CN105399599B - 一种制备六氟丁二烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化制备六氟丁二烯的方法,将1,1‑二氯‑1,2,2‑三氟乙烷或1,2‑二氯‑1,1,2‑三氟乙烷在H2气氛下,负载型金属催化剂上进行加氢脱氯二聚反应,分离出目标产品六氟丁二烯后,所得到的中间产物氢氟氯丁烷经过气相热裂解脱HCl制得六氟丁二烯,反应生成的产物经过滤、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即分别得高纯度的六氟丁二烯产品。本发明提供的制备六氟丁二烯的方法,克服现有工艺操作周期长、单位容积产量低、设备投资大等的缺点,其收率高、步骤少、易于工业化,它通过反应物的选择和反应条件的控制,可以实现高纯度的六氟丁二烯的生产,其工艺简单,原料廉价易得,成本低,更有利于工业规模生产,且可连续化生产,单位装置产能大大提高。
Description
技术领域
本发明属于氟氯烯烃制备技术领域,该方法通过催化加氢脱氯二聚作用制备六氟丁二烯的方法。
背景技术
六氟丁二烯(C4F6,又名全氟丁二烯),其主要应用为半导体产品的等离子刻蚀加工介质。与传统的等离子蚀刻气CF4、C2F6、C3F8、c-C4F8 和NF3 相比,C4F6 具有更快的蚀刻速率、高的蚀刻选择性和高深宽比的特点。目前,六氟丁二烯主要被用于关键尺寸的精密刻蚀(精度达 100 nm),有着比其他刻蚀气更好的选择性。在C4F6为蚀刻气的系统中,活性自由基CFx(x =1~3)的密度小于以其它全氟碳为蚀刻气的系统,且其中又以刻蚀活性较低的CF•为主,使得刻蚀过程中,一方面材料表面快速沉积一层厚度较薄、密度较低的氟碳聚合物保护膜,另一方面又取得适中的刻蚀强度。这二者的双重作用,实现了近乎垂直的刻蚀加工,使刻蚀后能形成孔径在0.1μm以内的小孔,达到了优越的各向异性蚀刻效果,这是其它蚀刻气不具有的。同时,同其它刻蚀气相比,六氟丁二烯GWP值低(温室效应潜值),大气寿命短(小于2天),环保性能更加优异,是刻蚀气中唯一兼具应用性能和环保性能的产品,这极大地刺激了它的生产需求。
目前,六氟丁二烯的制备方法有多种,主要包括1,2-二氟二氯乙烯与单质氟的二聚反应,三氟氯乙烯加成、偶联和脱氯,四氟乙烯调聚,1,2,3,4-四氯丁烷与单质氟的气相氟化,CF2=CFZnBr偶联以及用1,1,1,2-四氟乙烷(HFC-134a)为原料合成CF2=CFZnCl再偶联得到六氟丁二烯等工艺路线。
以氟氯乙烯为原料,与氟气或氯气发生氟化二聚反应生成四卤六氟丁烷中间体,再将其脱氯得到六氟丁二烯。CN101910096A发现利用氯代乙烯为原料,通过与单质氟发生氟化二聚反应、氟化加成,再经脱卤或脱卤化氢作用得到目标产物的方法。其中的氟化二聚反应是在液态有机溶剂存在下进行的,脱卤化氢过程是在无机碱或有机碱的溶液中进行的,脱卤是在溶剂存在下与过渡金属反应实现的。该工艺路线复杂,反应条件苛刻,成本高。
US0193643及CN101774884B等报道了通过四氟乙烯与单质碘的热致或光致调聚反应获得1, 4-二碘八氟丁烷, 在非质子型有机溶剂(非极性溶剂或极性非质子型的醚、环醚)中与金属锌和含氮有机物的作用下,脱除碘化氢,其中含氮有机物选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二异丙基甲酰胺、三乙基胺、吡啶、甲基吡啶、N-甲基-2-吡咯烷酮、喹啉和甲基喹啉中的一种。可以发现,该路线溶剂量大,中间产物收率低,不适合工业化生产。
CN102399128提出制备六氟丁二烯的方法为在非质子型有机溶剂存在下,1, 1,2-三溴三氟乙烷与锌粉或镁粉反应,得到三氟乙烯基溴化物的金属有机物,然后再滴加金属卤化盐得到C4F6。过程中的金属卤化盐为三价铁、二价铜的氯化物或溴化物。该方法具有选择性高、易于提纯、污染小的优点,但制备过程需消耗等量的金属Zn,成本较高。
CN101525267发现了以氟乙烯基溴化锌为中间体制备六氟丁二烯的方法,具体过程为:在有惰性气体保护的反应器中加入锌粉和非质子型极性溶剂,控制温度为50~90℃,再加入1, 1-二溴四氟乙烷,生成三氟乙烯基溴化锌;三氟乙烯基溴化锌在催化剂的作用下发生偶联反应,生成C4F6。其优点是步骤短、工艺简单,副产物少;但也存在原材料价格高,反应条件苛刻,产率比较低,用到的试剂较难处理等缺点。
发明内容
针对现有技术问题的不足之处,本发明的目的在于提供一种工艺简单、收率高、步骤少且易于工业化的制备六氟丁二烯的方法。
