JPH11500132A - テトラフルオロエチレンの合成法 - Google Patents

テトラフルオロエチレンの合成法

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JPH11500132A JP8525200A JP52520096A JPH11500132A JP H11500132 A JPH11500132 A JP H11500132A JP 8525200 A JP8525200 A JP 8525200A JP 52520096 A JP52520096 A JP 52520096A JP H11500132 A JPH11500132 A JP H11500132A
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Abstract

(57)【要約】 クロロジフルオロメタンを熱分解してテトラフルオロエチレンを得る方法において、熱分解への供給流中のパーフルオロシクロブタンの濃度をコントロールすることにより収率が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】 テトラフルオロエチレンの合成法 本発明の分野 本発明はテトラフルオロエチレンを合成する方法の分野に属する。 本発明の背景 テトラフルオロエチレン(TFE)はプラスチックスおよびエラストマーのフ ッ素重合体の製造用単量体として広く使用されている。クロロジフルオロメタン (CF2HCl、HCFC−22)を熱分解してTFEを合成する方法はDow ning等の米国特許2,551,573に例示されるように当業界には公知で ある。理想的な反応においては、炭素およびフッ素に関するTFEの収率が10 0%の場合、2モルのCF2HClが1モルのTFEと2モルのHClを与える 。実際には、幾つかは望ましく、幾つかは望ましくない副成物が生成するため、 反応したCF2HClに関するTFEの収率は100%より少ない。望ましい副 成物の一つは例えばヘキサフルオロプロピレン(HFP)であり、これはまたフ ッ素重合体の単量体として使用される。副成物の一つとしてパーフルオロシクロ ブタン(C48)が含まれるが、このものは熱分解してTFEおよびHFPを好 収率で与えることができるという意味で有用な生成物と考えられている。しかし 、TFEおよびHFPを直接合成できる場合このようなことをするのは有利では ない。 CF2HClからTFEを得る場合の収率に対する圧力および転化率(con version)の効果は、例えばScherer等の米国特 許2,994,723号、Halliwellの同3,306,940号、およ びEdwards等の同3,308,174号において論じられている。一般に C48のような副成物が生じることによる収率の低下はCF2HClの変化率お よびCF2HClの分圧と共に増加する。HalliwellはCF2HClの分 圧の方が全体の圧力よりも主な因子になっており、従って圧力を低下させる効果 は窒素、ヘリウムまたは二酸化炭素のような不活性ガスで希釈することにより達 成されることを示唆し、CF2HClの分圧が低い場合にC48の生成が減少す ることを示した。Scherer等およびEdwards等は、CF2HClの 熱分解の際希釈剤として水蒸気を種々の割合で使用し、C48および他の高沸点 の副成物に対する収率を増加させることなく転化率を増加させるために、CF2 HClの熱分解の際水蒸気を種々の割合で使用した。以上のように従来法におい ては、大気圧またはそれ以上の圧力で希釈しないで供給原料の転化率を低くする 条件から、CF2HClの分圧を低くして希釈した供給原料の転化率を高くする 条件に亙って、C48のような副成物の生成による収率の低下が適度な、CF2 HClを熱分解してTFEを得る反応に対し広い範囲に亙る実用的条件が提示さ れている。 Halliwellは米国特許3,306,940号において、86〜94% の変化率でCF2HClを熱分解してHFPおよびTFEを同時に合成する方法 を記載している。Halliwellによって指摘されているように、低変化率 でCF2HClを熱分解してTFEを高収率で得る場合、HFPは少量しか得ら れないが1部のHFPに対し約2部のパーフルオロシクロブタンが生じる。Ha lliwellはさらに、この熱分解反応で生じたC48を熱分解してHFPお よびTFEにする ためのCF2HCl供給原料流の中に循環させることができ、副反応のための収 率低下は極めて少ないことを述べている。