二氟甲烷的合成的製作方法

2023-04-23 02:34:46 2

專利名稱：二氟甲烷的合成的製作方法
技術領域：
本發明涉及氟代烴領域，更詳細地說，其主題是通過二氟甲烷的氟化生產二氟甲烷(F32)。
二氟甲烷，通常以F32表示，是對臭氧層無危險的。因此，用它代替CFCs特別有利。在致冷、空氣調節及其它應用領域，主要用它與其它氫氟烷烴，例如1，1，1-三氟乙烷(F143a)、1，1，1，2-四氟乙烷(F134a)或五氟乙烷(F125)的混合物代替F22(氯代二氟甲烷)和F502(F22和氯代五氟乙烷的共沸混合物)。
有許多公知方法用來合成F32。F12(二氯二氟甲烷)或F22氫解的方法(專利JP 60-01731和EP508660)，缺點是通常選擇性不大好和產生無用的甲烷副產物。最近已提出通過二(氟甲基)醚的氟化來生產F32(專利EP518506)。
也可用無水HP使二氯甲烷(F30)氟化來生產F32。許多專利都描述這反應，主張採用的催化劑例如Cr2O3、CrF3、AlF3、Cr/碳、Ni/AlF3等。
在這反應中，困難在於催化劑的穩定性，它往往會導致迅速焦化或晶化。若想保持良好的催化劑穩定性，同時又要求高時空產率和良好選擇性相結合，問題會變得很複雜。
為降低減活作用，已提出使用特定的催化劑，例如氧化鋁和三氧化二鉻的機械混合物(專利GB 821211)。這專利給出了二氯甲烷氟化的實例，但用這種催化劑得到的F32時空產率是低的(＜200g/h/l)，而且試驗的持續時間累計不足5小時。
更一般地說，在氟化反應過程中，常常要連續注入氧氣和空氣以便延長該催化劑的壽命。因此，專利JP 51-82206提出用0.001-1％的氧以保持主要含三氧化二鉻和含或不含其它金屬氧化物的催化劑活性。它指出氧的用量大於1％，結果會出現副反應，因此，它建議氧的用量最好為0.005-0.1％。在該專利中，氟化反應是在100-500℃，最好250-350℃進行。而且，它提及起初在200℃，該催化劑活性是通過引入氧保持的。雖然該專利提及的反應中包括CCl4、CHCl3、CH2Cl2、CCl3F、C2Cl6、C2Cl4和C2H3Cl3的氟化，但其實例僅涉及全滷化飽和物質(CCl4和C2Cl3F3)的氟化。然而，眾所周知，全滷化分子的反應性與氫化物質的反應性很不相同。
後者，如F133a(1-氯-2，2，2-三氟乙烷)，對消去反應(HCl或HF的失去)和氯化反應敏感，結果會生成無用的副產物。如專利FR 2433500所述，在該反應溫度下(一般高於全滷化分子氟化所用的溫度)引入氧氣後會導致選擇性降低。
三氧化二鉻，眾所周知用作氟化催化劑，也是HCl氧化的良好催化劑(專利US 4803065和US 4822589)。氟化反應過程中引入的氧通過迪肯反應與生成的HCl反應，產生氯氣。然後這氯氣，易使存在於反應混合物中的氫化物質氯化。因此，在有氧情況下使F133a氟化時，主要生成F120系列產物(C2ClnF5-n)。除生成氯以外，這迪肯反應還產生水，由於腐蝕問題，這水在氟化工序中是特別討厭的。
為克服這缺點，已提出使用某些鉻基混合催化劑，這使它有可能限制迪肯反應。因此，專利EP 546883指出，在本體催化劑情況下，添加金屬如鎳使HCl的氧化能部分抑制。在用Ni-Cr/AlF3混合催化劑時看到了同樣的現象(專利EP 486333和WO 93/25507)。
鑑於同樣的目的，專利EP 328127提出用不含鉻的催化劑進行F133a-F134a的氟化反應。推薦的固體至少含有選自鈷、錳、鎳、鈀、銀、釘和鋁中的一種金屬。
近來，已證明在有氧情況下進行二氯甲烷氟化反應時鉻催化劑選擇性不很好(生成F22和滷化乙烷衍生物)，此後專利JP 5-339179還提出使用無絡的催化劑，這對合成F32有特效。這些催化劑，例如CoCl2/AlF3或NiCl2/AlF3選擇性好，通過添加選自稀土元素(La、Ce)或鹼土元素(Mg、Ca、Sr)增加其穩定性。在有氧情況下所得到的壽命是可觀的(150天)，但F32的時空產率很低(＜10g/h/l)，不適合F32的工業生產。
