KR20210129275A - 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 생성물에서 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 공정은 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 혼합물을 적어도 하나의 흡착제 또는 적어도 하나의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다.

Description

2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 생성물에서 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 방법{METHODS FOR REMOVING HALOGENATED ETHYLENE IMPURITIES IN 2,3,3,3-TETRAFLUOROPROPENE PRODUCT}
본 발명은 플루오르화 유기 화합물에 포함된 불순물을 제거하는 방법, 특히 플루오르화 올레핀에 포함된 불포화 불순물을 제거하는 방법, 및 더욱더 구체적으로는 2,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜(HFO-1234yf), 1,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜(HFO-1234ze) 및 1-클로로-3,3,3-트리플루오로-1-프로펜(HFO-1233zd)에 포함된 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 방법에 관한 것이다.
특정 히드로플루오로올레핀(HFO), 예컨대 테트라플루오로프로펜(2,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜(HFO-1234yf) 및 1,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜(HFO-1234ze)을 포함함)은 현재 효과적인 냉매, 열 전달 매체, 추진제(propellants), 기포제, 발포제, 가스 유전체(gaseous dielectrics), 스테릴런트 캐리어(sterilant carriers), 중합 매체, 미립자 제거 유체, 캐리어 유체, 버핑 연마제(buffing abrasive agents), 대체형(displacement) 건조제 및 파워 사이클 작동 유체인 것으로 알려져 있다. 대부분의 클로로플루오로카본(CFC) 및 히드로클로로플루오로카본(HCFC)과 달리, 대부분의 HFO는 오존층에 위협이 되지 않는다. HFO-1234yf는 또한 낮은 독성을 가진 낮은 지구온난화 화합물인 것으로 드러났으며, 이에, 모바일 에어 컨디셔닝에서 냉매를 위한 갈수록 더 엄격한 요건을 충족할 수 있다. 따라서, 히드로플루오로올레핀을 함유하는 조성물은 앞서 언급된 적용 분야 중 다수에 사용하기 위해 개발중인 유망 재료들에 속한다.
플루오로올레핀 중 하나, HFO-1234yf를 제조하기 위한 제조 공정이 미국 특허 제8,058,486호에 개시되어 있으며, 출발 원료로서 1,1,2,3-테트라클로로프로펜(HCO-1230xa)을 사용한다. 이 공정은 하기 세 단계로 이루어진다: 1) 고체 불화수소화 촉매 예컨대 플루오르화된 크로미아(chromia)로 충전된 기상 반응기에서 HCO-1230xa + HF --> 2-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜(HCFO-1233xf) + HCl, 2) 액체 불화수소화 촉매 예컨대 플루오르화된 SbCl5로 충전된 액상 반응기에서 HCFO-1233xf + HF --> 2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로프로판(HCFC-244bb), 및 3) 기상 반응기에서 HCFC-244bb --> HFO-1234yf.
앞서 본원에서 언급된 나머지 플루오로올레핀도 상이한 출발 재료로부터 유사하게 제조되어진다. 이들 각각은 히드로플루오로카본, 예를 들면 플루오로알칸의 탈염화수소화 반응으로부터 제조된다. 보다 구체적으로, HFO-1234ze는 1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로판(244fa)(Z 및 E 이성체 둘다)의 탈염화수소화로부터 형성된다. HFO-1233zd는 1,1-디클로로-3,3,3-트리플루오로-1-프로펜(243fa)(Z 및 E 이성체 둘다)의 탈염화수소화로부터 제조된다.
불행하게도, 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf를 제조하기 위한 이 공정은 제거가 어려운 독성 및/또는 다른 원치않은 부산물의 생성을 야기할 수 있다.
예를 들면, 불순물 제거를 위한 하나의 흔한 방법은 증류에 의한 방법이다. 그러나, 불순물의 비등점이 최종 플루오로올레핀 생성물의 비등점에 가깝다면 또는 물질 상호작용이 비동류(dissimilar) 비등 화합물들을 서로 가까이 접근시킨다면(예를 들면 공비 혼합물) 이러한 제거 방법은 쉽지 않다. 나아가, 심지어 증류 이후에도, 소량의 원치않은 불순물이 남을 가능성이 여전히 있다.
그 결과, 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf의 제조 공정에서 생성되는 불순물과 이러한 불순물을 제거하는 방법을 찾아낼 필요가 있다.
본 발명자들은 뜻밖에도 HFO-1234yf, HFO-1234ze 및 HCFO-1233zd 미정제(crude) 생성물 각각의 증류 후에 얻어진 최종 HFO-1234yf, HFO-1234ze 및 HCFO-1233zd 생성물이 여전히 할로겐화 에틸렌 불순물을 함유하고 있음을 발견했다. 예를 들면, 탈염화수소화 단계 후에 얻어진 HFO-1234yf가 HFO-1141(CH2=CHF), HCFO-1140(CH2=CHCl), 및 HCFO-1131(CH2=CFCl 및/또는 트랜스/시스-CHF=CHCl)과 같은 할로겐화 에틸렌 불순물을 함유했다. 이들 할로겐화 에틸렌 불순물은 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf, HFO-1234ze 및 HCFO-1233zd 생성물 스트림에 0.1 중량% 정도의 많은 양으로 존재할 수 있으며, 이에 각각의 플루오로올레핀의 농도 및 순도를 감소시킨다. 게다가, HCFO-1140은 발암성 물질인 것으로 익히 알려져 있다. 다른 할로겐화 에틸렌의 독성은 알려져 있지 않다. 적어도 이러한 이유로 인해, 이들 할로겐화 에틸렌은 HFO-1234yf 최종 생성물에 존재하는 것은 바람직하지 않다. 나아가, 이들 할로겐화 에틸렌의 존재는 플루오로올레핀, 예컨대 HFO-1234yf, HFO-1234ze 및 HCFO-1233zd의 생성 효율에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이들 불포화 불순물을 HFO-1234yf 생성물로부터 제거하거나 적어도 감소시킬 수 있는 수단에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf 생성물에 포함된 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 방법을 제공한다. 할로겐화 에틸렌의 비제한적인 예는 HFO-1141(CH2=CHF), HCO-1140(CH2=CHCl), 및 HCFO-1131(CH2=CFCl 및/또는 트랜스/시스-CHF=CHCl)을 포함한다. 상기 플루오로올레핀에 존재하는 HFO-1243zf(CF3CH=CH2) 및 HCFO-1233xf(CF3CCl=CH2)를 포함한 다른 불포화 불순물도 또한 할로겐화 에틸렌과 함께 제거되거나 또는 적어도 감소될 수 있다.
일 실시양태에서, 본 방법은 플루오로올레핀 생성물과 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 생성물 스트림을 고 표면적의 물리적 흡착제와 접촉시키는 단계를 포함한다. 이러한 흡착제의 비제한적인 예는 실리카, 활성탄, 가교(cross-linked) 중합체, 무정형 및 반결정형 s-PS(신디오택틱 폴리스티렌), 다양한 제올라이트 분자체(예컨대 4A, 5A, 13X, ZSM-5, 제올라이트 베타, 제올라이트 USY, 등), 및 이의 조합을 포함한다.
또 다른 실시양태에서, 본 방법은 플루오로올레핀 생성물과 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 생성물 스트림을 화학흡착 촉매(3가 금속 산화물, 또는 옥시할라이드, 또는 할라이드, 또는 이의 조합임)와 접촉시키는 단계를 포함한다. 일 실시양태에서, 금속은 크롬, 철 및 알루미늄이다. 이러한 화학흡착 촉매의 비제한적인 예는 벌크 또는 담지(supported) 산화크롬, 옥시염화크롬(chromium oxychloride), 옥시불화크롬(chromium oxyfluoride), 염화크롬, 불화크롬, 산화알루미늄, 옥시염화알루미늄(aluminium oxychloride), 옥시불화알루미늄(aluminium oxyfluoride), 염화알루미늄, 불화알루미늄, 산화철(III)(iron (III) oxide), 옥시염화철(III)(iron (III) oxychloride), 옥시불화철(III)(iron (III) oxyfluoride), 염화제이철(ferric chloride), 불화제이철(ferric fluoride), 및 이들의 다양한 조합을 포함한다. 유용한 담지체는 실리카, 알루미나, 및 활성탄을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 금속 산화물(산화크롬, 산화알루미늄, 산화철(III), 또는 이들의 임의의 조합) 촉매의 경우, HCl 또는 HF를 사용함으로써 할로겐화 전처리가 실시된다.
본원에서 사용되는 용어 "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)" "포함하다(includes)", "포함하는(including)", "가지다", "가지는" 또는 이의 임의의 다른 변형어는 배타적이지 않은 포함을 커버하는 것으로 의도된다. 예를 들면, 엘리먼트의 리스트를 포함하는 공정, 방법, 물품, 또는 장치는 반드시 그러한 엘리먼트에만 한정될 필요가 없고 그러한 공정, 방법, 물품, 또는 장치에 고유하거나 명시적으로 수록되지 않은 다른 엘리먼트를 포함할 수 있다. 나아가, 반대로 명확하게 언급하지 않은 한, "또는"은 포괄적 또는을 지칭하고 배타적 또는을 지칭하는 것이 아니다. 예를 들면, 조건 A 또는 B는 하기 중 임의의 하나에 의해 충족된다: A는 진실이고 (또는 존재하고) B는 거짓이며 (또는 존재하지 않으며), A는 거짓이고 (또는 존재하지 않고) B는 진실이며 (또는 존재하며), A 및 B 둘다 진실이다 (또는 존재한다).