該特許の実施例18〜21では、熱分 解のためCF2HCl供給原料中に15〜45重量%のC48が存在した場合、 CF2HClの転化率約90%において、C48の転化率は78〜100%であ ることが示されている。即ちHalliwellの方法におけるこれらの例では C48がかなり消費されている。 UkihashiおよびHIsasueは米国特許3,459,818号にお いて、CF2HClを部分的に熱分解し、熱分解生成物からHClを除去してT FEおよびCF2HClから実質的に成るガス混合物をつくり、ついでこの混合 物を第2の熱分解工程において熱分解することによりTFEとHFPとを同時に 製造する方法を記載している。該特許の実施例1〜7には、最初の部分的熱分解 工程においてHFPおよびC48の両方が生じ、これがTFEおよびCF2HC lから実質的に成るガス混合物中に残り、第2の熱分解工程の生成物中に増加し た濃度で存在することが示されている。HClを除き、CF2HClを含めて計 算してC48の濃度は、最初の部分的熱分解で生じるガス混合物中において0. 5〜2.1モル%であり、第2の熱分解の生成物中で1.8〜6.3モル%であ った。この場合C48の濃度は常に第2の熱分解工程の方が増加している。Uk ihashiおよびHIsasueの方法の実施例におけるCF2HClの転化 率は高く、71〜97%である。 TFEの収率を増加させるためには、TFEの製造を目的とした方法において CF2HClの熱分解の際に生じる副成物の生成を少なくすることが望まれる。 本発明の概要 本発明によれば、CF2HClを熱分解し所望の反応生成物としてのテトラフ ルオロエチレンおよび望ましくない反応生成物としてのC48が得られる方法に おいて、熱分解反応においてC48を実質的に消費することなく該望ましくない 反応生成物としてのC48の生成を減少させるのに有効な量のC48を該CF2 HCl一緒に該熱分解反応に供給し、これによって該テトラフルオロエチレン反 応生成物の収率を増加させることを特徴とする方法が提供される。 本発明の詳細な説明 本発明においては、CF2HClを熱分解してTFEにする反応の供給原料に C48を添加すると、C48の生成量が減少し、TFEへの収率が増加すること が見出された。C48供給流の濃度を調節し制御することによりC48の生成を 実質的に抑止することができる。 上記のように、実質的に純粋なCF2HClを熱分解して高収率でTFEを得 ようとすると、副成物のC48が生成する。同じ工程条件下において、最初は低 濃度でC48をCF2HCl供給原料に加え、次第にその割合を増やして行くと 、次のような効果が生じる。C48の供給濃度が低い場合には、C48の生成量 は僅かに低下する。C48の生成量は生成物流中のC48の量と供給流中のC4 8の量との間で異なっている。従って生成物流中のC48の量が供給流中にC4 8が存在しない場合よりも多い間は、生成物中と供給流中の間のこの量の差は 小さいであろう。供給流中のC48の量が低い値から増加するにつれて、C48 の生成量はさらに減少する。生成物流中のC48の量が供給流中のC48の量に ほぼ等しくなるまで生成物流中のC48の量はさらに増加するこ とができ、それに伴ってC48の生成量は減少する。この条件下においては、C48の生成量は実質的にゼロになり、熱分解反応におけるC48の生成は抑止さ れたと言うことができる。一般的な挙動は下記実施例に例示されている。供給流 中のC48濃度がC48の生成を抑止するのに必要とされる濃度以上に増加する と、生成物流中のC48の量は供給流中の量よりも少なくなる。即ちC48は熱 分解反応で消費される。本発明方法はC48を消費しないで操作する事を目的と している。当業界の専門家には公知のように、C48の生成がゼロになる条件は 明確に定義されている訳ではない。というのは供給流中のC48の濃度によって 生成するC48が変化する割合は、C48の生成が正確にゼロになる値の近くの 供給濃度では低いからである。 本発明方法は変化したCF2HClからTFEを88%またはそれ以上のよう な高い収率で合成することを目的としている。高収率が得られるような任意の条 件を用いることができる。一般にこの高収率と出来るだけ両立し得るような高い 変化率で操作することが望ましい。上記のように、収率が低下し、従って収率は CF2HClの変化率および分圧に依存する。