李小娟 朱 虹 唐浩東 李 瑛 劉化章 韓文鋒*
(1.浙江工業(yè)大學工業(yè)催化研究所,310032;2.浙江省環(huán)境保護科學設計研究院,310007:杭州)
目前1,1,1,2-四氟乙烷(HFC-134a)被大規(guī)模應用于汽車空調(diào)的制冷劑,它雖然對臭氧的破壞影響低(ODP 為 0),但其溫室效應高(GWP=1 300)、大氣壽命長,大量使用會引起全球氣候變暖,因此HFC-134a是《京都議定書》中受控制的溫室效應氣體之一。歐盟汽車空調(diào)指令要求,所有于2013年1月1日以后在歐洲市場上市的新款汽車必須配備GWP低于150的制冷劑[1]。自2017年1月1日起,在歐洲境內(nèi)生產(chǎn)和銷售的所有新車,禁止使用GWP>150的制冷劑,HFC-134a的使用已進入了倒計時階段。
在尋找HFC-134a制冷劑替代物過程中,發(fā)現(xiàn)雖然1,1-二氟乙烷 (HFC-152a)性能接近HFC-134a,但其易燃,需要配備獨立的2級循環(huán)設備,增加額外的費用;自然介質(zhì)CO2雖然不可燃,但其能效比(COP)低,且需要對現(xiàn)有設備作較大的改動,成本太高。研究發(fā)現(xiàn)四氟丙烯 (HFO-1234)的物化性質(zhì)和HFC-134a較為接近,其溫室效應低 (GWP<4),不需要對現(xiàn)有設備進行太大改動,經(jīng)國際汽車工程協(xié)會 (SAE)確認,HFO-1234是安全的。1,1,1,2-四氟丙烯(HFO-1234yf)是用以替代目前使用的汽車空調(diào)制冷劑——HFC-134a的一種高效、安全、有效之選,如今已被廣泛應用于汽車行業(yè),已有超過50萬輛汽車正安全使用HFO-1234yf,預計到2014年底,這一數(shù)字有望超過200萬輛。
HFO-1234 主要有 CH2=CFCF3(HFO-1234yf),1,1,1,3-四氟丙烯 (CHF=CHCF3, 包括 Z-HFO-1234ze和E-HFO-1234ze)3種同分異構(gòu)體。其主要的物化性質(zhì)見表1。
正如表1所示,HFO-1234的3種同分異構(gòu)體具有無毒、不可燃、對臭氧層不具破壞作用(ODP=0),GWP 低(HFO-1234yf為 4),遠遠低于目前常用的HFC-134a的1 300的GWP[2]。 因此HFO-1234作為新型綠色制冷劑、氣溶膠噴劑、發(fā)泡劑、導熱質(zhì)及打磨劑等的替代用品日益受到廣泛重視。
表1 HFO-1234的物化性質(zhì)Tab 1 The physicochemical properties of HFO-1234
以四氟乙烯(TFE)、四氯乙烯、氯乙烯、氟乙烯等 C2烯烴為原料,經(jīng)過與 CH4、CH3Cl、CHClF2、CF3Cl及CCl4等氟氯C1化合物催化耦合制備HFO-1234,其原料成本低且來源廣泛。
霍尼韋爾公司提出利用SbF5和AlCl3催化TFE(CF2=CF2)和氯氟甲烷(HCFC-31,CH2ClF)反應制備 1-氯-2,2,3,3,3-五氟丙烷 (HCFC-235cb,CF3CF2CH2Cl),再利用活性炭催化劑加氫脫HCl,HF制備HFO-1234yf[3]。具體反應式如下:
反應(1)在室溫下進行,利用SbF5/C作為催化劑可以獲得26%(以TFE計)的轉(zhuǎn)化率及82%的選擇性。利用AlCl3/C催化劑在類似的條件下可以獲得相近的結(jié)果(轉(zhuǎn)化率35%,選擇性78%)。
在空氣氣氛下,利用CH3CF2Cl和CF3Cl反應也可以直接制備HFO-1234yf:
其可能的反應機理:
該反應的催化劑為Ni/BaO。在反應溫度675℃、18 kPa下,轉(zhuǎn)化率可達72%,HFO-1234yf的選擇性在22%以上[4]。