또한, 단수형("a" 또는 "an")의 사용은 본원에 기재된 엘리먼트 및 성분을 기술하기 위해 활용된다. 이는 단지 편의성을 위한 것이며 본 발명의 범위의 일반적 개념을 제공하기 위한 것이다. 이러한 기재는 하나 또는 적어도 하나를 포함하는 것으로 해석해야 하며 반대 의미가 명확하지 않는 한 단수는 또한 복수를 포함한다.
반대로 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어들은 본 발명이 속하는 업계의 숙련인에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 상충되는 경우, 정의를 포함한 본 명세서가 우선적으로 해석될 것이다. 비록 본원에 기재된 것과 유사하거나 대등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시양태의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적당한 방법 및 재료는 이하에서 기재된다. 나아가, 재료, 방법 및 실시예는 단지 설명적이며 제한적인 의도가 아니다.
양, 농도, 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위 또는 바람직한 상한 값 및/또는 바람직한 하한 값의 리스트로서 제공되는 경우, 범위가 별도로 개시되든 아니든 상관없이, 이는 임의의 상부 범위 한계 또는 바람직한 값 및 임의의 하부 범위 한계 또는 바람직한 값의 임의의 쌍으로부터 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 해석될 수 있다. 수치 범위가 본원에서 언급되는 경우, 달리 명시되지 않았다면, 그 범위는 이의 종점들, 및 그 범위 내의 모든 정수 및 분수를 포함하는 것으로 의도된다.
본원에서 사용되는 용어 "플루오로올레핀"은 수소, 탄소, 경우에 따라 염소, 불소, 및 탄소-탄소 이중결합을 함유하는 분자를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "히드로플루오로올레핀"은 수소, 탄소, 불소, 및 탄소-탄소 이중결합을 함유하는 분자를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 플루오로알칸은 수소, 탄소, 불소, 염소를 함유하는 2개 이상의 탄소 원자를 가진 알칸을 지칭하며, 염소 원자 및 수소 원자가 2개의 인접 탄소 원자 상에 치환된다.
본원에서 사용되는 용어 "할로겐화 에틸렌"은 하나 또는 2개의 탄소 원자가 할로겐, 예컨대 불소 또는 염소에 의해 치환된 에틸렌 분자를 지칭한다. 본 발명의 목적상, 이들 할로겐화 에틸렌은 HFO-1234yf, HFO-1234ze 및 HFO-1233zd 생성물의 제조 공정에서, 특히 탈염화수소화 단계 동안 형성되는 불순물이다. 에틸렌 불순물 화합물은 그 상에 1개, 2개, 3개 또는 4개의 할로겐을 가질 수 있다. 특정 실시양태들에서, 에틸렌 불순물 화합물은 그 상에 치환된 하나 또는 2개의 할로겐 원자를 가진다. 예로는 HFO-1141(CH2=CHF), HCO-1140(CH2=CHCl), 및 HCFO-1131 (CH2=CFCl 및/또는 트랜스/시스-CHF=CHCl), 등을 포함한다.
용어 "흡착제"는 기체(가스), 액체 또는 고체로부터 물질을 추출하는 능력을 가진 재료로서, 이는 물질의 성질을 변화시키지 않으면서 물질을 흡착제 재료에 부착시킴으로써 행해진다. 본 발명에서, 흡착제는 할로겐화 에틸렌 및 HFO-1234yf 생성물을 포함하는 기체 또는 액체 스트림으로부터 할로겐화 에틸렌을 제거할 수 있는 재료이며, 흡착제는 할로겐화 에틸렌 분자와 이의 선호적인 조합을 촉진하는 기능 및/또는 플루오로올레핀, 예컨대 HFO-1234yf, HFO-1234ze 및 HCFO-1233zd 분자를 배제하면서 할로겐화 에틸렌 분자가 그 내부에 진입하도록 하기에 충분히 큰 포어 개구(pore opening)를 갖는다. 흡착제의 예는 활성탄, 제올라이트, 실리카, 무정형 및 반결정형 신디오택틱 폴리스티렌, 가교 중합체, 등을 포함한다.
HFO-1234ze는 2개의 배위(configurational) 이성체 중 하나, E 또는 Z로서 존재할 수 있다. 본원에서 사용된 HFO-1234ze는 이성체, E-HFO-1234ze 또는 Z-HFO-1234ze 뿐만 아니라, 이러한 이성체의 임의의 조합 또는 혼합물을 지칭한다.
HCFO-1233zd도 또한 2개의 배위 이성체 중 하나, E 또는 Z로서 존재할 수 있다. 본원에서 사용된 HCFO-1233zd는 이성체, E- HCFO-1233zd 또는 Z-HCFO-1233zd 뿐만 아니라, 이러한 이성체의 임의의 조합 또는 혼합물을 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "탈염화수소화(dehydrochlorination)", "탈염화수소화하는" 또는 "탈염화수소화된"은 분자 내 인접 탄소들 상의 수소 및 염소가 제거되는 공정을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "승온(elevated temperature)"은 실온보다 높은 온도를 의미한다.
본 발명은 플루오로올레핀, 특히 플루오로알칸의 탈염화수소화로부터 생성되는 플루오로올레핀으로부터 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 공정에 관한 것이다. 비록 몇몇 플루오로올레핀의 관점에서 기술되어 있지만, 본원에 기재된 공정은, 특히 탈염화수소화의 결과, 플루오로올레핀으로부터 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 제거에 적용가능하다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시양태는 본원에 기재된 공정에 의해 제조되는 HFO-1234yf 생성물을 그 속에 존재할 수 있는 할로겐화 에틸렌의 양을 감소시킴으로써 정제하는 공정에 관한 것이다. 이들 불순물은 HFO-1234yf의 제조로부터, 예컨대 HCFC-244bb의 탈염화수소화로부터 발생한다. 흡착제 및 화학흡착 촉매의 사용이 HFO-1234yf의 제조의 관점에서 기술되어 있지만, 본 출원은 이에 한정되지 않는다.
HFO-1234yf의 제조 공정은 미국 특허 제8,084,653호에 기재되어 있으며, 그 내용은 본원에서 참고적으로 인용된다. 앞서 기재된 바와 같이, HFO-1234yf의 제조는 일반적으로 하기와 같이 적어도 3개의 반응 단계를 포함한다:
(i) 고체 촉매로 충전된 기상 반응기에서 (CX2=CCl-CH2X 또는 CX3-CCl=CH2 또는 CX3-CHCl-CH2X) + HF → 2-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜(HCFO-1233xf) + HCl;
(ii) 액체 불화수소화 촉매로 충전된 액상 반응기에서 2-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜(HCFO-1233xf) + HF → 2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로프로판(HCFC-244bb); 및
(iii) 기상 반응기에서 2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로프로판(HCFC-244bb) → 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234yf),
상기 식에서 X는 독립적으로 F, Cl, Br, 및 I로부터 선택되며, 단, 적어도 하나의 X는 불소가 아니다.
일반적으로 말해서, 제1 반응 단계의 출발 물질은 식 I, II, 및/또는 III에 따른 하나 이상의 염소화 화합물로 표시될 수 있다:
CX2=CCl-CH2X (식 I)
CX3-CCl=CH2 (식 II)
CX3-CHCl-CH2X (식 III)
상기 식에서 X는 독립적으로 F, Cl, Br, 및 I로부터 선택되며, 단, 적어도 하나의 X는 불소가 아니다. 특정 실시양태들에서, 이들 화합물은 적어도 하나의 염소를 함유하거나, X의 과반이 염소이거나, 또는 모든 X가 염소이다.
제1 단계에서는, 이러한 출발 물질(특정 실시양태들에서는 1,1,2,3-테트라클로로프로펜(HCO-1230xa) 및/또는 1,1,1,2,3-펜타클로로프로판(HCC-240db)을 포함함)이 제1 기상 반응기(플루오르화 반응기)에서 무수 HF와 반응하여 적어도 HCFO-1233xf(2-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜)와 HCl의 혼합물을 생성한다. 반응은 약 200-400℃의 온도 및 약 0-200 psig의 압력에서 수행될 수 있다. 기상 반응기를 벗어나는 유출물(effluent) 스트림은 경우에 따라 부가적인 성분들, 예컨대 반응하지 않은 HF, 중질(heavy) 중간물, HCFC-244bb, HFC-245cb(1,1,1,2,2-펜타플루오로프로판), 등을 포함할 수 있다.
이 반응은 기상 플루오르화 반응에 적합한 임의의 반응기에서 수행될 수 있다. 반응기는 불화수소 및 촉매 예컨대 Hastalloy, Inconel, Monel의 부식 작용에 저항성인 재료로 이루어질 수 있다. 기상 공정의 경우, 반응기는 기상 플루오르화 촉매로 채워진다. 업계에 공지된 임의의 플루오르화 촉매가 이 공정에 사용될 수 있다. 적합한 촉매는 크롬, 알루미늄, 코발트, 망간, 니켈 및 철 산화물, 수산화물, 할라이드, 옥시할라이드, 이의 무기 염 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 한정되지 않으며, 이들 중 임의의 것은 경우에 따라 할로겐화될 수 있다. 본 발명에 적합한 촉매들의 조합은 비배타적으로 Cr2O3, FeCl3/C, Cr2O3/Al2O3, Cr2O3/AlF3, Cr2O3/카본, CoCl2/Cr2O3/Al2O3, NiCl2/Cr2O3/Al2O3, CoCl2/AlF3, NiCl2/AlF3 및 이들의 혼합물을 포함한다. 산화크롬/산화알루미늄 촉매가 미국 특허 제5,155,082호에 기재되어 있으며, 그 전문이 본원에서 참고적으로 인용된다. 산화크롬(III) 예컨대 결정형 산화크롬 또는 무정형 산화크롬이 바람직하며 무정형 산화크롬이 가장 바람직하다. 산화크롬(Cr2O3)은 다양한 입자 크기로 구입될 수 있는 시판용 재료이다. 적어도 98%의 순도를 가진 플루오르화 촉매가 바람직하다. 플루오르화 촉매는 과량으로 그러나 적어도 반응을 촉진하기에 충분한 양으로 존재한다.
