DE1950804C3 - Katalysator zur Herstellung von fluorierten oder chlorfluorierten Kohlenwasserstoffen sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung desselben - Google Patents

Katalysator zur Herstellung von fluorierten oder chlorfluorierten Kohlenwasserstoffen sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung desselben

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DE1950804C3 DE1950804A DE1950804A DE1950804C3 DE 1950804 C3 DE1950804 C3 DE 1950804C3 DE 1950804 A DE1950804 A DE 1950804A DE 1950804 A DE1950804 A DE 1950804A DE 1950804 C3 DE1950804 C3 DE 1950804C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator zur Herstellung von fluorierten oder chlorfluorierten Kohlenwasserstoffen durch Fluorierung oder Chlorfluorierung in der Gasphase, hergestellt durch Versetzen von Aluminiumfluorid oder Aluminiumoxid mit Mangan-, Chrom- und gegebenenfalls Nickelverbindungen, Trocknen und Aktivieren mittels Erhitzen auf erhöhte Temperaturen in einem Gasstrom sowie anschließendes Fluorieren mit gasförmigem Fluorwasserstoff bei erhöhter Temperatur. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Katalysators sowie die Verwendung desselben.
Es ist bekannt, daß viele Metallverbindungen eine katalytische Wirkung bei der Fluorierung von halogenierten Kohlenwasserstoffen mit Fluorwasserstoff in der Gasphase zeigen. Beispielsweise sind hierfür die Halogenide von Fe, Ni, Co, Mn, Cd, Zn, Hg, Al, Cr sowie deren Kombinationen bekanntgeworden.
Ein eingangs genannter Katalysator ist in der DE-AS 46 703 beschrieben. Dieser Katalysator wird durch Imprägnierung von y-Aluminiumoxid mit einer wässerigen Lösung von Chrom-, Kobalt-, Nickel- oder Manganhalogeniden, gegebenenfalls mit mehreren der genannten Lösungen, Trocknen des imprägnierten Aluminiumoxids, Überleiten eines mit Wasserdampf gemischten Luftstroms bei 500—650°C während zwei Stunden. Absenken der Temperatur auf 250—3000C und Oberleiten von unverdünntem Fluorwasserstoff bis zu einer 70- bis 80%igen Fluorierung des Aluminiumoxids hergestellt Des weiteren ist aus der GB-PS 10 00 083 ein Katalysator bekannt, der in seiner Zusammensetzung und Herstellung weitgehend demjenigen der DE-AS 12 46 703 gleicht.
Mit den bekannten Katalysatoren werden praktisch ausschließlich unsymmetrische Fluor- bzw. Chlorfluor-
lu kohlenwasserstoffe erhalten, oder es wird, wenn bereits von unsymmetrischen Verbindungen ausgegangen wird, der Grad der Unsymmetrie noch erhöht Beispielsweise erhält man gemäß Beispiel 1 der DE-AS 12 46 703 durch Fluorieren von Trichloräthylen hauptsächlich 1,1,1-Trifluor-2-Chloräthan. gemäß Beispiel 2 durch Fluorieren von Vinylchlorid hauptsächlich 1,1-DifIuoräthan, gemäß Beispiel 3 durch Fluorieren von 1,1-Dichloräthylen hauptsächlich 1,1,1-Trifluoräthan und gemäß Beispiel 4 durch Fluorieren von Tetrachloräthylen hauptsächlich
2» l,l,l-Trifluor-2,2-Dichloräthan. Ebenso erhält man gemäß der GB-PS 10 00 083 durch Behandeln von symmetrischem Tetrachloräthan mit Fluorwasserstoff die unsymmetrische Verbindung l,l,l-Trifluor-2-ChIoräthan.
