ES2252468T3 - Produccion mejorada con agua de 1,1,1,3,3-pentacloropropano. - Google Patents
Produccion mejorada con agua de 1,1,1,3,3-pentacloropropano.Info
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Abstract
Procedimiento para la producción de 1, 1, 1, 3, 3- pentacloropropano mediante la reacción de tetracloruro de carbono y cloruro de vinilo en un reactor, en el que se añade agua en una cantidad suficiente para aumentar la velocidad de la reacción.
Description
Producción mejorada con agua de
1,1,1,3,3-pentacloropropano.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la fabricación de
1,1,1,3,3-pentacloropropano.
El Protocolo de Montreal de 1987 prohibió ciertas
sustancias que agotan la capa de ozono, especialmente los
clorofluorocarbonos (CFC). Para acelerar la eliminación de la
producción y el uso de los CFC, el Protocolo permitió que se usaran
ciertos productos fluorocarbonados (HCFC) como "sustitutos
puente". Aunque estos sustitutos puente son considerablemente más
inocuos para el ozono que los CFC, se pretende que sean sustitutos
transitorios y no permanentes. Los productores de fluorocarbono
están buscando activamente candidatos de sustitución conocidos como
"fluorocarbonos de tercera generación". Estos fluorocarbonos de
tercera generación requerirán materias primas de
hidroclorocarbono.
El segundo mercado más grande de empleo final de
fluoroquímicos de los EE.UU., junto al de la refrigeración, es el de
agentes de expansión utilizados en la fabricación de varios
productos conformados de plástico sintético. El
CFC-1 1 era el producto dominante en este mercado.
Sin embargo, se ha sustituido por el fluorocarbono puente
HCFC-141b. Debido a que los fabricantes de espuma
tienen que eliminar el HCFC-141b hacia el 2003,
deben desarrollarse y comercializarse nuevos productos de
fluorocarbono de tercera generación.
Varios productores de productos fluoroquímicos se
han centrado en el fluorocarbono
1,1,1,3,3-pentafluoropropano, utilizando
1,1,1,3,3-pentacloropropano como material prima de
hidroclorocarbono, como el producto sustituto primario para
aplicaciones de soplado de espuma. Zil'bennan et al.
("Synthesis of liquid telomers of vinyl chloride with carbon
tetrachloride", J. Org. Chem. USSR (Traducción inglesa),
3:2101-2105, 1967) prepararon
1,1,1,3,3-pentacloropropano con un rendimiento del
58% mediante la reacción de tetracloruro de carbono y cloruro de
vinilo usando cloruro ferroso tetrahidratado en isopropanol. Además,
Kotora et al. ("Addition of tetrachloromethane to
halogenated ethenes catalyzed by transition metal complexes",
J. Mol. Catal., 77(1):51-60, 1992)
prepararon 1,1,1,3,3-pentacloropropano con altos
rendimientos usando o CuCl/C_{4}H_{9}NH_{2} o
Ru(Ph_{3}P)_{3}.
La Solicitud de Patente Europea Nº 131561
describe un procedimiento muy general para la adición de un
haloalcano a un compuesto alqueno o alquino en presencia de metal de
hierro y un compuesto de fósforo (V). Mientras que el documento EP
131561 es de naturaleza muy general, se presentan varios ejemplos
sobre la reacción discontinua de etileno y tetracloruro de carbono
para producir 1,1,1,3-tetracloropropano. Sin
embargo, el documento EP 131561 sí menciona una amplia variedad de
olefinas y alquinos, que incluye los haluros de vinilo. El documento
EP 131561 también menciona que el procedimiento discontinuo podría
hacerse continuo, pero no incluye ningún detalle de cómo se
llevaría esto a cabo.
El documento WO 01/25176 A describe la
preparación de hidrocarburos halogenados mediante la reacción de un
haloalcano con una olefina en un medio de reacción básicamente sin
agua.
Pese a los procedimientos conocidos, se necesitan
mejoras en la fabricación de
1,1,1,3,3-pentacloropropano. La presente invención
se dirige a dicho procedimiento mejorado. Más particularmente, la
presente invención se refiere a la adición de agua para mejorar la
producción de 1,1,1,3,3-pentacloropropano.
La invención proporciona un procedimiento para la
producción de 1,1,1,3,3-pentacloropropano mediante
la reacción de tetracloruro de carbono y cloruro de vinilo en un
reactor, en el que se añade agua en una cantidad suficiente para
aumentar la velocidad de la reacción.
