DE69221892T2 - Verfahren zur entfernung von 2-chlor-1,1-difluorethylen aus 1,1,1,2-tetrafluorethan und co-produktion von 2-chlor-1,1,1,2-tetrafluorethan - Google Patents
Verfahren zur entfernung von 2-chlor-1,1-difluorethylen aus 1,1,1,2-tetrafluorethan und co-produktion von 2-chlor-1,1,1,2-tetrafluorethanInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft vornehmlich die Reinigung von 1,1,1,2-Tetrafluorethan, das auch als R-134a bezeichnet wird und als Ersatzstoff für vollhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften, insbesondere für R-12, besonderes Interesse gefunden hat. Man kann R-134a herstellen, indem man andere vollhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe, wie z.B. Trichlorethylen oder R-133a (2-Chlor-1,1,1-trifluorethan) mit HF umsetzt. Man kann es auch durch Hydrierung von R-114a (2,2-Dichlor-1,1,1,2- tetrafluorethan) oder R-124 (2-Chlor-1,1,1,2-tetrafluorethan) herstellen.
- Bei derartigen Reaktionen entstehen typischerweise viele Nebenprodukte, die unterschiedlich viele Wasserstoff-, Chlor- und Fluoratome an Methan-, Ethanund Ethylenmolekülen enthalten. Diese Nebenprodukte und nichtumgesetzter Einsatzstoff werden möglichst destillativ abgetrennt. Manche Verbindungen sind verhältnismäßig harmlos, da durch ihre Gegenwart die wertbestimmenden physikalischen Eigenschaften von H-FKW 134a nur wenig verändert werden. Das Nebenprodukt 2-Chlor-1,1-difluorethylen (R-1122) muß wegen seiner Toxizität abgetrennt werden, wenngleich es in wie bei der Syntheses anfallendem R-134a nur in verhältnismäßig geringen Mengen vorliegt. Da der Siedepunkt von R-1122 nahe beim Siedepunkt von R-134a liegt, ist ihre destillative Trennung schwierig. Nach der Destillation des Rohprodukts sind immer noch 500 bis 10.000 ppm (Gew.) R-1122 zugegen. Dieser Gehalt sollte gemäß den Spezifikationen des "Panel for Advancement of Fluorocarbon Test" (PAFTII) auf unter 10 ppm verringert werden. Vorzugsweise sollte der R-1122- Gehalt unter etwa 1 Gew.-ppm liegen.
- Die US-A-3,819,493 beschreibt ein Extraktivdestillationsverfahren zur Abtrennung von 1,1-Difluorethan (R-152a) aus R-134a aus der elektrochemischen Fluorierung von R-152a. Da diese beiden Verbindungen verhältnismäßig wenig flüchtig sind, setzt man zur Erhöhung der relativen Flüchtigkeit und zur Erleichterung ihrer Trennung gesättigte Kohlenwasserstoffe mit 4-10 Kohlenstoffatomen zu.
- Gemäß US-A-4,129,603 wird R-1122 abgetrennt, indem man verunreinigtes R-134a mit einer wäßrigen Lösung eines Metallpermanganats in Berührung bringt. Das R-134a stammt aus der Umsetzung von HF mit einem Halogenethan, wie z.B. 2-Chlor-1,1,1-trifluorethan, an einem Chromoxid- oder Chromfluorid-Katalysator.
- Ein anderer Ansatz zur Entfernung von R-1122 aus R-134a wird in der US-A-4,158,675 demonstriert. Die Umsetzung zur Herstellung von R-134a erfolgt bei Temperaturen im Bereich von 325ºC bis 375ºC in Gegenwart eines Chromoxid- oder Chromfluorid-Katalysators, wonach man den Austragsstrom der Umsetzung in einen zweiten Reaktör überführt, der einen Chromkatalysator enthält, aber bei 100ºC bis 275ºC betrieben wird. Dadurch wird der R-1122- Gehalt wesentlich verringert.
