JP2011042570A - 弗化水素を精製する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】弗化水素とハロゲン化炭化水素とを含む混合物から無水弗化水素を回収する方法を提供する。
【解決手段】第一の方法は、弗化水素と少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含む混合物を、水中約93重量%未満の硫酸溶液と接触させることによって、該混合物から弗化水素を抽出する。第二の方法は、弗化水素と少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含む混合物を、水中少なくとも約98重量%の硫酸溶液と接触させることによって、該混合物から弗化水素を抽出し、酸/HF混合物とし、該酸/HF混合物を2段階で蒸留する。
【選択図】なし

Description

発明の詳細な説明
米国特許5895639号の方法に関する分離特許。前記予期外の且つ改良された方法は、本発明の対象である。
上記文書の全ては、その全内容を本明細書に引用したものとする。
好ましい態様の説明
特定の好ましい態様にしたがって、本発明は、比較的薄い硫酸を使用して、HFとハロゲン化炭化水素とを含む混合物からHFを回収する方法を提供する。本明細書で使用される「比較的薄い硫酸」又は「希硫酸」という用語は、一般的に、溶液の総重量を基準として、約93重量%未満の硫酸を含み、また溶液の残部が水である硫酸溶液を意味している。特定の好ましい希硫酸溶液としては、硫酸を、約50〜約90重量%、更に好ましくは約50〜87重量%、より更に好ましくは約50〜85重量%、なおより更に好ましくは約50〜82重量%含む溶液が挙げられる。他の好ましい希硫酸溶液としては、硫酸を、約55〜85重量%、更に好ましくは約60〜約85重量%、より更に好ましくは約65〜約85重量%、なおより更に好ましくは約75〜85重量%含む溶液が挙げられる。特定の特に好ましい態様では、硫酸溶液は、約80%の硫酸を含み、そしてその溶液の残部は水である。本明細書で使用される「濃硫酸」という用語は、一般的に、溶液の総重量を基準として93重量%以上の硫酸を含み、そしてその溶液の残部が水である硫酸を意味している。特定の好ましい濃硫酸は、約98重量%〜約100重量%の硫酸を含む。
出願人は、従来の回収法で濃硫酸を使用して達成可能な純度に比べて有意に高い純度を有していて、また、特定の態様において、市販の無水HF生成物において利用可能な純度に比べてより高い純度を有している無水HFを回収するという本発明による大きな利点を得るために比較的薄い硫酸を使用できることを予期外に発見した。例えば、出願人は、米国特許5895639号の方法で濃硫酸を使用して得られた又は他の従来の回収方法で得られた無水HF中に存在する硫黄含有化合物の不純物(「硫黄不純物」)量の1/2未満、好ましくは1/3未満、更に好ましくは1/4未満、及びなお更に好ましくは1/5未満の不純物量を有する無水HFを得るために、本発明の方法を使用できることを発見した。例えば、無水HFの第一サンプルを、(溶液の総重量を基準として)約80重量%の硫酸と20重量%の水とを含む硫酸溶液を使用して、本発明の特定の態様にしたがって調製し、また、第二の比較サンプルは、米国特許5895639号に記載されている手順にしたがって93重量%の硫酸を使用して調製した。出願人によって行われる試験作業によると、米国特許5895639号に記載されている手順の後に回収されたHFは約1000ppmを超える硫黄不純物を含んでいた。対照的に、本発明の一つの態様にしたがって回収されたHFは、驚くべきことに、わずか37ppmの硫黄不純物を含んでいるだけであり、硫黄不純物が96%超減少したことを示している。硫黄不純物のこの有意な減少は、濃硫酸抽出法によって得られる無水HFに伴う比較的多量の硫黄不純物に基づいて予期される不純物量からの劇的且つ非線形な偏差を意味している。
