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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Abtrennen von Pentafluorethan
(CHF2CF3, HFC-125) aus
einer Mischung, die HFC-125 und Chlorpentafluorethan (CF3-CCIF2, CFC-115)
aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Herstellung
von Heptafluorpropan (CF3CHFCF3 oder
CF3CF2CHF2, HFC-227ea oder HFC-227ca, zusammengenommen
HFC-227).
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren hat es zunehmend Besorgnis um die globale Erwärmung gegeben.
Als Ergebnis sind mehrere Chlorfluorkohlenstoffe (CFC), von denen
bekannt ist, dass sie einen schädlichen
Umwelteinfluss ausüben,
aus dem Markt herausgenommen worden. An ihrer Stelle sind neue Verbindungen
als Mittel zum Fluten, Strahlmittel, Blähmittel, Treibmittel und Kältemittel
eingeführt
worden. Allerdings erfüllen
einige dieser neuen Verbindungen nicht die Umweltschutzanforderungen.
Dementsprechend besteht ein bleibender Bedarf zur Entwicklung von
Fluorkohlenstoffverbindungen und speziell von Hydrofluorkohlenstoffen,
die kein Chlor haben. Zwei Hydrofluorkohlenstoffe, von denen bekannt
ist, dass sie über
wünschenswerte
Eigenschaften verfügen,
sind Pentafluorethan (HFC-125) und Heptafluorpropan (HFC-227).
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HFC-125
ist ein wertvoller Hydrofluorkohlenstoff (HFC), der speziell als
ein Kältemittel,
Blähmittel, Treibmittel
oder Feuerlöschmittel
verwendbar ist. HFC-125 kann mit Hilfe eines mehrstufigen Verfahrens
beginnend mit der Fluorierung von Tetrachlorethen (C2Cl4) hergestellt werden. Die Endprodukte des
mehrstufigen Verfahrens schließen
eine Mischung ein, die HFC-125 enthält, Chlorpentafluorethan (CFC-115)
und geringe Mengen anderer fluorierter Verbindungen.
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HFC-227
ist ein weiterer wertvoller Hydrofluorkohlenstoff. Eines der bekannten
Ausgangsmaterialien für
die Erzeugung von HFC-227 ist Hexafluorpropen (CF3CF=CF2, HFP). HFP kann mit Fluorwasserstoff (HF) in
Gegenwart eines geeigneten Katalysators unter Erzeugung von HFC-227
und anderer Nebenprodukte hydrofluoriert werden. Im typischen Fall
werden im letzten Schritt der HFC-227-Reinigung diese Nebenprodukte durch
einfache Destillation abgetrennt.
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CFC-115
ist eine unerwünschte
Verbindung auf Grund ihres Gehaltes an Chlor, weshalb ihre Anwendung
stark reglementiert ist. Bei der Herstellung von HFC-125 für kommerzielle
Verwendung ist es daher erforderlich, HFC-125 von CFC-115 abzutrennen.
Leider bildet die Mischung von HFC-125 und CFC-115 ein nahezu azeotropes
Gemisch. Bei hohen Konzentrationen an HFC-125 liegt die relative
Flüchtigkeit
von HFC-125 in Bezug auf CFC-115 nahe an 1,0 und macht eine Rückgewinnung
von reinem HFC-125 aus einer Mischung von HFC-125 und CFC-115 durch
einfache Destillation schwierig.
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Ein
Azeotrop ist eine flüssige
Mischung, die in Bezug zu den Siedepunkten ihrer Komponenten ein
Maximum oder Minimum des Siedepunktes zeigt. Ein Azeotrop ist homogen,
wenn lediglich eine flüssige
Phase vorhanden ist. Ein Azeotrop ist heterogen, wenn mehr als eine
flüssige
Phase vorhanden sind. Unabhängig davon
besteht das Merkmal azeotroper Mischungen darin, dass die Zusammensetzung
der Flüssigkeit
identisch ist mit der Zusammensetzung des mit ihr im Gleichgewicht
befindlichen Dampfes, und eine Destillation der azeotropen Mischung
als eine Trennungsmethode unwirksam ist. Im Sinne der Diskussion
hierin bedeutet ein nahezu azeotropes Gemisch eine Zusammensetzung,
die sich ähnlich
wie ein Azeotrop verhält,
d. h. eine konstantsiedende Charakteristik oder Neigung hat, beim
Sieden oder bei der Verdampfung nicht zu Fraktionieren. Somit ist
die Zusammensetzung des während
des Siedens oder während
der Verdampfung solcher Zusammensetzungen gebildeten Dampfes die
Gleiche oder weitgehend die Gleiche wie die Zusammensetzung der
ursprünglichen
Flüssigkeit.
Während
des Siedens oder der Verdampfung ändert sich die Flüssigkeitszusammensetzung,
sofern überhaupt
eine Änderung
erfolgt, lediglich in einem minimalen oder vernachlässigbaren
Umfang. Dieses steht im Gegensatz zu nichtazeotropen Zusammensetzungen,
bei denen sich die Flüssigkeitszusammensetzung
während
des Siedens oder während
der Verdampfung in einem wesentlichen Maß ändert.