반응의 이러한 제1 단계는 앞서 기재된 바와 같은 기상 반응에 한정되지 않지만, 미국 특허 출원 공보 제20070197842호(그 전문이 본원에서 참고적으로 인용됨)에 기재된 것과 같은 액상 반응 또는 액상과 기상의 조합을 이용하여 수행될 수도 있다. 또한 반응은 배치식, 연속식, 또는 이들의 조합으로 수행될 수 있는 것으로 의도된다. 반응이 액상 반응을 포함하는 실시양태들의 경우에, 반응은 촉매식 또는 비촉매식일 수 있다. 루이스산 촉매, 예컨대, 안티몬 할라이드, 주석 할라이드, 탈륨 할라이드, 철 할라이드, 및 이들의 2 이상의 조합을 포함한 금속-할라이드 촉매가 이용될 수 있다. 특정 실시양태들에서, SbCl5, SbCl3, SbF5, SnCl4, TiCl4, FeCl3 및 이들의 2 이상의 조합(이에 한정되지 않음)을 포함한 금속 염화물 및 금속 불화물이 이용된다.
반응기로부터의 유출물은 경우에 따라 원하는 정도의 분리 및/또는 다른 프로세싱을 달성하기 위해 가공처리될 수 있다. 비제한적인 예를 들면, 생성물 유출물은 하나 이상의 불순물, 예컨대, HCl, 전환되지 않은 반응물, 및/또는 다른 부산물을 함유할 수 있다. 이들 생성물은 공지되거나 본원에 기재된 표준 방법을 이용하여 제거될 수 있다. HCl은 예를 들면 통상적인 증류에 의해, 또는 물 또는 가성 스크러버를 사용하여 회수될 수 있고, 반응하지 않은 출발 시약은 분리 및 재사용될 수 있다.
2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 형성 공정의 제2 단계에서, HCFO-1233xf는 HCFC-244bb로 전환된다. 일 실시양태에서, 이 단계는 액상 반응기(TFE 또는 PFA-라인처리될 수 있음)에서 액상에서 수행될 수 있다. 이러한 공정은 약 70-120℃의 온도 범위 및 약 50-120 psig에서 수행될 수 있다.
임의의 액상 플루오르화 촉매가 본 발명에서 사용될 수 있다. 비배타적 리스트는 루이스산, 전이 금속 할라이드, 전이 금속 산화물, IVb족 금속 할라이드, Vb족 금속 할라이드, 또는 이의 조합을 포함한다. 액상 플루오르화 촉매의 비배타적 예는 안티몬 할라이드, 주석 할라이드, 탄탈 할라이드, 티타늄 할라이드, 니오븀 할라이드, 몰리브덴 할라이드, 철 할라이드, 플루오르화 크롬 할라이드, 플루오르화 크롬 산화물 또는 이의 조합이다. 액상 플루오르화 촉매의 구체적인 비배타적 예는 SbCl5, SbCl3, SbF5, SnCl4, TaCl5, TiCl4, NbCl5, MoCl6, FeCl3, SbCl5의 플루오르화 종(species), SbCl3의 플루오르화 종, SnCl4의 플루오르화 종, TaCl5의 플루오르화 종, TiCl4의 플루오르화 종, NbCl5의 플루오르화 종, MoCl6의 플루오르화 종, FeCl3의 플루오르화 종, 또는 이의 조합이다. 안티몬 펜타클로라이드가 가장 바람직하다.
이들 촉매는 탈활성화되어진다면 업계에 공지된 임의의 수단에 의해 용이하게 재생될 수 있다. 촉매를 재생하는 하나의 적합한 방법은 염소 스트림을 촉매에 통과시키는 것을 수반한다. 예를 들면, 액상 플루오르화 촉매 1 파운드에 대해 시간 당 약 0.002 내지 약 0.2 lb의 염소가 액상 반응에 첨가될 수 있다. 이는 예를 들면, 약 65℃ 내지 약 100℃의 온도에서 약 1 내지 약 2 시간 동안 또는 연속적으로 행해질 수 있다.
반응의 이러한 제2 단계는 액상 반응에 한정되지 않으며, 미국 특허 출원 공보 제20070197842호(그 전문이 본원에서 참고적으로 인용됨)에 기재된 것과 같은 기상 반응 또는 액상과 기상의 조합을 이용하여 수행될 수도 있다. 이를 위해, HCFO-1233xf 함유 공급 스트림이 약 50℃ 내지 약 400℃의 온도로 예열되고, 촉매 및 플루오르화제와 접촉된다. 촉매는 이러한 반응을 위해 사용되는 표준 기상 제제를 포함할 수 있고 플루오르화제는 일반적으로 업계에 공지된 것들, 예컨대, 불화수소(이에 한정되지 않음)를 포함할 수 있다.
HFO-1234yf 생성의 제3 단계에서, HCFC-244bb는 제2 기상 반응기(탈염화수소화 반응기)에 공급되어 탈염화수소화되어 원하는 생성물 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234yf)을 제조한다. 이 반응은 비촉매적일 수 있거나 또는 HFO-1234yf 제조를 위해 HCFC-244bb를 촉매적으로 탈염화수소화할 수 있는 촉매를 함유할 수 있다. 일 실시양태에서, 베쓸(vessel)은 반응 혼합물을 대략 원하는 반응 온도로 가열하기 위한 적합한 수단과 함께, 촉매, 예를 들면, 적합한 탈할로겐화수소화 촉매가 패킹된 고정 또는 유동 촉매 층을 함유한다.
탈염화수소화 반응을 위한 촉매는, 존재한다면, 벌크 또는 담지 형태의, 금속 할라이드, 할로겐화 금속 산화물, 중성 (또는 제로 산화 상태) 금속 또는 금속 합금, 또는 활성탄일 수 있다. 금속 할라이드 또는 금속 산화물 촉매는 1가, 2가, 및 3가 금속 할라이드, 산화물 및 이들의 혼합물/조합, 더 바람직하게는 1가, 및 2가 금속 할라이드 및 이들의 혼합물/조합을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 성분 금속은 Cr3+, Fe3+, Mg2+, Ca2+, Ni2+, Zn2+, Pd2+, Li+, Na+, K+, 및 Cs+를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 성분 할로겐은 F-, Cl-, Br-, 및 I-를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 유용한 1가 또는 2가 금속 할라이드의 예는 LiF, NaF, KF, CsF, MgF2, CaF2, LiCl, NaCl, KCl, 및 CsCl을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 할로겐화 처리는 업계에 공지된 처리들, 특히 할로겐화 공급원으로서 HF, F2, HCl, Cl2, HBr, Br2, HI, 및 I2를 이용하는 처리들 중 임의의 처리를 포함할 수 있다.
중성의, 즉, 영가(zero valent), 금속, 금속 합금 및 이들의 혼합물이 사용된다. 유용한 금속은 Pd, Pt, Rh, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Cr, Mn, 및 합금 또는 혼합물로서의 상기 것들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 촉매는 담지형 또는 비담지형일 수 있다. 금속 합금의 유용한 예는 SS 316, Monel 400, Incoloy 825, Alloy 20, Hastelloy, Inconel 600, 및 Inconel 625를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이 단계에서 이용될 수 있는 촉매는 활성탄, 스테인레스 스틸(예를 들면, SS 316), 오스테나이트 니켈계 합금(예를 들면, Inconel 625), 니켈, 및 특정 실시양태들에서 플루오르화 10% CsCl/MgO를 포함한다.
관련 인자 예컨대 사용되는 촉매 및 가장 바람직한 반응 생성물에 따라 광범위의 다양한 반응 온도가 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있지만, 탈할로겐화수소화 단계를 위한 반응 온도는 약 200℃ 내지 약 800℃ 범위이다. 일 실시양태에서, 반응은 약 300℃ 내지 약 800℃ 범위이지만, 또 다른 실시양태에서, 이는 약 300℃ 내지 약 500℃, 예를 들면, 약 400℃ 내지 약 500℃의 온도에서 수행된다.
일반적으로 관련 인자 예컨대 사용되는 구체적인 촉매 및 가장 바람직한 반응 생성물에 따라 광범위의 다양한 반응 압력이 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 반응 압력은 예를 들면, 대기압 초과 압력(superatmospheric), 대기압 또는 진공일 수 있으며, 특정 실시양태들에서, 이는 약 1 내지 약 200 psia, 예를 들면, 약 1 내지 약 120 psia 범위이다.
특정 실시양태들에서는, 불활성 희석제 가스, 예컨대 질소가 나머지 반응기 공급물(들)과 함께 사용될 수 있다. 이러한 희석제가 사용되는 경우, HCFC-244bb는 희석제 및 HCFC-244bb의 총 중량을 기준으로 약 50% 내지 99 중량% 초과를 구성한다.
