JP6358324B2 - トリフルオロエチレンの製造方法 - Google Patents
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Description
なお、本明細書において、ハロゲン化炭化水素については、化合物名の後の括弧内にその化合物の略称(冷媒番号等)を記す。また、必要に応じて化合物名に代えて、その略称を用いる。
次いで、前記反応により得られた反応生成ガスからフッ化水素を除去し、
その後、フッ化水素が除去された反応生成ガスを第2の脱フッ化水素反応触媒に接触させて、HFC−134aの少なくとも一部をHFO−1123に転化することを特徴とする。
また、「第1の脱フッ化水素反応触媒」を「触媒(1)」といい、「第2の脱フッ化水素反応触媒」を「触媒(2)」という。
さらに、原料ガスを触媒(1)と接触させてHFC−134aの一部をHFO−1123に転化させる反応を行う工程を「工程(I)」といい、工程(I)における反応により得られた反応生成ガスからフッ化水素を除去する工程を「工程(II)」といい、フッ化水素を除去した反応生成ガスを触媒(2)と接触させて、未反応のHFC−134aの少なくとも一部をHFO−1123に転化させる反応を行う工程を「工程(III)」という。
したがって、本発明の製造方法において、原料ガス中のHFC−134aの一部をHFO−1123に変換し、得られた反応生成ガス中のフッ化水素を除去することで、その後に反応生成ガスを触媒(2)と接触させる際に、フッ化水素が減少した分だけ反応式(1)の可逆反応が目的物であるHFO−1123側に偏るために、HFC−134aの転化率およびHFO−1123の選択率を十分に高くすることができる。
工程(III)が連続式工程である場合、フッ化水素除去後の反応生成ガスと触媒(2)の接触の場(例えば、加熱した反応器)への供給は、いずれの供給も連続的に行ってもよいし、一方の供給のみを連続的に行い、もう一方はバッチ式で供給してもよい。整備する時間を短縮し生産性を高めるという観点から、触媒(2)をバッチ式で反応器に供給した後、その反応器にフッ化水素除去後の反応生成ガスを連続的に供給することが好ましい。
以下、工程(I)、工程(II)および工程(III)についてさらに説明する。
工程(I)では、原料ガスを触媒(1)と接触させて、原料ガス中のHFC−134aをHFO−1123に転化させる。
原料ガスは、HFC−134aのガス、または、希釈ガスで希釈されたHFC−134aのガスからなる。希釈ガスで希釈されたHFC−134aのガスである場合、希釈ガスとHFC−134aの合計に対するHFC−134aの含有割合は50モル%以上である。
原料ガス中の、HFC−134aと希釈ガス以外の化合物(ただし、希釈ガスとみなしうる化合物は希釈ガスとする)の量は、触媒劣化の副反応を抑制するという観点や、不要な副生物を抑制してその後の精製工程の負荷を減らすという観点から、原料ガスに対して0〜10モル%が好ましく、0〜5モル%がより好ましく、0〜1モル%が最も好ましい。
また、原料ガス中にはフッ化水素が含まれていてもよいが、上記と同様の理由により、その量は1モル%以下であることが好ましい。
工程(I)で用いられる触媒(1)は、HFC−134aの脱フッ化水素反応に対して触媒作用を有する。触媒(1)としては、金属単体、金属酸化物、金属ハロゲン化物等が挙げられる。これらの中でも、HFC−134aを効率よくHFO−1123に転化できることから、金属酸化物または金属ハロゲン化物が好ましい。触媒(1)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
金属単体触媒は、上記した金属の1種であってもよく、2種以上の金属の合金であってもよい。
金属酸化物触媒は、上記した金属の1種の酸化物であってもよく、2種以上の金属の複合酸化物であってもよい。
金属ハロゲン化物は、上記した金属の1種のハロゲン化物であってもよく、2種以上の金属の複合ハロゲン化物であってもよい。
なお、副反応の抑制および触媒(1)の耐久性向上等の点から、活性化処理剤を希釈するために、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを用いることができる。