- Die US-A-4,906,796 beschreibt die Entfernung von R-1122 aus R-134a durch Adsorption mittels Zeolithen oder Kohlenstoff-Molekularsieben.
- Eine weitere Verbesserung der Verfahren zur Reinigung von R-134a, insbesondere hinsichtlich der Eliminierung von R-1122, ist erwünscht. Es wurde nun eine Möglichkeit zur Reinigung mittels Photochlorierung entdeckt, die im folgenden näher erläutert wird.
- Ferner betrifft eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von R-124 (2- Chlor-1,1,1,2-tetrafluorethan).
- Die EP-A-0 401 493 betrifft die Photochlorierung von 1,1-Dichlor-1-fluorethan (R-141b) zur Entfernung von ungesättigten Verunreinigungen. Dabei soll die Photochlorierung der ungesättigten Verunreinigungen gegenüber der Reaktion mit R-141b bevorzugt ablaufen. Dies wurde in Beispiel 1 bestatigt, wo es auf Seite 7, Zeile 2 heißt: "..., daß die Umwandlung von 1,1-Dichlor-1-fluorethan (F) sehr gering war ...".
- Die EP-A-0 143 864 betrifft die Photochlorierung von 1,1-Difluorethylen zu 1,1,2-Trichlor-2,2-difluorethan (R-122). Da eine große Menge des Einsatzstoffs gezielt zu R-122 umgewandelt werden soll, ist bei dem Verfahren ein Molverhältnis von Cl&sub2; zu 1,1-Difluorethylen von 1,2 biß 2,5 erforderlich.
- Die GB-A-698,127 betrifft die Photochlorierung von Tetrafluorethylen (R-1114) zu 1,1,2,2-Tetrafluor-1,2- dichlorethan (R-114). Da R-114 hergestellt werden sollte, zeigte das Beispiel wiederum, daß das Molverhältnis von Chlor zu R-114 fast 1/1 betrug.
- Man entfernt 2-Chlor-1,1-difluorethylen (R-1122) aus einem im wesentlichen aus 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R- 134a) und bis zu 10.000 Gew.-ppm R-1122 bestehenden Gemisch, indem man das H-FKW-134a-Gemisch in Gegenwart von ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge zwischen 300 und 400 nm, das eine Bestrahlung größer Null und bis zu 1000 Wattstunden/kg, bevorzugt mindestens 2 Wattstunden/kg des Gemischs liefert, mit 1 bis 50 und nach einer bevorzugten Ausführungsform mit 1 bis 4 mol Chlor pro mol R-1122 in der Dampfphase in Berührung bringt. Da das R-1122 in 1,2,2-Trichlor-1,1-difluorethan (R-122) umgewandelt wird, das sich aufgrund seines höheren Siedepunkts leicht von R-134a abtrennen läßt, kann man den R-1122-Gehalt auf weniger als 35 Gew.-ppm oder darunter verringern. Dabei werden auch andere ungesättigte Verbindungen durch Chlorierung zu anderen, abtrennbaren Derivaten entfernt.
- Bei der Photochlorierung von R-134a kann als Nebenprodukt 2-Chlor-1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-124) entstehen. Da es sich dabei um ein wertvolles Produkt handelt, stellt der Verlust an R-134a nicht unbedingt ein schwerwiegendes Problem dar. Tatsächlich kann die Herstellung von R-124 als Nebenprodukt wünschenswert sein. Also umfaßt die Erfindung nach einer Ausgestaltung ein Verfahren zur Verringerung des R-1122-Gehalts in R-134a auf ein niedriges Niveau, wobei gleichzeitig neben R-134a R-124 hergestellt wird. Bei dieser Ausführungsform setzt man 4 bis 50 mol Chlor pro mol R-1122 ein. Alternativ dazu kann man R-124 auch durch Photochlorierung von R- 134a herstellen, ohne daß dabei R-1122 entfernt werden muß. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von R-122 aus R-1122.