앞서 언급된 반응에서 탈염화수소화 반응기로부터의 유출물은 원하는 정도의 분리 및/또는 다른 프로세싱을 달성하기 위해 가공처리될 수 있음에 주목할 수 있다. 생성된 HFO-1234yf 이외에, 유출물은 일반적으로 HCl, 전환되지 않은 HCFC-244bb, 및 HCFO-1233xf(주로 HCFO-1233xf 불화수소화의 이전 단계에서 유래함)를 함유한다. 경우에 따라, HCl은 이후에 탈염화수소화 반응의 결과물로부터 회수된다. HCl의 회수는 이것이 증류물로부터 제거되는 통상적인 증류에 의해 수행된다. 대안으로, HCl은 물 또는 가성 스크러버를 사용하여 회수되거나 제거될 수 있다. 물 추출기가 사용되는 경우에, HCl은 수용액으로서 제거된다. 가성 용액이 사용되는 경우, HCl은 수용액 중 클로라이드 염으로서 시스템으로부터 제거된다. HCl의 회수 또는 제거 후, 유기 스트림은 분리용 증류 컬럼으로 보내질 수 있다. 컬럼의 오버헤드로부터 모아진 HFO-1234yf는 추가 정제를 위해 또 다른 컬럼으로 보내질 수 있지만, 리보일러에 축적된 HCFO-1233xf와 HCFC-244bb의 혼합물의 분획은 HCFC-244bb의 재생을 위해 탈염화수소화 반응기로 되돌려 보내질 수 있고, 나머지는 HCFO-1233xf의 재생을 위해 HCFO-1233xf 불화수소화 반응기로 되돌려 보내질 수 있다. 반응기 유출물은 HCl 부산물을 제거하기 위해 가성 스크러버 또는 증류 컬럼으로 공급되어 산 무함유 유기 생성물을 생성할 수 있으며 이는 경우에 따라 업계에 공지된 정제 기법들 중 하나 또는 임의의 조합을 이용하여 추가 정제를 겪을 수 있다.
기상 HCFC-244bb 탈염화수소화 반응에서, 미국 특허 출원 공보 제20090240090호(그 전문이 본원에서 참고적으로 인용됨)에 기재된 바와 같이 HCFO-1233xf 불화수소화에서 형성될 수 있는 HCFC-244bb 공급물은 연속적으로 증발기로 공급되고 증발된 공급물은 반응기로 공급된다. HCFO-1233xf의 불완전한 전환과 HCFC-244b에 가까운 이의 비등점뿐만 아니라 특정 조건하에서 HCFC-244bb 및 HCFO-1233xf의 공비 또는 공비-유사(azeotrope-like) 조성물의 형성으로 인해, 이들 두 화합물의 분리는 어렵다. 이러한 이유로 인해, HCFC-244bb 공급물은 일반적으로 특정 양의 HCFO-1233xf를 함유한다. 탈염화수소화 반응은 약 5% 이상, 약 20% 이상, 또는 약 30% 이상의 HCFC-244bb 전환율을 달성하는 조건하에 수행될 수 있다.
본 발명자들은 놀랍게도 HCFC-244bb 탈염화수소화를 통해 생성된 HFO-1234yf에서 할로겐화 에틸렌 불순물의 존재를 밝혀내었다. 할로겐화 에틸렌의 비제한적인 예는 HFO-1141(CH2=CHF), HCO-1140(CH2=CHCl), 및 HCFO-1131(CH2=CFCl 및/또는 트랜스/시스-CHF=CHCl), 등을 포함한다. HCO-1140이 발암성 물질임은 익히 알려져 있다. 다른 할로겐화 에틸렌의 독성은 알려져 있지 않다. 나아가, 이들 할로겐화 에틸렌의 존재는 HFO-1234yf 생성 효율에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 적어도 이러한 이유들로 인해, 이들 할로겐화 에틸렌이 HFO-1234yf 최종 생성물에 존재하는 것은 바람직하지 않다. 본 발명은 HFO-1234yf 생성물로부터 상기 할로겐화 에틸렌을 제거하는 방법을 제공한다.
나아가, 본 발명자들은 놀랍게도 다른 플루오로알칸의 탈염화수소화로부터 형성된 플루오로올레핀으로부터 할로겐화 에틸렌 불순물의 존재를 밝혀내었다. 본 공정은 또한 이들 할로겐화 에틸렌 불순물의 적어도 하나의 양을 감소시키고/거나 플루오로올레핀으로부터 이들 할로겐화 에틸렌 불순물의 적어도 하나를 실질적으로 제거한다. HFO-1234yf에 존재하는 다른 불포화 불순물 예컨대 CF3C≡CH, HFO-1243zf(CF3CH=CH2), HFO-1234ze(트랜스/시스-CF3CH=CHF), 및 HCFO-1233xf(CF3CCl=CH2)가 또한 본원에 기재된 공정에 의해 할로겐화 에틸렌 불순물과 함께 제거되거나 적어도 감소될 수 있다.
생성물 스트림은 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf를, 할로겐화 에틸렌을 포함한 불순물과 함께 함유한다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물에 존재하는 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf의 양은 혼합물의 총 중량을 기준으로 적어도 50 wt%이다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중의 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf의 양은 혼합물의 총 중량을 기준으로 적어도 70 wt%이다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중의 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234f의 양은 혼합물의 총 중량을 기준으로 적어도 90 wt%이다.
일 실시양태에서, 본 방법은 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf, 생성물 및 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 생성물 스트림을 충분히 높은 표면적의 흡착제와 접촉시켜 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 단계를 포함한다.
이러한 흡착제의 비제한적인 예는 활성탄, 가교 중합체, 무정형 및 반결정형 s-PS(신디오택틱 폴리스티렌), 실리카, 제올라이트 분자체(예컨대 4A, 5A, AW-500, ZSM-5, 13X, 제올라이트 베타, 제올라이트 USY, 등), 및 이의 조합을 포함한다. 흡착제의 일 타입은 활성탄이다. 분말(powdered) 활성탄, 입상(granular) 활성탄 및 압출(extruded) 활성탄과 같은 다양한 타입의 활성탄이 이용될 수 있다. 활성탄의 흡착 효율 및 흡착 능력은 동적(dynamic) 유동 시스템에서 활성탄의 입자 크기에 좌우된다. 일 실시양태에서, 활성탄은 약 0.005 밀리미터 내지 약 10 밀리미터의 평균 입자 크기 범위를 가진다. 또 다른 실시양태에서, 활성탄은 약 0.04 밀리미터 내지 약 5 밀리미터의 평균 입자 크기 범위를 가진다. 또 다른 실시양태에서, 활성탄은 약 0.1 밀리미터 내지 약 2 밀리미터의 평균 입자 크기 범위를 가진다. 정해진 활성탄의 흡착 능력은 또한 탄소의 회분 함량(ash content)을 제거함으로써 개선될 수 있다. 이는 표준 기법 예컨대 산 세척에 의해 행해질 수 있다.
용어 "활성탄"은 약 50 내지 약 3000 ㎡/g 또는 약 100 내지 약 2000 ㎡/g (예를 들면 약 200 내지 약 1500 ㎡/g 또는 약 300 내지 약 1000㎡/g)와 같은 비교적 높은 표면적을 가진 임의의 탄소를 포함한다. 활성탄은 임의의 탄소질 재료, 예컨대 석탄(예를 들면 목탄), 견과의 껍질(예를 들면 코코넛) 및 목재에서 유래할 수 있다. 분말형, 입상형, 압출형 및 펠릿형 활성탄과 같은 임의의 활성탄 형태가 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "활성탄"은 활성탄의 기능성을 변경하고 제거되길 원하는 화합물과 자신의 콤비네이션을 촉진하는 첨가제에 의해 개질되어진 (예를 들면 함침되어진) 활성탄을 포함한다. 적합한 첨가제의 예는 금속 또는 금속 화합물, 및 염기를 포함한다.
전형적인 금속은 전이, 알칼리 또는 알칼라인 토 금속, 또는 이의 염을 포함한다. 적합한 금속의 예는 Na, K, Cr, Mn, Au, Fe, Cu, Zn, Sn, Ta, Ti, Sb, Al, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd 및/또는 Pt 및/또는 이들 금속의 하나 이상의 화합물(예를 들면 할라이드, 히드록시드, 카보네이트)을 포함한다. 알칼리 금속(예를 들면 Na 또는 K) 염 예컨대 알칼리 금속 염의 할라이드, 히드록시드 또는 카보네이트 염이 현재 활성탄을 위한 첨가제의 바람직한 군이다. 알칼리 금속 염의 히드록시드 또는 카보네이트 염은 염기이다. 아미드(예를 들면 나트륨 아미드)를 포함한 임의의 다른 적합한 염기가 사용될 수 있다.
함침형(impregnated) 활성탄은 업계에 공지된 임의의 수단, 예를 들면 원하는 염 또는 염들의 용액에 탄소를 담그고 용매를 증발시킴으로써 제조될 수 있다.
적합한 시판용 활성탄의 예는 Chemviron Carbon에서 입수가능한 것들, 예컨대 카본 207C, 카본 ST1X, 카본 209M 및 카본 207EA 및 카본 ST1X를 포함한다. 그러나, 임의의 활성탄이 본 발명에 사용될 수 있으며, 단, 이들은 본원에 기재된 바와 같이 처리되어 사용된다.
0.595 밀리미터 x 1.68 밀리미터 (12 x 30 메쉬)의 입자 크기 범위를 갖는 활성탄이 Calgon PCB(피츠버그 코코넛계(Pittsburgh coconut based)) 카본으로서 Calgon 사로부터 입수가능하다. 0.105 밀리미터 x 0.595 밀리미터(30 x 140 메쉬)의 입자 크기 범위를 갖는 또 다른 활성탄이 Calgon PCB(피츠버그 코코넛계) 카본으로서 Calgon 사로부터 입수가능하다. 0.42 밀리미터 x 1.68 밀리미터(12 x 40 메쉬)의 입자 크기 범위를 갖는 또 다른 활성탄이 Calgon CAL(역청탄계) 카본으로서 Calgon 사로부터 입수가능하다.
