背景技术
六氟丙酮(CF3COCF3,简称HFA)是一种重要的含氟精细化学品中间体,为含氟酮中应用最广的产品。由于两个-CF3基团的强吸电子性,使得六氟丙酮具有独特的物化性质,其下游产品都是医药、生化、合成材料、微电子、航天等高科技领域所急需的产品。如可由六氟丙酮氢化还原制得六氟异丙醇,一种溶解性能良好且安全的溶剂,其对极性高聚物如聚酯、聚酰胺等有着良好的溶解性能,目前已作为一种高级清洗剂应用于尖端设备的制造和清洗;六氟丙酮与苯酚缩合可制得双酚(AF),后者可用作氟弹性体的交联剂;此外,六氟丙酮还可用于合成透明氟树脂(Tellon-AF)的共聚单体PDD等。
六氟丙酮的制备方法根据原料的不同主要有丙酮直接氟化法、六氟丙烯(HFP)催化氧化法、八氟异丁烯(PFIB)氧化法、六氯丙酮气相交换法和六氟环氧丙烷(HFPO)催化异构化法等。六氟环氧丙烷催化异构化法是最具有工业化应用前景的制备方法之一,所用异构化催化剂通常为路易斯酸类。美国专利US3321515(公告日为1967年4月23日)公开一种采用路易斯酸Al2O3、TiO2、WO2、AlCl3、SnCl4、VoCl3、TiCl4、FeCl3、CuCl2、ZrOCl2等作为催化剂由六氟环氧丙烷异构化制备六氟丙酮的方法。但由于异构化反应为放热反应,容易引起催化剂床层温度升高,使反应操作稳定性降低,导致催化剂失活速率加快,采用该类催化剂时需通入惰性气体(如N2)作为原料的稀释气;另一方面使用该类催化剂时反应原料六氟环氧丙烷的转化率相对较低。
为了提高原料六氟环氧丙烷的转化率,美国专利US4238416(公告日为1980年12月9日)采用AlFx(F=0.5~50%,其它为Al和O),和AlSiFx(F=0.5~50%,其它为Al、Si和O)作为催化剂使六氟环氧丙烷的转化率接近100%,但制备方法使用的催化剂依然没有解决反应放热的问题,仍需通入惰性气体作为原料的稀释气,同时为了防止催化剂失活还需通入O2(HFPO∶O2=1∶0.1-2.0),并且催化剂制备过程繁杂,对反应温度和压力要求较高(100-200℃,0.5-5.0个大气压)。
日本专利JP58062130(公告日为1983年4月13日)采用部分氟化的Cr2O3或者以部分氟化的Cr2O3为主和一些不挥发性物质的混合物(氟含量在5-45wt%)为催化剂,以及日本专利JP58062131采用以Al2O3或Cr2O3为主体的混合金属氧化物经过部分氟化的催化剂(氟含量在15-65wt%),两项专利公开的催化剂提高原料六氟环氧丙烷的转化率,但同时也产生与主产物六氟丙酮难以分离的酰氟类副产物,并且催化剂需氟化处理,增加了催化剂的制备成本。
为提高六氟丙酮的选择性,美国专利US2004186322号公开了采用TiO2和TiOFx为催化剂,六氟环氧丙烷转化率和六氟丙酮选择性都达到99%以上,但是仍旧存在以下缺陷:
(1).采用TiO2时反应温度要求高(150-300℃);
(2).采用TiOFx作催化剂虽然对反应温度要求不高但催化剂制备过程繁杂;
(3).此专利的催化剂依然没有解决反应放热的问题,催化剂反应操作稳定性差,催化剂易失活。
因此,需要一种在低温、常压下具有高活性,且反应操作稳定性的催化剂以适用于六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮。
发明内容
为解决上述催化异构化制备六氟丙酮所应用现有技术的催化剂存在的原料转化率低、六氟丙酮选择性低、反应条件要求高、催化剂易失活、成本高等问题,本发明的目在于提供一种可在低温、常压下催化异构化六氟环氧丙烷制备六氟丙酮的催化剂。
为了实现上述目的,本发明采取了如下技术措施:
一种用于异构法制备六氟丙酮的催化剂,其特征在于所述催化剂由主催化剂、第一助剂和第二助剂组成;
主催化剂选自Cr2O3和AlF3中的一种或两种;
第一助剂为TiO2;
第二助剂选自石墨或金属粉中的一种。
本发明催化剂是直接以路易斯酸Cr2O3和AlF3中至少一种为主要活性组份,TiO2为主要助剂,石墨或金属粉(如铝粉)为第二助剂,制备得到复合路易斯酸催化剂应用于异构化法制备六氟丙酮。本发明催化剂的路易斯酸Cr2O3可以由Cr(OH)3焙烧得到也可直接使用Cr2O3;本发明的AlF3可优选γ型;本发明催化剂的主要助剂为TiO2,优选锐钛矿型,TiO2在低温(≤100℃)下本身无催化活性,其作用在于提高整个催化剂体系的催化活性,改善催化剂体系的结构性能,加强催化剂体系的耐热稳定性;本发明催化剂的第二助剂为石墨或金属粉,其作用主要在于改善催化剂的导热性能,提高催化剂的稳定性。