- Figur 1 ist ein Diagramm, das Konzentration bei verschiedenen Verhältnissen von Chlor zu R-1122 zeigt.
- Figur 2 ist ein ähnliches Diagramm wie in Figur 1 mit höheren Verhältnissen von Chlor zu R-1122.
- H-FKW 134a wird in der Regel durch Umsetzung von Trichlorethylen oder R-133a mit HF an einem Katalysator hergestellt und enthält verschiedene Nebenprodukte, wie z.B. R-143a, R-1122, R-124, R-133a und R-114a. Besonders wichtig ist die Entfernung von 2-Chlor-1,1-difluorethylen (R-1122) aus dem Rohprodukt. Nach einer vorgeschalteten destillativen Trennung von R-134a bleiben 500 bis 10.000 Gew.-ppm R-1122 zurück, das einen Siedepunkt von -17,1ºC aufweist, wohingegen R-134a einen Siedepunkt von -26,5ºC hat, wobei die Abtrennung von R-1122 von R-134a aufgrund der Differenz der Siedepunkte schwierig ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren setzt man R-1122 und andere ungesättigte Verbindungen mit Chlor zu höherchlorierten Verbindungen um, die einen höheren Siedepunkt haben und sich leicht von R-134a abtrennen lassen. Gleichzeitig kann man durch Chlorierung von R-134a R-124 als Nebenprodukt herstellen. Alternativ dazu umfaßt die Erfindung auch Verfahren zur Herstellung von R-122 aus R-1122 und von R-124 aus R-134a.
- Bei dem Verfahren bringt man rohes R-134a, das 500 bis 10.000 Gew.-ppm R-1122 sowie geringe Mengen anderer Nebenprodukte, wie z.B. die obengenannten, enthält, in Gegenwart von ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von 300 bis 400 nm mit Chlor in Berührung. Es versteht sich, daß eine UV-Lampe auch außerhalb dieses Bereichs strahlen kann, fur eine Photochlorierung jedoch UV-Licht in diesem Bereich erforderlich ist.
- Das ultraviolette Licht hat eine Intensität, die eine Bestrahlung größer Null und bis zu 1000 Wattstunden/kg des R-134a-Gemischs, bevorzugt 2 bis 100 Wattstunden/kg, liefert.
- Das ultraviolette Licht kann von Bogenlampen mit Quecksilber, Argon oder Xenon und Glühlampen mit Wolfram und Halogen geliefert werden.
- Nach einer Ausführungsform führt man dem rohen R- 134a-Strom Chlor mit einer Rate zu, die zur Lieferung von 1 bis 4 mol Chlor pro Mol R-1122 ausreicht.
- Es wurde gefunden, daß die Chlorierung von R-1122 durch Erhöhung des Verhältnisses von Chlor zu R-1122 (Cl&sub2;/R-1122) oder der UV-Licht-Bestrahlung verbessert wird. Im allgemeinen konnte der R-1122-Gehalt mit einer UV-Bestrahlung über 5 Wattstunden/kg, aber mit sehr niedrigen Cl&sub2;/R-1122-Verhältnissen auf weniger als 35 Gew.-ppm verringert werden. Umgekehrt kann man bei Verwendung von höheren Cl&sub2;/R-1122-Verhältnissen viel niedrigere UV-Bestrahlungen anwenden. Das Cl&sub2;/R-1122- Verhältnis und die UV-Bestrahlung können auf die gewünschten Bedingungen eingestellt werden. Es ist anzunehmen, daß die tatsächliche Konzentration von R-1122 weit unter 35 Gew.-ppm liegt. Die R-1122-Bestimmung wird bei so niedrigen Niveaus durch die Gegenwart von R-124a überdeckt. Laut anderen Analysen besteht die Gesamtmenge an R-124a und R-1122 hauptsächlich aus R-124a, so daß demzufolge die tatsächliche R-1122-Menge wohl unter 10 Gew.-ppm liegt und somit die gewünschte Spezifikation erfüllen sollte.