또 다른 타입의 흡착제는 상이한 중합체 쇄들을 "네트웍"으로 연결하는 짧은 측쇄(가교)를 함유하는 가교 중합체이다. 가교(cross-link)는 하나의 중합체 쇄를 또 다른 중합체 쇄에 연결하는 결합이다. 가교 중합체는 중합체 쇄가 강한 공유 결합에 의해 함께 묶여있기 때문에 일반적으로 용매에 불용성이다 (용해되지 않는다). 다른 중합체는 공유적으로 연결되지 않은 중합체 쇄를 분리할 수 있기 때문에 일반적으로 하나 이상의 용매에 가용성이다 (용해된다).
가교(결합)는 중합체와 가교제 간의 열 유도 반응에 의해 달성될 수 있다. 중합체는 또한 전자 방사에 의해 가교될 수도 있다. 가교될 수 있는 중합체의 비제한적인 예는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 등을 포함한다. 팽윤된 클로로메틸화 폴리스티렌의 가교에 기초한 매우 높은 표면적 재료는 프리델-크라프트(Friedel-Crafts) 알킬화 반응에 의해 제조되었다(J. Chromatogr. A, 2002, 965, 65-73). N2/BET 비표면적이 1466 ㎡/g인 다공성 중합체 흡착제는 2% 디비닐벤젠으로 가교된 전구체 폴리스티렌 비드로부터 제조되었다 (Chem. Comm., 2006, 2670-72). 이러한 중합체는 본 공정에서 사용될 수 있다.
또 다른 타입의 흡착제는 s-PS 또는 신디오택틱 폴리스티렌이다. s-PS는 몇몇 게스트 분자를 갖는 공-결정 상(클라스레이트(clathrate) 및 인터칼레이트(intercalate) 둘다)을 형성하는 중합체이다. 적합한 용매-추출 과정에 의해, 게스트 분자는 용이하게 제거되어 영구 공동(cavity)을 갖는 나노다공성 δ 형태를 형성한다(J. Chem. Mater., 2001, 13, 1506). s-PS의 δ-나노다공성 결정상은 높은 에틸렌 용해도 및 낮은 에틸렌 확산성을 제공하며 (J. Mater. Chem., 2008, 18, 1046-1050), 이는 에틸렌 등의 제거에 적합하도록 한다. s-PS는 상표명 Questra하에 다우 케미컬사로부터 입수가능하다.
실리카는 HFO-1234yf를 정제하고 할로겐화 에틸렌을 제거하는데 사용될 수 있는 흡착제의 또 다른 타입이다. 실리카는 상업적으로 입수가능한 겔 형태로 존재한다.
알루미노실리케이트 분자체(제올라이트)는 본 발명에 사용될 수 있는 추가 그룹의 흡착제이다. 전형적으로, 제올라이트는 원치않은 화합물이 제올라이트의 내부에 진입하여 원치않은 화합물이 보유되도록하면서, 원하는 화합물이 제올라이트의 내부에 진입하는 것을 차단하기에 충분히 큰 개구를 지닌 포어(pores)를 갖는다. 사용되는 제올라이트는 최대 치수의 직경 크기가 앞서 기재한 범위인 개구를 지닌 포어를 가진 제올라이트이다. 사용될 수 있는 제올라이트의 예는 4A, 5A, AW-500, ZSM-5, 13X, 제올라이트 베타, 제올라이트 USY, 등을 포함한다.
본원에서 포어 개구(pore opening)는, 원치않은 화합물이 포어의 본체(body)에 진입하여 보유될 수 있는 포어의 입(mouth)을 지칭한다. 포어에 대한 개구는 타원형, 실질적으로 원형 또는 심지어 불규칙 형상일 수 있지만, 일반적으로는 타원형 또는 실질적으로 원형일 것이다. 포어 개구가 실질적으로 원형인 경우, 이들은 이들의 보다 작은 치수의 직경이 약 3 내지 약 10Å 범위이다. 이들은, 이들의 최대 치수의 개구 사이즈가 약 4 내지 약 8Å 범위인 한, 화합물을 흡착하는데 여전히 효과적일 수 있다. 흡착제가 보다 작은 치수의 직경이 6Å 미만인 타원형의 개구를 갖는 포어를 가지는 경우, 이들은 이들의 최대 치수 직경의 개구 사이즈가 약 4 내지 약 8Å 범위인 한 화합물을 흡착하는데 여전히 효과적일 수 있다.
본원에 기재된 공정에서, 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf는 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌과의 혼합 상태이며 본원에 기재된 바와 같이 흡착제 또는 화학흡착 촉매와 접촉된다.
일 실시양태에서, 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf는 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌과의 혼합 상태로 흡착제와 접촉한다. 본 발명에서 접촉 단계는 유기 화합물을 스크러빙하기 위해 익히 알려진 화학적 조작 실시를 이용하여 수행될 수 있으며, 이는 연속식, 반연속식 또는 배치식 작업을 포함한다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 접촉 단계는 베쓸에서 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf, 및 할로겐화 에틸렌 불순물의 기체 또는 액체 혼합물의 스트림을 본원에 기재된 바와 같은 흡착제를 포함하는 고정층에 통과시킴으로써 수행될 수 있다. 고정층의 교반 및 섞음은 공지된 방법의 사용을 통해 수행될 수 있다. 일부 실시양태들에서, 할로겐화 에틸렌 불순물을 함유하는 상기 공정으로부터 형성된 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf는 교반기를 갖춘 베쓸에서 앞서 기재된 흡착제 층과 혼합된다.
본 발명의 일부 실시양태들에서, 접촉 단계 동안 온도는 약 -20℃ 내지 약 200℃이지만, 다른 실시양태들에서, 접촉 단계 동안 온도는 약 0℃ 내지 약 100℃이다. 일부 실시양태들에서, 접촉 단계 동안 온도는 약 10℃ 내지 약 60℃이지만, 본 발명의 일부 실시양태들에서, 접촉 단계 동안 온도는 약 실온이다.
접촉 단계 동안 압력은 중요하지 않으며 1 psi 내지 약 400 psi 범위일 수 있다.
접촉 단계 동안, 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf, 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 혼합물은 접촉 베쓸에서 흡착제로 스크러빙되고 할로겐화 불순물이 제거된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 불순물의 농도는 50 ppm 이하로 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도는 20 ppm 이하로 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도는 10 ppm 이하로 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 양은 본래 존재하는 양에 비해 적어도 약 20 중량% 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 양은 본래 존재하는 양에 비해 적어도 약 50 중량% 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 양은 본래 존재하는 양에 비해 적어도 약 80 중량% 감소된다.
접촉 단계로부터 얻어진 감소된 농도의 불순물을 갖는 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf는 업계에 익히 알려진 기법, 예컨대 응축 또는 증류를 이용하여 회수될 수 있다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 접촉 단계로부터 얻어진 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf는 분별 증류에 의해 추가적으로 정제될 수 있다.
본 발명의 공정 동안, 흡착제는 결국 할로겐화 에틸렌으로 포화되며, 이 시점에 흡착제는 탄화수소 스트림으로부터 오염물을 더이상 효과적으로 제거하지 못할 것이다. 포화가 일어나는 경우, 흡착제 재료는 교체되거나 재생되어야 한다. 흡착제가 할로겐화 에틸렌으로 포화되었는지를 확인하기 위해, 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf, 스트림은 흡착제 배쓸을 통과하기 이전 및 이후에 흡착제 상에 존재하는 할로겐화 에틸렌의 조성에 대해 다양한 수단 예컨대 가스 크로마토그래피에 의해 주기적으로 분석된다. 할로겐화 에틸렌 및 다른 불순물의 흡착의 포화에 도달한 후, 소모된 흡착제는 재생된 다음 재사용될 수 있다. 일 실시양태에서, 흡착제는 흡착제 층을 통해 불활성인 캐리어 가스로 이루어진 가열된 재생 유체 스트림을 종종 역류 방식으로 통과시킴으로써 재생된다.
보다 구체적으로는, 재생 단계는 가열 및 불활성 캐리어 가스를 이용한 퍼징에 의해 흡착제로부터 할로겐화 에틸렌 중 적어도 하나의 제거를 구성한다. 적합한 캐리어 가스는 불활성 가스 예컨대 N2, Ar, He, 및 이들 가스의 다양한 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 액체를 증발시키고 흡착제 표면을 습윤화하는 열을 오프셋하기 위해 흡착제 및 베쓸의 온도를 상승시키도록 충분한 열이 인가되어야 한다. 흡착제의 성질에 따라, 층 온도는 약 100 내지 약 400℃ 범위이다. 경우에 따라, 4A 및 5A 분자체는 200-315℃ 범위의 온도를 요구한다. 재생 후에, 흡착제 온도를 가공처리될 HFO-1234yf 스트림의 온도의 15℃ 내로 감소시키기 위해 냉각 기간이 필요하다. 이는 가장 편리하게는 가열의 경우와 동일한 가스 스트림(다만, 열 입력 없이)을 사용함으로써 행해진다. 일 실시양태에서, 가스 흐름은 열 사이클 동안 가스 흐름에 대해 역류한 다음 냉각 도중에는 (공정 스트림에 대해) 열 사이클 동안의 가스 흐름에서와 동일한 방향이다. 이러한 방식으로 흡착된 오염물은 흡착제로부터 탈착된 다음 재생된 유체 스트림에 의해 제거되며, 이에 의해 오염물은 층 밖으로 나오게 된다.
대안으로는, 소량의 흡착제가 퍼지 가스의 부재하에 오븐 가열에 의해 건조된 다음 건조제를 사용하여 폐쇄된 건조 시스템에서 느리게 냉각될 수 있다.
일 실시양태에서, 흡착제의 재생은 할로겐화 불순물의 퍼징과 동시에 일어난다. 일 실시양태에서, HFO-12343yf 스트림은 본원에 기재된 바와 같이 흡착제의 하나 이상의 층에 통과되어 할로겐화 에틸렌을 제거하면서, 동시에, 앞서 기재된 바와 같이 고온에서 사용된 층을 재생하여 할로겐화 에틸렌을 탈착시킨다. 가열된 층은 이후에 냉각되어 또 다른 흡착 단계를 준비한다.