La figura 1 ilustra el efecto del agua sobre la
producción de 1,1,1,3,3-pentacloropropano como una
función de presión frente a gramos de cloruro de vinilo
alimentado.
La figura 2 ilustra el cloruro de vinilo residual
tras la adición de agua en un procedimiento para preparar
1,1,1,3,3-pentacloropropano.
La figura 3 ilustra la concentración de
hexacloroetileno en el efluente del reactor tras la adición de agua
en un procedimiento para preparar
1,1,1,3,3-pentacloropropano.
\newpage
La figura 4 ilustra la selectividad del pentano
clorado tras la adición de agua en un procedimiento para preparar
1,1,1,3,3-pentacloropropano.
La presente invención se refiere generalmente a
un procedimiento para la fabricación del hidroclorocarbono
1,1,1,3,
3-pentacloropropano. Más particularmente, la presente invención prevé la fabricación de 1,1,1,3,3-pentacloropropano mediante la reacción de tetracloruro de carbono con cloruro de vinilo en presencia de un disolvente de fosfato de tributilo y un catalizador que comprende hierro metálico, cloruro ferroso o cloruro férrico y mezclas de los mismos, y la producción mejorada de 1,1,1,3,3-pentacloropropano mediante dicho procedimiento al añadir pequeñas cantidades de agua.
3-pentacloropropano. Más particularmente, la presente invención prevé la fabricación de 1,1,1,3,3-pentacloropropano mediante la reacción de tetracloruro de carbono con cloruro de vinilo en presencia de un disolvente de fosfato de tributilo y un catalizador que comprende hierro metálico, cloruro ferroso o cloruro férrico y mezclas de los mismos, y la producción mejorada de 1,1,1,3,3-pentacloropropano mediante dicho procedimiento al añadir pequeñas cantidades de agua.
La presente invención hace uso de la química de
Kharasch para preparar 1,1,1,3,3-pentacloropropano
(Kharasch et al., Science, 102:128, 1945). Esta
química implica la combinación de un alcano policlorado con una
olefina para producir un alcano clorado o hidroclorado que presenta
el cloro en emplazamientos precisos. Se usan normalmente como
catalizadores los compuestos de metales de transición en disolución
homogénea. Por ejemplo, puede añadirse tetracloruro de carbono a
etileno en presencia de cloruro ferroso disuelto y un codisolvente
para preparar 1,1,1,3-tetracloropropano con una
selectividad excelente.
En la presente invención, la reacción de Kharasch
es tal como sigue:
Por tanto, la presente invención se refiere a la
producción o fabricación de
1,1,1,3,3-pentacloropropano mediante la reacción en
fase líquida de tetracloruro de carbono con cloruro de vinilo. El
catalizador es una mezcla de cloruro ferroso y férrico,
regenerándose el cloruro ferroso mediante la reacción de cloruro
férrico y hierro metálico en presencia de un disolvente de
organofosfato, tal como el fosfato de tributilo.
La producción de
1,1,1,3,3-pentacloropropano catalizada por cloruro
férrico/ferroso comprende tres etapas de tratamiento: reacción,
recuperación de catalizador y purificación. La reacción tiene lugar
en presencia de un catalizador de cloruro férrico/ferroso disuelto
en un disolvente de organofosfato. El fosfato de tributilo es el
disolvente de organofosfato preferido. La reacción es una reacción
de adición de Kharasch en la que se añade un compuesto halogenado al
doble enlace de otro compuesto. En este caso, se hace reaccionar
tetracloruro de carbono con cloruro de vinilo para producir
1,1,1,3,3-pentacloropropano.
Se ha observado que, a veces, la reacción para la
producción de 1,1,1,3,3-pentacloropropano es lenta.
Durante estos periodos lentos, las velocidades de reacción
disminuyen y la selectividad para los productos deseados se
resiente. Se ha descubierto que la adición de una pequeña cantidad
de agua al reactor tiene como resultado un aumento espectacular en
la velocidad de reacción de cloruro de vinilo y tetracloruro de
carbono y elimina el funcionamiento errático. La adición de agua da
como resultado una reacción exotérmica con buenas conversiones de la
alimentación y finalización de la prueba con presiones muy por
debajo de las limitaciones del equipo de producción.