>■> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator zur Verfügung zu stellen, mit dem sich fluorierte oder chlorfluorierte Kohlenwasserstoffe mit höherem Symmetriegrad herstellen lassen als mit den bekannten Katalysatoren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem eingangs beschriebenen Katalysator dadurch gelöst, daß er 0,05 bis 5Gew.-°/o Mangan, 0,1 bis 5Gew.-°/o Chrom und bis zu 5 Gew.-°/o Nickel, bezogen auf das Gewicht des fertigen Katalysators, enthält und daß das
π Aktivieren durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 300 und 5500C während 0,5 bis 4 Stunden in einem Stickstoff- oder Luftstrom sowie das Fluorieren bei 200 bis 5000C in einem mit einem inerten Gas verdünnten Fluorwasserstoffstrom erfolgt.
w Im Gegensatz zu den bekannten Katalysatoren, zu deren Herstellung wahlweise eine Chrom-, Kobalt-, Nickel- oder Manganhalogenidlösung, gegebenenfalls mehrere der genannten Lösungen, eingesetzt werden können, muß bei der Herstellung des erfindungsgemä-
·»■') ßen Katalysators zwingend das Aluminiumoxid bzw. -fluorid mit Mangan-, Chrom- und gegebenenfalls Nickelverbindungen behandelt werden, d. h., die Imprägnierung muß mindestens mit einer Mangan- und einer Chromverbindung vorgenommen werden, eine
·><) Nickelverbindung kann, muß aber nicht eingesetzt werden. Diese Verbindungen müssen keineswegs zwingend in Form ihrer gelösten Halogenide vorliegen, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Die erfindungsgemäße Lehre schreibt jedoch zwigend vor,
Yi daß diese Verbindungen dem Aluminiumfluorid bzw. Aluminiumoxid in solchen Mengen zugesetzt werden, daß der fertige Katalysator 0,05 bis 5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 5 Gew.-% Chrom und 0 bis 5 Gew.-°/o Nickel enthält.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines eingangs beschriebenen Katalysators, wobei man Aluminiumfluorid oder Aluminiumoxid mit Mangan-, Chrom- und gegebenenfalls Nickelverbindungen versetzt, das Produkt trocknet und mittels Erhitzen
μ auf erhöhte Temperaturen in einem Gasstrom aktiviert sowie anschließend bei erhöhter Temperatur mit gasförmigem Fluorwasserstoff fluoriert. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber
diesem Stand der Technik dadurch aus, daß man durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 300 und 5500C während 0,5 bis 4 Stunden in einem Stickstoff- oder Luftstrom aktiviert und bei 200 bis 500° C in einem mit einem inerten Gas verdünnten Fluorwasserstoffstrom fluoriert.
Im Gegensatz dazu wird bei dem aus der DE-AS 12 46 703 bekannten Herstellungsverfahren das imprägnierte Aluminiumoxid bei 110° C getrocknet, ein mit Wasserdampf gemischter Luftstrom bei 500 bis 650" C etwa 2 Stunden lang übergeleitet und die Temperatur auf 250 bis 300° C abgesenkt sowie Fluorwasserstoff bis zu einer 70- bis 8G°/oigen Fluorierung des Aluminiumoxids übergeleitet Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit in anderen Temperaturbereichen gearbeitet, und es wird insbesondere in einem zur Regelung der Reaktionswärme ausreichend mit einem inerten Gas verdünnten Fluorwasserstoffstrom fluoriert
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Katalysators auch Aluminiumfluorid anstelle von Aluminiumoxid eingesetzt werden. Bei der Verwendung von Aluminiumoxid wird dieses in der anschließenden Fluorierungsbehandlung der katalytischen Zusammensetzung mit gasförmigem Fluorwasserstoff weitgehend in das Fluorid übergeführt. Bei Verwendung von Aluminiumoxid zur Herstellung des Katalysators sind die Verbindungen von Mangan, Chrom und Nickel in größeren Mengen einzusetzen, d. h. in Richtung auf die oberen Grenzender vorstehend angegebenen Mengenbereiche.
