JP2510127B2 - パ―クロロエチレン又はペンタクロロエタンのフッ素化方法 - Google Patents

パ―クロロエチレン又はペンタクロロエタンのフッ素化方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、パークロロエチレン又
はペンタクロロエタンの連続フッ素化方法に関する。本
発明は特に、触媒存在下でのこれらの化合物のフッ化水
素酸による気相フッ素化に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】所望さ
れる化合物(以下“F120シリーズ”と称する)はF
121(CHCl2−CCl2F)、F122(CHCl
2−CClF2)、F123(CHCl2−CF3)、F1
24(CHClF−CF3)、F125(CHF2−CF
3)又はこれらの異性体であり、これらは気泡(発泡剤
及び断熱材)、エアゾール(噴射剤)の分野若しくは冷
却でパーフルオロカーボン(C.F.C.)の代替物質
として又はこれらの代替物質の合成用中間体として使用
することができる。これらの化合物の、特にF124及
びF125の効果的な工業生産方法が現在探求されてい
る。
【0003】フランス特許第1 315 351号は、
多価金属(例えばクロム、ニッケル、コバルト、マンガ
ン等)の1種以上のハロゲン化物を含浸させたアルミナ
を一部分フッ素化して製造した触媒を用いてのハロオレ
フィンの気相フッ素化方法を開示している。この場合、
触媒のフッ素化が進めば(>80%)活性損失が速まる
ことが判明しているので、その出願人は触媒の部分フッ
素化を強調している。パークロロエチレンのフッ素化を
説明する実施例4では、Al23上に担持させたクロム
/コバルト誘導体を主成分とする触媒を用いて試験を実
施している。その発明者等は低温(温度<290℃)で
はHF/C2Cl4モル比が5であってもF121、F1
22、F123と、オレフィンF1111(CFCl=
CCl2)、F1112a(CF2=CCl2)との混合
物を得た。この混合物の場合、F123が明らかに主生
成物であるが、F124,F124a(CF2Cl−C
HF2)及びF125の生成は明らかに観察されていな
い。更には、オレフィンの選択率は低温で既に高く、温
度と共に増す。
【0004】国際特許出願公開WO8911467号
は、酸化状態がゼロよりも高く、Cr、Co、Mn、R
h、Niからなる群の中から選択した金属をアルミナ担
体上に含んでいるフッ素化率の高い触媒の存在下でHF
を用いてパークロロエチレンを気相フッ素化することか
らなるF123及び/又はF124の製造を開示してい
る。前述の特許とは対照的に、有機生成物をフッ素化す
る前に、触媒を強くフッ素化する(AlF3>90%)
必要があるように思われる。この方法の目的はF123
及びF124を生成して、F125の生成を最小限にす
ることである。その出願人が好む金属はコバルトであ
る。しかしながら実施例によれば、Cr、Co、Mn、
Niのどの金属を試験しても、温度及びHF/C2Cl4
モル比が高いにもかかわらず、F125の選択率は相変
わらず非常に低い(<10%)。更には、(F120シ
リーズ以外の)多数の副産物が生成する。特にクロム又
はニッケルを350℃で処理したときにF123+F1
24+F125の選択率は85〜87%を超えない。
【0005】日本特許出願第2−178237号は、酸
化クロムと、以下の金属:Al、Mg、Ca、Ba、S
r、Fe、Ni、Co、Mnの少なくとも1種とからな
る単体触媒上でのパークロロエチレンの気相フッ素化を
開示している。例示されている単体触媒(補金属(co
metal):Al、Mg、Ca、Ba、Sr又はF
e)では、十分に高温であっても(350〜380℃)
F122の選択率が高く、F125の選択率は相変わら
ず15%未満である。さて、フランス特許出願第2 6
61 906号に記載の如く、F122は多数の副産
物、特にオレフィンを生成するために、F123−F1
24−F125の合成のための非常に重要な中間体では
ない。
【0006】ヨーロッパ特許出願第366 797号