所述的一种制备六氟丁二烯的方法,其特征在于将1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷加入管式反应器,同时通入H2,在第一催化剂作用下在管式反应器内进行连续流动加氢脱氯偶联反应,经碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得产品六氟丁二烯和中间产物氢氟氯丁烷,将六氟丁二烯产品分离出后,所得的中间产物氢氟氯丁烷在第二催化剂存在下经过气相热裂解脱HCl,生成的产物经过滤、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯得高纯度的六氟丁二烯产品,所述中间产物氢氟氯丁烷主要包括CHF2CClFCClFCHF2和CClF2CHFCHFCClF2。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述的H2和1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷进料比为1~10:1,优选为4:1。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述加氢脱氯偶联反应的温度为50~350℃,优选为100-300℃,反应压力为常压,空速为200-3000h-1。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述第一催化剂反应前进行预处理,预处理方法如下:将第一催化剂装入管式反应器后,通入H2,催化剂床层温度从室温以2.5℃/min的升温速率升至450℃,催化剂在450℃还原4 h后,在氢气气氛下降温至反应温度50~350℃。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述第一催化剂为:活性组分为Ru,Co,Ni,Fe中的至少一种;载体为SiO2,活性炭,MgO,高比表面石墨,TiO2,CaO中的至少一种;活性组分的负载重量百分比为10.5 ~10%。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于
所述第二催化剂为MgO,MgF2,活性炭,NiO,BaO,BaF2,NiCl2或以上述催化剂为载体负载1~10%的CsF,CsCl,KF,KCl,FeCl3活性组分。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于
所述气相热裂解脱HCl反应中,反应进料中加入惰性稀释气,所述惰性稀释气为N2,Ar或He,惰性稀释气的投料质量为CHF2CClFCClFCHF2或CClF2CHFCHFCClF2原料的1-10倍,以减少脱HCl反应的热效应。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于
所述气相热裂解脱HCl反应的温度为200~600℃,优选为300-500℃,反应压力为常压,空速为200-3000h-1。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于
所述第二催化剂为MgO,MgF2,活性炭,NiO,BaO,BaF2,NiCl2或以上述催化剂为载体负载重量百分比为1~10%的CsF,CsCl,KF,KCl,FeCl3等活性组分。
所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于
所述第二催化剂反应前需进行活化,具体步骤为:催化剂装入反应器后,以空速为1000 h-1通入N2,催化剂床层温度从室温以5℃/min的升温速率升至200℃干燥2 h。然后,以5℃/min的升温速率升至400℃催化剂处理2 h后降温至200℃,然后,停止氮气,切换为CHClF2气体活化1.5 h。
本发明的合成工艺过程为:
。
通过采用上述技术,与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
1)本发明通过以1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷(CHF2CCl2F, HCFC-123b)或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷(CHClFCClF2, HCFC-123a)和H2在管式反应器中,在催化剂作用下进行连续流动加氢脱氯偶联反应,经碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得六氟丁二烯和中间产物氢氟氯丁烷,所得的氢氟氯丁烷经过气相热裂解脱HCl,生成的产物经过滤、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯得高纯度的六氟丁二烯产品,其工艺简单、操作方便、原料廉价易得、成本低,1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷(CHF2CCl2F, HCFC-123b)或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷(CHClFCClF2, HCFC-123a)为臭氧层破坏物质,本发明以其作为原料,将转化为附加值高、环境友好的含氟单体,属于绿色环保的工艺路线,其绿色环保、社会效益和经济效益显著,适于工业化生产;
