn)方法,其特征是所述原料與氟化催化劑的接觸時間為0.5-50秒,推薦接觸時間為2-20秒。
10.如權(quán)利要求1或2所述的生產(chǎn)方法,其特征是所述的原料多鹵烯烴是三氯乙烯,所述的產(chǎn)物是1,1,1,2-四氟乙烷。
全文摘要
本發(fā)明是一種從分子式為H
文檔編號C07C17/00GK1109858SQ94112169
公開日1995年10月11日 申請日期1994年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月24日
發(fā)明者駱昌平, 李捷, 吳圣洪, 沈彪 申請人:中國科學院上海有機化學研究所