再活性化処理の方法としては、使用前の活性化処理と同様に、触媒(1)を加熱下または非加熱下で前記活性化処理剤と接触させる方法が挙げられる。
原料ガスと触媒(1)との接触において、触媒(1)は、固体の状態(固相)で原料ガスと接触してもよいし、あるいは、触媒(1)を分散可能な液状の媒体に分散された状態(液相)で原料ガスと接触してもよい。触媒(1)を分散させる液状の媒体としては、例えば、水、メタノールやエタノールのようなアルコール、四塩化炭素等の塩素系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフォキシド、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルモノアセテート等が挙げられる。液状の媒体に分散された状態の触媒(1)に原料ガスを接触させる場合は、原料ガスの圧力が高くなりすぎて高温での反応が困難であることから、固相をなす触媒(1)と原料ガスを接触させることが好ましい。
以下、工程(I)について、反応器内に連続的に供給される原料ガスが、反応器内にバッチ式で投入された固相の触媒(1)と接触する態様について説明するが、本発明の製造方法における工程(I)は、このような態様に限定されない。
工程(I)で、原料ガスと触媒(1)を接触させ反応させる反応器(以下、第1の反応器ともいう。)としては、後述する温度および圧力に耐えるものであれば、形状および構造は特に限定されず、例えば、円筒状の縦型反応器を用いることができる。第1の反応器の材質としては、ガラス、鉄、ニッケル、鉄またはニッケルを主成分とする合金等が挙げられる。第1の反応器は、器内を加熱する電気ヒータ等の加熱手段を備えていてもよい。
工程(I)では、第1の反応器の出口ガスとして、HFO−1123と未反応のHFC−134aを含む反応生成ガス(以下、反応生成ガス(1)という。)を得る。反応生成ガス(1)は、目的物であるHFO−1123以外に、未反応のHFC−134a、原料ガスに含まれる希釈ガス、および工程(I)で生成したそれら以外の化合物(以下、副生化合物という。)を含んでいてもよい。反応生成ガス(1)に含有される副生化合物としては、フッ化水素、E/Z−1,2−ジフルオロエチレン(E/Z−HFO−1132)、1,1−ジフルオロエチレン(HFO−1132a)、1,1,2−トリフルオロエタン(HFC−143)、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン、イソブタン、1−ノルマルブテン、2−ノルマルブテン、イソブテン、フルオロエチレン(HFO−1141)、3,3−ジフルオロプロペン(HFO−1252zf)、3,3,3−トリフルオロプロペン(HFO−1243zf)、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yf)、E/Z−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(E/Z−HFO−1234ze)、ヘキサフルオロプロピレン(FO−1216)、HFC−125、HFC−134、1,1,1−トリフルオロエタン(HFC−143a)、1,1,1,2,2,3,3−ヘプタフルオロプロパン(HFC−227ca)、1,1,1,2,3,3,3−ヘプタフルオロプロパン(HFC−227ea)、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(HFC−236fa)、1,1,1,2,3,3−ヘキサフルオロプロパン(HFC−236ea)、HFC−32、トリフルオロメタン(HFC−23)およびフルオロメタン(HFC−41)、一酸化炭素、二酸化炭素、水等が挙げられる。なお、上記において、E/ZはE体とZ体の混合物を意味する。
工程(II)では、工程(I)で得られた反応生成ガス(1)中のフッ化水素を除去する。
工程(I)で得られた反応生成ガス(1)は、そのまま工程(II)で用いてもよいが、工程(I)と工程(II)との間に他の処理工程を挟み、反応生成ガス(1)に対して他の処理を行ったものを工程(II)で用いてもよい。ここで、他の処理とは、フッ化水素の除去以外の処理で、反応生成ガス(1)中の水分以外の組成を変化させない処理である。他の処理としては、例えば、タンクへの保管、コンプレッサーによる圧縮、加熱、冷却、水分除去等の処理が挙げられる。