は、金属フッ化物(ニッケル、コバルト、鉄、クロム、
マンガン、銅又は銀)の担体として使用する多孔質で、
非常に高純度のアルミナ(100ppm未満のナトリウ
ムしか含まない)を主成分とする触媒の存在下における
飽和又は不飽和化合物のフッ素化方法を開示している。
高純度の触媒を必要とするこの技術は、F120シリー
ズ(ペンタハロエタン)の場合については、クロムを主
成分とする触媒をアルミナに担持させて使用している2
つの実施例(27及び30)で説明されている。一方の
場合ではC2Cl4の気相フッ素化によって主にF123
が得られるが、収率は低い(20%)。他方の場合、主
生成物は反応温度によってF124であるか又はF12
5であるが、この場合、基本的な反応はF1113(C
ClF=CF2)のフッ素化(HFの付加、次いでCl
/F交換)である。
【0007】フランス特許出願第2 661 906号
は、活性炭に担持させたクロムを主成分とする触媒を用
いてのF123の気相フッ素化によるF124及びF1
25の合成に関する。この型の触媒上では、F123は
利用価値のない副産物[例えば化合物F115(CF3
−CF2Cl)、F114a(CF3−CFCl2)、F
114(CF2Cl−CF2Cl)及びF133a(CF
2−CH2Cl)]も触媒の寿命に不利に作用し得る副産
物(例えばオレフィンF1111)もほとんど生成しな
い。他方では、F123のフッ素化の不十分な化合物
(F122、F121、C2Cl4等)がF124及びF
125の良好な前駆体でないことが同特許明細書で指摘
されている。
【0008】この事実は、クロムを単体で又はアルミナ
に担持させて使用する気相フッ素化反応を開示している
米国特許第3 258 500号で実証されている。従
って、実施例17(14欄)はパークロロエチレンの4
00℃でのフッ素化(HF/C2Cl4モル比は6.2/
1)を説明している。この場合、F123+F124+
F125の選択率は低い(47.7%)。反応温度が下
がると(300℃)、このF123+F124+F12
5の選択率が79.7%になるだけで、この場合F12
5はもはや主化合物ではない。
【0009】フランス特許出願第2 669 022号
は、F133a(CF3−CH2Cl)のF134a(C
3−CH2F)への特定フッ素化のために、AlF3
はフッ素化アルミナに担持させたニッケル及びクロムを
主成分とする触媒の使用を開示している。この触媒で
は、F134aについて非常に良好な選択率を得ること
ができる。
【0010】この型の触媒は、パークロロエチレン又は
ペンタクロロエタンからF120シリーズの化合物、特
に化合物F123、F124、F125を製造するのに
非常に適していることが判明した。この触媒を使用すれ
ば実際、出発化合物の転化率が非常に高くなる(95%
以上)と同時に、F123+F124+F125の総選
択率が(約90%以上と)良好になり得る。
【0011】
【課題を解決するための手段】従って、本発明は、パー
クロロエチレン又はペンタクロロエタンのフッ化水素酸
による気相での連続触媒(即ち、接触)フッ素化方法に
関する。本方法は、フッ化アルミニウム又はフッ化アル
ミニウムとアルミナとの混合物からなる担体上にニッケ
ル及びクロムの酸化物、ハロゲン化物及び/又はオキシ
ハロゲン化物を担持させた混合触媒を使用することを特
徴とする。
【0012】この触媒は、活性アルミナから公知の方法
で製造することができる。空気(又は窒素のような不活
性物質)及びフッ化水素酸を用いてのフッ素化によって
第1段階で活性アルミナをフッ化アルミニウム又はフッ
化アルミニウムとアルミナとの混合物に変換し得る。ア
ルミナからフッ化アルミニウムへの転化率は本質的にア
ルミナのフッ素化温度(一般に200〜450℃、好ま
しくは250〜400℃)に依存する。次いで、クロム
/ニッケル塩水溶液又はクロム酸とニッケル塩とクロム
還元剤(例えばメタノール)との水溶液を使用して担体
を含浸させる。
【0013】クロム酸(CrO3)をクロム前駆体とし
て使用する場合、使用する技術が触媒特性を、従って触
媒活性を損なわない限り、このクロムを当業者に公知の
任意の手段(化学還元剤、熱還元等)で還元することが