Mangan, Chrom und Nickel werden vorzugsweise in Form von Lösungen ihrer Salze, z. E. von Nitraten und Chloriden, oder anderen Verbindungen eingeführt, welche durch das Aluminiumfluorid oder, wenn von Aluminiumoxid ausgegangen wird, von diesem adsorbiert werden. Die auf diese Weise erhaltenen Substanzen werden dann in einem Ofen bei 150° C getrocknet.
Wie erwähnt, werden bei der Herstellung des Katalysators vorzugsweise Mangan-, Chrom- und Nickelverbindungen in Form von Halogeniden oder anderen Verbindungen, insbesondere Nitraten, verwendet, welche nach der Aktivierungs- und Fluorierungsbehandlung des Katalysators mindestens teilweise in Form von Halogeniden, insbesondere Fluoriden, oder in Form von Oxiden oder Oxy-Halogeniden vorliegen.
Bezüglich der Aktivierungs- und Fluorierungsbehandlung sind für den aus Aluminiumoxid hergestellten Katalysator höhere Temperaturen erforderlich als für den aus Aluminiumfluorid hergestellten. Die Verdünnung des zum Fluorieren verwendeten Fluorwasserstoffstromes wird hauptsächlich deswegen vorgenommen, um die Reaktionstemperatur leichter regulieren und örtliche Überhitzungen vermeiden zu können.
Der erfindungsgemäß gewonnene Katalysator zeichnet sich dadurch aus, daß er die Bildung größerer Mengen von symmetrischen Verbindungen oder von Verbindungen mit einem relativ höheren Symmetriegrad als der von Verbindungen, die mit den bekannten Katalysatoren erhalten werden, begünstigt. Der Symmetriegrad bezieht sich hier auf die Verteilung von Fluoratomen; es ist auch so zu verstehen, daß eine nicht exakt symmetrische Verbindung, wie CF2CI—CFCI2 einen höheren Symmetriegrad besitzt als das Isomere CF3-CCI3. Über der angegebenen Grenze von 500°C nimmt die Selektivität des Katalysators in der Förderung der Bildung von symmetrischen Produkten mit zunehmender Temperatur ab.
Der in feiner Granulatform erhaltene Katalysator ist besonders für die Verwendung in Wirbelbettreaktoren geeignet Der Katalysator eignet sich besonders zur Herstellung von fluorierten oder chlorfluorierten Äthaneii hohen Symmetriegrades und insbesondere für die folgenden Reaktionen: ;
a) Fluorierung von halogenierten Äthanen, die mindestens ein Chloratom enthalten, in der Gasphase mit HF bei einer Temperatur zwischen 350 und 500° C, um Verbindungen mit einem hohen Symmetriegrad in bezug auf die Fluoratome zu erhalten. Die Fluorierung von CF2Cl-CFCl2 führt zu einer hohen Ausbeute an CF2Cl-CF2CI und einer verminderten Isomerisierung des Ausgangsmaterials ZU CF3CCI3.
b) Chlorfluorierung von Äthylen in der Gasphase mit einem Cl2+HF-Gemisch in Gegenwart von im Kreis geführten halogenierten Kohlenwasserstoffen bei einer Temperatur zwischen 330 und 500° C, um vorwiegend C2F4Cl2 und C2F3Cl3 mit hohen prozentualen Anteilen an Isomeren mit einem hohen Symmetriegrad, das sind CF2Cl-CF2Cl und CF2Cl-CFCI2, zu erhalten.
2r> c) Disproportionierung von CF2Cl-CFCl2 in der Gasphase bei Temperaturen zwischen 330 und 500° C und der Bildung großer Mengen an der symmetrischen Verbindung CF2Cl-CF2CI und sehr geringen Mengen an den CF3-CCh-Isomeren.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators wird im Detail anhand der nun folgenden Beispiele 1 und 2 beschrieben. Im ersten Beispiel wird von Aluminiumoxid ausgegangen, während im zweiten Beispiel Aluminiumfluorid als Ausgangsprodukt eingesetzt ist. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Katalysators wird durch die Beispiele 3 und 4 veranschaulicht. Naturgemäß ist eine Vielzahl von weiteren Verwendungsarten denkbar.