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Dementsprechend
bestehen die wesentlichen Merkmale eines Azeotrops oder einer nahezu
azeotropen Mischung darin, dass bei einem vorgegebenen Druck der
Siedepunkt der Flüssigkeitszusammensetzung konstant
bleibt und dass die Zusammensetzung des Dampfes über der siedenden Zusammensetzung
im Wesentlichen die der siedenden flüssigen Zusammensetzung ist,
d. h. es findet keine Fraktionierung der Komponenten der flüssigen Zusammensetzung
statt. Auf dem Fachgebiet gilt als anerkannt, dass sowohl der Siedepunkt
als auch die prozentualen Gewichtsanteile jeder Komponente der azeotropen
Zusammensetzung sich ändern
können,
wenn das Azeotrop oder die nahezu azeotrope Flüssigkeitszusammensetzung bei
verschiedenen Drücken
einem Sieden unterworfen werden. Damit lassen sich ein Azeotrop
oder eine nahezu azeotrope Mischung anhand der eindeutigen Beziehung
definieren, die zwischen den Komponenten besteht oder anhand der
Zusammensetzungsbereiche der Komponenten oder anhand der exakten
prozentualen Gewichtsanteile jeder Komponente der Zusammensetzung,
wie bei einem vorgegebenen Druck durch einen konstanten Siedepunkt
charakterisiert ist. Auf dem Fachgebiet gilt ebenfalls als anerkannt,
dass verschiedene azeotrope Zusammensetzungen unter Einbeziehung
ihrer Siedepunkte bei speziellen Drücken berechnet werden können (siehe
beispielsweise W. Schotte, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1980,
19, S. 432–439).
Es kann eine experimentelle Identifikation von azeotropen Zusammensetzungen
unter Beteiligung der gleichen Komponenten herangezogen werden,
um die Genauigkeit derartiger Berechnungen zu bestätigen und/oder
die Berechnungen für
azeotrope Zusammensetzungen bei den gleichen oder anderen Temperaturen
und Drücken
zu modifizieren.
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Es
ist bekannt, dass reines HFC-125 als eine nahezu azeotrope Mischung
mit CFC-115 mit Hilfe eines Verfahrens der extrahierenden Destillation
gewonnen werden kann. Bei diesem Verfahren gelangt ein geeignetes
Extraktionsmittel zur Anwendung, welches die relative Flüchtigkeit
einer Komponente oder des Azeotrops verändert. Beispiele für Extraktionsmittel,
die zur Reinigung von HFC-125 verwendet werden, wurden in den
US-P-5087329 und
5928479 offenbart.
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Verfahren
für die
extrahierende Destillation zur Reinigung von HFC-125 schließen gewöhnlich einen Schritt
der Abtrennung des Extraktionsmittels entweder von HFC-125 oder
CFC-115 anschließend
an der Beendigung der extrahierenden Destillation ein. Dieses zusätzliche
Verfahren zur Abtrennung kann die Kosten der HFC-125-Erzeugung selbst
dann noch erhöhen,
obgleich das Extraktionsmittel wieder verwendet werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung gewährt
Verfahren für
die Herstellung halogenierter Kohlenwasserstoffe entweder allein
oder in Kombination mit der Synthese von olefinischen Derivaten.
In einer der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein halogenierter Kohlenwasserstoff
von einer nahezu azeotropen Mischung gereinigt, die mindestens einen
halogenierten Kohlenwasserstoff aufweist und mindestens einen Halogenkohlenstoff,
und zwar mit Hilfe der extrahierenden Destillation unter Verwendung
eines olefinischen Extraktionsmittels. In dieser speziellen Ausführungsform
wird das olefinische Extraktionsmittel zu einer Derivat-Verbindung
umgewandelt.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird HFC-125 aus einer CFC-115 enthaltenden
Mischung mit Hilfe einer extrahierenden Destillation unter Verwendung
von Hexafluorpropen (HFP) oder Chlortrifluorethen (CCIF=CF2, CFC-1113) als Extraktionsmittel gereinigt.
Eines der Merkmale dieser speziellen Ausführungsform besteht darin, dass
das Extraktionsmittel in der Reinigung von HFC-125 zurückgewonnen
und wieder verwendet werden kann, wie hierin ausgeführt wird.
In einer alternativen Ausführungsform lässt sich
das zurückgewonnene
Extraktionsmittel als Ausgangsmaterial für die Erzeugung von Fluorkohlenstoffen
wie HFC-227 verwenden.
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In
einer speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zum Gewinnen von
HFC-125 die Schritte: (a) Bereitstellen einer ersten HFC-125 und
CFC-115 aufweisenden Mischung, (b) Destillieren der ersten Mischung
in Gegenwart von Hexafluorpropen (HFP) zur Abtrennung von HFC-125 von
einer zweiten HFP und CFC-115 aufweisenden Mischung. Der Prozess
des Destillieren kann eine extrahierende Destillation sein, worin
HFP ein Extraktionsmittel ist.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung kann das Verfahren ferner die Schritte einschließen: (c)
Gewinnen von HFC-125 als ein Überkopfprodukt
und (d) Gewinnen der zweiten Mischung als ein Bodenprodukt.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
können
in das Verfahren ferner die Schritte einbezogen werden: (e) Reinigen
von HFP am der zweiten Mischung zur Erzeugung einer dritten CFC-115
aufweisenden Mischung und Schritt (f) Gewinnen von HFP. Wahlweise
kann in das Verfahren der Schritt der Wiederverwendung des gewonnenen
HFP als Extraktionsmittel entsprechend der Beschreibung hierin einbezogen
werden.