できる。好ましい化学還元剤はメタノールである。
【0014】塩化物をクロム/ニッケル塩として使用す
ることが好ましいが、他の塩(例えば蓚酸塩、ギ酸塩、
酢酸塩、硝酸塩、硫酸塩又は二クロム酸ニッケル)を使
用することも可能である。但し、これらの塩が担体によ
って吸収され得る水に溶解する場合に限定される。
【0015】本発明の方法で使用する触媒は、前述のク
ロム/ニッケル化合物の溶液を直接アルミナに含浸させ
て製造することもできる。この場合、触媒活性化段階中
に少なくとも一部分(70%以上)のアルミナをフッ化
アルミニウムに変換する。
【0016】本発明の触媒の製造のために使用すべき活
性アルミナはよく知られた市販の物質である。活性アル
ミナは一般に、水和アルミナを300〜800℃の温度
でカ焼して製造する。本発明の範囲内で使用できる活性
アルミナは(1000ppmまでの)多量のナトリウム
を含み得るが、このことが触媒活性を損なうことはな
い。
【0017】本発明の触媒は、0.5〜5、好ましくは
約1のニッケル/クロム原子比で、0.5〜20重量%
のクロムと0.5〜20重量%のニッケルとを、好まし
くは各金属を2〜10重量%含み得る。
【0018】本発明の触媒は、パークロロエチレン又は
ペンタクロロエタンのフッ素化反応の触媒として使用し
得る前にコンディショニングしなければ、即ち事前のい
わゆる活性化処理によって(反応条件下で)活性及び安
定性のある成分に変換しなけばならない。
【0019】この処理は、その場(フッ素化反応器内)
で実施してもよいし、活性化条件に耐えるように設計さ
れた適切な装置で実施してもよい。活性化は一般に、 −空気又は窒素の存在下にて低温(100〜150℃、
好ましくは110〜130℃)で乾燥し、 −窒素下又は空気下にて高温(250〜450℃、好ま
しくは300〜350℃)で乾燥し、 −温度が300℃を超えないように含量調整されたフッ
化水素酸と窒素との混合物によって低温(180〜30
0℃、好ましくは約200℃)でフッ素化し、 −最後に450℃までの温度で純粋な又は窒素で希釈し
たフッ化水素酸流下に置く段階からなる。
【0020】この処理中に触媒前駆体(ハロゲン化ニッ
ケル、ハロゲン化クロム、クロム酸ニッケル、二クロム
酸ニッケル、酸化クロム)を対応するフッ化物及び/又
はオキシフッ化物に変換すると、水及び/又は塩酸が発
生する。
【0021】この活性化は更に、既に一部分がフッ素化
した担体上で含浸させるときにはアルミナのフッ素化を
増すのに役立ち、アルミナを直接含浸させるときにはア
ルミナのフッ素化に役立つ。後者の場合、触媒の物理特
性を損ないたくなければ、温度を完全に調整しなければ
ならない(アルミナのフッ素化は多量の発熱を伴う)。
更には、発生する水の量は顕著に増す。
【0022】活性化後に元素(クロム、ニッケル、フッ
素、アルミニウム、酸素)を化学分析して、本発明の触
媒の無機組成を検査することができる。
【0023】本発明の触媒の存在下におけるパークロロ
エチレン又はペンタクロロエタンのフッ化水素酸での気
相フッ素化によるF120シリーズのフッ素化合物の合
成のための処理条件は以下の通りである。
【0024】a)反応温度は一般に200℃〜450℃
であり、探求する最終生成物によって異なる。F125
はF124よりも高温を(、F124はF123よりも
高温を)必要とする。最適温度は250〜400℃であ
る。
【0025】b)(反応条件下の)気体が単体触媒内部
を通過する時間として計算する接触時間は3〜100秒
であり、特に5〜30秒である。しかしながら、出発材
料の転化率と最終生成物の高い収率との良好な妥協点を
得るための最良の範囲は7〜20秒である。
【0026】c)HF/C2Cl4(又はC2HCl5)の
モル比は1/1〜20/1、好ましくは2/1〜10/
1であり得る。この点でも出発有機化合物の転化率及び
F120シリーズ内での生成物の比率は選択するモル比
に左右される。このモル比が大きくなると、総転化率が
改善され、フッ素化率の高い化合物(F124及びF1
25)の生成が増すが、モル比が(化学量論量未満と)
低くなり過ぎると、非再循環性物質(パーハロエタン、