Beispiel 1
Herstellung des Katalysators,
ausgehend von Aluminiumoxid
■»■> 351 g einer 50%igen Mn(NO3)2-Lösung werden mit 106,8 g NiCl2-OH2O und 67,5 g CrCl3 · 6 H2O mit etwas Wasser bei Raumtemperatur gemischt. Die so erhaltene Lösung wird auf ein Volumen von 370 cm3 verdünnt, was dem Gesamtporenvolumen des Alumi-
5» niumoxids, welches imprägniert werden soll, entspricht. Diese Lösung wird dann langsam auf 1000 g Aluminiumoxid1) gegossen, wobei während der Imprägnierung ebenso wie während der folgenden 2 Stunden langsam kontinuierlich gerührt wird. Die Lösung wird dann 4 Stunden stehengelassen und danach in einem Ofen 12 Stunden bei 150° C getrocknet.
Das imprägnierte Aluminiumoxid wird dann in einen Reaktor eines Durchmessers von 5 cm gegeben, in welchem die Aktivierung bei einer Fließbettgeschwindigkeit von etwa 9 cm/Sek. mit Luft ausgeführt wird, worauf die Fluorierung mit Fluorwasserstoffsäure in folgender Weise durchgeführt wird:
1J Das verwendete Aluminiumoxid hatte folgende chemische und physikalische Eigenschaften:
b5 Aluminiumoxid kugelförmig
Oberfläche 280 nWg
Porenvolumen 0,45 cmVg
Schüttgewicht 0,92 g/cm3
Aktivierung
Die Masse wird in einem Luftstrom über 4 Stunden von 25°C auf 5000C erhitzt Sie wird dann bei 5000C 30 Minuten gehalten und danach von SOO0C auf 2000C innerhalb von 2 Stunden, noch im Luftstrom, abgekühlt
Fluorierung
Die Masse wird in einem Luftstrom auf 2500C erhitzt, und bei dieser Temperatur wird innerhalb von 9 Stunden ι ο eine Mischung von Luft und HF eingeleitet. Die Gesamtmenge HF beträgt 1450 g. Danach wird die Masse von 250 auf 4200C, noch im Luftstrom, erhitzt Bei 420° C wird die Masse weitere 4·/2 Stunden mit einer Mischung von Luft und HF weiter fluoriert. Die Menge
Lichte Maschenweite in mm
in den Reaktor eingeleiteten HF beträgt 600 g. Am Schluß wird die Masse von 420°C auf 2000C nur im Luftstrom abgekühlt
Hauptbestandteile:
AI2O3 97,46%
Na2O 0,06%
SiO2 1,80%
SO4 0,66%
Fe 0,015%
Gewichtsverlust nach Kalzinieren bei 4500C 4 Stunden = 20%. Die Teilchengrößenverteilung des Aluminiumoxids, von dem ausgegangen wird, wurde durch Siebanalysen ermittelt:
unter 0,044
22.92
0,175 0,147 0,104 0,074 0,053 0,044
0,61 3,67 17,59 18,71 20,22 16,24
Beispiel 2 Herstellung des Katalysators, ausgehend von AIF3
Für diesen Versuch wurde der Katalysator hergestellt durch Ausgießen der Lösung der aktiven Bestandteile auf Aluminiumfluorid, das nachstehend aufgeführte physikalische und chemische Eigenschaften hatte:
- Gehalt an Fluor = 64,2%
— Enthält die folgenden Elemente, mittels Emissionsspektrograph bestimmt:
30
Ca
Cr
Cu
Ga
Fe
0,0014%
0,032%
0,005%
0,00019%
0,0087%
0,018%
Mn
Mo
Ni Si
Na
Pb
0,0096%
0,0005%
0,0048%
0,005%
0,060%
0,021%
0,001%
Bei der Röntgenanalyse stellte sich heraus, daß es aus ^-AIF3, in dem JS-AlF3 anwesend ist, besteht Es zeigte die folgende Partikelgrößenverteilung, bestimmt durch Siebanalyse:
Lichte Maschenweite in
mm
0,0110 0,105 0,090 0,074 0,062 0,053 0,044 unter
0,044
% 5,2 14,9 13,4 16,2 18,8 12,8 12,8 5,8