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Eine
andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung richtet sich auf ein Verfahren, welches
die Schritte umfasst: (a) bis (d) wie bereits beschrieben sowie
die Schritte: (g) Zugeben von HF zu der zweiten Mischung zur Erzeugung
einer vierten Mischung, (h) Umwandeln von HFP in der vierten Mischung
durch Hydrofluorierung in Gegenwart eines geeigneten Katalysators
zu HFC-227, um eine fünfte
Mischung zu erzeugen, (i) Trennen der fünften Mischung zu HFC-227 und
einer sechsten Mischung, die CFC-115 aufweist, und (j) Gewinnen
von HFC-227.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung richtet sich auf ein Verfahren, welches
die Schritte umfasst: (a) bis (f) wie beschrieben sowie die Schritte:
(k) Zugeben von HF zu dem gewonnenen HFP, (l) Umwandeln des gewonnenen
HFP durch Hydrofluorierung zu HFC-227 in Gegenwart eines geeigneten
Katalysators, um eine siebente Mischung zu erzeugen, (m) Trennen
der siebenten Mischung in HFC-227 und Nebenprodukte und (n) Gewinnen
von HFC-227.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Verfahren die Schritte: (a) bis (f) wie beschrieben
und den Schritt des Umwandeln von HFP in mindestens ein HFP-Derivat
oder Fluorpolymer.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren die Schritte: (o)
Bereitstellen einer ersten HFC-125 und CFC-115 aufweisenden Mischung,
(p) Destillieren der ersten Mischung in Gegenwart von CFC-1113,
um HFC-125 von einer CFC-1113 und CFC-115 aufweisenden achten Mischung
zu trennen, (q) Gewinnen von HFC-125 als ein Überkopfprodukt und (r) Rückgewinnen
der achten Mischung als ein Bodenprodukt. Der Prozess des Destillierens
kann eine extrahierende Destillation sein, worin HFP ein Extraktionsmittel
ist.
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In
einer noch anderen Ausführungsform
umfasst das Verfahren die Schritte (o) bis (r) sowie die Schritte:
(s) Zugeben von HF zu der achten Mischung zur Erzeugung einer neunten
Mischung, (t) Umwandeln von CFC-1113 in der neunten Mischung in
Gegenwart eines geeigneten Katalysators zu einem Fluorethan, um
eine zehnte Mischung zu erzeugen, und die zehnte Mischung in den
Kreislauf zu einem Prozess für
die Erzeugung von Hydrofluorkohlenstoff zurückfuhren. In einer der Ausführungsformen
ist das Fluorethan 1-Chlor-1,2,2,2-tetrafluorethan (CHCICF3, HCFC-124).
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Die
vorgenannten und andere Ausführungsformen,
Aspekte, Alternativen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit den Beispielen leichter offensichtlich.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung überwinden
die Nachteile aus dem Stand der Technik, indem neuartige Verfahren
zum Herstellen von Hydrofluorkohlenstoffen bereitgestellt werden,
indem Mischungen von nahezu azeotropen halogenierten Kohlenwasserstoffen
mit Extraktionsmitteln und nachfolgender Umwandlung des Extraktionsmittels
zu einer Derivat-Verbindung getrennt werden, die von mindestens einem
der halogenierten Kohlenwasserstoffe aus der nahezu azeotropen Mischung
abgetrennt werden.
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In
einer der Ausführungsformen
umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Extraktionsmittels,
nämlich
HFP, das zur Reinigung von HFC-125 aus einer HFC-125 und CFC-115
aufweisenden Mischung verwendet werden kann. Die Mischung kann überwiegend
HFC-125 und lediglich geringfügige
Mengen an CFC-115 sowie andere Fluorkohlenstoff-Nebenprodukte enthalten.
HFP ist ein bedeutendes Monomer, das zur Erzeugung von fluororganischen
Materialien verwendet wird, und ist auf dem Markt leicht verfügbar.
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Die
Verwendung von HFP als Extraktionsmittel für die Abtrennung von Alkanen
ist im Stand der Technik bis jetzt noch nicht beschrieben worden.
Es ist allgemein bekannt, dass ähnliche
Verbindungen voneinander angezogen werden. So wird im typischen
Fall zur Abtrennung von Chlor enthaltenden Alkanen von Chlor freien
Alkanen ein anderes Chlor enthaltendes Alkan als Extraktionsmittel
verwendet. Als ein Alken ist HFP von den als Extraktionsmittel in
der
US-P-5087329 offenbarten
Alkanen strukturell verschieden. Dieser strukturelle Unterschied
in Verbindung mit der Tatsache, dass HFP kein Chlor enthält, macht überraschend
seine Brauchbarkeit als ein Extraktionsmittel zur Abtrennung von
HFC-125 von CFC-115
aus. Die Verwendung von HFP und fluorierten Alkenen als Extraktionsmittel
wird nachfolgend in dem nichteinschränkenden Beispiel 1 demonstriert.
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BEISPIEL 1
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UNTERSUCHUNG VON EXTRAKTIONSMITTEL FÜR DIE DAMPFPHASETRENNUNG
VON HFC-125 UND CFC-115
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Es
wurde ein 50 ml-Probenzylinder aus rostfreiem Stahl, der mit einem
Manometer und einem Ventil mit Membranöffnung ausgestattet war, bis –78°C gekühlt und
eine bekannte Menge von HFC-125 und CFC-115 in die Druckgasflasche
geladen. Diese Mischung wurde geschüttelt und bis Umgebungstemperatur anwärmen gelassen
und die Dampfphase für
die nachfolgende Analyse mit Hilfe der Gaschromatographie (GC) einer
Probenahme unterzogen wurde.
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Die
Druckgasflasche wurde sodann erneut bis –78°C gekühlt und eine gewünschte Menge
des gewählten
Extraktionslösemittels
dem Gefäß zugegeben.
Sodann ließ man
die Mischung bis Umgebungstemperatur warm werden, wobei sie zu diesem
Zeitpunkt geschüttelt
wurde und man für
3 bis 12 Stunden für
einen Temperaturausgleich sorgte, bevor sie erneut zur GC-Analyse
einer Probenahme unterzogen wurden.