反応生成ガス(1)からフッ化水素を除去する方法としては、蒸留、吸着、二相分離、洗浄等の方法が挙げられる。
蒸留は、反応生成ガス(1)を蒸留してフッ化水素を除去する方法である。蒸留は、常圧下、加圧下または減圧下で実施可能であるが、分離効率向上の観点から、加圧下で実施することが好ましい。
洗浄は、反応生成ガス(1)を水溶液に接触させてフッ化水素を除去する方法である。フッ化水素の除去効率が高いことから、アルカリ水溶液の使用が好ましい。また、アルカリ水溶液としては、難溶性の塩を生じにくいことから、水酸化カリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液、炭酸水素カリウム水溶液の使用が特に好ましい。アルカリ水溶液の濃度としては5〜40質量%が好ましい。アルカリ水溶液の濃度が下限値以上であれば、フッ化水素を効率的に除去でき、上限値以下であれば、塩が析出しにくく、結果配管の閉塞が生じ難いことから好ましい。なお、アルカリ水溶液を使用して洗浄する方法では、フッ化水素とともに、反応生成ガス(1)中に含まれる塩化水素、二酸化炭素等の酸性成分も除去される。
工程(II)のフッ化水素の除去処理によって、反応生成ガス(1)から少なくともフッ化水素の含有割合が低減された反応生成ガス(以下、被処理ガス(2)という。)が得られる。すなわち、工程(II)により、HFO−1123と未反応のHFC−134a、および希釈ガスや前記副生化合物等を含有する混合ガスであり、フッ化水素の含有割合が反応生成ガス(1)に比べて低減された被処理ガス(2)が得られる。なお、工程(II)で得られる被処理ガス(2)においては、フッ化水素以外に、塩化水素、二酸化炭素等の酸性成分の含有割合や、前記その他の化合物の中で酸性成分以外の化合物の含有割合が、反応生成ガス(1)よりも低減される場合がある。
工程(III)では、工程(II)で得られた被処理ガス(2)、または被処理ガス(2)に対して前記した他の処理を行って得られた被処理ガス(以下、まとめて被処理ガス(2)という。)を、触媒(2)と接触させて、被処理ガス(2)中のHFC−134aをHFO−1123に転化させる。
工程(III)で使用する触媒(2)の活性化処理方法、再活性化処理方法は、工程(I)で使用する触媒(1)と同様である。
被処理ガス(2)と触媒(2)との接触において、触媒(2)は、工程(I)における触媒(1)と同様に、固体の状態(固相)で被処理ガス(2)と接触してもよく、あるいは、触媒(2)を分散可能な液状の媒体に分散された状態(液相)で被処理ガス(2)と接触してもよい。触媒(2)は固相をなすことが好ましい。
以下、工程(III)についても、反応器内に連続的に供給される被処理ガス(2)が、反応器内にバッチ式で投入された固相の触媒(2)と接触する態様について説明するが、本発明の製造方法における工程(III)は、このような態様に限定されない。
工程(III)で、被処理ガス(2)と触媒(2)を接触させ反応させる反応器(以下、第2の反応器ともいう。)としては、工程(I)で原料ガスと触媒(1)を接触させ反応させる第1の反応器と同様な形状および構造のものを挙げることができる。第2の反応器は、器内を加熱する電気ヒータ等の加熱手段を備えていてもよい。
工程(III)において、第2の反応器からの出口ガスとして、HFO−1123を含む反応生成ガス(以下、反応生成ガス(3)という。)が得られる。反応生成ガス(3)には、原料ガスに希釈ガスが含まれていた場合には希釈ガスが含まれ、通常はさらに未反応のHFC−134aおよび工程(I)〜(III)で生成した副生化合物を含まれる。反応生成ガス(3)に含有される新たに副生した化合物としては、反応生成ガス(1)中の副生化合物として記載した化合物と同じ化合物を挙げることができる。
反応生成ガス(3)中のHFO−1123の含有割合は、反応生成ガス(1)中のHFO−1123の含有割合よりも増加する。
本発明では、このようなフッ化水素除去とHFC−134aのHFO−1123への転換を繰り返して反応生成ガス中のHFO−1123の割合を高めることができる。いいかえれば、本発明の製造方法では、前記工程(I)〜工程(III)の後に、さらに工程(II)と同様なフッ化水素除去工程とを設けた後、工程(III)と同様なHFC−134aを反応させる工程との組合せを1回以上繰り返してもよい。
