TW200920720A - Processes for producing 2,3,3,3-tetrafluoropropene and/or 1,2,3,3-tetrafluoropropene - Google Patents
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Description
200920720 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於包括產生包含2,3,3,3_四氟丙烯及/戈 1,2,3,3-四氟丙稀之函化烴產物之方法。 【先前技術】 由於Montreal協定正逐步禁用損耗臭氧之氣氟碳化物 (CFC)及氫氯氟碳化物(HCFC),因此工業上在過去之數十 年中努力尋找替代致冷劑。大多數致冷劑生產者之解決方 案為使氫氟碳化物(HFC)致冷劑商業化。目前最廣泛使用 之新氫氟碳化物致冷劑,即HFC-134a(CF3CH2F)臭氧層損 耗指數為零且因此不受目前由於蒙特婁(M〇ntreal)協定之 管制逐步禁用之影響。用於諸如溶劑、發泡劑、清潔劑、 喷霧劑推進劑、熱轉移介質、介電質、滅火劑及動力循環 工作流體之應用之其他氫氟碳化物的製造亦為受到相當關 注之課題。 對研發用於車用空調市場之具有降低全球變暖潛勢之新 致冷劑亦受到相當關注。 已鑑別具有零臭氧損耗及低全球變暖潛勢之2,3,3,3-四 氟丙稀(CH2=CFCF3,HFC-1234yf)及 1,2,3,3-四氫丙烯 (CHF=CFCHF2 ’ HFC-1234ye)為致冷劑摻合物之潛在組份 (參見 PCT WO 2006/094303)。如 Haszeldine 及 Steele 於 Journal of the Chemical Society,第 2193-2197 頁(1957)中 所報導,已藉由使CH2C1C2F5與鋅於乙醇中反應來製備 HFC-1234yf。如Yasuhara等人於美國專利第5,629,461號中 126501.doc 200920720 所揭示,已在3-氯-1,1,2,2-四氟丙烷經鉻催化劑之氣相氟 化中以副產物形式製備HFC-1234ye。需要製造HFC-1234yf及HFC-1234ye之新製造方法。 【發明内容】 本發明提供一種用於製造HFC-1234yf或其與HFC-1234ye之混合物之方法。此方法包含(a)在催化有效量之氫 化催化劑存在下使HCFC-225ca(CHCl2CF2CF3)及視情況選 用之 HCFC-225cb(CHClFCF2CClF2)與 H2 反應以形成 CH3CF2CF3(HFC-245cb),且當存在HCFC-225cb時,亦形 成 CH2FCF2CHF2(HFC-245ca) ; (b)使來自(a)之 HFC-245cb 及視情況選用之任何HFC-245ca脫氫氟化以形成包含 HFC-1234yf之產物混合物,且若存在HFC-245ca,亦包 含HFC-1234ye ;及視情況(c)自(b)中所形成之產物混合物 回收HFC-1234yf或其與HFC-1234ye之混合物;及視情況 (d)將(b)中所形成之產物混合物中任何HFC- 1234ye之至少 一部分與(b)中所形成之產物混合物中之HFC-1234yf分 離。 【實施方式】 本發明提供一種用於製造HFC-1234yf或其與HFC-1234ye之混合物之方法。HFC-1234ye可以兩種構型異構體 五或Z之一存在。如本文中所使用之HFC_1234ye係指五-HFC-1234ye(CAS Reg 第[115781-19-6]號)或2-1^(:-1234ye(CAS Reg•第[730993-62-1]號)以及該等異構體之任 何組合或混合物。 126501.doc 200920720 該方法包含(a)在反應區中在催化有效量之氫化催化劑存 在下使CsHChF5與H2反應以形成C3H3F5(亦即總HFC-245cb 及任何HFC-245ca);及(b)使來自⑷之C3H3F5脫氫敗化以 形成HFC-1234。在本發明之此方法之步驟(a)中,在氫化 催化劑存在下使C3HC12F5與氫反應。適用於本發明之氫化 催化劑包括包含至少一種選自由鐵、鈷、鍺、鎳、鈀及鉑 組成之群之催化金屬組份的催化劑。該催化金屬組份通常 係支撐於含碳載體(諸如活性碳或石墨)上。 