DE102005061316A1 - Process for the preparation of fluorosulfonic acid - Google Patents
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Abstract
Fluorsulfonsäure wird durch Umsetzung von Schwefeltrioxid mit Fluorwasserstoff hergestellt, wobei man Schwefeltrioxid und Fluorwasserstoff in eine Destillationskolonne einleitet, in der Kolonne miteinander umsetzt und flüssige Fluorsulfonsäure am Sumpf oder im Abtriebsteil der Kolonne gewinnt.Fluorosulfonic acid is produced by reacting sulfur trioxide with hydrogen fluoride, sulfur trioxide and hydrogen fluoride being introduced into a distillation column, reacted with one another in the column and liquid fluorosulfonic acid obtained at the bottom or in the stripping section of the column.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fluorsulfonsäure und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Fluorsulfonsäure hoher Reinheit.The The present invention relates to a process for the preparation of fluorosulfonic and in particular a process for the production of fluorosulfonic acid higher Purity.
Fluorsulfonsäure (systematischer Name: Fluoroschwefelsäure, HO-SO2-F) ist eine außerordentlich starke Säure. Mit Antimonpentafluorid vermischt wird sie als sogenannte "magische Säure" oder „Supersäure" bezeichnet und als außerordentlich starkes Protonierungsmittel verwendet. Sie wird ferner als Fluorierungsmittel, zum Sulfonieren, Fluorosulfonieren und als Katalysator für Alkylierungs- und Polymerisationsreaktionen gebraucht. Für manche dieser Anwendungen wird sie in außerordentlich hoher Reinheit gebraucht, beispielweise bei Produkten, die letztendlich in der Elektronikindustrie Verwendung finden, wo bereits außerordentlich niedrige Verunreinigungsgrade erheblich stören können.Fluorosulfonic acid (systematic name: fluorosulfuric, HO-SO 2 -F) is a very strong acid. Compounded in antimony pentafluoride, it is referred to as a "magic acid" or "superacid" and is used as an exceptionally strong protonating agent and is widely used as a fluorinating agent, sulfonating agent, fluorosulfonate, catalyst for alkylation and polymerization reactions extremely high levels of purity are needed, for example, in the case of products which are ultimately used in the electronics industry, where even exceedingly low levels of contamination can significantly disturb.
Verfahren zur Herstellung von Fluorsulfonsäure sind bekannt. Die Herstellung erfolgt üblicherweise entweder durch Umsetzung von Schwefeltrioxid mit Fluorwasserstoff oder durch Umsetzung von Chloroschwefelsäure (Trivialname: Chlorsulfonsäure) mit Fluoriden.method for the production of fluorosulfonic acid are known. The preparation is usually carried out either by Reaction of sulfur trioxide with hydrogen fluoride or by reaction of chlorosulphuric acid (Common name: chlorosulphonic acid) with fluorides.
Ein
Verfahren, das auf der Umsetzung von Chlorsulfonsäure mit
Fluorwasserstoff beruht, wird etwa in
Verfahren auf Basis der Umsetzung von Schwefeltrioxid mit Fluorwasserstoffsäure, meist in Fluorsulfonsäure als Lösungsmittel, sind deshalb technisch verbreiteter.method based on the reaction of sulfur trioxide with hydrofluoric acid, mostly in fluorosulfonic acid as a solvent, are therefore more technically widespread.
Verfahren, bei denen eine Komponente gasförmig eingesetzt wird (meist Fluorwasserstoff), sind schwieriger zu reiner Fluorsulfonsäure zu führen, da das Molverhältnis von in der flüssigen Fluorsulfonsäure gelöstem Schwefeltrioxid und gasförmigem Fluorwasserstoff schwierig genau einzustellen ist.Method, where one component is gaseous used (mostly hydrogen fluoride), are more difficult to purify fluorosulfonic respectively, because the molar ratio from in the liquid fluorosulfonic dissolved Sulfur trioxide and gaseous hydrogen fluoride difficult to set exactly.