上述的金属粉选自铝粉、铁粉或银粉中的一种。
所述的催化剂可由Cr2O3、AlF3、TiO2、石墨或金属粉组成,其重量百分比依次为:1-11%,5-65%,15-90%,0.5-15%;优选重量百分比依次为2-8%,8-50%,30-85%,2-10%。
所述催化剂可由Cr2O3、TiO2、石墨或金属粉组成,其重量百分比依次为:7-55%,35-90%,0.5-15%;优选重量百分比依次为15-35%,55-80%,2-10%。
所述催化剂可由AlF3、TiO2、石墨或金属粉组成,其重量百分比依次为:10-75%,15-85%,0.5-15%;优选重量百分比依次为15-50%,35-75%,2-10%。
本发明还提供一种上述催化剂的制备方法。所述制备方法是采用机械混合-干燥-程序升温活化方法。按比例称取Cr(OH)3(或Cr2O3)、AlF3中的一种或两种,TiO2,石墨或金属粉,加入适量去离子水混合均匀(各组份加入顺序不限),干燥,干燥温度为90-140℃,优选100-120℃,然后在惰性气流(如氮气)保护下程序升温活化,起始温度为室温,升温速率0.5-3℃/min,优选1℃/min,终止温度300-400℃,优选320-380℃,在终止温度保持时间为2.0-8.0h,优选3.0-6.0h。活化完成后置于室温干燥器内备用。
本发明的另一目的是提供一种应用上述催化剂异构化法制备六氟丙酮的方法。
本发明反应在固定床反应器中进行,所采用的原料为六氟环氧丙烷,反应温度为0-200℃,优选0-100℃;该反应为异构化反应,反应压力并非关键操作参数,在常压或一定压力下均可,但优选常压;反应接触时间为重要操作参数,接触时间的长短对原料六氟环氧丙烷的转化率、产物六氟丙酮的选择性,尤其是催化剂的使用寿命有明显的影响,接触时间通常为0.1-1000s,优选10.0-100.0s。
本发明相比现有技术具有以下优点:
(1)本发明催化剂解决现有技术催化异构化法制备六氟丙酮中反应条件要求高的缺陷,在低温常压下即具有高的催化活性。
(2)本发明催化剂解决现有技术六氟丙酮选择性低、酰氟类副产物难分离的问题,采用本发明催化剂异构反应无酰氟类副产物,且所有副产物都不溶于水,可以制得纯度较高的六氟丙酮及其水合物。
(3)本发明催化剂解决反应放热导致催化剂稳定性差的问题,助剂TiO2的加入使催化剂的导热性能和耐热稳定性得到极大改善,因此反应过程中无需通入惰性气体作为原料的稀释气;本发明反应原料中无需添加惰性气体稀释,但不意味对添加惰性气体稀释加以限制。
(4)本发明催化剂制备所用的原料廉价、易得,制备过程简单、方便(直接机械混合,无需经过氟化处理)。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明加以进一步说明,但这些实施例不意味对本发明加以任何限制。
本发明实施例的催化剂由主催化剂、第一助剂和第二助剂组成。
主催化剂选自Cr2O3和AlF3中的一种或两种:路易斯酸Cr2O3可以由Cr(OH)3(≥98%)焙烧得到;AlF3优选γ型,AlF3≥98%。
第一助剂为TiO2:优选锐钛矿型,比表面积≥200m2/g,TiO2≥75%,可能包含一种或几种难挥发性物质,如金属氧化物、氢氧化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、卤化物等。
第二助剂选自石墨或金属粉中的一种。
实施例1:Cr2O3-AlF3-TiO2-石墨复合路易斯酸催化剂(样品A)
称取1.40g Cr(OH)3,6.75g AlF3,29.24g TiO2,4.18g铝粉,机械混合,加入40ml去离子水充分混合均匀,空气气氛下放置过夜,于恒温干燥箱中120℃干燥5.0h,取出破碎筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,在氮气下程序升温至350℃活化5.0h,升温速率1℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