更に、驚くべきことに、出願人は、本発明によって得られたHFに伴う比較的少量の硫黄不純物は、特定の市販の無水HF生成物で見出される硫黄不純物の量に比べてはるかに少ない傾向があることを発見した。例えば、現在の方法は、Air Products and Chemicals,Inc.から購入した電子材料グレードの無水HFのサンプルに比べて低い硫黄不純物レベルを有する無水HFを得るために使用されてきた。該電子材料グレードの無水HFの個々の正味90ポンドのシリンダーを形成している3つのサンプルを、ICPOESによって分析すると、前記3つのサンプルは、それぞれ110ppm、46.7ppm及び38.7ppmの硫黄不純物レベルを示した。
更に、出願人は、濃酸抽出法と比較して、HFの抽出中に生じる有機化合物不純物(すなわちタール、有機体炭素(TOC)で表される)の総量が驚くほど少ないという点で、発明の希酸法は、従来法に勝ることも発見した。硫酸を使用する連続抽出プロセスでは、硫酸層中にタールが存在し且つ蓄積するので、無水HF生成物を有効に得るためには、系から硫酸/タール混合物を定期的にパージし且つ前記の系に新鮮な硫酸を加える必要がある。抽出中に生じるタールの量が少なければ、無水HF生成物を得るのに必要とされる硫酸のパージは少なくて済む。而して、抽出プロセスにおいてタールの生成量が少ないと、無水HFを回収するより効率的で且つ費用効果の高い方法が可能となる。出願人は、特定の態様において、本発明の方法でのタールの量は、93重量%以上の濃度で硫酸を使用する‘639特許の方法に比べてわずか1/2以下であることを発見した。例えば、出願人は、2つの異なる硫酸溶液、すなわち80重量%の硫酸を含む硫酸溶液及び93重量%の硫酸を含む硫酸溶液を使用して、HFと1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパンとを含む2つの比較可能な混合物からHFを抽出した。出願人は、93重量%の硫酸で抽出された硫酸層は約1216ppmのタールを含み、一方、80重量%の硫酸で抽出された層は500ppmだけタールを含んでいた。
上記の事実を考慮して、出願人は、本発明によって得られた「比較的純粋な無水弗化水素」とは、約200ppm以下の量で硫黄不純物を含むHFであるとしたい。好ましくは、現在の方法によって回収される比較的純粋な無水弗化水素は、約100ppm未満、及び更に好ましくは約75ppm未満の硫黄不純物を含む。更に、本発明のプロセスで得られる硫酸層は、好ましくは約5000ppm未満のTOC不純物、更に好ましくは約3000ppm未満、なお更に好ましくは約1000ppm未満、そしてなお更に好ましくは約500ppm以下のTOC不純物を含む。
而して、特定の態様では、本発明は、弗化水素と少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含む混合物を提供する工程;及び希硫酸で該混合物から弗化水素を抽出して、無水弗化水素を提供する工程を含む、弗化水素とハロゲン化炭化水素とを含む混合物から比較的純粋な無水弗化水素を回収する方法を提供する。
更に、出願人は、特定の理論によって束縛されたり又は特定の理論に結びつけられたくないが、上記した予期外の結果に関するその後の 調査に基づいて、出願人は、濃酸法を超える本発明方法において存在する水の量の増加は、少なくとも部分的には、予期外に硫黄不純物の量が少ないことに起因していると考えている。前記の発見を考慮すると、出願人は、‘639特許の方法によって生成されたHFに比べて硫黄不純物が驚くほどに少ない無水HFが:弗化水素と少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含むる混合物を提供する工程;濃硫酸で該混合物から弗化水素を抽出して酸/HF混合物を提供する工程;該酸/HF混合物をフラッシュ蒸留して第一HF生成物を提供する工程;該第一HF生成物に水を加えて、希釈HF混合物を形成する工程;及び該希釈HF混合物を蒸留して、比較的純粋な無水弗化水素を得る工程を含む本発明の方法によって得られることを認めた。
希硫酸を使用する方法
