WO1996025377A1 - Procede de coproduction de difluoromethane et de 1,1,1,2-tetrafluoroethane - Google Patents

Procede de coproduction de difluoromethane et de 1,1,1,2-tetrafluoroethane Download PDF

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Serge Hub
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C17/00—Preparation of halogenated hydrocarbons
    • C07C17/23—Preparation of halogenated hydrocarbons by dehalogenation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07C17/00—Preparation of halogenated hydrocarbons
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    • C07C17/263—Preparation of halogenated hydrocarbons by reactions involving an increase in the number of carbon atoms in the skeleton by condensation reactions
    • C07C17/269—Preparation of halogenated hydrocarbons by reactions involving an increase in the number of carbon atoms in the skeleton by condensation reactions of only halogenated hydrocarbons

Definitions

  • the present invention relates to the simultaneous manufacture of difluoromethane (F32) and 1,1,1,2-tetrafluoroethane (F134a) by pyrolysis of chlorodifluoromethane in the presence of hydrogen, operating at a temperature above 500 ° C in the absence any catalyst or metallic surface. Depending on the operating conditions chosen, this process also makes it possible to manufacture a majority of either F134a or F32.
  • 1,1,1,2-tetrafluoroethane (F134a) is already industrially manufactured to replace difluorodichloromethane (F12) in domestic refrigeration and automobile air conditioning in particular.
  • Two channels are currently used commercially. They use processes which consist of: • either fluorinating trichlorethylene in two stages
  • CCI 2 CCI 2 CF 3 'CCI 2 F " 2 CF 3 -CH 2 F CF3-CHCIF H 2
  • Difluoromethane CH2F2 (F32) is a potentially very interesting compound, since in association with pentafluoroethane (F125) it gives an azeotropic mixture which is an excellent substitute for chlorodifluoromé ⁇ thane (F22) is scheduled between 2005 and 2015 due to its potential effect on the weakening of the stratospheric ozone layer.
  • Chlorodifluoromethane is widely used as a refrigerant for commercial refrigeration and for air conditioning in large buildings. There are four ways to manufacture the F32 commercially: 1. Fluorination of methylene chloride CH2C-2 by HF in the liquid phase in the presence of an antimony-based catalyst.
  • Chlorodifluoromethane (F22) is currently produced on a large scale for commercial refrigeration but also as a raw material for the production of PTFE. When the use of F22 as a refrigerating liquid is prohibited, it will be useful to be able to continue to enhance this compound in other applications.
  • the present invention provides a particularly interesting means in this sense. It has in fact been found that chlorodifluoromethane (F22) can be selectively transformed into F134a and F32 by continuously pyrolyzing F22 at a temperature above 500 ° C. in the presence of hydrogen, but in the absence of metals in the reaction zone.
  • the amount of hydrogen used is such that the H2 F22 molar ratio is between 2 and 50, and more particularly between 5 and 15.
  • the working pressure can go up to 100 bars, but one generally operates at a pressure between 0.1 and 20 bar absolute, preferably between about 0.5 and 5 bar absolute and, more particularly, at pressure atmospheric than.
  • the working temperature can be between 500 and 1000 ° C., but one preferentially operates between 650 and 800 ° C.
  • the residence time can be between 0.1 and 100 seconds, but it is preferable to operate between 1 and 20 seconds.
  • the residence time can be between 0.1 and 100 seconds, but it is preferable to operate between 1 and 20 seconds.
  • the F134a formed is accompanied by a variable amount of F134 (HF2C-CHF2) which is easily isomerizable into F134a.
  • All the examples are produced in a tubular quartz reactor 47 cm high and 2.3 cm in diameter, placed in an electric oven with a power of 1.5 kW.
  • the working pressure is atmospheric pressure and the oven temperature is measured using a thermocouple.
  • the reagents are introduced simultaneously continuously by means of calibrated rotameters allowing both to control the flow rates and therefore the molar ratios.
  • the flow of reactants in the reactor can be diluted by a flow of inert gas such as helium or nitrogen.
  • the entire gas stream leaving the reactor is acidic and is sent to a glass reactor containing aqueous sodium hydroxide to remove the co-produced hydrochloric acid.
  • the outgoing gas stream is then dried on a molecular sieve, then condensed at low temperature (-78 ° C) in a stainless steel container fitted with valves allowing gas products to be stored at ordinary temperature.
  • the analyzes of the gas mixtures obtained are made by gas chromatography coupled with mass spectrography so as to identify with certainty the products of the reaction.
  • the conversion rate of F22 was 93% with selectivities for F32, F 134a and F 134 of 30%, 30% and 12% respectively.
  • the conversion rate of F22 was 92% with selectivities for F32, F134a and F134 of 34%, 33% and 18% respectively.