实施例2:Cr2O3-AlF3-TiO2-铝粉复合路易斯酸催化剂(样品B)
按照实施例1的方法,称取1.40g Cr(OH)3,6.75g AlF3,29.24g TiO2,4.18g铝粉,机械混合,加入45ml去离子水,经干燥,程序升温活化后制成样品B放入干燥器备用。
实施例3:Cr2O3-TiO2-石墨复合路易斯酸催化剂(样品C)
如实施例1的方法,称取10.38g Cr(OH)3,27.0g TiO2,4.15g石墨,机械混合,加入35ml去离子水,经干燥,程序升温活化后制成样品C放入干燥器备用。
实施例4:AlF3-TiO2-石墨复合路易斯酸催化剂(样品D)
如实施例1的方法,称取12.5g AlF3,25.0g TiO2,4.17g石墨,机械混合,加入45ml去离子水,经干燥,程序升温活化后制成样品D放入干燥器备用。
比较例1:Cr2O3路易斯酸催化剂(样品E)
称取41.0g Cr(OH)3,于恒温干燥箱中120℃干燥5.0h,筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,于N2气氛下程序升温至350℃活化5.0h,升温速率1℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
比较例2:AlF3路易斯酸催化剂(样品F)
称取41.0g AlF3,筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,于N2气氛下程序升温至350℃活化5.0h,升温速率1℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
实施例5:六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮反应试验
六氟环氧丙烷(HFPO)催化异构化制备六氟丙酮(HFA)反应试验在固定床反应器内进行,反应器材质为石英玻璃(内径7.3mm,长度220mm),分别装入由上述方法(实施例1、2、3、4和比较例1、2)制成的样品A,B,C,D,E,F各3.0ml(20-40目),异构化反应温度为20℃,40℃,60℃,80℃,100℃,150℃,200℃,操作压力为常压,接触时间20.0s。反应产物采用气相色谱分析方法分析测定,然后通入去离子水中吸收生成六氟丙酮水合物。反应色谱分析结果如表1所示。
由表1可以看出,样品A、B、C和D在20℃-100℃温度区间具有较高的HFPO转化率和HFA选择性,达到99.0%以上,当反应温度升至150℃以上时,样品A、B、C和D与样品E、F的转化率和选择性接近,说明本发明的催化剂与其它催化剂相比在低温区具有更优异的反应性能,极大的降低了HFPO异构化反应温度。
这些实验结果表明,在Cr2O3和AlF3中添加助剂TiO2,石墨或金属粉制成复合路易斯酸催化剂后,催化剂的低温反应性能得到了极大的提高,并且采用气相色谱,质谱联合对产物分析后,没有发现酰氟类副产物,对水吸收后的尾气分析后对比发现所有副产物都不溶于水,即可以得到高纯度的六氟丙酮水合物。
表1 不同催化剂样品的反应性能结果比较
100℃ |
HFPO转化率(%) |
99.52 |
99.73 |
99.31 |
99.32 |
98.87 |
97.52 |
HFA选择性(%) |
98.24 |
98.32 |
98.06 |
98.02 |
95.19 |
95.38 |
150℃ |
HFPO转化率(%) |
100 |
100 |
100 |
100 |
99.67 |
99.46 |
HFA选择性(%) |
95.30 |
94.72 |
94.89 |
94.53 |
93.76 |
94.93 |
200℃ |
HFPO转化率(%) |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
HFA选择性(%) |
87.45 |
86.86 |
85.95 |
86.01 |
87.91 |
88.07 |
实施例6:催化剂Cr2O3-AlF3-TiO2-石墨和AlF3-TiO2-石墨的稳定性考察实验