該方法催化劑處理復雜,反應溫度較高,轉(zhuǎn)化率低,不利于化工生產(chǎn)。
甲烷(或氯甲烷)和CF3CHClF在650~675℃也生成HFO-1234yf,利用Ni網(wǎng)作為催化劑,轉(zhuǎn)化率可達75%~82%,選擇性在28%~29%。反應式為:
和CH3CF2Cl與CF3Cl反應類似,其機理也是通過自由基鏈式反應進行:
研究發(fā)現(xiàn),以CCl4和氯乙烯(CH2=CHCl)為原料,也是制備1234ze的可行路線[5]:
以部分氟化的Cr2O3為催化劑在400~700℃氟化 CCl3CH2CHCl得到CF3CH2CHClF:
以Ni網(wǎng)為催化劑,在相同的反應溫度下對CF3CH2CHClF脫 HCl得到 CHF=CHCF3,收率在30%~40%左右:
北京宇極公司也發(fā)現(xiàn)Fe-Cr-Ni催化劑可以顯著促進反應(14),在120℃的列管反應器中,0.8 MPa下,CCl4的轉(zhuǎn)化率75.42%,CCl3CH2CHCl2的選擇性高達 97.6%[6]。不同于反應(15),在 250 ℃、Zn-Cr2O3/C催化劑上,CCl3CH2CHCl2的氟化反應產(chǎn)物主要是1-氯-3,3,3-三氟丙烯(HCFC-1233zd,CF3CH=CHCl,79.7%)和 CF3CH=CHF(20%)。在 SbF5/PAF(多孔氟化鋁)催化下,HCFC-1233zd在120℃下被氟化成63.2%的HFO-1234ze,20.6%的1,1,1,3,3-五氟丙烷(HFC-245fa,CF3CH2CHF2),其轉(zhuǎn)化率在 85%以上。
該方法原料價格低廉易得,故降低了HFO-1234ze生產(chǎn)過程中的材料成本;另外,此法反應溫度、壓力較低,且整個反應過程在管式反應器中以連續(xù)相方式進行,反應條件容易控制。
以乙烯代替反應(14)中的氯乙烯,可以最終制備出HFO-1234yf[7]。反應歷程如下:
反應(17)以Fe-Cr-Ni金屬填料為催化劑,在120℃、0.6 MPa下轉(zhuǎn)化率70.69%,選擇性96.5%。反應(18)采用FeCl3催化劑,在52℃、0.1 MPa通Cl2于反應釜,5h后,轉(zhuǎn)化率100%,得到85%的1,1,1,2,3-五氯丙烷(HCC-240db,CCl3CHClCH2Cl)。HCC-240db的氟化反應(19)的催化劑是CrF3,在200℃、接觸時間15 s的反應條件下,轉(zhuǎn)化率90%,2-氯-3,3,3-三氟丙烯 (HCFC-1233xf,CF3CCl=CH2) 的 選 擇性91.2%。反應(20)在SbF5/PAF上進行,溫度100℃、壓力0.7 MPa,轉(zhuǎn)化率85%,HFO-1234yf選擇性62%。
該方法原料價格低廉且易得,故降低了HFO-1234yf生產(chǎn)過程中的原料成本;另外,該法反應溫度較低,反應壓力接近常壓,反應條件容易控制,設備簡單;此外,該法轉(zhuǎn)化率好,副產(chǎn)物較少,目標產(chǎn)物的收率較高。
在 700~900 ℃、停留時間 1.19 s,CH3CF2Cl和二氟一氯甲烷(HCFC-22,CHClF2)反應的產(chǎn)物中也含有 15%的 HFO-1234ze[8]。