應注意與氫反應之CsHChF5組份(亦即總HCFC-225ca及 HCFC-225cb)主要為 HCFC-225ca之實施例。 HCFC-225ca與HCFC-225cb之混合物可如Paleta等人於 Collections of Czechoslovia Chemical Communications,第 36卷’第1867至1875頁(1971)中所報導,藉由在氯化鋁存 在下使二氣氟曱烷(HCFC-21)與四氟乙烯(TFE)反應來製 備’或如Sievert等人於美國專利第5,157,171號中所揭示, 藉由在氣氟化鋁存在下使二氯氟曱烷(HCFC-21)與四氟乙 烯(TFE)反應來製備。 適用於氫化步驟之催化劑包括包含纪,視情況連同其他 第VIII族金屬(例如pt、ru、Rh或Ni)之催化劑。把可支樓 於氧化銘、氟化氧化鋁、氟化鋁或其混合物上,或可支撐 於奴上。用於製備催化劑之含纪前驅物較佳為把鹽(例如 氣化把)。可在製備催化劑期間將其他金屬(若使用)添加至 載體。 可藉由此項技術中已知之習知方法,諸如如Satterfield 126501.doc 200920720 於 Heterogenous Catalysis in Industrial Practice,第 2 版 (McGraw-Hill, New York,1991)第 95頁所述,藉由以催化 金屬之可溶鹽(例如氯化把或硝酸铑)浸潰載體來製備經支 撐之金屬催化劑。氧化銘上所支撐之紀可購得。另一製備 含有氟化氧化鋁上把之催化劑之合適程序描述於美國專利 第4,873,381號中,其以引用的方式併入本文中。
催化有效量意謂載體上之催化劑濃度足以進行催化反 應。載體上之鈀濃度通常占催化劑總重量約〇.丨重量%至約 1 0重量%之範圍内’且較佳占催化劑總重量約〇. 1重量%至 約5重量%之範圍内。額外第νΠΙ族金屬(若使用)之濃度為 以催化劑之總重量計約3重量%或更少;但把通常為以存 在於載體上之總金屬重量計至少50重量%,且較佳為以存 在於載體上之總金屬重量計至少8 0重量%。 應注意碳載體已經酸洗滌且具有低於約〇丨重量%之含灰 量之碳支撐之催化劑。低灰碳上所支撐之氫化催化劑描述 於美國專利第5,136,113號中,其教示已以引用的方式併入 本文中。特別應注意碳上所支撐之鈀催化劑(例如參見美 國專利第5,523,5〇1號’其教示以引用的方式併入本文 中)。亦特別應注意三維基質多孔含碳材料上所支撐之鈀 催化劑。該等三維基質多孔含碳材料之製備揭示於美國專 利第4,978,649號中,其以引用的方式併入本文中。 /c3HCl2F5接觸之氫之相對量通常為每莫耳c3Hc咕約 1莫耳SLJL每莫耳€3Ηα2Ρ5起始㈣約15莫耳&。合適反 應溫度通常為約IGOt:至約35(rc,較佳為約·。c至約 126501.doc 200920720 3 5 0 C。接觸時間通常為約1至約4 5 0秒鐘,較佳為約1 〇至 約120秒鐘。反應通常係在大氣壓或超大氣壓下進行。 步驟(a)所用反應區之排出物通常包括HC1、未反應之 氫、HFC-245cb及 CFC-1214ya及 HCFC-235cb 中之一或多者 (通常為HCFC-235cb而無顯著量之CFC-1214ya)。排出物亦 可含有 HFC-1234yf及 HFC-263fb。若 HCFC-225cb作為起始 材料存在,則反應區之排出物通常亦包括HFC-245ca及 CH2FCF2CC1F2(HCFC-235cc)、HCFC-235ca 及 CFC-1214yb 中之一或多者(通常為HCFC-235cc及HCFC-;23 5ca而無顯著 量之 CFC-1214yb)。 在本發明之一實施例中,將HFC-245cb藉由此項技術中 已知之分離方法(諸如蒸餾)分離,且接著將所分離之hFC_ 245(^(基本上不含1^(^-245〇&)用於方法之步驟(13)以製備 HFC-1234yf。可將未反應之C3HCi2f5及中間物產物(諸如 C3H2C1Fs異構體)再循環至方法之步驟(a)中。可將反應副 產物(諸如CfhF4異構體)回收且在方法步驟(a)之反應區中 或單獨藉由在氫化催化劑存在下與氫接觸而轉化為HFC-1234。 在本發明之另一實施例中,可在催化劑存在下以約1:1 至約15:1之H2與CsHChF5莫耳比使C3HC12F5與氫反應;且 在分離氣化氫及任何氫後,接著將剩餘反應區排出物直接 送至方法之步驟(b)中。 