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Sämtliche
GC-Daten von diesem und den folgenden Beispielen wurden genommen,
indem ein Auffanggefäß oder Vorratsgefäß oder die
entsprechende Probenahmeöffnung
einer Probenahme mit einer luftdichten 50-250 μl-Spritze, die mit einem Ein/Aus-Ventil
versehen war, unterzogen wurde. Diese aufgenommene Probe wurde auf
entweder einer HP-5890- oder 5890II-GC gespritzt, das mit einer "Varian-Plot-Fused-Silica"-Säule (30
m × 0,32
mm Innendurchmesser) ausgestattet war. Alle Analysen wurden mit
einem Zeit/Temperatur-Programm ausgeführt, das eine Anfangstemperatur
und Anfangszeit von 70°C
und 15 Minuten hatte, gefolgt von einer Rampe auf 140°C mit einer
Geschwindigkeit von 15°C/min
und einer Abschlusszeit von 20 Minuten. Die Wahl des Säulentyps,
der Probengröße und der
Analysenbedingungen sind dem Fachmann auf dem Gebiet der GC gut
bekannt. Alle angegebenen Mengen sind auf Flächenprozent bezogen. Zur Verifikation der
Identität
jeder Verbindung wurden Analysen unter Anwendung der Massenspektrometrie
ausgeführt.
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Tabelle
I ist ein Ergebnis der GC-Analysen für den Gehalt der Dampfphase
an HFC-125 und CFC-115 in
der Ausgangsmischung und in der Mischung mit Extraktionsmittel,
die CFC-115 absorbiert. Wie in Tabelle I gezeigt ist, änderte sich
die Flüchtigkeit
von CFC-115 bei Zugabe von verschiedenen Lösungsmitteln. Die Flüchtigkeit
von CFC-115 war ziemlich gering mit der Zugabe der CFC-Lösemittel
wie 1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluorethan (CCl2FCCIF2, CFC-113) und 1,2-Dichlor-1,1,2,2-Tetrafluorethan
(CCIF2CF2Cl, CFC-114).
Wie durch die Zunahme des prozentualen Anteils von HFC-125 oder
die Abnahme des prozentualen Anteils von CFC-115 in der Dampfphase
gezeigt wird, eigneten sich diese Lösemittel CFC-113 und CFC-114
gut für
die Trennung von CFC-115 von HFC-125. Wie zu erwarten war, zeigten
auch die ähnlichen
Verbindungen wie Dichlorhexafluorpropan (C3F6Cl2, CFC-216) und
Chlorheptafluorpropan (C3F7Cl,
CFC-217) gute Extraktionsfähigkeiten
für CFC-115.
Da es sich bei ihnen jedoch um Chlorfluorkohlenstoffe handelt, sind
diese Verbindungen keine wünschenswerten
Extraktionsmittel, da sie stark regulierte, verdächtigte, Ozon ausdünnende Verbindungen
sind.
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Die
Wirksamkeit der Fluorolefine, nämlich
CFC-1113, HFP, HFC-1243zf (CF3CH=CH2, TFP) und HFC-1225zc (CF3CH=CF2, PFP) ist unterschiedlich, wobei CFC-1113
und HFP eine überraschende Fähigkeit zur
Extraktion von CFC-115 aus HFC-125 zeigten. Da HFP jedoch kein Chlor
enthält,
wird es wohl als ein Extraktionsmittel nützlicher sein.
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Im
Gegensatz zu HFP und CFC-1113 hatten die Olefine HFC-1243zf und
HFC-1225zc ein nur geringes oder kein Extraktionsvermögen. Darüber hinaus
schien Chloroform (CHCl
3) kein wirksames
Extraktionsmittel für
die Trennung von CFC-115 zu sein. TABELLE I: GC-ANALYSE DES DAMPFPHASEGEHALTS
VON HFC-125 UND CFC-115 IN DER AUSGANGSMISCHUNG UND DER MISCHUNG
MIT EXTRAKTIONSMITTEL, DAS CFC-115 ABSORBIERT
Extraktionmittel | % HFC-125 | Änderung | % CFC-115 | |
Bei
Beginn | Mit
zugesetztem Extraktionsmittel | Bei
Beginn | Mit
zugesetztem Extraktionmittel | Relative Flüchtigkeit von CFC-115 |
CHCl3 | 98,28 | 98,28 | 0,00 | 1,72 | 1,72 | 1,00 |
HFC-1243zf | 99,02 | 99,04 | 0,02 | 0,98 | 0,96 | 0,98 |
HFC-1225zc | 99,14 | 99,17 | 0,03 | 0,86 | 0,83 | 0,96 |
C2Cl4 | 98,28 | 98,49 | 0,21 | 1,72 | 1,51 | 0,88 |
CFC-217 | 98,28 | 98,52 | 0,24 | 1,72 | 1,48 | 0,86 |
CFC-216 | 98,28 | 98,54 | 0,26 | 1,72 | 1,46 | 0,85 |
CCl4 | 98,28 | 98,54 | 0,26 | 1,72 | 1,46 | 0,85 |
HFP | 99,02 | 99,18 | 0,16 | 0,98 | 0,82 | 0,84 |
CFC-1113 | 99,14 | 99,31 | 0,17 | 0,86 | 0,69 | 0,80 |
CFC-114 | 98,28 | 98,78 | 0,50 | 1,72 | 1,22 | 0,71 |
CFC-113 | 98,28 | 98,82 | 0,54 | 1,72 | 1,18 | 0,69 |
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In
bestimmten Ausführungsformen
umfasst die vorliegende Erfindung die Nutzung von olefinischen Extraktionsmitteln
auf zwei verschiedenen Weisen. Erstens, kann das olefinische Extraktionsmittel
zur Reinigung des HFC-125 von einer HFC-125 und CFC-115 aufweisenden
Mischung verwendet werden. Relativ reines HFC-125 wird als das Überkopfprodukt
gewonnen, während
der überwiegende
Anteil des olefinischen Extraktionsmittels als eine Mischung mit
CFC-115 als ein Bodenprodukt gewonnen wird. In einer der Ausführungsformen
ist das olefinische Extraktionsmittel HFP. In einer anderen Ausführungsform
ist das olefinische Extraktionsmittel CFC-1113.
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Zweiten,
kann das olefinische Extraktionsmittel, nachdem es als ein Extraktionsmittel
verwendet wurde, rückgewonnen
werden und als ein Präkursor
für die
Erzeugung von Extraktionsmittel-Derivaten oder Fluorpolymeren verwendet
werden. Als ein Olefin eignet sich das Extraktionsmittel zur Hydrohalogenierung
durch Addition über
die Doppelbindung.