- Die Temperatur kann variieren, jedoch kann sie -30ºC bis 200ºC und bevorzugt 0º bis 80ºC betragen. Man wählt zweckmäßigerweise einen Druck, der für die Verarbeitungsbedingungen für R-134a geeignet ist und bei dem R-134a je nach Wunsch als Dampf oder Flüssigkeit vorliegt.
- Die von einer Lampe ausgehende UV-Strahlung wird üblicherweise in Form von Watt angegeben, wobei es sich um eine Energielieferungsrate handelt. Hier wird es als besser geeignet erachtet, Strahlung nicht als Rate, sondern als über einen Zeitraum gelieferte Energiemenge, d.h. die "Bestrahlung", anzugeben. Also kann die Bestrahlung in Form von Wattstunden angegeben werden, die mit der Zahl der gelieferten Energiephotonen und deren Wellenlänge in Beziehung stehen, welche wiederum mit der Chlorierung der ungesättigten Moleküle, wie z.B. R-1122, in Beziehung stehen. Da die Bestrahlung das Produkt aus der Energielieferungsrate (Photonen/Zeit) und der Zeit ist, ist es offensichtlich, daß man entweder die Rate oder die Zeit variieren kann. Für praktische Anwendungen sind die Rate und die Zeit jedoch beschränkt, da die Durchführung der gewünschten Photochlorierungsreaktion im Hinblick auf Zeit und Ausbeute Einschränkungen unterliegt. Bei einer hohen Rate oder einer langen Zeit wird nicht nur R-1122 zu R-122 chloriert, sondern das Chlor reagiert auch mit anderen Molekülen, insbesondere mit R- 134a zu H-FCKW 124. Alternativ dazu wäre bei einer sehr niedrigen Rate oder einer kurzen Zeit ungenügende Chlorierung von R-1122 zu erwarten.
- Ist die Herstellung von 2-Chlor-1,1,1,2-tetrafluorethan (R-124) als Nebenprodukt erwünscht, so kann man das Verhältnis von Chlor zu R-134a erhöhen. Vorzugsweise beträgt die UV-Bestrahlung 2 bis 160 Wattstunden/kg R-134a und das Cl&sub2;/R-1122-Verhältnis (mol) 4 bis 50. Nach diesem Verfahren lassen sich bis zu etwa 16% des R-134a in R-124 umwandeln, ohne daß allzuviel R-114a entsteht. Mit steigendem Cl&sub2;/R-1122-Verhältnis wird R-124 teilweise zu R-114a weiterchloriert. Bezieht man die Chlormenge nicht auf die Menge an R-1122, sondern auf die Menge an R-134a, so beträgt das maximale Cl&sub2;/R-134a-Molverhältnis 0,24/1. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß die Betriebsbedingungen zur Optimierung der relativen Mengen an R-114a und R-134a eingestellt werden können.
- Nach der Photochlorierung des R-134a können die chlorierten Produkte vom H-FKW 134a abgetrennt werden, beispielsweise durch Destillation, da die Siedepunkte nicht mehr so nahe beim Siedepunkt von H-FKW 134a liegen. Jegliche Chlor-, HCl- oder HF-Rückstände können durch Absorption von Chlor in wäßrigen Laugen, Adsorption an Kohlenstoff-Molekularsieben oder Umsetzung mit wäßrigem Natriumsulfit oder Natriumthiosulfat abgetrennt werden.
- Die Photochlorierung von R-134a wurde in einem 125-mL-Pyrex-Druckbehälter mit einem unten angeordneten Einlaß und einem oben angeordneten Auslaß durchgeführt.