Auf 500 g dieses Aluminiumfluorids wurde unter kontinuierlichem langsamem Rühren die Lösung der aktiven Bestandteile gegossen; diese Lösung war hergestellt durch Lösen von
42,6 g NiCl2 ■ 6 H2O,
26,9 g CrCl3 · 6 H2O und
68,5 g einer 50%igen Mn(NO3)2-Lösung in einer kleinen Menge Wasser, die auf 8O0C erhitzt war, und durch Verdünnen der Lösung auf ein Volumen von 80 ml, was dem Gesamtporenvolumen des zu imprägnierenden Porenvolumens des Aluminiumfluorids entspricht. Das Ganze wurde dann 4 Stunden stehengelassen und dann 12 Stunden bei 150° C getrocknet
In einem Reaktor eines Durchmessers von 5 cm wurde die Aktivierung mit Luft bei einer Fließbettgeschwindigkeit von etwa 9 cm/Sek. ausgeführt, danach folgte die Fluorierung mit Fluorwasserstoffsäure in folgender Weise:
Aktivierung
Die Masse wurde auf 300°C in einem Stickstoffstrom erhitzt, dann bei dieser Temperatur 1 Stunde gehalten und zum Schluß von 300° C auf 200° C innerhalb von 30 Minuten abgekühlt, noch unter Stickstoff.
Fluorierung
In einem Stickstoff strom wurde die Masse auf 42O0C für eine Zeit von 90 Minuten erhitzt Danach wurde 90 Minuten lang ein N2 + HF-Strom (insgesamt 90 g HF) bei 4200C über die Masse geleitet. Am Schluß wurde von 420° C auf 200° C innerhalb von 60 Minuten in einem Stickstoffstrom abgekühlt.
Beispiel 3 Fluorierung von CF2CI — CFCI2 in der Gasphase
Die Fluorierungsreaktion wurde in einem Nickelreaktor ausgeführt, der einen auf Aluminiumfluorid basierenden Katalysator mit unterschiedlichen Mengen Mangan, Chrom und Niete!, in den in äquimolarcm Verhältnis vorliegenden Reaktanten HF und CF2CI-CFCI2 enthielt.
Die Reaktionsprodukte wurden mit Wasser und Natronlauge gewaschen und dann kondensiert. Die Zusammensetzung des Gemisches wurde durch Chromatographie bestimmt und im Hinblick auf di Isomeren durch IR-Absorptionsspektralanalyse. Ii Tabelle 1 sind die Ergebnisse von Versuchen nach Stunden Laufzeit, die mit dem Katalysator gemäß de Erfindung sowie mit verschiedenen anderen Katalysato ren zum Vergleich durchgeführt wurden, wiedergege ben, um die erzeielten charakteristischen Ergebnisse zi zeigen
Beispiel 4
Chlorfluoriening von Äthylen
Kontinuierliche Versuche der Chlorfluorierung von Äthylen in der Gasphase wurden in Anwesenheit von Katalysatoren gemäß der Erfindung sowie in Gegenwart verschiedener anderer Katalysatoren zum Vergleich durchgeführt. Die Ergebnisse nach etwa 25 Stunden Laufzeit sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Diese Versuche wurden in einem Nickelreaktor ausgeführt, der einen Aluminiumfluorid-Katalysator mit unterschiedlichen Mengen Mangan, Nickel und Chrom
Tabelle 1
enthielt, und in den die Reaktanten C2H4, Cl2 und HF zusammen mit den im Kreislauf geführten Produkter (d. h. chlorfluorierte Kohlenwasserstoffe) eingeleitei
.»ο wurden. Das Reaktionsprodukt wurde der Destillation unterworfen. Die Nebenfraktion wurde in den Reaktor zurückgeführt, die Hauptfraktion wurde von einem Gemisch von C2F5CI, C2F4, Cl2 und C2F3CI3 gebildet Zusammensetzung und Verhältnis der verschiedenen
2> Isomeren zueinander sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
Versuch Nr.