Die japanische Offenlegungsschrift JP 50-039 693 lehrt ein Verfahren, bei dem Fluorwasserstoff in einem Rührkessel mit Oleum umgesetzt wird. Das Produkt Fluorsulfonsäure wird anschließend aus der Mischung abdestilliert. Die Verwendung von Oleum hat den Nachteil, dass typischerweise Verunreinigungen durch Schwefeldioxid enthalten sind, die im Produkt verbleiben und entfernt werden müssen. Da reines Oleum durch Austreiben von Schwefeltrioxid aus Oleum und dessen Absorption nach Reini gung in reiner Schwefelsäure erzeugt wird, hat dieses Verfahren in jedem Fall den Nachteil eines zusätzlichen Verfahrensschritts gegenüber Verfahren, die von Schwefeltrioxid ausgehen.The Japanese Patent Laid-Open Publication No. 50-039,693 teaches a method reacted with the hydrogen fluoride in a stirred tank with oleum becomes. The product fluorosulfonic acid will follow distilled off from the mixture. The use of oleum has the Disadvantage that typically impurities by sulfur dioxide contained in the product and must be removed. As pure Oleum by expelling sulfur trioxide from oleum and its Absorption after cleansing in pure sulfuric acid is produced, this has Process in any case the disadvantage of an additional process step across from Processes that start from sulfur trioxide.
Die japanische Offenlegungsschrift JP 51-076 193 offenbart ein Verfahren zur Reinigung von Fluorsulfonsäure, bei dem Fluorsulfonsäure durch Durchleiten von Stickstoff von leichtflüchtigen Verunreinigungen wie Chlorwasserstoff, Chlor, Siliziumtetrafluorid oder Schwefeldioxid entfernt werden. Das Austreiben der vergleichsweise geringen Mengen an Verunreinigungen erfordert das Durchleiten hoher Stickstoffmengen, was einen erheblichen Aufwand zur Abscheidung und Entsorgung der Verunreinigungen sowie der unvorteilhaft großen unausweichlich mit verdampften Fluorsulfonsäure aus dem großen Gasstrom erfordert.The Japanese Laid-Open Patent Publication No. 51-076193 discloses a method for the purification of fluorosulfonic acid, in the fluorosulfonic acid Passing nitrogen from volatile contaminants such as Hydrogen chloride, chlorine, silicon tetrafluoride or sulfur dioxide be removed. The expulsion of the comparatively small quantities impurities require the passage of high amounts of nitrogen, which is a considerable effort for the separation and disposal of Impurities as well as the unfavorably large inevitable with vaporized fluorosulfonic from the big one Gas flow required.
Üblicherweise wird Fluorsulfonsäure durch Umsetzung von flüssigem wasserfreiem Fluorwasserstoff mit flüssigem wasserfreiem Schwefeltrioxid in Fluorsulfonsäure als Lösungsmittel erzeugt.Usually becomes fluorosulfonic acid by implementation of liquid anhydrous hydrogen fluoride with liquid anhydrous sulfur trioxide in fluorosulfonic as a solvent generated.
Ein
Nachteil von Verfahren, in denen Fluorsulfonsäure als Lösungsmittel für die Umsetzung
von Schwefeltrioxid mit Fluorwasserstoff verwendet wird, ist die
schlechte Verwertbarkeit der entstehenden Reaktionswärme, die
maximal bei der Siedetemperatur von Fluorsulfonsäure von 163°C anfallen kann und in der Praxis
bei deutlich niedrigeren Temperaturen anfällt (im Verfahren von
Es bestand die Aufgabe, ein einfaches und wirtschaftlich vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von Fluorsulfonsäure, insbesondere hochreiner Fluorsulfonsäure zu finden, bei dem eine optimale Wärmeintegration möglich ist.It the task consisted of a simple and economically beneficial Process for the preparation of fluorosulfonic acid, in particular highly pure fluorosulfonic to find, in which an optimal heat integration is possible.