2)本发明在H2和1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷(CHF2CCl2F, HCFC-123b)或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷(CHClFCClF2, HCFC-123a)反应过程中,将进料比(H2:HCFC)限定为1:1~10:1,优选为4:1,进一步提高其转化率,且降低副产物,避免了氢气的进料量越高,加氢脱氯的C2副产物(CHF2CHClF,CHF2CH2F或CH2FCClF2)越多,氢气进料比低时,1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷转化率低的问题;
3)本发明由于采用连续气相反应路线,稳定性及可靠性高,能保持长时间稳定运行,所用的设备简化,更有利于工业化规模生产,且单位装置产能大大提高;
4)本发明提供的的制备六氟丁二烯的方法,克服现有工艺操作周期长、单位容积产量低、设备投资大等的缺点,其收率高、步骤少、易于工业化,本发明通过反应物的选择和反应条件的控制,可以实现高纯度的六氟丁二烯的生产。本发明的方法工艺简单,原料廉价易得,成本低,更有利于工业规模生产,且可连续化生产,单位装置产能大大提高。
具体实施方法
以下结合实施例对本发明作进一步的描述,但本发明的保护范围并不仅限于此:
实施例1
以CHF2CCl2F和H2为反应原料,经连续流动加氢脱氯偶联反应制备CHF2CClFCClFCHF2。该反应在平推流管式反应器中进行,管式反应器的反应管采用内径18mm,长度为50cm的Ni管,并置于管式炉中加热升温,本发明为了防止物料冷凝,所有反应连接管线采用不锈钢管,并用保温加热夹套恒温在80℃左右,H2采用质量流量计控制流量(400 mL/min),将CHF2CCl2F置于一鼓泡器中,用前述H2通入泡器中夹带CHF2CCl2F,调节鼓泡器的温度,调变H2流量和CHF2CCl2F流量比值为4,反应温度稳定在200℃,反应压力为常压。反应之前,将表面积为500 m2/g的SiO2利用等体积浸渍法负载重量百分比4%的Ru,浸渍过夜后110℃干燥,在压片机上20 MPa压片成型,破碎,筛选目数为14-20目(1-1.4 mm)的颗粒15mL装入反应器,通入H2(空速为1000 h-1),催化剂床层温度从室温以2.5℃/min的升温速率升至450℃。催化剂在450℃还原4 h后,在氢气气氛下降温至反应温度(200℃)。然后,停止氢气,切换为反应气体进行气相催化反应。反应生成的尾气经急冷、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得到CF2=CF-CF=CF2和CHF2CClFCClFCHF2, 以CHF2CCl2F消耗量为基准计算,CF2=CF-CF=CF2选择性20.8%, CHF2CClFCClFCHF2选择性45%,其余为CHF2CHClF,CHF2CH2F,CHF2CCl2F转化率83.4%。
实施例2
以1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷(CHClFCClF2, HCFC-123a)和H2为反应原料,经连续流动加氢脱氯偶联反应制备CClF2CHFCHFCClF2。该反应在平推流管式反应器中进行,管式反应器的反应管采用内径18 mm,长度为50cm的Ni管,并置于管式炉中加热升温,本发明为了防止物料冷凝,所有反应连接管线采用不锈钢管,并用保温加热夹套恒温在80℃左右,H2采用质量流量计控制流量(400 mL/min),将CHClFCClF2置于一鼓泡器中,用前述H2通入泡器中夹带CHClFCClF2,调节鼓泡器的温度,调变H2流量和CHClFCClF2流量比值为6,反应温度稳定在330℃,反应压力为常压。反应之前,将表面积为50 m2/g的MgO利用等体积浸渍法负载重量百分比8%的Ni,浸渍过夜后110℃干燥,在压片机上20 MPa压片成型,破碎,筛选目数为14-20目(1-1.4 mm)的颗粒15 mL装入反应器,通入H2(空速为1000 h-1),催化剂床层温度从室温以2.5℃/min的升温速率升至450℃。催化剂在450 ℃还原4 h后,在氢气气氛下降温至反应温度(330℃)。然后,停止氢气,切换为反应气体进行气相催化反应。反应生成的尾气经急冷、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得到CF2=CF-CF=CF2和CClF2CHFCHFCClF2, 以CHClFCClF2消耗量为基准计算,CF2=CF-CF=CF2选择性10.8%, CClF2CHFCHFCClF2选择性34%,其余为CHF2CH2F或CH2FCClF2,CHClFCClF2转化率63.4%。
实施例3
将实施例1分离得到的CHF2CClFCClFCHF2,通过第二个固定床反应器进行催化脱HCl反应制备六氟丁二烯。