特定の好ましい態様では、希硫酸を使用する本発明の方法は、HFと少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含む混合物を提供する工程を含む。本明細書で使用される用語「ハロゲン化炭化水素」とは、一般的に、少なくとも一つのハロゲン置換基を有する炭化水素化合物を意味している。例えば、特定の好ましいハロゲン化炭化水素としては、ヒドロフルオロカーボン及びヒドロクロロフルオロカーボン等が挙げられる。
HFと少なくとも1種のハロゲン化炭化水素との任意の適当な混合物は、本発明の方法にしたがって提供できる。特定の好ましい態様では、提供される混合物は、HFと、ヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン及びそれらの混合物から成る群より選択される少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含む。適当なHFCとしては、例えば、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン(HFC−245fa)、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(HFC−134a)、ペンタフルオロエタン(HFC−125)、1,1,1,3,3−ペンタフルオロブタン(HFC−365mfc)、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(HFC−236fa)、ジフルオロメタン(HFC−32)、及びそれらの2種以上の混合物等が挙げられる。特定の好ましいHFCとしてはHFC−245fa等が挙げられる。適当なHCFCとしては、例えば、1−クロロ−1,2,2,2−テトラフルオロエタン(HCFC−124)、1,1−ジクロロ−2,2,2−トリフルオロエタン(HCFC−123)、クロロジフルオロメタン(HCFC−22)、及びそれらの2種以上の混合物が挙げられる。
提供される混合物中に存在するHF及びハロゲン化炭化水素(一種又は複数種)は、任意の適当な量で存在できる。特定の態様では、HF及びハロゲン化炭化水素は、HFの少なくとも一部とハロゲン化炭化水素との間に共沸又は共沸様の関係を生じさせるのに充分な量で存在する。他の態様では、HF及びハロゲン化炭化水素は、非共沸又は非共沸様の量でのみ存在する。
出願人は、特定の好ましい態様では、事実上HFとハロゲン化炭化水素との混合物の少なくとも一部が共沸又は共沸様であるとき、本発明の利点が最大限に活かされることを認めた。
出願人が、本発明にしたがって提供される広範なHF/ハロゲン化炭化水素混合物の使用を考えるとき、特定の好ましい態様では、該混合物は、HFを塩素化出発化合物と反応させてハロゲン化炭化水素を形成させる工程を含むプロセスによって得られた反応生成物混合物を含む。好ましくは、本発明で使用するための反応生成物混合物は、HFをHCFC又はヒドロクロロカーボン(HCC)と反応させてHFC、HCFC又はそれらの2つ以上の組合せを生成させる工程を含むプロセスによって生成される。例えば、下記の表1は、出発化合物をHFと反応させることによって製造できる多くの塩素化出発化合物及びHFC又はHCFC生成物を示している。前記の塩素化出発材料のうちの任意の材料をHFと反応させて、本発明における使用に適するHFC又はHCFCを含む生成物混合物を提供できる。前記態様では、HF及び少なくとも1種のHFC又はHCFCに加えて、提供された混合物は、他の未反応出発材料、副産物、及び/又は反応源からの不純物を更に含んでいる場合がある。
Figure 2011042570
提供されるHF/ハロゲン化炭化水素混合物は、本発明による任意の供給源によって提供できる。特定の好ましい態様では、提供工程は、統合生産設備の一部として、例えば、HFC又はHCFC生産設備の一部として、HF/ハロゲン化炭化水素混合物を本発明の希硫酸抽出プロセスに直接提供することを含む。