テトラハロエタン及びオレフィン)の生成が増大する。
非再循環性物質は触媒活性の安定性を損ない得る。
【0027】d)(所望の生成物に対して)フッ素化が
不十分なF120シリーズの化合物を反応器に再循環さ
せることができる。しかしながら、数種の化合物(特に
F122及びF121)があまりにも多量に反応器に供
給されると、オレフィン(F1111、F1112a
等)の生成による汚れ(fouling)によって触媒
が失活し得る。
【0028】e)触媒を汚し得る処理条件下では、低濃
度の酸素を反応体と一緒に導入することが賢明であり得
る。この濃度は処理条件によって有機反応体の0.02
〜5モル%であり得る。この酸化剤は、触媒を汚す“問
題(重質)物質(heavies)”と反応するための
ものである。
【0029】f)大気圧又は大気圧よりも高い圧力で本
発明の反応を実施し得る。実践的な理由から、反応は一
般に0〜25バールの相対圧(ゲージ圧)範囲で実施す
る。
【0030】g)触媒は流動床又は固定床で作用し得
る。出発有機化合物がパークロロエチレンのときには、
HFを二重結合に加えて発生した熱を簡単に除去するた
めに、フッ素化してもあまり発熱しないF120シリー
ズの安定化合物(F123、F124等)の再循環率を
高くして、流動床、管状反応器又は固定床で反応させる
ことが好ましい。
【0031】h)探求する生成物がフッ素化率の高い化
合物(例えばF124又はF125)のときには、反応
を2段階(2つの反応器)に分けてもよい。
【0032】i)プラント製造に使用する材料は水素酸
(例えばHCl及びHF)の存在と相容れなければなら
ない。材料は、これらの水素酸を含む腐食性混合物に耐
える“Hastelloy”又は“Inconel”か
ら選択し得る。
【0033】本発明の方法を適用すれば、探求する生成
物及び/又は再循環可能な生成物の選択率が非常に良好
なF120シリーズの化合物を製造することができる。
実際に、提起した型の触媒によってF120シリーズの
これらの化合物が得られる一方で、活用できない物質
(例えばパーハロエタン及びテトラハロエタン)の生成
又はF120シリーズの化合物の脱ハロゲン化水素によ
って生じて、触媒を汚すオレフィンの生成が制限され
る。前者を制限すれば、プラント効率を改善することが
でき、後者を制限すれば、触媒の寿命及び酸素の付加に
作用する。この酸化剤は触媒の汚れに対しては有効に作
用するが、ディーコン反応によって活用できないパーハ
ロゲン化合物の生成が増すため不利に作用し得る。触媒
中にはクロムが存在するが(Chemical Wee
k 1987年6月24日、18ページ参照)、クロム
とニッケルとを組み合わせて使用すれば、この酸化剤が
(存在する場合には)、“問題物質”の酸化のために優
先的に消費され、従ってディーコン反応が制限され、そ
れによって活用できず、良好な生成物の精製を妨害する
だけのパーハロエタンの生成(F125に対するF11
5)が制限されることが判明した。
【0034】最後に、本発明の触媒によって、パークロ
ロエチレン又はペンタクロロエタンから直接、工業生産
に適合し得る生産効率(HF/C2Cl4又はC2HCl5
のモル比は10未満;接触時間は20秒未満)でもって
単一工程で、F120シリーズのフッ素化率の高い化合
物(F124、F125)の選択率を高くして(各生成
物の場合で約25〜40%)、活用できない生成物を少
なくする(10%未満)ことができる。
【0035】
【実施例】以下の実施例で本発明を非制限的に説明す
る。
【0036】実施例1 1A−触媒の製造及び活性化 空気及びフッ化水素酸(この酸の空気中での容積濃度は
5〜10%)を使用して、アルミナGrace HSA
を流動床にて約300℃でフッ素化することによって前
段階で得た、73重量%のフッ化アルミニウムと27重
量%のアルミナとからなる担体250mlを回転式蒸発
器に置いた。出発材料のアルミナGrace HSAの
物理化学特性を以下に示す: −形状:直径1〜2mmのビーズ −BET表面積:220m2/g −細孔容積:1.2cm3/g(細孔半径が4nm〜6
3μmの場合) −ナトリウム含量:600ppm。