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In
einer der Ausführungsformen
wird HF über
die Doppelbindung von HFP unter Erzeugung von HFC-227 angelagert.
In einer anderen Ausführungsform
kann HF über
die Doppelbindung von CFC-1113 unter Erzeugung von HCFC-124 angelagert
werden. In diesen Ausführungsformen
ist die relative Flüchtigkeit
des Extraktionsmittel-Derivats ausreichend verschieden von CFC-115,
so dass sich das Derivat mit Hilfe bekannter chemischer Trennmethoden,
wie beispielsweise Destillation, abtrennen lässt. Darüber hinaus lasst sich CFC-1113
auch in HFC-125 oder einer Mischung von HFC-125 und HCFC-124 überführen, in
welchem Fall es unter Erzeugung von weiterem HFC-125 in den Kreislauf
zu dem HFC-125/CFC-115-Reinigungsprozess
zurückgeführt werden
kann.
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Diese
Reaktionstypen der Hydrohalogenierung werden normalerweise in Gegenwart
eines Katalysators ausgeführt.
Geeignete Gasphasekatalysatoren schließen Aktivkohle ein, Chromoxid,
Nickel-, Kupfer-, Eisen- oder Aluminiumoxid. Geeignete Flüssigphasekatalysatoren
schließen
Antimonchlorid ein, Molybdän
und Tantal. Es gilt als selbstverständlich, dass andere Verbindungen
und Syntheseschemen angewendet werden können, um das Extraktionsmittel
zu derivatisieren. Die resultierende Verbindung kann zurückgewonnen
werden oder zu dem Trennverfahren in den Kreislauf zurückgeführt werden.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abtrennen von
HFC-125 von CFC-115 bereitgestellt. Das Verfahren umfasst einen
Schritt (a) des Bereitstellens einer ersten, HFC-125 und CFC-115
aufweisenden Mischung. Die erste Mischung kann von einer Reaktion
der Hydrofluorierung von Tetrachlorethan abgeleitet werden oder
von anderen ähnlichen
Prozessen. Ebenfalls kann die erste Mischung geringe Mengen anderer
Nebenprodukte der Hydrofluorierung enthalten, wie beispielsweise:
1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluorethan (CFC-113), 1,2-Dichlor-1,1,2,2-tetrafluorethan
(CFC-114), 2,2-Dichlor-1,1,1-trifluorethan (HCFC-123) oder Hexafluorethan
(FC-116). Die prozentuale
Konzentration von HFC-125 und CFC-115 in der ersten Mischung kann
variieren. Die erste Mischung kann mehr als 90% HFC-125 enthalten.
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Die
erste Mischung wird einer Fraktioniersäule zugeführt. In dieser speziellen Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Verfahren ferner den Schritt (b) des Destillieren
der ersten Mischung in Gegenwart von HFP zur Abtrennung von HFC-125
von einer zweiten, HFP und CFC-115 aufweisenden Mischung. Während dieses
Schrittes wird HFP dem oberen Abschnitt der Fraktioniersäule zugegeben.
Bezogen auf HFC-125 können
bis zu etwa 50 Gew.% HFP verwendet werden, obgleich nach Erfordernis
mehr als 50 Gew.% HFP bezogen auf HFC-125 verwendet werden können. Vorzugsweise
werden jedoch 20 Gew.% HFP bezogen auf HFC-125 verwendet.
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Die
Destillation wird unter einer Bedingung ausgeführt, unter der man HFC-125
weitgehend frei von CFC-115 zum Kopf der Säule führen kann, wo es abgeschieden
wird. Ein Teil des HFC-125 kann als Rückfluss zurückgeführt werden. Gleichzeitig strömen HFP
und CFC-115 zum Boden der Säule
als eine zweite Mischung. Bei der zweiten Mischung besteht die Möglichkeit,
dass sie ebenfalls restliches HFC-125 und andere Verbindungen enthält, die
in der ersten Mischung vorliegen. Schließlich umfasst das Verfahren
in einer speziellen Ausführungsform
die Schritte (c) der Gewinnung von HFC-125 als ein Überkopfprodukt
und (d) die Gewinnung der zweiten Mischung als ein Bodenprodukt.
Nachfolgend wird in dem nicht einschränkenden Beispiel 2 eine der
Ausführungsformen
dieses Verfahrens demonstriert.
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BEISPIEL 2
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DAMPFPHASENTRENNUNG VON HFC-125 VON CFC-115
UNTER VERWENDUNG VON HFP ALS EIN EXTRAKTIONSMITTEL
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Die
Prozedur demonstriert die wirksame Entfernung von CFC-115 aus Strömen der
ersten, HFC-125 und
CFC-115 aufweisenden Mischung mit Hilfe der Verwendung von HFP als
ein Extraktionsmittel.
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Bei
dem zur Anwendung gelangenden Apparat handelte es sich um eine Destillationssäule aus
Kohlenstoffstahl, 92 Inch gepackt, Schedule 40, die ausgestattet
war mit einem Reboiler, Überkopf-Kondensatabscheider, Überkopf-Rückflusskreis,
zeitgesteuerten Absperrventilen und mehrfachen Einspeisestellen.
Diese evakuierte Säule
wurde geladen mit 584 g der ersten Mischung, die 97,928% HFC- 125 und 2,073 Gew.% CFC-115
aufwies. Diese Mischung ließ man
bei einem Rückfluss
im Bereich von 14 bis 29 ml/min zu einem Ausgleich kommen. Sodann
wurde HFP in die Säule
mit einem mittleren Durchsatz von 1,98 g/min zugeführt, während CFC-115
und HFP mit einem Durchsatz von 1,75 g/min als Bodenprodukt aus
dem Reboiler abgenommen wurden.