Abstract

L'invention concerne la fabrication simultanée de difluorométhane (F32) et de 1,1,1,2-tétrafluoroéthane (F134a) en phase gazeuse et en l'absence de tout catalyseur ou surface métallique, par pyrolyse du chlorodifluorométhane (F22) à une température supérieure à 500 °C et en présence d'hydrogène. Suivant les conditions opératoires, ce procédé permet aussi d'obtenir majoritairement soit du F32, soit du F134a.

Description

PROCEDE DE COPRODUCTION DE DIFLUOROMETHANE ET DE 1.1.1.2-TETRAFLUOROETHANE
La présente invention concerne la fabrication simultanée de difluoromethane (F32) et de 1,1,1,2-tétrafluoroéthane (F134a) par pyrolyse de chlorodifluorométhane en présence d'hydrogène, en opérant à une température supérieure à 500°C en l'absence de tout catalyseur ou surface métallique. Suivant les conditions opératoi¬ res choisies, ce procédé permet également de fabriquer de façon majoritaire soit du F134a, soit du F32. Le 1,1 ,1 ,2-tétrafluoroéthane (F134a) est déjà fabriqué industriellement pour remplacer le difluorodichlorométhane (F12) dans la réfrigération domestique et la climatisation automobile en particulier. Deux voies sont actuellement utilisées com¬ mercialement. Elles mettent en oeuvre des procédés qui consistent : • soit à fluorer le trichloréthylène en deux étapes
3 HF HF
CHCI = CCI2 -> CF3 - CH2CI -> CF3 - CH2F
• soit à fluorer le perchloréthylène, puis à hydrogénolyser selon le cas du 1 ,1-dichloro-1,2,2,2-tétrafluoroéthane (F114a) ou du 1-chloro-1 ,2,2,2-tétrafluoroé- thane (F124).
CCI2 = CCI2 C F3 ' CCI2F "2 CF 3 -CH2 F
Figure imgf000003_0001
CF3-CHCIF H2
Ces procédés nécessitent des unités neuves particulièrement onéreuses par les investissements et la nécessité d'employer des catalyseurs très sophistiqués dont la durée de vie et les performances ne sont pas sans effet sur le coût du produit commercial.
Le difluoromethane CH2F2 (F32) est un composé potentiellement très inté¬ ressant, puisqu'en association avec le pentafluoroéthane (F125) il donne un mé- lange azéotropique qui est un excellent produit de substitution au chlorodifluoromé¬ thane (F22) dont l'interdiction est programmée entre 2005 et 2015 en raison de son effet potentiel sur l'affaiblissement de la couche d'ozone stratosphérique.
Le chlorodifluorométhane est utilisé à grande échelle comme fluide frigorifi¬ que pour la réfrigération commerciale et pour la climatisation des grands immeubles. Les voies retenues pour fabriquer le F32 commercialement sont au nombre de quatre : 1. Fluoration du chlorure de méthylène CH2C-2 par HF en phase liquide en présence d'un catalyseur à base d'antimoine.
2. Fluoration du chlorure de méthylène CH2CI2 par HF en phase gaz sur un catalyseur à base de chrome et à haute température. Ces deux procédés ne sont pas satisfaisants parce qu'ils impliquent la co¬ production d'importantes quantités de chiorofluorométhane (F31) hautement toxique (CL 50 = 2 ppm).
3. Hydrogénolyse du chlorodifluorométhane (F22) en présence d'un cataly¬ seur à base de métal précieux à des températures comprises entre 200 et 300°C, ou en présence de métaux tels que l'aluminium, le molybdène, le titane, le nickel, le fer ou le cobalt à une température comprise entre 300 et 700°C comme dans la demande de brevet WO 91/05752.
L'hydrogénolyse n'est pas du tout sélective et conduit à une formation impor¬ tante de méthane à côté de quantités moindres de F 31. 4. Un nouveau procédé de fabrication de F32 proposé plus récemment, éliminant la coproduction de F31 mais très lourd et peu sélectif, est basé sur la fluoration par HF du formaldéhyde telle que décrite dans la demande de brevet EP 518 506.
2 CH2O + 2 HF -> H2O + FCH2 - O - CH2F -» CH2F2 + CH2O
Ce procédé requiert deux étapes et co-produit de l'eau en présence d'acide fluorhydrique, induisant des risques de corrosion élevés.
Le chlorodifluorométhane (F22) est fabriqué actuellement à grande échelle pour la réfrigération commerciale mais aussi pour servir de matière première pour la production de PTFE. Lorsque l'utilisation du F22 comme liquide frigorifique sera in¬ terdite, il sera utile de pouvoir continuer à valoriser ce composé dans d'autres appli¬ cations. La présente invention fournit un moyen particulièrement intéressant dans ce sens. II a en effet été trouvé que l'on pouvait transformer de façon sélective du chlorodifluorométhane (F22) en F134a et F32 en pyrolysant en continu le F22 à une température supérieure à 500°C en présence d'hydrogène, mais en l'absence de métaux dans la zone réactionnelle.
La quantité d'hydrogène mise en oeuvre est telle que le ratio molaire H2 F22 est compris entre 2 et 50, et plus particulièrement entre 5 et 15.