【0037】更に2種の異なる水溶液を製造した: (a)−無水クロム酸:12.5g −塩化ニッケルの六水塩:29g −水:42g からなる、塩化ニッケルを加えたクロム溶液 (b)−メタノール:18g −水:50g からなるメタノール溶液。
【0038】次いで、これら2種の溶液の混合物を、室
温、大気圧で約45分かけて撹拌中の担体上に導入し
た。次いで、窒素流下、流動床にて約110℃で4時間
かけて触媒を乾燥した。
【0039】内径27mmのInconel製管状反応
器に乾燥触媒100ml(77.5g)を導入し、窒素
流下、大気圧で温度を120℃に上げた。この処理を約
10時間保持し、次いで窒素を徐々にフッ化水素酸に代
え、温度の上昇が95℃を超えないように注意し、50
/50のHF/N2のモル比に達すると、温度を300
℃に上げた。
【0040】発熱ピークが過ぎた後に、(1モル/時
の)純粋フッ化水素酸流下にて6時間で温度を350℃
に上げた。
【0041】最後に窒素流下で触媒をパージして、触媒
試験を開始した。このように乾燥し、活性化した触媒A
の特性を以下に示す: −化学組成(重量比) フッ素:64.4% アルミニウム:27.2% ニッケル:3.75% クロム:3.3% 酸素:1.35% −物理特性: BET表面積:35.4m2/g 半径が4nm〜63μmの細孔の容積:0.47cm3
/g 半径が4nm以上の細孔の表面積:32.8m2/g。
【0042】1B−パークロロエチレンのフッ素化 パークロロエチレンのフッ素化における触媒Aの性能
を、酸素を加えずに大気圧で試験した。処理条件及び得
られた結果を以下の表1に示す。
【0043】
【表1】
【0044】実施例2 クロム及びニッケルの含量が触媒Aの実質的に2倍であ
る本発明の触媒Bを製造した。以下の2種の水溶液: (a)−無水クロム酸:25g −塩化ニッケルの六水塩:58g −水:40g からなる、塩化ニッケルを加えたクロム溶液 (b)−メタノール:35g −水:30g からなるメタノール溶液 を使用して、実施例1Aと同様に処理した。
【0045】乾燥及び活性化後の触媒Bの特性を以下に
示す: −化学組成(重量比) フッ素:58.5% アルミニウム:25.1% ニッケル:6.8% クロム:5.6% −物理特性: BET表面積:15.1m2/g 半径が4nm〜63μmの細孔の容積:0.382cm
3/g 半径が4nm以上の細孔の表面積:18m2/g。
【0046】処理条件、及び触媒Bを使用してパークロ
ロエチレンを大気圧でフッ素化して得られた結果を以下
の表2に示す。
【0047】
【表2】
【0048】比較例1〜3 比較のために、本発明に基づかない3種の触媒C、D、
Eを以下のように製造した。
【0049】比較例1:クロムを含まない触媒C 実施例1Aと同様に処理したが、メタノール溶液(b)
は使用せず、クロム溶液(a)の代わりには、塩化ニッ
ケルの六水塩59gを水75gに溶解した溶液を使用し
た。
【0050】比較例2:ニッケルを含まない触媒D 実施例1Aと同様に処理したが、溶液(a)の代わり
に、無水クロム酸25gを水54gに溶解した溶液を使
用した。
【0051】比較例3:触媒E(炭素上にNi+Cr) 以下の物理化学特性: −見掛密度:0.41 −粒度:0.8mmの押出し物 −BET表面積:922m2/g −5〜25nmの細孔の表面積:20.4m2/g −25〜32nmの細孔の表面積:3.2m2/g を示す、予め150℃で乾燥した活性木炭の担体250
mlを回転式蒸発器に置き、無水クロム酸13gと、塩
化ニッケルの六水塩29gと、水62gとを含む水溶液
を担体に含浸させた。
【0052】次いで、触媒を窒素流下、流動床にて約1
10℃で4時間かけて乾燥した。
【0053】乾燥触媒100ml(50.4g)を管状
反応器に導入し、実施例1Aと同様に活性化した。この
ように乾燥し、活性化した触媒の特性を以下に示す: −化学組成(重量比) フッ素:12.9% ニッケル:7.4% クロム:5.2% −物理特性: BET表面積:572m2/g 半径が4nm〜63μmの細孔の容積:0.52cm3
/g 半径が4nm以上の細孔の表面積:28.5m2/g。