在二氯甲烷的氟化試驗中，用較短的接觸時間，目的在於增加F32的時空產率，我們已驚奇的發現，與上述專利的預料相反，即使在有氧的情況下，普通的氟化催化劑如Ni/AlF3或NiCr/AlF3是不穩定的。
另一方面，現已發現，有一個溫度範圍，在此範圍內純鉻基催化劑(不加別的金屬氧化物)具有極好的穩定性，在有氧情況下，能通過二氯甲烷的氣相氟化生產F32，而選擇性不會有任何明顯損失。
其實，不可能解釋，首先意外地發現該迪肯反應事實上並不存在，即使在大量氧存在(3摩爾％)、在250-450℃、在三氧化二鉻上進行二氯甲烷的氟化反應時也如此。由氯化反應產生的副產物量很少。此外，不存在迪肯反應就有可能減少反應器中水的生成，而且這會減少腐蝕現象。因此，二氯甲烷的氟化是一種很特殊的反應，它不同於如F133a、C2Cl4、F123或F124的氟化反應。
因此，與現有技術預料相反，有可能用鉻基催化劑在有氧情況下進行這氟化反應，而不會降低反應選擇性。所以不必用特定添加劑增加其選擇性；去消混合催化劑中的添加劑可使該催化劑的生產簡化，從而降低其成本。
而且，使用鉻基(本體或載體上的)催化劑有可能獲得很高的F32時空產率。另外，已意外的發現，在已試驗的氟化催化劑中，只有活性相僅含鉻的催化劑(主體或載體上的)能在二氯甲烷的氟化溫度下限制焦炭生成。
還發現，只有在窄的溫度範圍內才能有效地保持該催化劑活性。低於330℃下引入氧氣就不能降低焦炭生成速度，該催化劑會漸漸去活化。相反，溫度高於400℃，結果會使固體發生結晶，勢必降低其活性。
總之，已發現，為了用穩定的和有選擇性的方法，提高製備F32的時空產率，必須結合考慮引入氧、用本體或載體上的鉻基催化劑和限制溫度範圍。
因此，本發明目的是用無水氫氟酸使二氯甲烷(F30)進行氣相催化氟化來生產二氟甲烷(F32)的方法，其特徵在於在每100摩爾F30有0.1-5摩爾氧的情況下，在330-450℃的溫度下，用本體或載體上的鉻催化劑進行操作。
按本發明製備鉻催化劑所用的前體最好是鉻氧化物、氫氧化物、滷化物、乙酸鹽或硝酸鹽。在固體催化劑情況下，最好選用部分氟化的具有大的表面的鉻基固體，它可含或不含惰性成分。惰性成分例如氧化鋁或石墨可增加其熱穩定性和其耐久性。該催化劑也可通過在惰性載體如氧化鋁或部分氟化的氧化鋁上沉積鉻衍生物而製得。沉積的鉻的質量含量最好低於20％。
可引入純的氧或在惰性氣體如氮氣中稀釋的氧。最好使用O2/CH2Cl2摩爾比為0.5-3％。
HP/CH2Cl2摩爾比可在寬範圍內變化，一般為1.5-10，最好為2-5。
如上所述，該反應必須在330°-450℃的溫度下進行，然而，為了得到高時空產率而該催化劑又不會由於發生結晶而有去活的危險，最好在350-400℃的溫度下操作。
接觸時間，定義為反應物總流率(在反應條件下測得)與催化劑體積之比，可在寬範圍內變化，一般為0.01-10秒。實際上，最好在接觸時間為0.05-5秒時操作。
反應可在大氣壓或較高壓力下進行。優選的絕對壓力為1-20巴。
下面的實施例僅為了說明本發明而不是限制它。1.催化劑製備和活化(1)本體催化劑(A)使用的本體三氧化二鉻在用無水HF活化後其比表面為209m2/g，孔體積(4nm＜r＜63μm)為0.1ml。
為此，首先在200℃乾燥三氧化二鉻，然後在200℃，用N2/HF混合物進行處理。當最初放出的熱量減少時，升溫至380℃。然後使該催化劑在純的無水HF氣流中，在380℃保持18小時。
已活化的催化劑(A)具有下列物理化學性能氟含量(以重量計)27％鉻含量(以重量計)53％
半徑為4nm-63μm的孔體積0.13ml/gBET的表面101m2/g(2)載體上的催化劑(B)、(C)和(D)在旋轉式蒸發器中放入250ml部分氟化的氧化鋁(總共含83質量％氟化鋁和16％氧化鋁)，它是預先在約300℃，用氮氣和氫氟酸使氧化鋁氟化而製得的。這種已氟化的載體浸漬前具有下列物理化學性能形狀直徑為1-2mm的小球表現高度0.57g/mlBET的表面67m2/g孔體積0.72ml/g(指半徑為4nm-63μm的孔)。
用表1所示的量，分別製備含所需要的金屬前體的水溶液(溶液1)。在催化劑(B)和(D)情況下，是用CrO3製備的，在甲醇介質中進行浸漬，由此而使鉻還原到氧化態III。為此，在攪拌情況下，將含鉻和甲醇溶液的水溶液(溶液2)同時加到載體上。