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Die
Operation wurde über
2348 Minuten fortgeführt.
Die zugegebene Gesamtmenge an HFP betrug 4438 g. Während dieser
Zeit nahm der relative Anteil von HFC-125 zu CFC-115 in dem Kopf
der Säule
von 87 bis 8194 (Tabelle II) zu. Dieses Verhältnis stellt näherungsweise
121 ppm (0,0121% GC-Fläche) der
im Kopf verbleibenden CFC-115-Fraktion dar (Tabelle II).
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Die
Gewinnung aus dem Reboiler zeigt, dass der überwiegende Anteil des HFP
in der Reboiler- oder Bodenfraktion
aufgefangen wurden. Diese Bodenfraktion enthielt ebenfalls CFC-115
und restliches HFC-125 (Tabelle II).
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Am
Ende der Operation wurde die Anfangsbeschickung unter Einbeziehung
der Menge der ersten Mischung und der Gesamtmenge von HFP, die verwendet
wurden, mit gewonnenen Endmengen sowohl in der Reboiler- als auch
in den Überkopffraktionen
verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine rechnerische Gesamt-Stoffbilanz
von 96,6%. TABELLE II: EXTRAHIERENDE DESTILLATION
UNTER VERWENDUNG VON HFP ALS EIN EXTRAKTIONSMITTEL ZUR ABTRENNUNG
DES HFC-125 VON CFC-115
Zeit (min) | Beschickung HFP
(g) | Säule-Überkopf | Säule-Reboiler |
HFC-125 (% CG-Fläche) | CFC-115 (% CG-Fläche) | Relatives Verh.
von HFC-125 zu CFC-115 | HFC-125 (% CG-Fläche) | CFC-115 (% CG-Fläche) | HFP
(% CG-Fläche) |
5 | 9 | 98,8076 | 1,1361 | 87 | 96,5055 | 2,4569 | 0,3507 |
71 | 134 | 98,3079 | 0,8889 | 111 | | | |
267 | 505 | 99,4534 | 0,4757 | 209 | 1,9543 | 0,2929 | 97,7323 |
515 | 973 | 99,0789 | 0,3670 | 270 | | | |
764 | 1444 | 99,4312 | 0,4172 | 238 | 0,0264 | 0,0241 | 99,9367 |
954 | 1803 | 98,7882 | 0,1890 | 523 | | | |
1158 | 2189 | 99,7811 | 0,1492 | 669 | 0,0359 | 0,0055 | 99,9473 |
1357 | 2565 | 99,0762 | 0,0797 | 1243 | | | |
1573 | 2973 | 99,8564 | 0,0653 | 1529 | 0,0301 | 0,0013 | 99,9531 |
1918 | 3625 | 99,2493 | 0,0286 | 3465 | | | |
2102 | 3973 | 99,8944 | 0,0303 | 3297 | 0,0265 | 0,0035 | 99,9554 |
2234 | 4222 | 99,4617 | 0,0268 | 3711 | | | |
2348 | 4438 | 99,3941 | 0,0121 | 8194 | 0,0356 | 0,0023 | 99,9620 |
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schließt das Verfahren ferner den Schritt
(e) des Reinigens von HFP in der zweiten Mischung ein, um relativ
reines HFP zu erzeugen sowie ein dritte, CFC-115-aufweisende Mischung,
und schließt
den Schritt (f) der Gewinnung von HFP ein. In die dritte Mischung
können
restliches HFP und HFC-125 einbezogen sein. Zusätzlich kann die dritte Mischung
auch geringe Mengen an Nebenprodukten enthalten, wie vorstehend
ausgeführt
wurde. Das am diesem Reinigungsschritt gewonnene HFP kann eine geringe
Menge an CFC-115 und andere Nebenprodukte enthalten. Der Reinigungsschritt
kann jede beliebige geeignete Methode und einschließlich die
Destillation umfassen. Die Reinigung von HFP durch einfache Destillation
wird nachfolgend in dem nichteinschränkenden Beispiel 3 demonstriert.
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BEISPIEL 3
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REINIGUNG VON HFP
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Um
diesen Prozess zu demonstrieren, wurden 507 g einer Mischung, die
90,17% HFP, 9,798% HFC-125 und 0,025% CFC-115 (siehe Tabelle III)
enthielt, in einen Apparat geladen, der aus einer Destillationssäule aus
Kohlenstoffstahl mit 92 Inch Packung, Schedule 40, bestand und ausgestattet
war mit einem Reboiler, Überkopf-Kondensatabscheider
und Überkopf-Rückflusskreis.
Diese Mischung ließ man
unter stationärem
Rückfluss
für 224
Minuten zum Ausgleich kommen. Die Destillation wurde bei einem Überdruck
von etwa 122 bis 123 psig ausgeführt.
Die Boilertemperatur wurde bei etwa 31,4°C eingestellt und die Überkopf-Temperatur
bei etwa 27°C
eingestellt. Die Überkopf-
und Reboiler-Zusammensetzungen wurden mit Hilfe der GC-Analyse überprüft. Die
Säule wurde
sodann für
weitere 100 Minuten zum Ausgleich gebracht, um eine weitere Homogenität des HFP
in dem Reboiler der Säule
zu erlangen (siehe Tabelle III). Damit wird demonstriert, dass die
erhaltene HFP-Reinheit umso größer war,
je länger
die Destillation betrieben wurde. Der Reinheitsgrad ist für die Rückführung in
den Kreislauf des extrahierenden Destillationssystems des HFC-125
oder zur Verwendung als Ausgangsmaterial in nachfolgenden, nachgeschalteten
Reaktionen ausreichend. TABELLE III: ABTRENNUNG DES HFP VON HFC-125
UND CFC-115 DURCH DESTILLATION
| % GC-Fläche |
| Ausgleichsdauer (mm) | HFC-125 | CFC-115 | HFP |
Ausgangsmischung | 0 | 9,798 | 0,025 | 90,174 |
Überkopf | 244 | 18,379 | 0,035 | 81,586 |
Reboiler | 244 | 2,769 | 0,014 | 97,209 |
Überkopf | 344 | 18,491 | 0,034 | 81,460 |
Reboiler | 344 | 1,049 | 0,013 | 98,934 |
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Das
gewonnene HFP kann zur Verwendung als Extraktionsmittel in dem Prozess
der hierin beschriebenen Rückgewinnung
von HFC-125 in den Kreislauf zurückgeführt werden.