Esta solución al problema de la producción lenta
de 1,1,1,3,3-pentacloropropano va en contra de la
intuición ya que, anteriormente a la presente invención, el buen
criterio convencional consistía en evitar la adición de agua durante
la producción de hidrocarburos clorados debido a la posibilidad de
corrosión. Se esperaría normalmente que el cloruro férrico usado en
la reacción se desactivara mediante agua y, de este modo, se
mantendrían las materias primas lo más secas como sea posible.
El agua en cualquier cantidad, que aumente la
velocidad de reacción del tetracloruro de carbono y cloruro de
vinilo para producir 1,1,1,3,3-pentacloropropano,
está dentro del alcance de la presente invención. Se añade agua en
una cantidad desde aproximadamente 1 ppm hasta aproximadamente 500
ppm en base al peso total de los reactivos. Más preferiblemente, se
usa un intervalo de 10 ppm hasta 50 ppm de agua en base al peso
total de los reactivos. Se puede añadir agua al reactor
periódicamente o en una manera continua.
Más generalmente, se puede usar la adición de
agua para aumentar la producción de cualquier materia prima de
hidroclorocarbono a través del uso de la química de Kharasch, es
decir, la combinación de un alcano policlorado con una olefina para
producir un alcano clorado o hidroclorado con el uso de un compuesto
de metal de transición en una disolución homogénea como
catalizador.
Se ajustó en el laboratorio un reactor de vidrio
de 1 litro de ACE Glass que puede tratar 3,51 kg/cm^{2} (50 psig).
Se equipó el reactor con un agitador accionado externamente, un tubo
de ventilación que va a un distribuidor múltiple que contiene una
válvula de urgencia y un disco de ruptura de 3,51 kg/cm^{2} (50
psig), un pozo termométrico, una válvula de muestreo, y un tubo de
adición de cloruro de vinilo que se extiende por debajo del nivel de
líquido del reactor. Se accionó el reactor como un sistema
semidiscontinuo con todos los componentes (reactivos y mezcla
catalizadora) añadidos al reactor al comienzo de la prueba excepto
el cloruro de vinilo. El cloruro de vinilo se dosificó continuamente
al reactor a través de una bomba FMI a una velocidad de
aproximadamente 1 gramo/minuto. Para cada prueba, se cargó el
reactor con polvo de hierro (Fe), cloruro férrico (FeCl_{3}),
tetracloruro de carbono (CCl_{4}), y fosfato de tributilo (TBP).
Pruebas posteriores también incluyeron una carga de las colas de la
caldera de vaporización rápida de la planta piloto de
1,1,1,3,3-pentacloropropano con el fin de simular
anticipadamente las condiciones del reactor de planta. Se mezcló la
solución a 250 rpm y se calentó hasta 60ºC. Inicialmente, se añadió
el cloruro de vinilo (10 gramos) a la mezcla para evitar reacciones
secundarias indeseadas cuando la solución alcanzó la temperatura de
reacción. Cuando la solución alcanzó la temperatura de
funcionamiento deseada de aproximadamente 100ºC, la alimentación de
cloruro de vinilo se introdujo a una velocidad de 1 g/minuto. Se
controló la temperatura a 104ºC durante la prueba. Se alimentó el
cloruro de vinilo desde un depósito sobre una balanza con el fin de
medir con precisión la cantidad añadida durante la prueba. Se
permitió funcionar la prueba experimental una hora adicional después
de que se terminara la adición de cloruro de vinilo.
Los ensayos iniciales de prueba se llevaron a
cabo con los materiales siguientes cargados o alimentados al reactor
durante la prueba.