しかし、反応生成ガス中のHFO−1123の割合が高くなると、前記したように、反応式(1)で表される平衡反応において、HFO−1123が生成する反応の逆反応が生起する要因となる。したがって、フッ化水素除去工程とHFC−134aを反応させる工程との組合せを繰り返す回数は、HFC−134aの転化率の上昇が認められる程度までとすることが好ましい。
本発明において、HFO−1123の製造に使用される反応装置の一例を、図1に示す。図1に示す反応装置1は、工程(I)を実施するための電気ヒータ等の加熱手段を備えた1段目反応器2と、工程(II)を実施するためのアルカリ水溶液トラップ3と、工程(III)を実施するための電気ヒータ等の加熱手段を備えた2段目反応器4をそれぞれ備える。なお、1段目反応器2および2段目反応器4において、加熱手段の設置は必須ではない。
実施例1〜8および比較例1,2では、図1に示す反応装置(以下、反応装置(1)という。)を用いた。また、比較例3〜6では、図2に示す反応装置(以下、反応装置(2)という。)を用いた。
この反応装置1において、1段目反応器2および2段目反応器4としてはいずれも、インコネル600(スペシャルメタルズ社の商品名)製で内径15.75mm×高さ400mmの垂直固定床反応器を用いた。1段目反応器2内および2段目反応器4内には、各実施例および比較例で示す触媒を、それぞれ100mmの高さで充填した。これらの反応器内は、それぞれ電気炉により別々に加熱した。
また、図示を省略したが、脱水装置11の先に分岐ラインを設け、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)製のサンプリングバックによるガス採取およびガスの組成分析をGCで行うように構成した。
反応装置(2)においては、1段目の反応器だけを設けた。すなわち、図2に示す反応装置21では、HFC−134a供給ライン6、希釈ガス供給ライン7、1段目予熱混合器6、原料ガス供給ライン7、および1段目反応器2を、それぞれ図1に示す反応装置1と同様に構成した。そして、1段目反応器2の下部に接続された1段目反応器出口ライン10を、フッ化ナトリウムペレット28gを充填したフッ化水素捕捉管16を経てサンプリングバッグ17に接続した。そして、1段目反応器2からの出口ガスを連続的に取り出し、フッ化水素捕捉管16を通した後、サンプリングバッグ17に接続し、ガス採取およびガスの組成分析をGCで行うように構成した。
出口ガスの組成分析には、ガスクロマトグラフィー(GC)を用いた。カラムは、DB−1(アジレント・テクノロジー株式会社製、長さ60m×内径250μm×厚さ1μm)を用いた。検出器はFIDを用いた。
線速度は空塔速度を意味し、ガスが流通する反応器が内部に充填物が入っていない空塔であると仮定し、流量(体積流量)を空塔である反応器の断面積で割ることで算出した。
線速度(空塔速度)(cm/s)=流量(cm3/s)/断面積(cm2)
1100gのCr(NO3)3・9H2Oと150gのMg(NO3)2・6H2Oを2.5リットルの水に溶解し、28質量%の水酸化アンモニウム水溶液2000gを加えた。これを撹拌しながら、70℃に加熱した4リットルの水に添加し、水酸化物を沈殿させ、ろ過により沈殿物を得た。次いで、得られた沈殿物を純水で洗浄後、420℃で5時間焼成して酸化物の粉末を得た。得られた酸化物の粉末を打錠成形機によって直径5mm、高さ5mmの円筒状に成形し、クロミア触媒を調製した。
反応装置(1)の1段目反応器と2段目反応器に、それぞれアルミナ触媒(触媒化成社製、商品名:ACBM−1、形状:粒径2mm球状)の15gを充填し、窒素ガスを300sccmで供給しながら300℃で5時間加熱して乾燥させた。
以下の計算式において、(HFC−134a)INは、窒素ガスを除いた入口ガスにおけるHFC−134aのモル比率(モル%)、(HFC−134a)outおよび(HFO−1123)outは、それぞれ窒素ガスを除いた出口ガスにおけるHFC−134aおよびHFO−1123のモル比率(モル%)を表す。また、(N2)INは、窒素ガスを含めた原料ガス中の窒素ガスのモル比率(モル%)を表す。