- Der Reaktor wurde in den Brennpunkt eines RPR-100- Rayonet-Reaktors (Southern New England Ultraviolet Company) mit 16 RPR-3500-Lampen mit stärkster Intenstität bei einer Wellenlänge von 350 nm gebracht. Licht unter 300 nm wurde mit einem Pyrexfilter herausgefiltert. Die erhaltene Strahlung wurde mittels Eisen(III)-oxalat- Aktinometrie bestimmt (siehe The Chemists Companion, A.J. Gordon & R.A. Ford, Wiley Interscience (1972), Seite 362- 368). In diesem Behälter und unter diesen Bedingungen ergab diese Vorgehensweise eine Einfallslichtintensität von 1,448 x 10&supmin;&sup6; Einstein/s (0,497 Watt). (Ein Einstein entspricht einem mol Photonen.)
- Durch zwei separate Kapillarrohrstücke wurden zwei Einsatzströme geleitet, die anschließend vermischt und mit 5 psi überdruck (34,5 kPa Überdruck) dem Reaktor zugeführt wurden. Das verunreinigte R-134a enthielt 6000 Gew.-ppm R-1122 sowie andere Verunreinigungen einschließlich R-134, das durch Photochlorierung in R-124a umgewandelt wird. Ein Strom enthielt verunreinigtes R-134a, der andere Chlor. Durch Vermischen der beiden Ströme wurde das Verhältnis von Chlor zu R-1122 variiert. Die Bestrahlung wurde aus der Verweilzeit und der Lichtintensität berechnet und variierte von 5,89 bis 27,5 Wattstunden/kg. Nach der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht wurde der Produktstrom gaschromatographisch untersucht, wobei eine 3048 mm lange Säule mit einem Durchmesser von 3,175 mm mit einer Packung von 1% SP1000 auf Carbopack B 60-80 Mesh (Supelco Inc.) 3 Minuten bei 45ºC betrieben und dann mit einer programmierten Heizrate von 8ºC/Min. auf 200ºC erhitzt wurde. Wie oben bereits bemerkt, sieht man bei dieser Analyse R-124a und R-1122 als eine einzige Verbindung, so daß der angegebene R- 1122-Wert wohl weit unter 35 Gew.-ppm und wahrscheinlich unter 10 Gew.-ppm liegt. Es versteht sich, daß der Wert 35 Gew.-ppm R-1122 den Maximalwert darstellt und in der Praxis unter Berücksichtigung des R-124a zu korrigieren ist.
- Die Ergebnisse der Prüfungen bei niedrigeren Cl&sub2;/R-1122-Verhältnissen sind in Figur 1 wiedergegeben.
- Die Verbindungen werden nach dem allgemein üblichen System der American Society of Refrigerating Engineers als Kältemittel (R, refrigerants) bezeichnet.
- Daraus ist ersichtlich, daß die R-1122-Konzentration mit steigendem Cl&sub2;-R-1122-Verhältnis abnimmt. Theoretisch kann ein Mol Chlor mit einem mol R-1122 zu einem mol R-122 reagieren. Aus den Ergebnissen geht hervor, daß das R-1122 bei einem Verhältnis von etwa 1,6/1 im Rahmen der Meßgenauigkeit praktisch vollständig umgewandelt worden ist. Das Produkt der Chlorierung von R-134a, d.h. R-124, tritt bei einem Verhältnis von etwa 1/1 auf. Wenn nur die Entfernung von R-1122 gewünscht ist, beträgt daher das bevorzugte Cl&sub2;/R-1122-Verhältnis etwa 1/1 bis 1,6/1.