【0054】処理条件、及び比較用触媒C、D、Eを使
用してパークロロエチレンを大気圧でフッ素化して得ら
れた結果を以下の表3に示す。
【0055】
【表3】
【0056】これらの結果を、実質的に同一の処理条件
下で行った実施例1及び2の結果と比較すると以下のこ
とが判明した。
【0057】−クロムを含まない触媒C(比較例1)
は、Ni−Cr混合触媒よりも著しく活性が低く(C2
Cl4のDCo参照)、特にF123+F124+F12
5の選択率が低い。
【0058】−ニッケルを含まない触媒D(比較例2)
はNi−Cr混合触媒に匹敵し得る初期活性を有する
が、この活性は経時的に安定せず、更にはF123+F
124+F125の選択率は低い。
【0059】−木炭の担体を含む触媒E(比較例3)は
活性及び選択率が非常に低い。
フロントページの続き (72)発明者 アンドレ・ランツ フランス国、69390・ベルネゾン、ドメ ンヌ・ドウ・ラ・エトレ(番地なし)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 パークロロエチレン又はペンタクロロエ
    タンのフッ化水素酸による気相での連続触媒フッ素化方
    法であって、フッ化アルミニウム又はフッ化アルミニウ
    ムとアルミナとの混合物からなる担体上にニッケル及び
    クロムの酸化物、ハロゲン化物及び/又はオキシハロゲ
    ン化物を担持させた混合触媒を使用することを特徴とす
    る方法。
  2. 【請求項2】 触媒中でのニッケル及びクロムの含有率
    が各金属の場合で0.5〜20重量%であり、ニッケル
    /クロム原子比が0.5〜5であることを特徴とする請
    求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 ニッケル/クロム原子比が約1であるこ
    とを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 各金属の含有率が2〜10重量%である
    ことを特徴とする請求項2に記載の方法。
  5. 【請求項5】 反応温度が200〜450℃であること
    を特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方
    法。
  6. 【請求項6】 反応温度が250〜400℃であること
    を特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】 処理圧力が0〜25バールの相対圧であ
    ることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記
    載の方法。
  8. 【請求項8】 HF/C2 Cl4 又はC2 HCl5 のモ
    ル比が1/1〜20/1であることを特徴とする請求項
    1からのいずれか一項に記載の方法。
  9. 【請求項9】 HF/C 2 Cl 4 又はC 2 HCl 5 のモ
    ル比が2/1〜10/1であることを特徴とする請求項
    8に記載の方法。
  10. 【請求項10】 反応条件下の接触時間が3〜100秒
    であることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項
    に記載の方法。
  11. 【請求項11】 反応条件下の接触時間が5〜30秒で
    あることを特徴とする請求項10に記載の方法。
  12. 【請求項12】 反応条件下の接触時間が7〜20秒で
    あることを特徴とする請求項11に記載の方法。
  13. 【請求項13】 フッ素化が不十分な生成物を反応器に
    再循環させることを特徴とする請求項1から12のいず
    れか一項に記載の方法。
  14. 【請求項14】 処理を酸素の存在下で実施することを
    特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の方
    法。
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