La pression de travail peut aller jusqu'à 100 bars, mais on opère générale¬ ment à une pression comprise entre 0,1 et 20 bars absolus, de préférence comprise entre environ 0,5 et 5 bars absolus et, plus particulièrement, à pression atmosphéri- que. La température de travail peut être comprise entre 500 et 1000°C, mais on opère préférentiellement entre 650 et 800°C.
Le temps de séjour peut être compris entre 0,1 et 100 secondes, mais on opère préférentiellement entre 1 et 20 secondes. En opérant avec de courts temps de séjour, on favorise la formation de F32, alors qu'avec de longs temps de séjour on augmente considérablement la production de F134a. Dans le cas où c'est ce dernier produit qui est intéressant, on peut évidemment recycler dans le réacteur le F32 co-produit pour le transformer en F134a.
Suivant les conditions opératoires, le F134a formé est accompagné d'une quantité variable de F134 (HF2C-CHF2) qui est facilement isomérisable en F134a.
Les exemples suivants illustrent de façon non limitative la présente inven¬ tion.
EXEMPLES 1 A 6
Tous les exemples sont réalisés dans un réacteur tubulaire en quartz de 47 cm de hauteur et de 2,3 cm de diamètre, placé dans un four électrique d'une puissance de 1 ,5 KW. La pression de travail est la pression atmosphérique et la température du four est mesurée à l'aide d'un thermocouple. Les réactifs sont intro- duits simultanément en continu par l'intermédiaire de rotamètres étalonnés permet¬ tant de contrôler les débits et donc les rapports molaires. Le flux des réactifs dans le réacteur peut être dilué par un débit de gaz inerte tel que l'hélium ou l'azote.
Le totalité du flux gazeux sortant du réacteur est acide et est envoyée dans un réacteur en verre contenant de la soude aqueuse pour éliminer l'acide chlorhy- drique co-produit. Le flux gazeux sortant est ensuite séché sur tamis moléculaire, puis condensé à basse température (-78°C) dans un récipient en acier inoxydable muni de vannes permettant de stocker des produits gazeux à température ordinaire.
Les analyses des mélanges gazeux obtenus sont faites par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrographie de masse de manière à identifier de façon certaine les produits de la réaction.
Le tableau suivant résume les conditions opératoires et les résultats obte¬ nus.
Figure imgf000006_0001
EXEMPLE 7
On a opéré comme aux exemples précédents dans un réacteur en quartz de 47 cm de hauteur et 1 ,5 cm de diamètre, avec des débits d'hydrogène et de F22 de 218,8 mmole/h et 21 mmole/h respectivement. En travaillant à la pression atmo¬ sphérique et avec un temps de séjour de 12,4 secondes dans la zone isotherme (650°C), on a obtenu un taux de conversion du F22 de 93 % avec des sélectivités en F32, F134a et F134 de 26 %, 28 % et 18 % respectivement.
EXEMPLE 8
On a opéré comme précédemment dans un réacteur en quartz de 47 cm de hauteur et 2,1 cm de diamètre, dans les conditions suivantes :
- température 650°C
- temps de séjour dans la zone isotherme 10 secondes
- pression 0,48 bar absolu
- débit d'hydrogène 218,8 mmole/h
- débit de F22 21 mmole/h
Le taux de conversion du F22 a été de 93 % avec des sélectivités en F32, F 134a et F 134 de 30 %, 30 % et 12 % respectivement.
EXEMPLE 9
On a opéré dans le même réacteur qu'à l'exemple 7 dans les conditions suivantes :
- débit d'hydrogène 513,4 mmole/h
- débit de F22 17,4 mmole/h
- température 650°C
- pression atmosphérique
- temps de séjour dans la zone isotherme 2,8 secondes
Le taux de conversion du F22 a été de 92 % avec des sélectivités en F32, F134a et F134 de 34 %, 33 % et 18 % respectivement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de coproduction de difluoromethane et de 1 ,1,1,2-tétrafluoroé- thane caractérisé en ce qu'il consiste à pyrolyser du chlorodifluorométhane en pré- sence d'hydrogène à une température supérieure à 500°C, en l'absence de tout ca¬ talyseur ou surface métallique.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on opère entre 500 et 1000°C, de préférence entre 650 et 800°C.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le rapport molaire d'hydrogène au chlorodifluorométhane est compris entre 2 et 50, de préférence entre 5 et 15.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le temps de séjour est compris entre 0,1 et 100 secondes, de préférence entre 1 et 20 secondes.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel on opère sous une pression comprise entre environ 0, 1 et 20 bars absolus.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel on opère sous une pression comprise entre environ 0,5 et 5 bars absolus, de préférence à la pression atmosphé¬ rique.
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel on opère dans un réacteur en quartz.
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