Dem gemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung von Fluorsulfonsäure durch Umsetzung von Schwefeltrioxid mit Fluorwasserstoff gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man Schwefeltrioxid und Fluorwasserstoff in eine Destillationskolonne einleitet, in der Kolonne miteinander umsetzt und flüssige Fluorsulfonsäure am Sumpf oder im Abtriebsteil der Kolonne gewinnt.the according to a process for producing fluorosulfonic acid by reacting sulfur trioxide found with hydrogen fluoride, which is characterized in that to introduce sulfur trioxide and hydrogen fluoride into a distillation column, reacted in the column with each other and liquid fluorosulfonic acid at the bottom or wins in the stripping section of the column.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass kein separater Reaktionsapparat erforderlich ist. Es erlaubt eine besonders wirtschaftliche Herstellung hochreiner Fluorsulfonsäure mit optimaler Wärmeintegration, da die Reaktionswärme direkt in der Kolonne anfällt.The inventive method based on the knowledge that no separate reaction apparatus is required. It allows a particularly economical production highly pure fluorosulfonic acid with optimal heat integration, because the heat of reaction obtained directly in the column.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit flüssigem oder gasförmigem Schwefeltrioxid und flüssigem oder gasförmigem Fluorwasserstoff durchgeführt werden. Es ist bevorzugt, sowohl Schwefeltrioxid als auch Fluorwasserstoff in flüssiger Form einzusetzen.The inventive method can with liquid or gaseous Sulfur trioxide and liquid or gaseous Hydrogen fluoride carried out become. It is preferred to use both sulfur trioxide and hydrogen fluoride in liquid Use mold.
Grundsätzlich können Schwefeltrioxid und Fluorwasserstoff an verschiedenen und beliebigen Stellen an der Kolonne eingeleitet werden. Im Allgemeinen ist es jedoch vorteilhaft, Schwefeltrioxid und Fluorwasserstoff oberhalb des Kolonnensumpfes einzuleiten, so dass die Kolonne in einen Abtriebs- und einen Verstärkungsteil gegliedert wird. Die beiden Reaktanden werden beispielsweise in derselben Höhe an der Kolonne eingeleitet. Die Einleitung kann direkt an derselben Stelle der Kolonne erfolgen, vorzugsweise werden Schwefeltrioxid und Fluorwasserstoff jedoch getrennt eingeleitet, um die Wärmeentwicklung zu vergleichmäßigen. Fluorwasserstoff und Schwefeltrioxid können in Teilmengen an verschiedenen Stellen der Kolonne, auf derselben Höhe oder an verschiedenen Höhen der Kolonne eingeleitet werden, um die Wärmeentwicklung in der Kolonne noch weiter zu vergleichmäßigen. Beispielsweise werden Fluorwasserstoff und Schwefeltrioxid in jeweils zwei, drei, vier oder fünf oder auch mehr Teilmengen aufgeteilt, die nicht notwendigerweise gleich groß sein müssen, und an unterschiedlichen Stellen in die Kolonne eingespeist, wobei je eine Schwefeltrioxid- und eine Fluorwasserstoffzugabestelle an gleicher Höhe der Kolonne liegen, aber nicht notwendigerweise liegen müssen.Basically, sulfur trioxide and hydrogen fluoride at various and arbitrary locations be initiated the column. In general, however, it is advantageous To introduce sulfur trioxide and hydrogen fluoride above the bottom of the column, so that the column into a stripping and a reinforcement part is articulated. The two reactants are for example in the same height initiated at the column. The introduction can be directly at the same Place the column done, preferably sulfur trioxide and hydrogen fluoride, however, introduced separately to heat to equalize. Hydrofluoric and sulfur trioxide can in subsets at various points of the column, on the same Height or at different heights the column are introduced to the evolution of heat in the column even further to equalize. For example Hydrogen fluoride and sulfur trioxide are added in two, three, four or five or split more subsets that are not necessarily must be the same size, and fed at different points in the column, each a sulfur trioxide and a hydrofluoric addition point at the same height of Column are, but not necessarily have to lie.