本発明にしたがって無水HFが抽出されるHF/ハロゲン化炭化水素混合物は、気相流、液相流、又は液相と気相との組合せであることができる。特定の好ましい態様では、本発明の混合物は気相流である。
本発明の方法は、提供された混合物を使用している希硫酸からHFを抽出する工程を更に含む。特定の態様では、抽出工程は、希硫酸流を、提供されたHF/ハロゲン化炭化水素混合物に導入して、混合物中に存在するHFの少なくとも一部を溶解させることを含む。当業者には容易に理解されるように、硫酸、HF及びハロゲン化炭化水素(一種又は複数種)の溶解性/極性に少なくともいくぶんか起因して、HF/ハロゲン化炭化水素混合物に希硫酸を導入すると、2つの分離可能な相:すなわち、ハロゲン化炭化水素に富む上相及びその下にはHFに富む硫酸相が典型的に形成される。本明細書で使用される「富む」という用語は、指定成分を(提供された混合物中に元から存在する総量を基準として)50重量%超含んでいることを意味している。好ましくは、特定の成分に富む相は、その成分を、少なくとも約80%、より更に好ましくは少なくとも約90%含む。
ガス状態、液体状態又はそれらを組合せたガス/液体状態の既に上で規定した任意の適当な希硫酸を使用して、本発明方法にしたがってHFを抽出できる。特定の好ましい態様では、希硫酸は、ガス流又は液体流、更に好ましくは液体流として提供される。
任意の適当な量の硫酸を使用して、本発明によって提供された混合物からHFを抽出することができる。当業者には理解されるように、使用される硫酸の量は、提供された混合物中に存在するHFの量及び使用される希硫酸中のHFの溶解性に左右される。特定の好ましい態様では、使用される硫酸対HFの重量比は約0.5:1〜約20:1である。特定の更に好ましい態様では、前記重量比は、約1:1〜約15:1であり、なお更に好ましくは約1:1〜約10:1であり、なお更に好ましくは約2:1〜約8:1である。
硫酸流は、任意の適当な方法によって、提供された流れに導入できる。硫酸の液体流は、例えば、充填カラム、標準的なスクラバー塔、ビーカー及びフラスコ等のような開放容器又は密閉容器において、提供された流れに対して硫酸流を注ぎ、デカントし、注入し、ポンピングし、又は接触させることによって、提供されたガス流又は液体流に導入できる。気相硫酸は、例えば、提供された混合物を含む任意の適当な容器の中に、例えば開放容器もしくは密閉容器、充填カラム及び標準的なスクラバー塔等の中に硫酸を流すことによって、又は提供された混合物流に対して向流にして硫酸流を流すことによって、提供された流れに導入してもよい。特定の好ましい態様では、抽出工程は、提供された混合物がカラムの底部から導入される充填カラムの塔頂へと硫酸を導入することによって、ガス状態の提供された混合物に希硫酸の液体流を導入することを含む。当業者には理解されるように、前記の好ましい態様では、液体酸流はカラムの下方に移動する傾向があり、一方、ガス状態の提供された混合物は、カラムの上方に移動する傾向があり、その結果として、2つの流れは互いに接触し、また、提供された混合物中のHFの少なくとも一部が硫酸中に溶解する。
希硫酸の流れと、提供された混合物の流れとを導入して、2つの分離可能な相を形成させた後、その相を分離させて、塔底硫酸相からHFを回収する。任意の適当な分離法を用いることができる。例えば、適当な液相分離技術としては、デカンテーション、吸引及び蒸留等が挙げられる。気相又は気相/液相の組合せを分離するための適当な方法は、上記したように、塔頂気相が一方向(通常は塔頂)から出て、一方、塔底相が他の方向(通常は塔底)から出るような充填カラムの中に流れを導入することを含み、又は気相ガス/液相分離の他の公知の方法を含む。
特定の態様では、本発明にしたがって製造されたHFは、当業者には公知の従来の方法を使用して更に精製できる。例えば、水洗、乾燥、及び減圧下での濃縮等を用いることができる。