该反应在平推流管式反应器中进行,管式反应器的反应管采用内径18 mm,长度为50cm的Ni管,并置于管式炉中加热升温,本发明为了防止物料冷凝,所有反应连接管线采用不锈钢管,并用保温加热夹套恒温在80℃左右,N2采用质量流量计控制流量(500 mL/min),将CHF2CClFCClFCHF2置于一鼓泡器中,用前述N2通入泡器中夹带CHF2CClFCClFCHF2,调节鼓泡器的温度,调变N2流量和CHF2CClFCClFCHF2流量比值为5,反应温度稳定在350℃,反应压力为常压。反应之前,将利用Ba(NO3)2和NH4F经沉淀法制备的BaF2在压片机上20 MPa压片成型,破碎,筛选目数为14-20目(1-1.4 mm)的颗粒15 mL装入反应器,通入N2(空速为1000 h-1),催化剂床层温度从室温以5℃/min的升温速率升至200℃干燥2 h。然后,以5℃/min的升温速率升至400℃催化剂处理2 h后降温至350℃。然后,停止氮气,切换为CHClF2气体活化1.5 h,切换为CHF2CClFCClFCHF2和N2进行气相催化脱HCl反应。反应生成的尾气经急冷、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得到CF2=CF-CF=CF2, 以CHF2CClFCClFCHF2消耗量为基准计算,CF2=CF-CF=CF2选择性91.8%,CHF2CClFCClFCHF2转化率87.9%。
实施例4
将实施例1分离得到的CHF2CClFCClFCHF2,通过第二个固定床反应器进行催化脱HCl反应制备六氟丁二烯。
该反应在平推流管式反应器中进行,管式反应器的反应管采用内径18 mm,长度为50cm的Ni管,并置于管式炉中加热升温,本发明为了防止物料冷凝,所有反应连接管线采用不锈钢管,并用保温加热夹套恒温在80℃左右,N2采用质量流量计控制流量(500 mL/min),将CHF2CClFCClFCHF2置于一鼓泡器中,用前述N2通入泡器中夹带CHF2CClFCClFCHF2,调节鼓泡器的温度,调变N2流量和CHF2CClFCClFCHF2流量比值为5,反应温度稳定在300℃,反应压力为常压。反应之前,将利用浸渍法制备的负载量为5%(重量百分比)CsF/MgO催化剂在压片机上20 MPa压片成型,破碎,筛选目数为14-20目(1-1.4 mm)的颗粒15 mL装入反应器,通入N2(空速为1000 h-1),催化剂床层温度从室温以5℃/min的升温速率升至200℃干燥2 h。然后,以5℃/min的升温速率升至400℃催化剂处理2 h后降温至350℃。然后,停止氮气,切换为CHClF2气体活化1.5 h,切换为CHF2CClFCClFCHF2和N2进行气相催化脱HCl反应。反应生成的尾气经急冷、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得到CF2=CF-CF=CF2, 以CHF2CClFCClFCHF2消耗量为基准计算,CF2=CF-CF=CF2选择性94.6%,CHF2CClFCClFCHF2转化率93.7%。
实施例5
将实施例2分离得到的CClF2CHFCHFCClF2,通过第二个固定床反应器进行催化脱HCl反应制备六氟丁二烯。
该反应在平推流管式反应器中进行,管式反应器的反应管采用内径18 mm,长度为50cm的Ni管,并置于管式炉中加热升温,本发明为了防止物料冷凝,所有反应连接管线采用不锈钢管,并用保温加热夹套恒温在80℃左右,N2采用质量流量计控制流量(500 mL/min),将CClF2CHFCHFCClF2置于一鼓泡器中,用前述N2通入泡器中夹带CClF2CHFCHFCClF2,调节鼓泡器的温度,调变N2流量和CClF2CHFCHFCClF2流量比值为8,反应温度稳定在350℃,反应压力为常压。反应之前,将利用硝酸处理后的椰壳活性炭为催化剂,筛选目数为14-20目(1-1.4 mm)的颗粒15 mL装入反应器,通入N2(空速为1000 h-1),催化剂床层温度从室温以5℃/min的升温速率升至200℃干燥2 h。然后,以5℃/min的升温速率升至400℃催化剂处理2 h。然后,停止氮气,切换为CHClF2气体活化1.5 h,切换为CClF2CHFCHFCClF2和N2进行气相催化脱HCl反应。反应生成的尾气经急冷、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得到CF2=CF-CF=CF2, 以CClF2CHFCHFCClF2消耗量为基准计算,CF2=CF-CF=CF2选择性61.8%,CHF2CClFCClFCHF2转化率47.4%。
实施例6
将实施例2分离得到的CClF2CHFCHFCClF2,通过第二个固定床反应器进行催化脱HCl反应制备六氟丁二烯。