表I
在室溫下和大氣壓下，該載體在攪拌情況下浸漬45分鐘。然後使該催化劑在約110℃，在流化床中，在氮氣流中乾燥4小時。
然後將該催化劑裝入由鉻鎳鐵合金600(Inconel 600)製成的反應器中，並按專利EP 0486333所述方法，在固體床中，用氮氣/HP混合物進行活化。下表II表明經這樣活化後該催化劑的化學組成。
表II
2.二氯甲烷的氟化實施例1將4ml預氟化的三氧化二鉻(催化劑A)裝入由鉻鎳鐵合金600製成的，內徑為1cm，體積為40ml的管式反應器中。第一步，分別以0.68摩爾/h和0.03摩爾/h的流率引入HF和空氣。接著，將二氯甲烷(在溫度為150℃的預加熱器中汽化)以氣態形式引入反應器中，其流率為0.23摩爾/小時。該反應是在大氣壓下進行的。反應器溫度保持在350℃，在此條件下接觸時間為0.3秒。
然後洗滌、乾燥反應產物，並用氣相色譜法分析。結果匯集在下表III中。
此外，測定O2/N2比率可檢驗以空氣形式引入的氧是否已耗盡。在此反應條件下，5％引入的氧轉化成CO，生成CO2是有限度的。其它副產物(F23和F40)的量少於700ppm。在反應器出口，O2/N2摩爾比為0.26，說明不存在迪肯反應。
已發現，這些反應條件完全能保持穩定的活性，同時F32的時空產率很高(1350g/h/l)，對F31＋F32的選擇性的高於99.7％。
表III
比較例1在如同實施例1的條件下進行反應，但溫度為300℃。調節各反應物的流率以使接觸時間保持0.3秒。結果匯集在下表中。
表IV
引入的氧實際上未參與反應；CO/CO2的生成量低於檢測極限(＜0.05％)。
該催化劑由於焦化而失活，操作321小時後，碳含量為2.5％(以質量計)。
已發現，300℃的溫度就不能使該催化劑保持穩定的活性。該溫度能得到F32高時空產率(1200g/h/l)，但不足以連續不斷的抑制焦炭或其前體的生成。實施例2二氯甲烷的氟化反應是用載體上的催化劑B(Cr/AlF3)，在如同實施例1的條件下進行的。所得結果匯集在表V中。
表V
引入的氧很少參與反應；CO/CO2的生成量低丁檢測極限(＜0.05％)。測得二(氟甲基)醚的生成量為100ppm。比較例2和3反應在載體上的催化劑C和D(Ni/AlF3和Nr-Cr/AlF3)中，在實施例1的條件下進行。該催化劑C和D不是本發明的催化劑。
二氯甲烷的轉化率以及對F32和F31的選擇性如下表VI所示
表VI
已發現氟化催化劑C和D不可能達到催化劑A和B所獲得的壽命[A和B只含鉻基(固體或載體上的)]，儘管連續引入空氣和高溫，它仍會因焦化而失活。
在這些催化劑上，生成的CO/CO2少於500ppm，而且沒有生成二(氟甲基)醚(＜10ppm)。引入的氧未反應。
這些比較例2和3說明，為使引入的空氣在二氯甲烷的氟化溫度能抑制或阻止焦炭生成，必須用只含鉻的催化劑(催化劑A和B)。
權利要求
1.一種生產二氟甲烷的方法，該方法是用無水氫氟酸使二氯甲烷進行氣相催化氟化，其特徵在於在每100摩爾二氯甲烷有0.1-5摩爾氧的情況下，在330-450的溫度下，用本體或載體上的鉻催化劑進行操作。
2.按權利要求1的方法，其中該O2/CH2Cl2摩爾比為0.5-3％。
3.按權利要求1或2的方法，其中該操作是在350-400℃的溫度下進行。
4.按權利要求1-3之一的方法，其中催化劑是使用本體鉻催化劑。
5.按權利要求1-3之一的方法，其中催化劑是使用載體上的鉻催化劑，鉻的含量優選低於20％。
6.按權利要求1-5之一的方法，其中接觸時間為0.01-10秒，優選為0.05-5秒。
7.按權利要求1-6之一的方法，其中該操作是在1-20巴絕對壓力下進行。
全文摘要
本發明涉及由二氯甲烷的催化氣相氟化生產二氟甲烷。該操作是在有氧氣的情況下，在溫度330℃-450℃並用本體或載體上的鉻催化劑進行的。
文檔編號C07C19/08GK1150943SQ96108650
公開日1997年6月4日 申請日期1996年6月26日 優先權日1995年6月27日
發明者貝努瓦·勒基米, 埃裡克·拉克羅伊克斯, 安德烈·蘭茨 申請人:埃爾夫阿託化學有限公司