Schwefeltrioxid und Fluorwasserstoff werden so weit unterhalb des Kopfs der Kolonne eingeleitet, dass am Kopf der Kolonne keine wesentlichen Mengen unumgesetztes Schwefeltrioxid oder unumgesetzter Fluorwasserstoff entweichen.sulfur trioxide and hydrogen fluoride become so far below the top of the column initiated that at the top of the column no significant amounts unreacted sulfur trioxide or unreacted hydrogen fluoride escape.
Das Produkt wird am Sumpf oder oberhalb des Sumpfes im Abtriebsteil der Kolonne entnommen. Es wird soweit unterhalb der untersten Zugabestelle von Fluorwasserstoff oder Schwefeltrioxid entnommen, dass keine unumgesetzten Reaktanden mit entnommen werden. Bevorzugterweise wird das Produkt oberhalb des Kolonnensumpfes im Abtriebsteil entnommen, um mögliche Verunreinigungen durch Schwersieder auszuschließen. Der Abtriebsteil wird vorzugsweise so ausgelegt, dass der gewünschte Reinheitsgrad der Fluorsulfonsäure erreicht wird, es ist jedoch ebenso möglich, die Fluorsulfonsäure in einem getrennten Verfahrensschritt nochmals zu destillieren. Ebenso kann das Verfahren in einer Trennwandkolonne oder thermisch gekoppelten Kolonnen ausgeführt werden.The Product is at the bottom or above the sump in the stripping section taken from the column. It is so far below the lowest point of addition taken from hydrogen fluoride or sulfur trioxide that no unreacted reactants are taken with. preferably, if the product is taken off above the bottom of the column in the stripping section, to possible Exclude impurities from high boilers. The output part is preferably designed so that the desired degree of purity of the fluorosulfonic acid is reached but it is equally possible the fluorosulfonic acid to distill again in a separate process step. Likewise, the process can be carried out in a dividing wall column or thermally coupled columns executed become.
Zur Herstellung reiner Fluorsulfonsäure ist es im Allgemeinen erforderlich, stöchiometrische Mengen Schwefeltrioxid und Fluorwasserstoff einzusetzen, also äquimolare Mengen. Vorzugsweise werden zur Herstellung hochreiner Fluorsulfonsäure auch hochreine Reaktanden eingesetzt. Die Herstellung hochreinen Schwefeltrioxids und hochreinen Fluorwasserstoffs ist bekannt, beides sind Handelswaren.to Preparation of pure fluorosulfonic acid It is generally necessary to use stoichiometric amounts of sulfur trioxide and to use hydrogen fluoride, so equimolar amounts. Preferably For the production of high-purity fluorosulphonic also high-purity reactants used. The production of high-purity sulfur trioxide and high-purity hydrogen fluoride is known, both are commercial goods.
Es ist möglich, aber nicht erforderlich, die Kolonne mit Inertgas zu durchströmen, um leichtflüchtige Verunreinigungen auszutreiben. Als Inertgas sind alle Gase geeignet, die gegenüber den Reaktanden, dem Produkt und den Verunreinigungen inert sind. Beispiele von Inertgasen sind Stickstoff und die Edelgase, insbesondere Argon. Stickstoff ist bevorzugt.It is possible, but not necessary to flow the column with inert gas to volatile Drive out impurities. As inert gas, all gases are suitable the opposite the reactants, the product and the impurities are inert. Examples of inert gases are nitrogen and the noble gases, especially argon. Nitrogen is preferred.