| Compuesto | Peso (g) | Porcentaje en peso | Moles | Razón molar con respecto |
| al cloruro de vinilo | ||||
| Cloruro de vinilo | 166,0 | 19,53 | 2,656 | |
| CCl_{4} | 657,0 | 77,31 | 4,272 | 1,61 |
| TBP | 17,43 | 2,05 | 0,065 | 0,025 |
| FeCl_{3} | 9,00 | 1,06 | 0,055 | 0,021 |
| Fe | 0,45 | 0,53 | 0,01 | 0,003 |
Se añadieron CCl_{4}, TBP, FeCl_{3}, y Fe al
reactor, que se agitó a 250 rpm. Una vez que la temperatura alcanzó
aproximadamente los 60ºC, se añadieron 10 gramos de cloruro de
vinilo para evitar reacciones secundarias indeseadas cuando la
solución se aproximó a la temperatura de funcionamiento (104ºC). Se
dosificó el cloruro de vinilo restante a la solución a
aproximadamente 1 gramo/minuto hasta que se había añadido el peso
total deseado para la prueba experimental. Se tuvieron que parar las
pruebas iniciales varias veces debido a una presión excesiva en el
reactor y se terminó la prueba sin poder suministrar la cantidad de
cloruro de vinilo deseada. El disco de ruptura se ajustó a 3,51
kg/cm^{2} (50 psig) y se paró la adición de cloruro de vinilo
cuando la presión alcanzó 3,16 kg/cm^{2} (45 psig). Se modificaron
las pruebas siguientes para intentar aumentar la velocidad de
reacción y de este modo disminuir la presión del sistema debida al
cloruro de vinilo sin reaccionar. Las modificaciones del sistema
incluyeron:
- (1)
- Adición más lenta de cloruro de vinilo;
- Se añadió cloruro de vinilo a una velocidad de aproximadamente 0,7 gramos/minuto;
- (2)
- Temperatura más alta (115ºC);
- (3)
- Polvo de hierro adicional;
- La cantidad de polvo de hierro añadida al reactor se duplicó con respecto a la cantidad inicial;
- (4)
- Adición de cloruro ferroso además del cloruro férrico y el polvo de hierro;
- (5)
- Adición de 1,1,1,3,3-pentacloropropano para aumentar la solubilidad del cloruro de vinilo;
- Se añadieron 220 gramos de 1,1,1,3,3-pentacloropropano puro al reactor para adsorber más cloruro de vinilo sin reaccionar y disminuir la presión de vapor de la mezcla de reactivos que da como resultado una presión menor en el reactor;
- (6)
- TBP adicional;
- Se aumentó el TBP de 17,4 gramos a 25 gramos.
En todos los casos, se tuvo que terminar
prematuramente la prueba experimental debido a una presión
excesiva.
Se terminó una prueba con la adición de 20
microlitros de agua usando las mismas concentraciones de material de
alimentación que en una prueba previa, que tuvo que terminarse
debido a una presión excesiva:
| Compuesto | Peso (g) | Porcentaje en peso | Moles | Razón molar con respecto |
| al cloruro de vinilo | ||||
| Cloruro de vinilo | 166,0 | 19,35 | 2,656 | |
| CCl_{4} | 657,0 | 76,58 | 4,272 | 1,61 |
| TBP | 25,0 | 2,91 | 0,094 | 0,035 |
| FeCl_{3} | 9,00 | 1,05 | 0,055 | 0,021 |
| Fe | 0,9 | 0,105 | 0,016 | 0,006 |
Durante esta prueba, según la temperatura de
reacción se aproximó a 104ºC, hubo una gran reacción exotérmica en
la que la temperatura aumentó 10-20ºC. Esto fue muy
sorprendente debido a que la cantidad de agua añadida fue sólo un
aumento de 23 ppm en el sistema. En todas las pruebas previas, no se
observó ninguna reacción exotérmica. Esta adición de una pequeña
cantidad de agua permitió también que esta prueba llegara a su
terminación sin superar las limitaciones de presión del reactor de
vidrio.
Se repitió el ejemplo 3 usando 10 microlitros de
agua en vez de 20 microlitros con los mismos resultados. Hubo una
reacción exotérmica y se alimentó el cloruro de vinilo al sistema a
la velocidad y concentración deseadas sin superar las limitaciones
de presión del reactor de vidrio. Se hicieron varios intentos para
controlar la reacción exotérmica. Las modificaciones en el
procedimiento de funcionamiento incluyeron el calentamiento de la
mezcla hasta 60ºC (frente a 100ºC) y la adición de 10 gramos de
cloruro de vinilo, adición de
1,1,1,3,3-pentacloropropano para permitir la
dilución de los reactivos, y el calentamiento más lento de la mezcla
de reactivos. La adición de 220 gramos de
1,1,1,3,3-pentacloropropano como diluyente fue lo
más útil para controlar la reacción exotérmica.