在本發明方法之步驟(b)中’在反應區中使步驟(a)中所 產生之C:3H3F5與脫氫氟化催化劑接觸歷時足以使至少一部 126501.doc -10· 200920720 分c^F5轉化為HFC]234yf之時間,且若將HFc_245ea饋 入反應區,亦轉化為HFC_1234y”脫氫氟化反應可在約 200°C至約500°C,且較佳約30(rc至約45(Γ(:之溫度下於氣 相中在管式反應器中進行。接觸時間通常為約】至約45〇秒 鐘,較佳為約10至約120秒鐘。 反應壓力可為亞大氣壓、大氣壓或超大氣壓。一般而 言,接近大氣壓為較佳。然而,GHj5之脫氫氟化可有利 地在減壓(亦即小於丨個大氣壓之壓力)下進行。 催化脫氫氟化可視情況在惰性氣體(諸如氮、氦或氬)存 在下進行。添加惰性氣體可用以增加脫氫氟化程度。應注 意惰性氣體與之莫耳比為約5:1至1:1之方法。氮為 較佳惰性氣體。 典型脫氫氟化反應條件及脫氫氟化催化劑揭示美國專利 第5,396,000號中,其全文以引用的方式併入本文中。較佳 地,脫氫氟化催化劑包含至少一種選自由碳、氟化鋁、氟 化氧化紹及三價氧化鉻組成之群之催化劑。 適用於將來自步驟(a)之GHj5轉化為HFC 1234產物之 其他脫氫氟化催化劑描述於美國專利第6,〇93,859號中,此 揭不案之教示以引用的方式併入本文中。美國專利第 6,3 69,284號中亦描述適用於步驟中之其他脫氫氟化催 化劑,此揭示案之教示以引用的方式併入本文中。 步驟(b)反應區之產物通常包括111?、HFC 1234yf,且當 存在HFC-245ca時,亦包括五·及z_形式之HFC_1234ye。可 將未經轉化之C^HsF5回收且再循環回脫氫氟化反應器中以 126501.doc • 11 - 200920720 產生額外量之HFC_1234。可使用習知分離技術(諸如蒸餾) 來進行包括回收HFC-1234yf及/或HFC-1234ye之分離步驟, 諸如以上步驟(c)及(d)。 應注意以下方法,其中在步驟(a)中與H2接觸之CaChh 包括HCFC-225cb ;其中在(b)中經脫氫氟化之C3H3f5包括 HFC-245ca ;且其中在(b)中所形成之產物混合物包括hfc_ 1234ye。包括回收基本上不含HFC_1234ye之HFc_i234yf 及/或回收基本上不含HFC-1234yf之HFC-1234ye的方法。 亦應注意HFC-1234yf為所需產物且將其自步驟(b)之產 物混合物回收之實施例。可藉由習知方式(例如蒸餾)將存 在於反應區排出物中之HFC_1234yf與產物混合物之其他組 份及未反應之起始材料分離。當排出物中存在hf時,此分 離亦可包括藉由使用類似於美國專利申請案第 2006/0106263號(其以引用的方式併入本文中)中所揭示之 程序分離HFC-1234yf與HF之共沸或接近共沸之組合物且 進一步處理以產生不含HF之HFC-1234yf。 用於實施本發明之方法之反應^、蒸料及其相關進料 管線、排出管線及相關裝置應由抗氟化氫及氯化氫之材料 建構。氟化技術中熟知之典型建構材料包括不鏽鋼,特別 是奥氏體型(aUstenitic type);熟知之高鎳合金,諸如 Monel™鎳-銅合金、Haste„〇y™以鎳為主之合金及化⑶以广 錄-鉻合金;及包銅鋼。 126501.doc -12- 200920720 實例 說明 225ca為 CF3CF2CHC12 235ca為 CHC1FCF2CHF2 235cc為 CH2FCF2CC1F2 245cb為 CF3CF2CH3 263fb為 CF3CH2CH3 1214yb為 CC1F2CF=CC1F 1234yf為 CF3CF=CH2
225cb為 CC1F2CF2CHC1F 235cb為 CH2C1CF2CF3 245ca為 CHF2CF2CH2F 254eb為 CF3CHFCH3 1214ya為 CF3CF=CC12 1234ye為 CHF2CF=CHF
實例1 藉由使用氟化氧化鋁催化劑脫氩氟化之〇罗3€卩=(:112合成 以25 cc研磨至12-20目筛(0.84至1.68 mm)之γ-氧化鋁填 充 Hastelloy™ 管式反應器(2.54 cm ODx2.17 cm IDx24.1 cm L)。將催化劑藉由在氮淨化下於200°C下加熱15分鐘來活 化且接著與加熱高達425°C之HF/N2混合物反應以產生16.7 gm經活化氟化氧化銘。