なお、出口ガス中の各成分のモル比率は、GCで同定された各成分の面積比(ただし、窒素は検出されないため除く。)に対して、組成比のわかった標準物質を用いて測定した検出感度ファクターをかけることで算出した。また、原料ガス中のHFC−134aと窒素のモル比率は、HFC−134aと窒素の流量比より算出した。
HFC−134a転化率とは、反応によりHFC−134aがHFO−1123を含む他の成分に転化し消費された割合をいう。ここで、反応は、1段目反応器内での反応と2段目反応器内での反応を合わせた全体をいう。HFC−134a転化率は、以下の式により算出される。
HFC−134a転化率(モル%)={1−(HFC−134a)out/(HFC−134a)IN}×100
HFO−1123選択率とは、反応したHFC−134aのうちで、HFO−1123に転化した割合をいう。HFO−1123選択率は、以下の式により算出される。
HFO−1123選択率(モル%)=
(HFO−1123)out/{1−(HFC−134a)out/(HFC−134a)IN}×100
出口ガス中のHFO−1123存在率とは、窒素を含む出口ガス中のHFO−1123の存在割合をいい、以下の式により算出される。
HFO−1123存在率(モル%)=
(HFO−1123)out×{1−(N2)IN/100}
なお、反応器内温度は、1段目反応器および2段目反応器の器内温度であり、実測値である。また、線速は、1段目反応器に供給される原料ガスの線速である。さらに、合計接触時間は、1段目反応器と2段目反応器のそれぞれにおける触媒との接触時間の合計である。
反応装置(1)を使用し、反応条件のいくつかを表1に示すように変えた以外は実施例1と同様にして、連続的に反応を行った。そして、実施例2〜3および比較例2においては7時間経過後の、実施例4においては20時間経過後の、比較例1においては14時間経過後の、それぞれ出口ガスの組成をGCにより分析し、HFC−134aの転化率(反応率)、HFO−1123の選択率、および出口ガス中のHFO−1123の存在率を、それぞれ実施例1と同様にして求めた。得られた結果を表1に示す。
反応装置(2)の1段目反応器に、アルミナ触媒15g(触媒化成社製、商品名:ACBM−1、形状:粒径2mm球状)を充填し、窒素ガスを300sccmで供給しながら300℃で5時間加熱して乾燥させた。
反応装置(2)を使用し、表1に示す反応条件で比較例3と同様にして反応を行った。そして、7時間経過後の出口ガスの組成をGCにより分析し、HFC−134aの転化率(反応率)、HFO−1123の選択率、および出口ガス中のHFO−1123の存在率を、それぞれ実施例1と同様にして求めた。得られた結果を表1に示す。
反応装置(1)の1段目反応器と2段目反応器に、それぞれ三フッ化アルミニウム触媒(関東化学社製、特級、形状:粉末状)17gを充填し、窒素ガスを300sccmで供給しながら300℃で7時間加熱して乾燥させた。
反応装置(1)を使用し、表2に示す反応条件で実施例5と同様にして連続的に反応を行った。そして、7時間経過後の出口ガスの組成をGCにより分析し、HFC−134aの転化率、HFO−1123の選択率、および出口ガス中のHFO−1123の存在率を、実施例1と同様にして求めた。得られた結果を表2に示す。
反応装置(2)の1段目反応器に、三フッ化アルミニウム触媒(関東化学社製、特級、形状:粉末状)17gを充填し、窒素ガスを300sccmで供給しながら300℃で7時間加熱して乾燥させた。
反応装置(1)の1段目反応器と2段目反応器に、合成例1で得られたクロミア触媒22gと同じクロミア触媒29gをそれぞれ充填し、窒素ガスを300sccmで供給しながら300℃で乾燥させた。なお、1段目反応器は6時間乾燥し、2段目反応器は7時間乾燥した。
反応装置(1)を使用し、表3に示す反応条件で実施例7と同様にして連続的に反応を行った。そして、7時間経過後の出口ガスの組成をGCにより分析し、HFC−134aの転化率、HFO−1123の選択率、および出口ガス中のHFO−1123の存在率を、実施例1と同様にしてそれぞれ求めた。得られた結果を表3に示す。