또 다른 실시양태에서, 본 방법은 탈염화수소화 반응을 포함한 본원에 기재된 공정으로부터 얻어진 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf 생성물, 및 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 생성물 스트림을 3가 금속 산화물, 또는 옥시할라이드, 또는 할라이드, 또는 이의 조합인 화학흡착 촉매와 접촉시키는 단계를 포함한다. 이러한 화학흡착 촉매의 비제한적인 예는 산화크롬, 옥시염화크롬, 옥시불화크롬, 염화크롬, 불화크롬, 산화알루미늄, 옥시염화알루미늄, 옥시불화알루미늄, 염화알루미늄, 불화알루미늄, 산화철(III), 옥시염화철(III), 옥시불화철(III), 염화제이철, 불화제이철, 및 이들의 다양한 조합, 예컨대 앞서 언급된 알루미늄 화합물과 크롬 화합물 또는 앞서 언급된 철 화합물과 크롬 화합물의 혼합물, 또는 상기 리스트로부터의 철 화합물과 알루미늄 화합물의 혼합물 또는 상기 리스트로부터의 크롬 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물 또는 하나 이상의 크롬 화합물과 상기 리스트로부터의 하나 이상의 알루미늄 화합물 및 하나 이상의 철 화합물과의 혼합물을 포함한다. 이들 화학흡착 촉매는 담지되거나 비담지될 수 있다. 유용한 담지체는 실리카, 알루미나, 및 활성탄을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 금속 산화물(산화크롬, 산화알루미늄, 산화철(III), 또는 이들의 임의의 조합) 촉매의 경우, HCl 또는 HF를 사용하여 할로겐화 전처리가 수행된다.
일 실시양태에서, 본 공정은 할로겐화 에틸렌을 제거하기에 효과적인 조건하에 할로겐화 에틸렌이 함유된 HFO-1234yf 스트림을 화학흡착 촉매로 충전된 촉매층에 통과시키는 단계를 수반한다. 사용되는 화학흡착 촉매의 성질에 따라, 화학흡착 온도는 실온에서 100℃로 달라질 수 있다. 경우에 따라, HCl-전처리된 35 wt% Cr2O3/γ-Al2O3 촉매는 70 - 75℃의 온도 범위를 요구한다.
접촉 단계 동안 압력은 중요하지 않으며 1 psi 내지 약 400 psi 범위일 수 있다.
접촉 단계 동안, 플루오로올레핀, 예를 들면, 1234yf, 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 혼합물은 화학흡착 촉매로 스크러빙되고, 할로겐화 불순물이 제거된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 불순물의 농도는 50 ppm 이하로 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 불순물의 농도는 20 ppm 이하로 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 불순물의 농도는 10 ppm 이하로 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 양은 본래 존재하는 양에 대해 적어도 약 20 중량% 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 양은 본래 존재하는 양에 대해 적어도 약 50 중량% 감소된다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 혼합물 중 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 양은 본래 존재하는 양에 대해 적어도 약 80 중량% 감소된다.
접촉 단계로부터 얻어진 감소된 농도의 불순물을 가진 플루오로올레핀, 예를 들면, 1234yf는 업계에 익히 알려진 기법, 예컨대 응축 또는 증류를 사용하여 회수될 수 있다. 본 발명의 일부 실시양태들에서, 접촉 단계로부터 얻어진 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf는 분별 증류에 의해 추가적으로 정제될 수 있다.
본 발명의 공정 동안, 화학흡착 촉매는 결국 할로겐화 에틸렌으로 포화되며, 이 시점에 화학흡착 촉매는 탄화수소 스트림으로부터 오염물을 더이상 효과적으로 제거하지 못할 것이다. 포화가 일어나는 경우, 화학흡착 촉매는 교체되거나 재생되어야 한다. 화학흡착 촉매가 할로겐화 에틸렌으로 포화되었는지를 확인하기 위해, 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf, 스트림은 촉매 반응기 이전 및 이후에 화학흡착 촉매 상에 존재하는 할로겐화 에틸렌의 양을 결정하기 위해 다양한 수단 예컨대 가스 크로마토그래피에 의해 주기적으로 분석된다. 화학흡착 촉매가 할로겐화 에틸렌으로 포화되는 경우, 소모된 화학흡착 촉매는 업계에 공지된 기법을 사용하여 재생된 다음 재사용될 수 있다.
일 실시양태에서, 화학흡착 촉매는 흡착제 층을 통해 불활성인 캐리어 가스로 이루어진 가열된 재생 유체 스트림을 종종 역류 방식으로 통과시킴으로써 재생된다.
보다 구체적으로는, 재생은 가열 및 불활성 캐리어 가스, 예컨대 질소, 헬륨 또는 아르곤을 이용한 퍼징에 의해 화학흡착 촉매로부터 할로겐화 에틸렌 중 적어도 하나의 제거를 구성한다. 액체를 증발시키고 흡착제 표면을 습윤화하는 열을 오프셋하기 위해 화학흡착 촉매 및 베쓸의 온도를 상승시키도록 충분한 열이 인가되어야 한다. 층 온도는 약 200 내지 약 600℃로 상승되지만, 또 다른 실시양태에서, 이는 약 300 내지 약 500℃ 범위이며, 또 다른 실시양태에서, 이는 약 350 내지 약 400℃ 범위이다. 재생 후에, 온도를 가공처리될 HFO-1234yf 스트림의 온도의 15℃ 내로 감소시키기 위해 냉각 기간이 필요하다. 이는 가장 편리하게는 가열의 경우와 동일한 가스 스트림(다만, 열 입력 없이)을 사용함으로써 행해진다. 일 실시양태에서, 화학흡착 촉매의 재생은 할로겐화 에틸렌을 제거하기에 효과적인 조건하에 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf 스트림을 화학흡착 촉매에 통과시키면서, 동시에, 촉매의 활성을 회복하기 위해 이미 사용된 화학흡착 촉매를 고온에서 재생하는 것을 수반한다. 화학흡착 촉매는 이후에 냉각되어 또 다른 화학흡착 단계를 준비한다.
화학흡착 촉매의 재생은 또한 산화제의 연속 흐름에서 수행될 수 있다. 이러한 산화제는 H2O, CO2, O2, 공기, O3, Cl2, N2O, 및 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 특정 실시양태들에서, 재생은 약 200℃ 내지 약 600℃의 온도에서 수행되지만, 또 다른 실시양태에서, 이는 약 300℃ 내지 약 500℃의 온도에서 수행된다. 또 다른 실시양태에서, 이는 약 350℃ 내지 약 400℃의 온도에서 수행된다. 일 실시양태에서, 산화제는 희석되거나 희석된 형태로 제공된다. 적합한 희석제는 불활성 가스 예컨대 N2, Ar, 및 He를 포함한다. 이 실시양태의 일 측면에서, 산화제는 산소이고 질소로 희석된다. 희석은 실제로 가능한 높을 수 있으며, 예를 들면, 최대 약 0.1 부피%의 산화제를 포함한다. 일 실시양태에서, 희석 후 산화제의 농도는 약 0.5 내지 약 21 vol% 범위이지만, 또 다른 실시양태에서, 이는 약 1 내지 약 5 vol% 범위이고, 또 다른 실시양태에서, 이는 약 2 내지 약 3 vol% 범위이다.
적어도 하나의 할로겐화 에틸렌이 혼합된 플루오로올레핀, 예를 들면, HFO-1234yf를 본원에 기재된 바와 같이 흡착제 또는 화학흡착 촉매와 접촉하는 본 공정을 이용하면, 1234yf와 혼합된 할로겐화 에틸렌의 양은 상당히 감소되어진다. 게다가, 할로겐화 에틸렌 이외에 HFO-1243zf (CF3CH=CH2) 및 HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2)를 포함한 다른 불순물이 스트림에 포함되어 존재할 수 있다. 일 실시양태에서, 이들 추가 불순물 중 적어도 하나는 할로겐화 에틸렌과 함께 제거되거나 또는 적어도 감소될 수 있다.
이에, 일 실시양태는 2,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜을 포함한 플루오로올레핀과 혼합된 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 제거 공정에 관한 것이며, 상기 공정은 상기 플루오로올레핀 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 적어도 하나의 흡착제 또는 적어도 하나의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계를 포함한다. 본원에 기재된 공정을 사용하여, 또 다른 실시양태는 하기 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다:
(a) 2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로프로판을 탈염화수소화시켜 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계;
(b) 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 혼합물을 적어도 하나의 흡착제 또는 적어도 하나의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계; 및
(c) 감소된 농도의 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 갖는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜을 회수하는 단계.
또 다른 실시양태는 다른 불포화 불순물 예컨대 HFO-1243zf (CF3CH=CH2), HFO-1234ze (E/Z-CF3CH=CHF), 및 HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2)의 추가적인 제거에 관한 것이다.
추가 실시양태는 E 형태 또는 Z 형태의 1,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜을 포함하는 플루오로올레핀과 혼합된 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 제거 공정에 관한 것으로, 상기 공정은 상기 플루오로올레핀 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 적어도 하나의 흡착제 또는 적어도 하나의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계를 포함한다. 본원에 기재된 절차를 사용하여, 또 다른 실시양태는 하기 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다: (a) 1-클로로-1,3,3,3-테트라플루오로프로판을 탈염화수소화시켜 E 형태 또는 Z 형태의 1,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계; (b) 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 혼합물을 적어도 하나의 흡착제 또는 적어도 하나의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계; 및 (c) 감소된 농도의 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 갖는 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜을 회수하는 단계. 이 공정은 또한 다른 불포화 불순물, 예컨대 HFO-1243zf (CF3CH=CH2), HCFO-1233zd (E/Z-CF3CH=CHCl), 및 HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2)을 감소시킬 수 있다.