在 350°C之溫度下,將 10 seem 氮(1.7xl0_7 m3/s)與 15 sccm(2.5xl0_7 m3/s)CF3CF2CH3混合且使其流過反應器。接 著使溫度升至400°C,將流速保持恆定。對兩種溫度下之 排出物取樣且藉由19F NMR分析。此外,藉由GC分析排出 物以測定濃度,其列於表1中。 表1 溫度,°c n2流速 (seem) CF3CF2CH3 流速 (seem) 濃度(莫耳%) cf3cf=ch2 cf3cf2ch, Unks 350 10 15 84.2 12.8 3.0 400 10 15 91.3 1.9 6.8
Unks =未知 126501.doc -13- 200920720 實例2 使用碳催化劑之CF3CF=CH2合成
向 HastelloyTM管式反應器(2 54 cm OD X 2.17 cm ID X 24.1 cm L)中填充25 cc(14.32 g)Sibunit2碳珠粒。藉由在氮 淨化下於約300°C下加熱使催化劑活化。 根據實例1之程序’使1〇 sccmG.VxW? m3/s)氮與15 sccm(2.5xl(T7 m3/s)CF3CF2CH3之混合物穿過反應器,提供 60秒鐘之接觸時間。將流速降低至5 sccm(8.3xl〇-8 1^/〇氮 及 7.5 sccm(1.3xl〇-7 m3/s)CF3CF2CH3,提供 120秒鐘之接觸 時間。對兩組條件下之排出物取樣且藉由19F NMR分析。 藉由GC所測定之排出物組成列於表2中。 表2 溫度,°c N2流速 (seem) CF3CF2CH3 流速 (seem) ,莫耳%~~' cf3cf-ch2 CF3CF2CH, Unks 400 i〇 15 6.0 93.9 0.1 400 5 7.5 22.8 76.4 0.8
Unks =未知 實例3 自 CHF2CF2CH2FiCHF2CF=CHF合成 向 0.375 吋(〇·95 cm)O.D. Hastelloy™ 鎳合金管中裝入 7〇 公克(10 cc)研磨至12/2〇目篩(0.84至1.68 mm)之γ-氧化鋁。 隨著溫度自40°C升高至175°C,將管以氮(50 seem 5 8.3χ 1〇'7 m /s)淨化20分鐘。持續氮流,同時將無水氟化氫(5〇 seem,8·3><1(Γ7 m3/s)添加至反應器中歷時約1 5小時。接 著經3.7小時之時程,隨著管中溫度自174〇C增加至373°C, 126501.doc 14 200920720 將氣流速降低至20 SCCm(3_3xl〇·7 m3/s)且將氟化氫流速增 加至80 sccm(l_3xl〇 6 m3/s)。接著在4〇〇。〇下,將氮流速降 低至10 SCCm(1.7xl〇-7 m3/s)且將氟化氫流量維持於8〇 scCm(1.3xl〇-6 m3/s)歷時丨小時。接著將反應器溫度調節至 290°C且將反應器以氮淨化。 將CHFAFzCHj蒸發且以使其與催化劑維持12〇秒鐘接 觸時間之速率饋入反應器中。不存在共饋入之氮。三種溫 度下反應器排出物之氣相層析分析列於表3中。 表3 反應器溫度,。c GC 面《% chf2cf2ch2f CHF2CHFCHF2 五及 z-chf2cf-chf 275 72.3 5.5 22.0 325 40.8 6.9 51.7 375 27.0 3.2 68.9 實例4 CHC12CF2CF3 及 CHC1FCF2CC1F2 之氫化 將可購得之氧化鋁支撐之鈀催化劑(0.5% Pd/Al203,10 CC, 12-20 目篩(1.68-0.84 mm))置於 30.5 cmxl.27 cm o.d· Hastelloy®管中。將管連接至反應器系統且以電熱爐包 圍。首先隨著反應器溫度自100°C增加至300°C,將催化劑 以氮(25 seem,4.1ΧΗΓ7 m3/s)淨化3小時。冷卻至150°C 後,隨著反應器溫度自100°C增加至3〇〇°C,將催化劑以氫 (20 seem,3.3X 1 (Γ7 m3/s)還原3小時。再次在氮淨化下冷卻 至150°C後,根據以下程序(N2流速、H2流速、時間、溫度) 以氮與氟化氫之混合物處理催化劑:45 sccm(7.4xl(T7 126501.doc • 15- 200920720 m3/s)、5 sccm(8_3xl0-8 m3/s)、2 小時、i5〇〇c ; 4〇 SCcm(6.6x10-7 mVs)、10 sccm(17xl〇-7 m3/s)、2小時、 1坑;40 sccm(6㈤ο-? mVs)、1〇 _(ι 7χΐ〇_7 m3/s)、2 小3 時、20(TC ; 40 sccm(6.6xl〇-7 m3/s)、1〇 似即 7χΐ〇·7 m/s) 2 小時 ' 250°C ; 25 sccm(4.1xi(T7 m3/s)、25 SCCm(4.…〇-7m3/s)、2小時、25〇〇c。接著停止hf流且 隨著溫度降低至約15〇。。以氮(2〇 sccm,η”。·、%)淨化