反応装置(2)の1段目反応器に、合成例1で得られたクロミア触媒22gを充填し、窒素ガスを300sccmで供給しながら300℃で6時間加熱して乾燥させた。
なお、2014年3月27日に出願された日本特許出願2014−066058号の明細書、特許請求の範囲、要約書および図面の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (12)
- 1,1,1,2−テトラフルオロエタンのガスまたは希釈ガスで希釈された1,1,1,2−テトラフルオロエタンのガス(ただし、希釈ガスと1,1,1,2−テトラフルオロエタンの合計量に対する1,1,1,2−テトラフルオロエタンの割合は50モル%以上である)を、第1の脱フッ化水素反応触媒に接触させて、前記1,1,1,2−テトラフルオロエタンの一部をトリフルオロエチレンに転化し、
次いで、前記反応により得られた反応生成ガスからフッ化水素を除去し、
その後、フッ化水素が除去された反応生成ガスを第2の脱フッ化水素反応触媒に接触させて、1,1,1,2−テトラフルオロエタンの少なくとも一部をトリフルオロエチレンに転化する
ことを特徴とするトリフルオロエチレンの製造方法。 - 前記1,1,1,2−テトラフルオロエタンと希釈ガスの合計量に対する1,1,1,2−テトラフルオロエタンの含有割合が70モル%以上である、請求項1に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 前記希釈ガスが窒素ガスである、請求項1または2に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 前記第1の脱フッ化水素反応触媒および前記第2の脱フッ化水素反応触媒が、それぞれ独立に、金属、金属酸化物および金属ハロゲン化物からなる群から選ばれる少なくとも1種からなる触媒である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 前記第1の脱フッ化水素反応触媒および前記第2の脱フッ化水素反応触媒が、それぞれ独立に、酸化アルミニウム、三フッ化アルミニウムおよび酸化クロムからなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物からなる触媒である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 前記第1の脱フッ化水素反応触媒および前記第2の脱フッ化水素反応触媒が同一種類の触媒である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 1,1,1,2−テトラフルオロエタンと第1の脱フッ化水素反応触媒の接触温度および1,1,1,2−テトラフルオロエタンと第2の脱フッ化水素反応触媒の接触温度が、いずれも、50〜500℃である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 前記接触温度が、いずれも、300〜450℃である、請求項7に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 1,1,1,2−テトラフルオロエタンと第1の脱フッ化水素反応触媒の接触時間および1,1,1,2−テトラフルオロエタンと第2の脱フッ化水素反応触媒の接触時間が、いずれも、0.1〜500秒である、請求項1〜8のいずれか一項に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 前記接触時間が、いずれも、5〜30秒である、請求項9に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- 前記反応生成ガスをアルカリ水溶液と接触させることによりフッ化水素の除去を行う、請求項1〜10のいずれか一項に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
- フッ化水素が除去された前記反応生成ガスから水分を除去し、その後、水分が除去された反応生成ガスを第2の脱フッ化水素反応触媒に接触させる、請求項1〜11のいずれか一項に記載のトリフルオロエチレンの製造方法。
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