特定の好ましい態様にしたがって、上記の提供された混合物から抽出されたHFを更に蒸留して、比較的純粋な無水HFを得る。本発明では、任意の適当な蒸留法を用いることができる。適当な蒸留技術としては、例えば、フラッシュ蒸留、分留、及びそれらの2つ以上の組合せ等が挙げられる。好ましくは、本発明による抽出されたHFの蒸留は、フラッシュ蒸留、分留又はそれらの組合せを含む。特定のより好ましい態様において、現在の方法は、フラッシュ蒸留及び従来のカラム分留を含む。
HFと希硫酸とを含む混合物からHFをフラッシュ蒸留するために有効な任意の蒸留条件及び蒸留装置を、本発明にしたがって用いることができる。例えば、適当な蒸留温度としては、大気圧下において60℃〜約250℃である。特定の好ましい蒸留温度としては、大気圧下において、約80℃〜約200℃、更に好ましくは100℃〜約160℃、より更に好ましくは約120℃〜約140℃である。従来から用いられている任意の適当なフラッシュ蒸留装置は、本発明での使用に適合させることができる。本明細書の開示を考慮すれば、当業者は、不要な実験を行わずとも、HFと希硫酸とを含む抽出層から容易にHFを除去できる。
多様な従来のカラム分留装置及び技術のいずれかを本発明にしたがって用いて、HFと希硫酸とを含む抽出層から、又は本発明によるフラッシュ蒸留工程から得られたHF生成物から、比較的純粋な無水HFを得ることができる。例えば、適当な蒸留温度は、大気圧下において約16℃〜約85℃である。特定の好ましい蒸留温度は、大気圧下において、約19℃〜約75℃であり、更に好ましくは約19.5℃〜約65℃である。圧力は、重要ではなく、大気圧、過圧及び減圧が許容可能であるが、大気圧又は大気圧に比べてわずかに高い圧力が好ましい。
濃酸方法
上記したように、更に、出願人は、本発明の特定の態様にしたがって濃硫酸を使用して、‘639特許の教示に基づいて予期される硫黄不純物に比べて驚くほど少量の硫黄不純物を有する無水HFを回収できることも発見した。特定の態様では、本発明の濃酸法は;HFと少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含む混合物を提供する工程;濃硫酸で該混合物からHFを抽出して酸/HF混合物を提供する工程;抽出された酸/HF混合物をフラッシュ蒸留して第一HF生成物を提供する工程;第一HF生成物に水を加えて、希釈HF生成物を形成する工程;及び該希釈HF生成物を蒸留して、無水弗化水素を得る工程を含む。
本発明の態様にしたがって、混合物を提供し、そしてその混合物からHFを抽出する工程は、希硫酸の代わりに濃硫酸を使用する以外は、上記のようにして実行できる。
更に、上記したような任意の適当なフラッシュ蒸留技術を用いて、抽出された酸/HF混合物を蒸留し、第一HF生成物を得ることができる。
任意の適当な供給源からの水を、本発明にしたがうフラッシュ蒸留によって形成されたHF生成物に加えることができる。好ましくは、反応系及び抽出系に既に存在している不純物に加えて、有意な不純物が導入されないように、水は充分に純粋である。
任意の適当な量の水を、本発明方法にしたがって加えることができる。当業者には理解されるように、加えられる水の量は、例えば、蒸留される第一HF生成物中に存在するHFの量を含む多くのファクターに左右される。好ましくは、第一HF生成物に加えられる水の量は、水を添加しない蒸留において存在する不純物量と比較して、その後の蒸留の塔頂留出物中に存在する硫黄不純物の量を減らすのに有効である。適当な水の量は、例えば、HF生成物の総量を基準として、約0.1〜約20重量%であり、更に好ましくは約0.25〜約10重量%であり、より更に好ましくは約0.5〜約5重量%である。
いずれの従来のカラム分留手順も、本発明にしたがって無水HFを生成させるために希釈HF生成物を蒸留するときの使用に適する。当業者は、不要な実験を行わずに、本発明で使用するために、前記の従来の蒸留手順を容易に適合させることができる。
(実施例)
以下に実施例を掲げて、本発明を説明するが、実施例は、例示であって、発明の範囲を制限することを意図していない。
実施例1
この実施例では、本発明の特定の好ましい態様によるHEとHFC−245faとの混合物からの無水HFの回収を例示する。