C
催化劑。接著將催化劑用於包括與氫及/或氟化氫之反應 之右干操作,且接著藉由以空氣(3〇〇°C下40 sccm(6.6xl〇-7 m3/s)歷時2小時)處理,隨後進行氮淨化,以氫(35〇c>Ct5〇 scCm(8.3xl0·7 m3/s)歷時2小時)處理且再進行氮淨化來再活 化。 在 300°C下,將包含CF3CF2CHCl2(HCFC-225ca,約 41〇/〇) 及 CClF2CF2CHClF(HCFC-225cb,約 59%)之 HCFC-225 異構 體與風之混合物(1:3莫耳比)饋入以上催化劑中,標稱接觸 時間為30秒鐘。表4出示GC-MS所測定之反應器排出物分 析結果。 實例5 HCFC-225之氫化 在350°C下,將HCFC-225異構體與氫之混合物(1:5莫耳 比)饋入實例4中所述之催化劑中,標稱接觸時間為20秒 鐘。表4中給出如藉由GC-MS所測定之反應器排出物分 析。 126501.doc -16 - 200920720 表4 實例號 〇(:面積% HFC- 245cb HFC- 1234yf HFC- 263fib HFC- 254eb HPC- 245ca HCFC- 235cc HCFC- 235cb HCFC- 235ca HCFC- 225ca/cb 4 41.1 0.1 0.8 0.7 1.5 14.5 8.8 4.4 26.5 5 31.4 0.6 3.9 1.6 1.0 8.0 7.3 2.8 40.4 126501.doc -17-
Claims (1)
- 200920720 十、申請專利範圍: 1. 一種用於製造CF3CF=CH2或其與CHF2CF=CHF之混合物 之方法,其包含: (a) 在催化有效量之氫化催化劑存在下使CHC12CF2CF3及 視情況選用之CHC1FCF2CC1F2與H2反應,以形成 CH3CF2CF3,且若存在 CHC1FCF2CC1F2,亦形成 ch2fcf2chf2 ; (b) 使來自(a)之CH3CF2CF3及視情況選用之任何 CH2FCF2CHF2脫氫氟化,以形成包含CF3CF=CH2之 產物混合物,且當存在CH2FCF2CHF2時,亦包含 CHF2CF = CHF ;及視情況 (c) 自(b)中所形成之該產物混合物回收CF3CF=CH2或其 與CHF2CF=CHF之混合物;及視情況 (d) 將(b)中所形成之該產物混合物中任何CHF2CF = CHF 之至少一部分與(b)中所形成之該產物混合物中之 CF3CF=CH2 分離。 2. 如請求項1之方法,其中與H2接觸之C3HC12F5包括 CHC1FCF2CC1F2 ;其中將(a)中所產生之 CH2FCF2CHF2與 (a)中所產生之CH3CF2CF3分離;且其中在(b)中經脫氫氟 化之C3H3F5基本上不含CH2FCF2CHF2。 3. 如請求項2之方法,其中與H2接觸之C3HC12F5包括 CHC1FCF2CC1F2 ;其中在(b)中經脫氮氟化之C3H3F5包括 CH2FCF2CHF2 ;且其中(b)中所形成之該產物混合物包括 CHF2CF = CHF。 126501.doc 200920720 4. 5. 如請求項3之方法 CF3CF=CH2。 如請求項3之方法 chf2cf=chf。 其t回收基本上不含CHF2CF=CHF2 其中回收基本上不含CF3CF=CH2之 长項1之方法,其中(a)中所用之該氫化催化劑包含 三維基質多孔含碳材料上所支撐之鈀。 如月求項1之方法,其中(a)中所用之該氫化催化劑包含 氧化銘、氟化氧化鋁、氟化鋁或其混合物上所支撐之 把0 126501.doc 200920720 七、指定代表圖: (一) 本案指定代表圖為:(無) (二) 本代表圖之元件符號簡單說明: 八、本案若有化學式時,請揭示最能顯示發明特徵的化學式: (無) 126501.doc
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