Se llevó a cabo una prueba experimental en la que
se añadieron 20 microlitros de agua al reactor de laboratorio
después de que se cargara con colas de la caldera de vaporización
rápida procedentes del reactor de planta piloto. Las colas de la
caldera de vaporización se retiraron de la planta piloto debido a la
muy pobre cinética de reacción y a un pobre funcionamiento global.
Las concentraciones del suministro y el catalizador para la prueba
fueron las mismas que en el ejemplo 3, salvo que se añadieron 220
gramos de colas de la caldera de vaporización rápida al reactor. El
reactor funcionó bien y se añadió todo el cloruro de vinilo a la
velocidad apropiada (1 gramo/minuto).
Se repitió este ensayo usando las mismas
condiciones sin la adición de agua. Tras añadir 37 gramos de cloruro
de vinilo además del objetivo total de 166 gramos, la presión había
aumentado hasta 3,16 kg/cm^{2} (45 psig) y se cortó el suministro
de cloruro de vinilo y se paró la prueba. Se añadieron veinte
microlitros de agua a la tubería de suministro de cloruro de vinilo
y, según lo permitía la presión, se suministró el cloruro de vinilo
lentamente al sistema. Se produjo una reacción exotérmica después de
que parte del agua y del cloruro de vinilo nuevo hubiera entrado en
el reactor. La presión empezó a caer, lo que permitió que se
añadiera el cloruro de vinilo al sistema a la velocidad normal de 1
gramo/minuto. El efecto de la adición de agua tanto antes del
comienzo de la prueba con las colas de la caldera de vaporización
rápida como durante la prueba se muestra en la figura 1.
Como se observa en la figura 1, la prueba con 20
microlitros de agua añadidos al comienzo de la prueba tenía una
presión de aproximadamente 2,11 kg/cm^{2} (30 psig) después de que
se hubieran añadido 25 gramos de cloruro de vinilo. Esta presión
cayó hasta 1,55-1,62 kg/cm^{2}
(22-23 psig) al final de la prueba cuando el cloruro
de vinilo y el CCl_{4} reaccionaron. La prueba sin 20 microlitros
de agua tenía una presión de aproximadamente 2,81 kg/cm^{2} (40
psig) después de que se hubieran suministrado 25 gramos de cloruro
de vinilo. Esta prueba no pudo continuar debido a una presión
excesiva. Tras la adición de 20 microlitros de agua en la tubería de
suministro de cloruro de vinilo, se permitió continuar el ensayo y
el perfil de presión pareció ser muy similar al ensayo previo,
funcionando a 1,55-1,62 kg/cm^{2}
(22-23 psig).
El procedimiento de planta piloto para producir
1,1,1,3,3-pentacloropropano había funcionado
pobremente durante un periodo de tiempo importante. Las velocidades
de reacción fueron bajas y elevadas las presiones de funcionamiento.
El pobre rendimiento se atribuyó al hecho de trabajar con nuevos
lotes de CCl_{4} y TBP. Se echó agua (65 ppm en base a los
reactivos totales) a la mezcla de TBP y CCl_{4} usada en el
sistema de adición de catalizador y se suministró al reactor de la
planta piloto. Los flujos de ventilación de la torre de expansión,
principalmente cloruro de vinilo, disminuyeron espectacularmente
durante las siguientes 4-6 horas. También disminuyó
la concentración de cloruro de vinilo en el efluente del reactor
desde el 1,7 hasta el 0,5 por ciento durante la noche. Además de la
disminución en la concentración de cloruro de vinilo (figura 2),
también disminuyeron las concentraciones de subproductos residuales
(hexacloroetano (figura 3) y pentanos clorados (figura 4)).
Claims (7)
1. Procedimiento para la producción de
1,1,1,3,3-pentacloropropano mediante la reacción de
tetracloruro de carbono y cloruro de vinilo en un reactor, en el que
se añade agua en una cantidad suficiente para aumentar la velocidad
de la reacción.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que se añade agua en una cantidad desde aproximadamente 10 ppm hasta
aproximadamente 50 ppm en base al peso total de los reactivos.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que se añade agua continuamente o en una base periódica.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que se añade agua directamente al reactor que contiene tetracloruro
de carbono y cloruro de vinilo.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que se añade agua al tetracloruro de carbono o cloruro de vinilo
antes de su adición al reactor.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que el reactor contiene una mezcla catalizadora que comprende un
disolvente de organofosfato, metal de hierro y cloruro férrico.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el
que el disolvente de organofosfato es fosfato de tributilo.
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