例えばEdwards等が水蒸気 で希釈した条件下における熱分解に対して例示しているように、0.05気圧程 度の低いCF2HClの分圧において高い収率を得るためには、90%またはそ れ以上の変化率で使用することができる。CF2HClの分圧が極めて低い場合 は、或る与えられた生成量を得るのに大きな装置を必要とするという明白な欠点 がある。他方Downingの特許の実施例2に示されているように、4気圧で 変化率23%において希釈しないCF2HClを熱分解する方法は、高い収率が 得られない。大気圧近くの圧力において希釈 しないCF2HClの熱分解において高収率を得るためには、変化率は典型的に は10〜50%、好ましくは25〜45%である。希釈したCF2HClの熱分 解において高収率を得るためには、希釈の程度(CF2HClの分圧)に依存し て変化率は30〜90%程度の高い値であることができる。 当業界の専門家には公知のように、変化率は反応器の中の温度および/または 滞在時間を調節することによりコントロールすることができる。炉を出て行くガ スの滞在時間と温度の両方が、CF2HClの過剰な変化を防ぎHFPおよびT FEが高い割合で合成されるのに有利な条件への移行を避けるのに十分な程低く なければならないということ以外には、温度および滞在時間に関する特別な制約 はない。本発明方法に使用できる反応条件は一般に熱分解させてTFEを得る原 料のるCF2HClと共に供給されるC48が存在しない場合に用いる条件と同 じである。一般に反応器の壁の温度として示される温度で700〜1000℃、 好ましくは750〜850℃の範囲の反応温度を使用することができる。大気圧 付近で希釈剤を存在させないで操作される方法に対しては、質量速度として20 〜80kg/m2、好ましくは25〜55kg/m2の範囲を、またガスの出口の 流速として20〜80m/秒、好ましくは30〜50m/秒の範囲を使用するこ とができる。これらの条件下においては、流れは撹乱流ではあるが超音速流では ない。勿論条件の選択は使用される反応器の設計によって制約を受けないかどう かに影響される。通常、生産性が主な関心であるから、質量速度が高く温度が高 い方が、質量速度が低く温度も低い場合に比べて有利である。 上記のように、CF2HClの熱分解の際、希釈用の物質、例えば水 蒸気(水の蒸気)または二酸化炭素が存在することができる。希釈剤、特に水蒸 気を使用することは本発明の範囲内である。しかし水蒸気で過剰に、例えば全圧 力の95%以上を占めるように希釈すると、加水分解による収率低下が起こり、 その結果COが生じ、それに伴って分離が困難になるという欠点がある。(Ed wards等の特許参照)。水蒸気で希釈を行う場合、通常全圧の25〜95% の範囲の濃度で水蒸気を使用する。 本発明方法はCF2HClを熱分解してTFEを製造するのに適した任意の反 応装置で行うことができる。特に、このような熱分解に通常使用される筒状の炉 を用いることができる。このような炉の場合、筒の部分は通常耐食性の合金、例 えばインコネル(Inconel)600(R)(International Nickel Company)からつくられている。本発明方法の吸熱反応に 対する熱は、適当な装置、例えば外部加熱、誘導加熱、高温の希釈剤(例えば水 蒸気)の注入、およびこれらの組み合わせのような方法で供給することができる 。 CF2HClが本発明方法に対する供給原料流の主要反応成分である。CF2H ClおよびHFPは1モルのCF2HCl当たり約0.15モルのHFPの組成 をもつ共沸混合物をつくり、また変化しないCF2HC1は典型的には循環され るから、CF2HClと共にHFPを供給流中に含ませることが便利である。し かし供給流中にHFPが存在しても反応には殆ど影響がないと考えられ、本発明 を実施する際には不必要である。一般に生成物流中におけるHFPの量は、Ha lliwellによって指摘されたHFPの生成量が少ないことに対応して、供 給流中におけるより僅かに多い。他のハロゲン化化合物、例えばC25Clのよ うな 循環させることが望ましい工程副成物は、低濃度で存在することができる。 CF2HClと共に供給されるC48の量は所望の結果に依存している。例え ば供給流中にC48が存在しない場合に生じる量よりも少ない少量のC48が生 じることが望ましいことがある。一般にC48の生成はCF2HClの変化率と 共に僅かに増加し、C48が生成しないために供給流中に必要とされるC48の 量はそれに従って増加する。