该反应在平推流管式反应器中进行,管式反应器的反应管采用内径18 mm,长度为50cm的Ni管,并置于管式炉中加热升温,本发明为了防止物料冷凝,所有反应连接管线采用不锈钢管,并用保温加热夹套恒温在80℃左右,N2采用质量流量计控制流量(500 mL/min),将CClF2CHFCHFCClF2置于一鼓泡器中,用前述N2通入泡器中夹带CClF2CHFCHFCClF2,调节鼓泡器的温度,调变N2流量和CClF2CHFCHFCClF2流量比值为3,反应温度稳定在350℃,反应压力为常压。反应之前,将利用浸渍法制备的负载量为10%(重量百分比)KF/活性炭催化剂,破碎,筛选目数为14-20目(1-1.4 mm)的颗粒15 mL装入反应器,通入N2(空速为1000 h-1),催化剂床层温度从室温以5℃/min的升温速率升至200℃干燥2 h。然后,以5℃/min的升温速率升至400℃催化剂处理2 h后降温至350℃。然后,停止氮气,切换为CHClF2气体活化1.5 h,切换为CClF2CHFCHFCClF2和N2进行气相催化脱HCl反应。反应生成的尾气经急冷、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得到CF2=CF-CF=CF2, 以CClF2CHFCHFCClF2消耗量为基准计算,CF2=CF-CF=CF2选择性84.6%,CClF2CHFCHFCClF2转化率73.1%。
Claims (8)
1.一种制备六氟丁二烯的方法,其特征在于将1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷加入管式反应器,同时通入H2,在第一催化剂作用下在管式反应器内进行连续流动加氢脱氯偶联反应,经碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯后即得产品六氟丁二烯和中间产物氢氟氯丁烷,将六氟丁二烯产品分离出后,所得的中间产物氢氟氯丁烷在第二催化剂存在下经过气相热裂解脱HCl,生成的产物经过滤、碱洗、水洗、干燥、压缩、精馏提纯得高纯度的六氟丁二烯产品,所述中间产物氢氟氯丁烷主要包括CHF2CClFCClFCHF2和CClF2CHFCHFCClF2,所述的H2和1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷进料比为1~10:1,加氢脱氯偶联反应的温度为50~350℃,所述气相热裂解脱HCl反应的温度为200~600℃,所述第一催化剂反应前进行预处理,预处理方法如下:将第一催化剂装入管式反应器后,通入H2,催化剂床层温度从室温以2.5℃/min的升温速率升至450℃,催化剂在450℃还原4 h后,在氢气气氛下降温至反应温度50~350℃,所述第二催化剂反应前需进行活化,具体步骤为:催化剂装入反应器后,以空速为1000 h-1通入N2,催化剂床层温度从室温以5℃/min的升温速率升至200℃干燥2 h,然后,以5℃/min的升温速率升至400℃催化剂处理2 h后降温至200℃,然后,停止氮气,切换为CHClF2气体活化1.5 h。
2.根据权利要求1所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述的H2和1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷或1,2-二氯-1,1,2-三氟乙烷进料比为4:1。
3.根据权利要求1所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述加氢脱氯偶联反应的温度为100-300℃,反应压力为常压,空速为200-3000h-1。
4.根据权利要求1所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述第一催化剂为:活性组分为Ru,Co,Ni,Fe中的至少一种;载体为SiO2,活性炭,MgO,高比表面石墨,TiO2,CaO中的至少一种;活性组分的负载重量百分比为10.5 ~10%。
5.根据权利要求1所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述第二催化剂为MgO,MgF2,活性炭,NiO,BaO,BaF2,NiCl2或以上述催化剂为载体负载1~10%的CsF,CsCl,KF,KCl,FeCl3活性组分。
6.根据权利要求1所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述气相热裂解脱HCl反应中,反应进料中加入惰性稀释气,所述惰性稀释气为N2,Ar或He,惰性稀释气的投料质量为CHF2CClFCClFCHF2或CClF2CHFCHFCClF2原料的1-10倍,以减少脱HCl反应的热效应。
7.根据权利要求1所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述气相热裂解脱HCl反应的温度为300-500℃,反应压力为常压,空速为200-3000h-1。
8.根据权利要求1所述的制备六氟丁二烯的方法,其特征在于所述第二催化剂为MgO,MgF2,活性炭,NiO,BaO,BaF2,NiCl2或以上述催化剂为载体负载重量百分比为1~10%的CsF,CsCl,KF,KCl,FeCl3活性组分。
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