Der Druck der Fluorsulfonsäure in der Kolonne wird nach den Erfordernissen des Wärmehaushalts in der Kolonne eingestellt, die Siedetemperatur der Fluorsulfonsäure in der Kolonne ergibt sich daraus. Im Allgemeinen wird ein Druck von mindestens 0,05 bar abs. und vorzugsweise von mindestens 0,4 bar abs. sowie im Allgemeinen von höchstens 1,5 bar abs. und vorzugsweise höchstens 1,1 bar abs. eingestellt. Beispielsweise wird bei Normaldruck gearbeitet.Of the Pressure of the fluorosulfonic acid in the column is according to the requirements of the heat balance adjusted in the column, the boiling point of fluorosulfonic acid in the Column results from it. In general, a pressure of at least 0.05 bar abs. and preferably at least 0.4 bar abs. as well as in general from at most 1.5 bar abs. and preferably at most 1.1 bar abs. set. For example, working at atmospheric pressure.
Die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Reaktionswärme wird aus der Kolonne abgeführt. Dies erfolgt vorzugsweise zumindest teilweise durch einen Kondensator am Kopf der Kolonne, der siedende Fluorsulfonsäure vollständig, zumindest bis auf unwesentliche oder jedenfalls tolerierbare Restmengen kondensiert und leichter flüchtige Komponenten und gegebenenfalls auch eingeleitetes Inertgas aus der Kolonne entweichen lässt. Als Kühlmedium im Kondensator wird vorzugsweise Fluorsulfonsäure verwendet, um jegliche Störungen der Destillationskolonne durch mögliche Leckagen auszuschließen und die Werkstoffwahl zu vereinfachen. Das Kühlmedium kann in ei nem Sekundärkreislauf zur Dampferzeugung genutzt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, direkt Dampf oder Heißwasser zu erzeugen.The heat of reaction liberated by the exothermic reaction is removed from the column. This is preferably carried out at least partially by a condenser at the top of the column, the boiling fluorosulfonic acid completely, at least to insignificant or at least tolerable rest condenses quantities and more easily volatile components and optionally also introduced inert gas from the column can escape. Fluorosulfonic acid is preferably used as the cooling medium in the condenser in order to exclude any disturbances of the distillation column due to possible leaks and to simplify the choice of material. The cooling medium can be used in egg nem secondary circuit for steam generation. However, it is also possible to directly generate steam or hot water.
Es ist ebenso möglich, Reaktionswärme durch Einleiten kalter Fluorsulfonsäure in die Kolonne, vorzugsweise am Kolonnenkopf, abzuführen. Die beiden vorgenannten Maßnahmen zur Abführung der Reaktionswärme können kombiniert werden. Falls notwendig, wird der Abtriebsteil der Kolonne beheizt, vorzugsweise auf die Siedetemperatur der Fluorsulfonsäure beim in der Kolonne eingestellten Druck.It is also possible Heat of reaction through Introducing cold fluorosulphonic acid in the column, preferably at the top of the column dissipate. The two the above measures to the exhaustion the heat of reaction can be combined. If necessary, the stripping section of the column heated, preferably to the boiling point of the fluorosulfonic acid at set in the column pressure.
Als Kolonne wird eine übliche Destillationskolonne verwendet. Möglich ist die Verwendung von Bodenkolonnen, die mit Schlitz- Sieb-, Glocken- oder sonstigen Destillationsböden ausgestattet sind. Bevorzugterweise werden gepackte Kolonnen verwendet, die mit üblichen Füllkörpern oder mit einer üblichen strukturierten Packung gepackt sind.When Column becomes a usual Distillation column used. It is possible to use tray columns, equipped with slotted, sieve, bell or other distillation trays are. Preferably, packed columns are used which are conventional Packings or with a usual structured pack are packed.
Die Auslegung einer Destillationskolonne einschließlich Festlegung von Betriebsdruck und -temperatur unter Berücksichtigung der in der Kolonne entstehenden Wärme ist Routineaufgabe eines Fachmanns auf dem Gebiet der Destillation.The Design of a distillation column including specification of operating pressure and temperature under consideration The heat generated in the column is routine task of a person skilled in the art in the field of distillation.
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