In einer anderen Ausführungsform
kann das gewonnene HFP zu mindestens einem der HFP-Derivate überführt werden,
wie beispielsweise HFC-227, oder zu Polymeren, wie beispielsweise
Elastomere, Plastomere, Kunstharze und Fluorpolymere.
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Eine
andere spezielle Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte (a) bis (d), wie hierin
beschrieben wurde, sowie die weiteren Schritte (g) der Zugabe von
HF zu der zweiten Mischung, um eine vierte Mischung zu erzeugen,
sowie (h) der Umwandlung von HFP in der vierten Mischung zu HFC-227 mit
Hilfe der Hydrofluorierung, um eine fünfte Mischung zu erzeugen.
Die Vorteile dieser Ausführungsform
werden anhand des nachfolgenden nichteinschränkenden Beispiels 4 demonstriert.
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BEISPIEL 4
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UMWANDELN VON HFP ZU HFC-227 DURCH SELEKTIVE
HYDROFLUORIERUNG IN GEGENWART VON HFC-125 UND CFC-115
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Es
wurde ein 34 ml-Reaktionsrohr am Legierung-600 mit 13,1 g Aktivkohle-Katalysator
beladen und über
Nacht bei 155°C
mit einer Stickstoffspülung
getrocknet. Der Reaktionsausgang wurde mit einem wässrigen
Gaswäscher
versehen, der mit Natriumhydroxid gefüllt war, gefolgt von einem
Drierite-Rohr, einer GC-Probenahmeöffnung und wahlweise einer
Kühlfalle.
Es wurden drei verschiedene Mischungen als Ausgangsmaterial in den
Reaktionsdurchläufen
(Nr. 1–3)
verwendet. Jede Mischung wies HFP und geringe Mengen an CFC-115
und HFC-125 auf (siehe Tabelle IV). In dem Reaktionsdurchlauf Nr.
4 wurde als Ausgangsmaterial zum Vergleich relativ reines HFP verwendet. TABELLE IV: ZUSAMMENSETZUNG (% GC) AUSGANGSMATERIAL
FÜR VIER
REAKTIONSDURCHLÄUFE
DER FLUORIERUNG VON HFP ZU HFC-227
| % GC-Fläche |
Durchlauf
Nr. | HFP | HFC-125 | CFC-115 |
1 | 99,960 | 0,024 | 0,009 |
2 | 99,396 | 0,540 | 0,055 |
3 | 86,979 | 12,750 | 0,419 |
4 | 99,991 | - | - |
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Die
speziellen Bedingungen für
den jeweiligen Reaktionsdurchlauf der Fluorierung unter Verwendung der
in Tabelle IV gezeigten Materialien sind in Tabelle V angegeben.
Für jeden
Durchlauf wurde das Ausgangsmaterial dem Reaktionsrohr entsprechend
der vorstehenden Beschreibung zugeführt. Zunächst wurde HF dem Reaktionsrohr
mit einem Durchsatz von etwa 70 bis 74 ml/min zugeführt. Der
Durchsatz des Ausgangsmaterials betrug etwa 47 bis 60 ml/min. Das
Verhältnis
von HF zu HFP lag im Bereich von 1,28 bis 1,60. Die Fluorierungsreaktion
wurde bei einer Temperatur von etwa 200°C ausgeführt (siehe Tabelle V). Die
Kontaktdauer lag im Bereich von 9,16 bis 10,08 Sekunden. TABELLE V: FLUORIERUNGSBEDINGUNGEN FÜR VIER REAKTIONSDURCHLÄUFE DER
FLUORIERUNG UNTER VERWENDUNG VON VIER IN TABELLE IV GEZEIGTEN AUSGANGSMATERIALIEN
Durchlauf
Nr. | Temperatur (°C) | Kontaktdauer (s) | Durchsatz | Mol-Verh. HF:HFP |
HF
(ml/min) | Ausgangsmaterial HFP/115/125 (ml/min) |
1 | 203 | 9,16 | 72,80 | 55,71 | 1,28 |
2 | 205 | 9,58 | 70,00 | 59,90 | 1,29 |
3 | 204 | 9,66 | 74,23 | 47,46 | 1,57 |
4 | 204 | 10,08 | 73,05 | 43,81* | 1,60 |
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Das
Ergebnis des in Tabelle V gezeigten jeweiligen Reaktionsdurchlaufs
der Fluorierung ist in Tabelle VI angegeben. Die prozentuale Umwandlung
von HFP zu HFC-227 lag im Bereich von etwa 92,13 bis 97,24, während die
Selektivität
im Bereich von etwa 85 bis etwa 99% lag. Die Mengen an HFC-125 und
CFC-115 änderten
sich nicht wesentlich gegenüber
denen, die in den Ausgangsmaterialien vorlagen (siehe Tabelle IV
und VI). Damit zeigen die Daten in Tabelle VI, dass Olefine selektiv
fluoriert werden können,
ohne irgendwelche ernsthafte Nebenreaktionen hervorzurufen oder
die Umwandlung zu verringern, während
man gleichzeitig HFC-125 und CFC-115 weitgehend unverändert durch
das System leiten kann. TABELLE VI: ERGEBNISSE DES FLUORIERUNGSPROZESSES
AUF BASIS DER IN TABELLE V ANGEGEBENEN BEDINGUNGEN
Durchlauf Nr. | HFC-227 | HFC-125 % GC-Fläche | CFC-115 % GC-Fläche |
Umwandlung
% | Selektivität % |
1 | 92,13 | 99,27 | 0,0231 | 0,0065 |
2 | 95,54 | 98,58 | 0,5617 | 0,0421 |
3 | 96,62 | 85,08 | 13,1312 | 0,4361 |
4 | 97,24 | 99,06 | - | - |
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Nach
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren die Schritte (a)
bis (d), (g) bis (h) und den Schritt (i) des Trennen der fünften Mischung
zu HFC-227 und einer sechsten, CFC-115-aufweisenden Mischung. Die
sechste Mischung kann ferner HFC-125 und andere Nebenprodukte der
Fluorierung aufweisen. Die Trennung kann mit Hilfe der Destillation
erfolgen. Schließlich
umfasst diese spezielle Ausführungsform
ferner den Schritt (j) der Gewinnung von relativ reinem HFC-227.