또 다른 실시양태는 Z- 또는 E-형태의 1-클로로-3,3,3-트리플루오로-1-프로펜을 포함하는 플루오로올레핀과 혼합된 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 공정에 관한 것으로, 상기 공정은 상기 플루오로올레핀 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 적어도 하나의 흡착제 또는 적어도 하나의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계를 포함한다. 본원에 기재된 절차를 사용하여, 또 다른 실시양태는 하기 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다: (a) 1,1-디클로로-3,3,3-트리플루오로프로판을 탈염화수소화시켜 Z- 또는 E-형태의 1-클로로-3,3,3-트리플루오로-1-프로펜 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계; (b) Z- 또는 E-형태의 1-클로로-3,3,3-트리플루오로-1-프로펜 및 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 적어도 하나의 흡착제 또는 적어도 하나의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 적어도 하나의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계; 및 감소된 농도의 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 가진 1-클로로-3,3,3-트리플루오로-1-프로펜을 회수하는 단계. 이 공정은 또한 다른 불포화 불순물, 예컨대 HFO-1243zf (CF3CH=CH2), HFO-1234ze (E/Z-CF3CH=CHF), 및 HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2)를 감소시킬 수 있다.
하기 비제한적인 실시예가 본 발명을 구체적으로 설명한다.
실시예 1
실시예 1은 HFO-1234yf 생성물에 포함된 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하기 위해 물리적 흡착제로서 그래뉼 활성탄(GAC)의 사용을 설명한다. 이 실시예는 또한 사용된 GAC의 재생을 설명한다.
비표면적이 약 1200 ㎡/g인 20 ml의 그래뉼 활성탄(GAC)을 ¾" 직경의 원통형 Inconel 625 튜브 반응기 안에 로딩한다. 반응기를 3-구역 전기로에 침지한다. 약 4" 높이의 촉매층을 통해 런닝하는 멀티-포인트 열전쌍을 이용하여 공정 온도를 기록한다. 정제된 HFO-1234yf는 35 ppm의 트랜스-CHCl=CHF 및 6 ppm의 HCO-1140을 함유한다. 정제된 HFO-1234yf 공급물을 증발 후 12 g/h의 비율로 반응기에 공급한다. 반응기를 실온 및 1 atm에서 유지시킨다. 반응기 출구에서 GC에 의해 유출물 가스를 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140의 농도에 대해 주기적으로 분석한다. 분석 결과는 가동 최초 100 시간 동안 기기 검출 한계 내에서 어떠한 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140도 검출되지 않음을 보여준다.
가동 3000 시간 후, GC 분석은 반응기 출구에서의 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140의 농도가 반응기 입구에서와 거의 동일함을 보여주며, 이는 GAC가 흡착의 포화에 도달함을 의미한다. 사용된 GAC의 재생이 뒤따른다. 정제된 HFO-1234yf 공급을 일단 중단하고 이후에 질소 흐름을 100 ml/min의 속도로 개시한다. 사용된 GAC 층을 실온에서 2 시간 동안 퍼징한 후, 층 온도를 325℃로 점진적으로 상승시킨 다음 325℃에서 10 시간 동안 유지한다. 이후에, 전기로에 전원 공급을 중단하고 재생된 GAC 층을 동일한 질소 흐름에서 실온으로 냉각시킨다. 재생된 AC를 이후에 새로운(fresh) GAC에 대해 사용된 것과 동일한 조건하에 시험한다. 분석 결과는 가동 다음(next) 100 시간 동안 기기 검출 한계 내에서 어떠한 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140도 검출되지 않음을 보여준다.
실시예 2
실시예 2는 HFO-1234yf 생성물에 포함된 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하기 위해 물리적 흡착제로서 5A molsieve의 사용을 설명한다. 이 실시예는 또한 사용된 5A molsieve의 재생을 설명한다.
20 ml의 5A molsieve 펠릿을 ¾" 직경의 원통형 Inconel 625 튜브 반응기 안에 로딩한다. 반응기를 3-구역 전기로 안에 침지시킨다. 약 4" 높이의 촉매층을 통해 런닝하는 멀티-포인트 열전쌍을 이용하여 공정 온도를 기록한다. 정제된 HFO-1234yf는 35 ppm의 트랜스-CHCl=CHF 및 6 ppm의 HCO-1140을 함유한다. 정제된 HFO-1234yf 공급물을 증발 후 12 g/h의 비율로 반응기에 공급한다. 반응기를 실온 및 1 atm에서 유지한다. 반응기 출구에서 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140의 농도에 대해 GC에 의해 유출물 가스를 주기적으로 분석한다. 분석 결과는 가동 최초 100 시간 동안 기기 검출 한계 내에서 어떠한 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140도 검출되지 않음을 보여준다.
가동 3000 시간 후에, GC 분석은 반응기 출구에서의 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140의 농도가 반응기 입구에서와 거의 동일함을 보여주며, 이는 5A molsieve가 흡착의 포화에 도달했음을 의미한다. 사용된 5A molsieve의 재생이 뒤따른다. 정제된 HFO-1234yf 공급을 우선 중단하고 이후에 질소 흐름을 100 ml/min의 속도로 개시한다. 사용된 5A molsieve 층을 실온에서 2 시간 동안 퍼징한 후, 층 온도를 275℃로 점진적으로 상승시킨 다음 275℃에서 10 시간 동안 유지한다. 이후에, 전기로에 전원 공급을 중단하고 재생된 5A molsieve 층을 동일한 질소 흐름에서 실온으로 냉각시킨다. 재생된 5A molsieve를 이후에 새로운 5A molsieve에 대해 사용된 것과 동일한 조건하에 시험한다. 분석 결과는 가동 다음 100 시간 동안 기기 검출 한계 내에서 어떠한 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140도 검출되지 않음을 보여준다.
실시예 3
실시예 3은 HFO-1234yf 생성물에 포함된 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하기 위해 물리적 흡착제로서 ZSM-5 molsieve의 사용을 설명한다. 이 실시예는 또한 사용된 ZSM-5 molsieve의 재생을 설명한다.
20 ml의 ZSM-5 molsieve 펠릿을 ¾" 직경의 원통형 Inconel 625 튜브 반응기 안에 로딩한다. 반응기를 3-구역 전기로 안에 침지시킨다. 약 4" 높이의 촉매층을 통해 런닝하는 멀티-포인트 열전쌍을 이용하여 공정 온도를 기록한다. 정제된 HFO-1234yf는 35 ppm의 트랜스-CHCl=CHF, 15 ppm의 CH2=CFCl, 및 6 ppm의 HCO-1140을 함유한다. 정제된 HFO-1234yf 공급물을 증발 후 12 g/h의 비율로 반응기에 공급한다. 반응기를 실온 및 1 atm에서 유지한다. 반응기 출구에서 트랜스-CHCl=CHF, CH2=CFCl 및 HCO-1140의 농도에 대해 GC에 의해 유출물 가스를 주기적으로 분석한다. 분석 결과는 가동 최초 100 시간 동안 기기 검출 한계 내에서 어떠한 트랜스-CHCl=CHF, CH2=CFCl 및 HCO-1140도 검출되지 않음을 보여준다.
가동 3000 시간 후에, GC 분석은 반응기 출구에서의 트랜스-CHCl=CHF, CH2=CFCl 및 HCO-1140의 농도가 반응기 입구에서와 거의 동일함을 보여주며, 이는 ZSM-5 molsieve가 흡착의 포화에 도달했음을 의미한다. 사용된 ZSM-5 molsieve의 재생이 뒤따른다. 정제된 HFO-1234yf 공급을 우선 중단하고 이후에 질소 흐름을 100 ml/min의 속도로 개시한다. 사용된 ZSM-5 molsieve 층을 실온에서 2 시간 동안 퍼징한 후, 층 온도를 275℃로 점진적으로 상승시킨 다음 275℃에서 10 시간 동안 유지한다. 이후에, 전기로에 전원 공급을 중단하고 재생된 ZSM-5 molsieve 층을 동일한 질소 흐름에서 실온으로 냉각시킨다. 재생된 ZSM-5 molsieve를 새로운 ZSM-5 molsieve에 대해 사용된 것과 동일한 조건하에 시험한다. 분석 결과는 가동 다음 100 시간 동안 기기 검출 한계 내에서 어떠한 트랜스-CHCl=CHF, CH2=CFCl 및 HCO-1140도 검출되지 않음을 보여준다.
실시예 4
실시예 4는 HFO-1234yf 생성물에 포함된 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하기 위해 화학흡착 촉매로서 0.5 vol% HCl로 전처리된 35 wt% Cr2O3/65 wt%γ-Al2O3의 사용 및 사용된 산화크롬 촉매의 재생을 설명한다.
20 ml의 1/8" 35 wt% Cr2O3/65 wt%γ-Al2O3 촉매 펠릿을 ¾" 직경의 원통형 Inconel 625 튜브 반응기 안에 로딩하고 반응기를 3-구역 전기로 안에 침지시킨다. 약 4" 높이의 산화크롬 촉매층을 통해 런닝하는 멀티-포인트 열전쌍을 이용하여 공정 온도를 기록한다. 정제된 HFO-1234yf는 11 ppm의 트랜스-CHCl=CHF 및 4 ppm의 HCO-1140을 함유한다. 정제된 HFO-1234yf 공급물을 증발 후 12 g/h의 비율로 반응기에 공급한다. 반응기를 75℃ 및 1 atm에서 유지한다. 반응기 출구에서 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140의 농도에 대해 GC에 의해 유출물 가스를 주기적으로 분석한다. 분석 결과는 가동 최초 100 시간 동안 기기 검출 한계 내에서 어떠한 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140도 검출되지 않음을 보여준다.