大雑把に言えば、C48の生成を抑止するのに必要 な供給流中のC48の量は、同じ条件下においてC48を供給しない場合に生成 する量の15倍である。本発明方法においては、反応からの生成物流中には少な くとも供給流中と同じ量のC48が存在する。生成物中および供給流中における C48の量の差はC48の生成の目安である。下記実施例で示すように、CF2 HClとC48とを一緒にした量に関して供給流中に最低1重量%のC48が存 在すると、C48の生成が認識できる程度に低下する。CF2HClの分圧約1 気圧における高収率の熱分解に対しては、濃度は5〜10重量%であることが好 適である。これらの条件で得られたデータをC48の生成が0の所に外挿すると 、最も好適な8〜10重量%の供給濃度において生成は実質的に抑止されること が示される。供給流中のC48濃度が約10〜12重量%を越えると、これらの 操作条件ではC48は消費される。即ち供給流中に比べ出口流中の方がC48は 少ない、本発明方法はCF2HClの熱分解においてC48を消費することなく C48の生成を減少させまたは抑止することを目的としている。C48の生成を 抑止する供給流中のC48の濃度は反応条件と共に変化する。水蒸気で希釈した 高収率のCF2HClの熱分解に対しては、C4 8の生成を抑止する(C48を実質的に消費することなく)のに必要な供給流 中のC48の量は、高希釈度で全圧が大気圧付近である場合には、CF2HCl およびC48を組み合わせた重量に関し希釈の程度と共に最高約18重量%の範 囲まで変化することができる。これらの条件下においてはC48の濃度が4〜1 6重量%の範囲であることが特に効果的である。 当業界の専門家には公知のように、正確にC48の生成を抑止するように操作 しようとする試みは、工程のコントロールが不正確であるというハンデキャップ をもっている。即ちこの目的の操作は平衡点に関する変動によって特徴付けられ 、少量のC48が生成する期間、その生成と消費とが正確に平衡に達する期間、 およびC48の消費が起きる期間について時間的に平均してほぼC48の生成が ゼロに成る期間が生じるのである。即ちC48の生成は、時間的に平均して考え て実質的に抑止される。このことは本発明の範囲内に入ると考えられる。 本発明方法に対しては任意の圧力を用いることができる。全圧が約0.4〜1 .5気圧であることが特に便利である。CF2HClの分圧はほぼ大気圧よりも 高くないことが好適である。 熱分解炉の中に導入する際供給流は低温であることができ、或いは予熱するこ とができる。従って0〜500℃の範囲の供給流温度を使用することができる。 300〜450℃濃度が供給流温度が好適である。 実施例 個々の下記実施例に与えたような温度、質量速度、およびガス出口速度によっ て特徴付けられる条件下において、筒状の炉を用いて実験を行った。熱分解流は 撹乱流であった。すべての実験は大気圧より僅かに高い 圧力の全圧で行った。すべての実施例に対して供給流を約350℃に加熱した。 反応温度(T)は、入口端から筒の部分の長さの3/4の位置において、外側の 表面上に置いた熱電対によって測定される筒状部分の温度として報告されている 。 下記実施例において基本的な供給流は主としてモル比が約92/8のCF2H ClおよびHFPであった。供給流はまた少量の、即ち2モル%より少ない他の クロロフルオロ炭素化合物、主としてC25Clを含んでいた。この基本的な供 給流に種々の量のパーフルオロシクロブタンを加え、熱分解中に発生するC48 の量に対する供給流の濃度の影響を調べた。C48の導入量は、オリフィス流量 計を用いて決定し、供給流中におけるその濃度はガスクロマトグラフ(GC)を 用いて測定した。供給流中のC48の濃度はC48およびCF2HClを一緒に した基準で与えられる。 生成物流の成分は蒸溜によって分離した。 GC測定法によりCF2HClの変化率、および変化したCF2HClに関する TFEおよびHFPへの収率を決定した。当業界において通常行われているよう に、収率の計算はCF2HClのCF2含量に基づいている。収率はTFEおよび HFPの収率の和として与えられる。供給流中のHFPを差し引いた後のHFP への収率はこれらの実施例に報告された試験全体を通じて約1%で、実質的に一 定であった。GC法では低濃度のC48の小さな変化を信頼性をもって測定する ことはできないから、物質収支の方法を用いた。