Diese Ausführungsform
wird nachfolgend anhand des nichteinschränkenden Beispiels 5 demonstriert.
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BEISPIEL 5
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ABTRENNUNG VON HFC-227 VON HFC-125 UND
CFC-115
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Als
das Ausgangsmaterial wurde eine Mischung verwendet, die hauptsächlich HFC-227
(57,24%), HFC-125 (29,44%) und CFC-115 (13,32%) enthielt, um den
Prozess der HFC-227-Abtrennung zu demonstrieren. Es wurde ein evakuierter
Apparat, der aus einer Destillationssäule aus Kohlenstoffstahl, 92
Inch gepackt, Schedule 40, und ausgestattet war mit einem Reboiler, Überkopf-Kondensatabscheider
und Überkopf-Rückflusskreis
mit 719 g der vorstehend beschriebenen Mischung geladen. Diese Mischung
ließ man
bei einem Rückfluss
im Bereich von 1,86 bis 2,46 ml/min über eine Zeitdauer von 1417
Minuten ausgleichen. Das Überkopfprodukt
und das Bodenprodukt wurden bei drei verschiedenen Destillationsbedingungen
aufgenommen (siehe Tabelle VII). Der Gehalt sowohl der Überkopf-
als auch Bodenprodukte wurde mit Hilfe der GC bestimmt. Die in Tabelle
VII angegebenen Ergebnisse zeigen, dass der überwiegende Teil von HFC-227
in der Bodenfraktion abgetrennt wurde, während HFC-125 und CFC-115 als Destillate
abgenommen wurden. Wenn die Temperatur des Reboilers von 28,2° auf 55,3°C erhöht wurde
und der Dampfdruck von 132 psig auf 143 psig Überdruck erhöht wurde,
nahm der Rückfluss
von 1,85 ml/min bis 2,46 ml/min zu, und es war eine deutliche Erhöhung der
Reinheit des HFC-227 in der Bodenfraktion zu beobachten. Unter einer
der getesteten Bedingungen (144 psig Überdruck, Reboiler-Temperatur 54,8°C, Überkopf-Temperatur
21,9°C,
Rücklauf
2,46 ml/min) ließ sich
weitgehend reines HFC-227 (99,92%) gewinnen, während lediglich eine geringe
Menge an HFC-227 in der Überkopffraktion
entnommen wurde. Die Reinheitsgrade des gewonnenen HFC-227 waren
für eine
kommerzielle Verwendung annehmbar. Die resultierenden CFC-115 und
HFC-125 können
entweder abgebaut, in den Kreislauf zurückgeführt oder zur Erzeugung weiterer
wünschenswerter
und nützlicher
Materialien chemisch umgesetzt werden. TABELLE VII: TRENNUNG VON HFC-227 UNTER
DREI VERSCHIEDENEN DESTILLATIONSBEDINGUNGEN
Bedingung | Ausgangsmischung | % GC-Fläche |
HFC-227 | HFC-125 | CFC-115 |
57,24 | 29,44 | 13,32 |
Aa | Überkopf | 32,68 | 47,93 | 19,39 |
| Reboiler | 97,98 | 0,57 | 1,45 |
Bb | Überkopf | 5,79 | 73,59 | 20,59 |
| Reboiler | 99,78 | 0,098 | 0,12 |
Cc | Überkopf | 3,77 | 74,31 | 21,91 |
| Reboiler | 99,92 | 0,065 | 0,012 |
- a: 132 psig Überdruck, Reboiler-Temperatur
28,2°C, Überkopf-Temperatur
21,5°C,
Rücklauf
1,85 ml/min
- b: 143 psig Überdruck,
Reboiler-Temperatur 55,3°C, Überkopf-Temperatur
21,6°C,
Rücklauf
2,46 ml/min
- c: 144 psig Überdruck,
Reboiler-Temperatur 54,8°C, Überkopf-Temperatur
21,9°C,
Rücklauf
2,46 ml/min
-
Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren, welches die Schritte (a)
bis (f) umfasst sowie die Schritte: (k) Zugeben von HF zu dem gereinigten
HFP, (l) Überführen des
gereinigten HFP durch Hydrofluorierung zu HFC-227 in Gegenwart eines
geeigneten Katalysators, um eine siebente Mischung zu erzeugen;
(m) Trennen der siebenten Mischung in HFC-227 und Nebenprodukte
der Fluorierung sowie (n) Gewinnen von relativ reinem HFC-227. Ein
Beispiel für
die Umwandlung von relativ reinem HFP zu HFC-227 ist den Tabellen
IV bis VI (siehe Durchlauf Nr. 4) demonstriert.
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Gemäß einer
der Ausführungsformen
ist der geeignete Katalysator Aktivkohle, wobei jedoch andere Katalysatoren,
wie sie bereits beschrieben worden sind, als einbezogen gelten.