- Die Photochlorierung von R-134 wurde in der gleichen Versuchsapparatur und nach den gleichen Verfahrensweisen wie in Beispiel 1 durchgeführt. Zwei Einsatzströme wurden durch Kapillaren separat zum Reaktor geleitet, anschließend gemischt und mit 5 psi Überdruck (34,5 kPa Überdruck) dem Reaktor zugeführt. Ein Strom enthielt verunreinigtes R-134a, der andere Chlor. Durch Vermischen der beiden Ströme wurde das Verhältnis von Chlor zu R-1122 variiert. Die Verweilzeit im Reaktor wurde aus der Summe der beiden Strömungsraten ermittelt, und die Bestrahlung wurde aus der Verweilzeit und der Lichtintensität berechnet. Nach der Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht wurde der Produktstrom niedergeschlagen und analog Beispiel 1 gaschromatographisch analysiert. Die Ergebnisse der Prüfungen mit höheren Cl&sub2;/R-1122-Verhältnissen als in Beispiel 1 sind in Figur 2 dargestellt. Im linken Teil des Diagramms sieht man die Ergebnisse des vorhergehenden Beispiels, d.h. R-1222 wird nahezu vollständig entfernt. Die Chlorierung von R-134a zu R-124 und von R-124 zu R-114a nimmt mit steigendem Cl&sub2;/R-1122-Verhältnis zu. Im äußersten rechten Teil des Diagramms ist zu erkennen, daß die Menge an R-124 über 15 Mol-% und die R-114a-Menge über 10 Mol-% liegt. Also kann man durch Einstellung der vorhandenen Chlormenge beträchtliche Mengen an R-124 herstellen. Die Herstellung von R-114a ist nicht so wünschenswert, und als optimales Cl&sub2;/R-1122-Verhältnis wird etwa 5/1 bis 21/1 angesehen.
- Zwar wurde das erfindungsgemäße Verfahren als Verfahren beschrieben, bei dem R-1122 als Verunreinigung in R-134a betrachtet und bis zum gewünschten niedrigen Niveau entfernt wird, jedoch schließt die Erfindung auch die Herstellung von R-124 als Nebenprodukt aus R-134a und allgemeiner gesagt Verfahren, bei denen R-134a in R-124 oder R-1122 in R-122 umgewandelt wird, ein.
Claims (8)
1. Verfahren zur Entfernung von
2-Chlor-1,1-difluorethylen (R-1122) und anderen ungesättigten Verbindungen
aus 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a), bei dem man
(a) ein im wesentlichen aus R-134a und bis zu 10.000
Gew.-ppm R-1122 bestehendes Gemisch in Gegenwart
von ultraviolettem Licht mit Wellenlängen
zwischen 300 und 400 nm, das eine Bestrahlung größer
Null und bis zu 1000 Wattstunden/kg des Gemischs
liefert, mit 1 bis 50 mol Chlor pro mol
2-Chlor-1,1-difluorethylen (R-1122) in Berührung bringt,
wodurch die Konzentration von R-1122 durch
Umwandlung in 1,2,2-Trichlor-1,1-difluorethan (R-
122) auf weniger als 35 Gew.-ppm verringert wird;
und
(b) das in (a) gebildete R-122 von R-134a abtrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Gemisch aus R-134a und R-1122 mit 1 bis
4 mol Chlor pro mol R-1122 in Berührung bringt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß man R-134a zur Herstellung von 2-Chlor-1,1,1,2-
tetrafluorethan (R-124) als Nebenprodukt teilchloriert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das ultraviolette Licht eine
Bestrahlung von 2 bis 100 Wattstunden/kg des Gemischs
liefert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß man das Inberührungbringen
gemäß (a) bei einer Temperatur von -30ºC bis 200ºC
durchführt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Abtrennung gemäß (b)
destillativ durchführt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß man als Nebenprodukt
2-Chlor-1,1,1,2-tetrafluorethan (R-124) herstellt und 2-Chlor-1,1-difluorethylen
(R-1122) und andere ungesättigte Verbindungen aus
1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a) entfernt, indem man das
Gemisch aus R-134a und R-1122 in Gegenwart von
ultraviolettem
Licht mit Wellenlängen zwischen 300 und 400 nm,
das eine Bestrahlung größer Null und bis zu 1000
Wattstunden/kg des R-134a liefert, mit 4 bis 50 mol Chlor
pro mol R-1122 in Berührung bringt, wodurch das R-1122
durch Umwandlung in R-122 entfernt wird und durch
Photochlorierung R-124 als Nebenprodukt anfällt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das ultraviolette Licht eine Bestrahlung von 2
bis 160 Wattstunden/kg des Gemischs liefert.
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