C48を分離して秤量用のタン クに蓄積し、これから正味の生成量を決定した。同じタンクから反応への供給流 に必要とされる割合でC48を同時に引き出す。従って定常状態にお いてはC48の蓄積速度は正味のC48生成速度(正味の発生量)であった。C48の正味の生成量はTFEの生成量に関するものである。生成物流中のTFE 濃度はGCによって決定した。 実施例1 本実施例は、CF2HClの変化率が平均約37%、質量速度が29〜46k g/m2秒の範囲、ガス出口流速が37〜43m/秒の範囲の試験結果を要約し たものである。他の条件は表1に示す。上記のように、C48の供給濃度(重量 %)はC48およびCF2HClを組み合わせた量に基づき、C48の生成量は TFEの生成量に基づいている(wt/100wt TFE)。表1に示されて いる分析結果は、C48の供給濃度を増加させるにつれて、生成するC48の収 率が減少し、TFEおよびHFPへの収率が増加していることを示している。こ れらのデータからC48の供給濃度が約9.9重量%の時、C48の生成が抑止 されることが推定される。 実施例2 本実施例は、CF2HClの転化率が平均約31%、質量速度が41〜48k g/m2・秒の範囲、ガス出口流速が38〜45m/秒の範囲 の試験結果を要約したものである。他の条件は表2に示す。表2に示されている 分析結果は、C48の供給濃度を増加させるにつれて、生成するC48の収率が 減少し、TFEおよびHFPへの収率が増加し、供給濃度が6.52重量%の所 でC48の生成量は非常に低い値に減少することを示している。これらのデータ からC48の供給濃度が約9.3重量%の時、C48の生成が抑止されることが 推定される。 実施例3 本実施例は、CF2HClの転化率が平均約28%、質量速度が40〜44k g/m2・秒の範囲、ガス出口流速が37〜41m/秒の範囲の試験結果を要約 したものである。他の条件は表3に示す。表3に示されている分析結果は、C4 8の供給濃度を増加させるにつれて、生成するC48の収率が減少し、TFE およびHFPへの収率が増加し、供給濃度が7.65重量%の所でC48の生成 量は非常に低い値に減少することを示している。これらのデータからC48の供 給濃度が約9.0重量%の場合、C48の生成が抑止されることが推定される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バン・ブラマー,デイビツド・ジヨン アメリカ合衆国オハイオ州45714−1132ベ ルプル・ブレントウツドドライブ804

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.CF2HClを熱分解し所望の反応生成物としてのテトラフルオロエチ レンおよび望ましくない反応生成物としてのC48が得られる方法であって、熱 分解反応においてC48を実質的に消費することなく該望ましくない反応生成物 としてのC48の生成を減少させるのに有効な量のC48を該CF2HCl一緒 に該熱分解反応に供給し、これによって該テトラフルオロエチレン反応生成物の 収率を増加させることを特徴とする方法。 2.一緒に供給する供給流中のC48濃度はC48とCF2HClとを一緒 にした量に関し約1〜約18重量%であることを特徴とする請求項1記載の方法 。 3.不活性希釈剤を使用しないことを特徴とする請求項1記載の方法。 4.全圧が0.8〜1.2気圧であり、変化率が10〜50%であることを 特徴とする請求項3記載の方法。 5.該C48濃度はC48とCF2HClとを一緒にした量に関し約5〜約 10重量%であることを特徴とする請求項4記載の方法。 6.該C48濃度は約8〜約10重量%であることを特徴とする請求項5記 載の方法。 7.希釈剤として水蒸気を使用することを特徴とする請求項1記載の方法。 8.該水蒸気は全圧の25〜95%をなしていることを特徴とする請求項7 記載の方法。 9.全圧が0.8〜1.2気圧であり、変化率が30〜90%であ ることを特徴とする請求項8記載の方怯。 10.該C48濃度はC48とCF2HClとを一緒にした量に関し約4〜約 16重量%であることを特徴とする請求項9記載の方法。 11.変化したCF2HClからのテトラフルオロエチレンの該収率は少なく とも88%であることを特徴とする請求項1記載の方法。
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