가동 2000 시간 후에, GC 분석은 반응기 출구에서의 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140의 농도가 반응기 입구에서와 거의 동일함을 보여주며, 이는 산화크롬 촉매가 이러한 할로겐화 에틸렌의 화학흡착을 위해 더이상 활성이 아님을 의미한다. 사용된 산화크롬 촉매의 재생이 뒤따른다. 정제된 HFO-1234yf 공급을 우선 중단하고 이후에 질소 흐름을 100 ml/min의 속도로 개시한다. 사용된 촉매층을 75℃에서 2 시간 동안 퍼징한 후, 층 온도를 2% O2/N2 흐름(100 ml/min)에서 점진적으로 350℃로 상승시킨 다음 350℃에서 10 시간 동안 유지한다. 이후에, 2% O2/N2 흐름을 N2 흐름(100 ml/min)으로 스위칭하고 촉매층 온도를 75℃로 낮춘다. 재생된 산화크롬 촉매를 이후에 새로운 산화크롬 촉매에 대해 사용된 것과 동일한 조건하에 시험한다. 분석 결과는 가동 다음 100 시간 동안 기기 검출 한계 내에서 어떠한 트랜스-CHCl=CHF 및 HCO-1140도 검출되지 않음을 보여준다.
상기 명세서에서, 개념이 구체적 실시양태를 언급하면서 기재되어 있다. 그러나, 당업자는 하기 청구범위에 기재된 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 다양한 변경 및 변화가 이루어질 수 있음을 인지한다. 따라서, 명세서는 제한적 의미가 아닌 예시적인 것으로 간주되며, 모든 이러한 변경은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
이익들, 다른 이점들, 및 문제에 대한 해결이 구체적 실시양태에 대해 앞서 기재되어 있다. 그러나, 이익들, 다른 이점들, 문제에 대한 해결, 및 임의의 이익, 이점 또는 해결을 만들거나 더욱 부각시키는 임의의 특징(들)은 임의의 또는 모든 청구항들의 중요한, 필수적인 또는 본질적인 특징으로 해석되지 않아야 한다.
특정 특징들은 명확성을 위해 개개 실시양태들의 맥락에서 본원에 기재되었으며 조합되어 단일 실시양태로서 제공될 수도 있는 것으로 해석될 수 있다. 반면에, 간결성을 위해 단일 실시양태의 맥락에서 기재된 다양한 특징들은 또한 개별적으로 또는 임의의 서브조합으로 제공될 수도 있다.

Claims (33)

  1. 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 1,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜 및 1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 플루오로올레핀 혼합물로부터 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 방법으로서, 상기 플루오로올레핀 및 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 하나 이상의 흡착제 또는 하나 이상의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 할로겐화 불순물은 HFO-1141 (CH2=CHF), HCFO-1140 (CH2=CHCl), 및 HCFO-1131 (CH2=CFCl 및/또는 트랜스/시스-CHF=CHCl) 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 감소된 농도의 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 갖는 상기 플루오로올레핀을 회수하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혼합물은 HFO-1243zf (CF3CH=CH2), HFO-1234ze (E/Z-CF3CH=CHF), HCFO-1233zd (E/Z-CF3CH=CHCl), HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2) 및 이의 조합에서 선택되는 제2 불순물을 추가적으로 포함하고, 상기 혼합물에서 상기 제2 불순물 중 하나 이상과 하나 이상의 할로겐화 불순물의 농도를 감소시키는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 혼합물을 하나 이상의 흡착제와 접촉시키는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 흡착제는 활성탄, 제올라이트, 실리카, 무정형 및 반결정형 신디오택틱(syndiotactic) 폴리스티렌 또는 가교 중합체인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 활성탄은 분말(powdered) 활성탄, 입상(granular) 활성탄 또는 압출(extruded) 활성탄인 방법.
  8. 제6항에 있어서, 흡착제는 활성탄이고, 활성탄의 표면적이 약 50 내지 약 3000 ㎡/g 범위인 방법.
  9. 제5항에 있어서, 흡착제는 전이 금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 또는 이의 염이 함침된 활성탄인 방법.
  10. 제5항에 있어서, 흡착제는 제올라이트인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 제올라이트는 4A, 5A, 13X, ZSM-5, 제올라이트 베타, 또는 제올라이트 USY인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 제올라이트의 최대 치수 직경의 개구의 포어 크기(pore size)가 약 4 내지 약 8Å 범위인 방법.
  13. 제5항에 있어서, 흡착제는 실리카 또는 무정형 및 반결정형 신디오택틱 폴리스티렌 또는 가교 중합체인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 접촉 단계를 실온에서 실시하는 것인 방법.
  15. 제5항에 있어서, 접촉은 상기 혼합물의 가스 스트림을 하나 이상의 흡착제를 포함하는 층(bed)을 통해 유동시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  16. 제5항에 있어서, 감소된 농도의 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 갖는 하나 이상의 플루오로올레핀을 회수하는 단계를 추가적으로 포함하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 화학흡착 촉매는 산화크롬, 옥시염화크롬, 옥시불화크롬, 염화크롬, 불화크롬, 산화알루미늄, 옥시염화알루미늄, 옥시불화알루미늄, 염화알루미늄, 불화알루미늄, 산화철(III), 옥시염화철(III), 옥시불화철(III), 염화제이철, 불화제이철, 또는 이의 조합인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 화학흡착 촉매는 담지된(supported) 것인 방법.
  19. 제17항에 있어서, 화학흡착 촉매는 비담지된(unsupported) 것인 방법.
  20. 제19항에 있어서, 화학흡착 촉매는 비담지된 것이며 산화크롬과 산화알루미늄의 혼합물인 방법.
  21. 제17항에 있어서, 화학흡착 촉매는 Cr2O3/γ-Al2O3인 방법.
  22. 제17항에 있어서, 접촉 단계는 상기 혼합물의 스트림을 화학흡착 촉매를 스쳐 유동시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  23. 제16항에 있어서, 감소된 농도의 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 갖는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜을 회수하는 단계를 추가적으로 포함하는 방법.
  24. (a) 2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로프로판을 탈염화수소화하여 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계;
    (b) 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 혼합물을 하나 이상의 흡착제 또는 하나 이상의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계; 및
    (c) 감소된 농도의 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 갖는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜을 회수하는 단계
    를 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물은 HFO-1141 (CH2=CHF), HCFO-1140 (CH2=CHCl), 및 HCFO-1131 (CH2=CFCl 및/또는 트랜스/시스-CHF=CHCl) 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 혼합물은 HFO-1243zf (CF3CH=CH2), HFO-1234ze (E/Z-CF3CH=CHF), HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2) 및 이의 조합에서 선택되는 제2 불순물을 추가적으로 포함하고, 상기 혼합물에서 상기 제2 불순물 중 하나 이상과 하나 이상의 할로겐화 불순물의 농도를 감소시키는 것인 방법.
  27. 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 제조 방법으로서,
    (i) 식 I, II, 또는 III의 화합물을 포함하는 출발 조성물을 제공하는 단계:
    CX2=CCl-CH2X (I);
    CX3-CCl=CH2 (II); 또는
    CX3-CHCl-CH2X (III)
    상기 식에서 X는 독립적으로 F, Cl, Br 및 I에서 선택되며, 단, 하나 이상의 X는 불소가 아니다;
    (ii) 출발 조성물을 제1 플루오르화제와 접촉시켜 제1 염소 함유 부산물 및 2-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜을 포함하는 제1 중간 조성물을 생성하는 단계;
    (iii) 제1 중간 조성물을 제2 플루오르화제와 접촉시켜 2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로프로판을 포함하는 제2 중간 조성물을 생성하는 단계;
    (iv) 2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로프로판을 포함하는 제2 중간 조성물의 일부를 탈염화수소화시켜 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜과 할로겐화 에틸렌의 혼합물을 포함하는 반응 생성물을 생성하는 단계;
    (v) 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 하나 이상의 흡착제 또는 하나 이상의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계; 및
    감소된 농도의 상기 할로겐화 에틸렌 불순물을 갖는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜을 회수하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 플루오로올레핀 혼합물로부터 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 방법으로서, 상기 플루오로올레핀과 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 하나 이상의 흡착제 또는 하나 이상의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, HFO-1243zf (CF3CH=CH2), HFO-1234ze (E/Z-CF3CH=CHF), 및 HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2)에서 선택되는 하나 이상의 다른 불포화 불순물을 추가적으로 제거하는 것인 방법.
  30. 1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜 및 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 플루오로올레핀 혼합물로부터 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 방법으로서, 상기 플루오로올레핀과 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 하나 이상의 흡착제 또는 하나 이상의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, HFO-1243zf (CF3CH=CH2), HFO-1234ze (E/Z-CF3CH=CHF), 및 HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2)에서 선택되는 하나 이상의 다른 불포화 불순물을 추가적으로 제거하는 것인 방법.
  32. 1,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜 및 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 플루오로올레핀 혼합물로부터 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 제거하는 방법으로서, 상기 플루오로올레핀 및 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물을 포함하는 상기 혼합물을 하나 이상의 흡착제 또는 하나 이상의 화학흡착 촉매와 접촉시켜 상기 하나 이상의 할로겐화 에틸렌 불순물의 농도를 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, HFO-1243zf (CF3CH=CH2), HCFO-1233zd (E/Z-CF3CH=CHCl), 및 HCFO-1233xf (CF3CCl=CH2)에서 선택되는 하나 이상의 다른 불포화 불순물을 추가적으로 제거하는 것인 방법.
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