在实施例5所用的反应装置上,分别装入3.0ml样品A和D,反应温度20℃,操作压力为常压,接触时间为15.0s,考察了样品A、D的操作稳定性,即催化剂活性随反应时间的变化。实验结果如表2,表3所示。
表2催化剂Cr
2O
3-AlF
3-TiO
2-石墨的稳定性实验结果
进料量(g HFPO/g催化剂) |
84.9 |
169.8 |
254.7 |
339.6 |
424.5 |
509.4 |
HFPO转化率(%) |
97.63 |
98.82 |
99.12 |
99.36 |
99.57 |
99.76 |
HFA选择性(%) |
99.81 |
99.83 |
99.77 |
99.60 |
99.82 |
99.81 |
表3催化剂AlF
3-TiO
2-石墨的稳定性实验结果
进料量(g HFPO/g催化剂) |
84.9 |
16.8 |
254.7 |
339.6 |
424.5 |
509.4 |
HFPO转化率(%) |
97.05 |
99.02 |
99.13 |
99.33 |
98.87 |
98.33 |
HFA选择性(%) |
99.81 |
99.74 |
99.77 |
99.75 |
99.80 |
99.82 |
结果表明,催化剂Cr2O3-AlF3-TiO2-石墨和AlF3-TiO2-石墨在六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮反应中具有较好的操作稳定性。说明本发明制备的复合路易斯酸催化剂完全适合于六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮的反应过程。
实施例7:Cr2O3-AlF3-TiO2-石墨复合路易斯酸催化剂
称取3.0g Cr2O3(商品名:氧化铬绿;含量98%,AR),17.6g AlF3粉末(AlF3:99%;200目),35.0g TiO2(99.5%,白色粉末,AR),2.94g石墨(粒径250μm,炭含量≥98.5%),机械混合,加入50ml去离子水充份混合均匀,空气气氛下放置过夜,于恒温干燥箱中110℃干燥7.0h,取出破碎筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,在氮气下程序升温至400℃活化6.0h,升温速率2℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
将上述得到的催化剂4.0ml(20-40目)装入反应器材质为石英(内径7.3mm,长度220mm);在固定床反应器内进行六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮反应试验,异构化反应温度为50℃,操作压力为常压,接触时间35s。反应产物采用气相色谱分析方法分析测定,然后通入去离子水中吸收生成六氟丙酮水合物。反应分析色谱,六氟环氧丙烷的转化率99.62%,HFA选择性为99.37%。
实施例8:Cr2O3-TiO2-石墨复合路易斯酸催化剂
称取Cr2O3 4.1g,TiO2 38.5g,石墨2.72g,机械混合,加入45ml去离子水充份混合均匀,空气气氛下放置过夜,于恒温干燥箱中90℃干燥8.0h,取出破碎筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,在氮气下程序升温至380℃活化5.0h,升温速率2.5℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
将上述得到的催化剂用于六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮,异构化反应温度为80℃,操作压力为常压,接触时间60s。反应产物采用气相色谱分析方法分析测定,六氟环氧丙烷的转化率99.60%,HFA选择性为99.40%。
实施例9:AlF3-TiO2-铁粉复合路易斯酸催化剂