2
Katalysator
Ni, %
Cr, %
Mn, %
Reaktionstemperaiur in 0C
Verweilzeit in Sek.
Umsetzung von HF, %
Umsetzung von CF2CI-CFCI2,
Netto-Ausbeute, %*)
an CF3CF2Cl
an CF3CFCIj
an CF2Ci-CF2CI
an CFiCCh
*) Der Rest auf 100% ist vorwiegend C2F?CI<i (Gemisch der Isomeren).
Tabelle 2
AIF3 AIF3 AIF3 AIF3 AIF3 AIFi
0 2 2 0 2 2
0 0 1 0 1 1
0 0 0 0,5 1 2
400 400 400 400 400 400
3 3 3 3 3 3
83 86 79 50,8 42 31
96 94 83 55 50,5 31,8
16 31 18 5,5 3,4 0,1
48 26 20 41 9,5 2
8,5 16 46 39,5 77,5 88,5
23 16 7,7 6 1 0,1
Versuch Nr. I
Katalysator:
Ni, %
Cr, %
Mn, %
Reaktionstemperatur, 0C
Kontaktteil in Sek:
CI2/HF/C2H4
Umlauf/C2H4
Umsetzung von HF, %
Netto-Ausbeute:
an C2F5CI, %
an C2F4CI2, %
an C2F3CI3, %
Selektivität in %:
CF2CI-CF2CI
C2F4CI2
CF2CI-CFCI2
C2F3CI3
400
1,7
6,1/4,6/1
10/1
86.3
2,4
80
16,4
11
56
400
1,5
5/4,4/1
10/1
88
1,8
74,1
23,9
24
45
400
10/1 61,6
Spuren
19
81
77 97

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Katalysator zur Herstellung von fluorierten oder chlorfluorierten Kohlenwasserstoffen durch Fluorierung oder Chlcrfluorierung in der Gasphase, hergestellt durch Versetzen von Aluminiumfluorid oder Aluminiumoxid mit Mangan-, Chrom- und gegebenenfalls Nickelverbindungen, Trocknen und Aktivieren mittels Erhitzen auf erhöhte Temperaturen in einem Gasstrom sowie anschließendes Fluorieren mit gasförmigem Fluorwasserstoff bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,05 bis 5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 5 Gew.-% Chrom und bis zu 5 Gew.-% Nickel, bezogen auf das Gewicht des fertigen Katalysators, enthält, und daß das Aktivieren durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 300 und 550° C während 0,5 bis 4 Stunden in einem Stickstoff- oder Luftstrom sowie das Fluorieren bei 200 bis 5000C in einem mit einem inerten Gas verdünnten Fluorwasserstoffstrom erfolgt.
2. Verfahren zur Herstellung des Katalysators nach Anspruch 1, wobei man Aluminiumfluorid oder Aluminiumoxid mit Mangan-, Chrom- und gegebenenfalls Nickelverbindungen versetzt, das Produkt trocknet und mittels Erhitzen auf erhöhte Temperaturen in einem Gasstrom aktiviert sowie anschließend bei erhöhter Temperatur mit gasförmigem Fluorwasserstoff fluoriert, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 300 und 550° C während 0,5 bis 4 Stunden in einem Stickstoff- oder Luftstrom aktiviert und bei 200 bis 500°C in einem mit einem inerten Gas verdünnten Fluorwasserstoffstrom fluoriert.
3. Verwendung des Katalysators nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von fluorierten oder chlorfluorierten Äthanen hohen Symmetriegrades.
DE1950804A 1968-10-10 1969-10-09 Katalysator zur Herstellung von fluorierten oder chlorfluorierten Kohlenwasserstoffen sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung desselben Expired DE1950804C3 (de)

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