約75重量%のHFC−245faと約25重量%のHFとから成る混合物を気化させて、約4時間、1時間あたり約2.9ポンドの流量で充填カラムの塔底に供給する。その中に溶解された約4%のHFを有する約80重量%の硫酸流(80/20 HSO/HO)を、同じ時間、1時間あたり約5.6ポンドの流量で同じ充填カラムの塔頂に連続供給する。カラムの塔頂から出るガス流は、1.0重量%未満のHFを有するHFC−245faを含む。カラム塔底の硫酸中のHF濃度は4.0重量%から約15重量%へと増加する。
硫酸と約15重量%のHFとを含む塔底液を集め、それを2ガロンのテフロン容器に入れた。その混合物を約140℃に加熱して、HF生成物を気化させ、フラッシュ蒸留して分離し、それを集める。集められたHF生成物は、6000ppmの水及び217ppmの硫黄を含む。硫酸は、約500ppmのTOC(有機体炭素)を含む。
フラッシュ蒸留から集められたHFを、蒸留塔で蒸留し、そして無水HFを回収する。回収された無水HFは、約43ppmの硫黄不純物を含む。
比較実施例1
本実施例は、93重量%の硫酸を使用するHFとHFC−245faとの混合物からの無水HFの回収を例示する。
93重量%の硫酸を使用する以外は、実施例1で説明した手順を繰り返す。抽出の後の硫酸中のHF濃度は、約15重量%である。フラッシュ蒸留の後、集められたHFは、約635ppmの水及び7300ppm超の硫黄を含む。硫酸は約1216ppmのTOCを含む。蒸留カラムでの蒸留後に、得られた無水HFは、約213ppmの硫黄不純物を含む。
実施例2
本実施例では、本発明の特定の態様にしたがって、93重量%の硫酸で抽出し、フラッシュ蒸留し、その蒸留して得られたHFに水を加え、そして次に、カラム中で蒸留することによって、HFとHFC−245faとの混合物から無水HFを回収することについて例示する。
93重量%の硫酸を使用する以外は、実施例1で説明した抽出とフラッシュ蒸留の手順を繰り返す。抽出後の硫酸中のHF濃度は約15重量%である。フラッシュ蒸留の後、集められたHFは、約635ppmの水及び7300ppm超の硫黄を含む。硫酸は約1216ppmのTOCを含む。その集められたHFに水を加えて、溶液の総重量を基準として1重量%の水を含む粗HF溶液のバッチを作る。従来の蒸留技術を用いて、粗HF溶液を蒸留して、約111ppmの硫黄を含む無水HFを回収した。
比較実施例2
本実施例は、98重量%の硫酸の使用によるHFとHFC−245faとの混合物からの無水HFの回収を例示する。
実施例1に記載されている抽出手順を、98重量%の硫酸を使用して繰り返した。抽出後の硫酸中のHF濃度は約15重量%である。フラッシュ蒸留は行わない。
HFの脱離は、温度約110〜140℃の再沸器を使用して蒸留カラムで行った。無水HFは、留出物として回収され、1000ppm超の硫黄を含んでいる。

Claims (2)

  1. 以下の工程:すなわち、
    弗化水素と少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含む混合物を提供する工程;及び
    該混合物を、水中65重量%〜93重量%の硫酸を含む溶液と接触させることによって、該混合物から弗化水素を抽出する工程
    を含み、且つ該ハロゲン化炭化水素がヒドロフルオロカーボン又はそれらのいくつかの組合せである、弗化水素とハロゲン化炭化水素とを含む混合物から無水弗化水素を回収する方法。
  2. 以下の工程:すなわち、
    弗化水素と少なくとも1種のハロゲン化炭化水素とを含む混合物を提供する工程;
    水中少なくとも98重量%の硫酸溶液を使用して該混合物から弗化水素を抽出して、酸/HF混合物を提供する工程;及び
    該酸/HF混合物をフラッシュ蒸留して第一HF生成物を生成させ;該第一HF生成物に水を加えて、希釈されたHF混合物を形成させ;そして、該希釈されたHF混合物を蒸留して無水弗化水素を得る工程
    を含む、無水弗化水素を生成する方法。
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