称取AlF3 29.7g,TiO2 20.79g,铁粉8.91g,机械混合,加入60ml去离子水充份混合均匀,空气气氛下放置过夜,于恒温干燥箱中115℃干燥8.0h,取出破碎筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,在氮气下程序升温至300℃活化7.0h,升温速率3℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
将上述得到的催化剂用于六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮,异构化反应温度常温,操作压力为常压,接触时间300s。反应产物采用气相色谱分析方法分析测定,六氟环氧丙烷的转化率100%,HFA选择性为99.27%。
实施例10:Cr2O3-AlF3-TiO2-铝粉复合路易斯酸催化剂
称取Cr2O3 0.66g、AlF3 2.3g,TiO2 29.52g,铝粉3.3g,机械混合,加入35ml去离子水充份混合均匀,空气气氛下放置过夜,于恒温干燥箱中100℃干燥6.0h,取出破碎筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,在氮气下程序升温至350℃活化6.0h,升温速率1℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
将上述得到的催化剂用于六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮,异构化反应温度为100℃,操作压力为常压,接触时间500s。反应产物采用气相色谱分析方法分析测定,六氟环氧丙烷的转化率100%,HFA选择性为98.58%。
实施例11:AlF3-TiO2-银粉复合路易斯酸催化剂
称取AlF3 52.5g,TiO2 10.5g,银粉7g,机械混合,加入85ml去离子水充份混合均匀,空气气氛下放置过夜,于恒温干燥箱中120℃干燥5.0h,取出破碎筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,在氮气下程序升温至400℃活化8.0h,升温速率0.5℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
将上述得到的催化剂用于六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮,异构化反应温度为50℃,操作压力为常压,接触时间60s。反应产物采用气相色谱分析方法分析测定,六氟环氧丙烷的转化率99.82%,HFA选择性为99.34%。
实施例12:Cr2O3-TiO2-铁粉复合路易斯酸催化剂
称取Cr2O3 28.88g、TiO2 51.15g,铁粉2.48g,机械混合,加入90ml去离子水充份混合均匀,空气气氛下放置过夜,于恒温干燥箱中130℃干燥8.0h,取出破碎筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,在氮气下程序升温至300℃活化8.0h,升温速率1℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
将上述得到的催化剂用于六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮,异构化反应温度为150℃,操作压力为常压,接触时间30s。反应产物采刚气相色谱分析方法分析测定,六氟环氧丙烷的转化率98.32%,HFA选择性为99.12%。
实施例13:Cr2O3-AlF3-TiO2-石墨复合路易斯酸催化剂
称取Cr2O323.5g、AlF314.1g、TiO227.2g,铁粉2.82g,机械混合,加入50ml去离子水充份混合均匀,空气气氛下放置过夜,于恒温干燥箱山110℃干燥6.0h,取出破碎筛选出20-40目的样品,装入内径为7.3mm的石英反应管,在氮气下程序升温至360℃活化5.0h,升温速率1℃/min,N2空速600h-1。活化完成后放入干燥器备用。
将上述得到的催化剂用于六氟环氧丙烷催化异构化制备六氟丙酮,异构化反应温度为100℃,操作压力为常压,接触时间30s。反应产物采用气相色谱分析方法分析测定,六氟环氧丙烷的转化率100%,HFA选择性为99.68%。