山東東岳公司則發(fā)現(xiàn),利用TFE直接和CH3Cl反應可以制取HFO-1234yf,發(fā)現(xiàn)ZnF2/C是有效的催化劑,在0.5 MPa、650℃的反應條件下,轉(zhuǎn)化率達到93%,選擇性高達91%[9]。利用CsF/Cr2O3催化劑,反應可以在較低溫度下進行(450℃),此時轉(zhuǎn)化率為81%,HFO-1234yf的選擇性為83%。利用相似的路線,霍尼韋爾公司采用三氟氯乙烯(CTFE,CFCl=CF2,)和 CH3Cl 2步法合成 HFO-1234yf。第1步在650℃氣相自由基反應,停留時間2 s,此時CH3Cl和CTFE的轉(zhuǎn)化率均高于90%;然后將反應產(chǎn)物引入第2個反應器,裝填氟化的Cr2O3,在接觸時間為5 s時合成HFO-1234yf,選擇性高達72%。用CH3F代替CH3Cl也可以制備目標產(chǎn)物,但收率僅為37%。
由于TFE一般通過HCFC-22裂解制備,因此,在反應中用HCFC-22代替TFE,在750℃下也可以得到14%左右的HFO-1234yf[10]。反應過程中無需催化劑,克服了催化劑易結(jié)焦失活、連續(xù)生產(chǎn)周期短的缺陷。另外,該法所用反應原料易得,克服了現(xiàn)有技術(shù)中所用原料成本高的確定,大大降低了生產(chǎn)成本,且工藝反應過程簡單。但該方法反應溫度較高。
陶氏公司采用CH3Cl和氯乙烯為原料,通過自由基反應合成CCl2=CClCH2Cl,作為HFO-1234yf生產(chǎn)的原料。反應在400℃、8.27 MPa的壓力下進行,四氯乙烯的轉(zhuǎn)化率40.3%,CH3Cl轉(zhuǎn)化率17.1%,CCl2=CClCH2Cl選擇性為76%[11]。加入CCl4或Cl2等引發(fā)劑可以小幅度改善反應。該工藝是一步工藝,因此相比常用于生產(chǎn)HFO的氯碳化合物前體的多步工藝,提供顯著時間、操作和資金成本節(jié)約。另外,該工藝在相對常規(guī)工藝的低溫下進行,這樣節(jié)約資源。
六氟丙烯(HFP)為氟化工常用單體。以HFP為基礎,合成附加值較高,環(huán)境友好的其他化學品也是較為理想的選擇。從HFP出發(fā),通過加氫,脫HF,或與KOH反應脫F等系列步驟,可以合成出1,1,1,2,3,3-六氟丙烷 (HFC-236ea,CF3CHFCHF2)、1,1,1,2,3-五氟丙烯 (HFO-1225ye)、HFO-1234ze、1,1,1,2,3-五氟丙烷 (HFC-245eb,CF3CHFCH2F)及HFO-1234yf等。
以HFP為原料合成HFO-1234的可以有幾條不同路線。所有路線的第1步均為HFP催化加氫合成HFC-236ea(反應(21)),此反應的主要副反應是HFC-236ea 繼續(xù)加氫生成 HFC-245eb(反應(22))[12]。
反應一般采用Pd/C或Pd/Al2O3為催化劑,在低于100℃的反應溫度下,轉(zhuǎn)化率可達100%,HFC-236ea的選擇性96%以上[13-17]。獲得HFC-236ea后可以制備 3種與HFO-1234相關的產(chǎn)物,HFO-1234ze、HFO-1225ye 和 HFC-245eb。 HFO-1234ze可直接作為環(huán)境友好的新型制冷劑、發(fā)泡劑等。對HFC-236ea進行脫HF反應則高選擇性的得到HFO-1225ye。 以 Cr2O3,AlF3或 Fe/活性炭(AC)為催化劑,在250~350℃的反應溫度下,得到的產(chǎn)物主要為HFO-1225ye,轉(zhuǎn)化率可達97%,選擇性在90%~99%[13]。利用SnF4和CrF3為催化劑,通過2步反應,在350℃,200 h-1時轉(zhuǎn)化率為100%,選擇性100%。
阿克瑪公司利用Cr-Ni/AlF3催化劑,在375℃及6.6 s的接觸時間下,取得了50%的轉(zhuǎn)化率及98%的HFO-1225ye的選擇性[12]。該公司還發(fā)現(xiàn),Zn-Cr催化劑在360℃,5 s的條件下具有轉(zhuǎn)化率90%,HFO-1225ye選擇性93.4%的活性[16]。直接采用氟化的Cr2O3作為催化劑,在400℃轉(zhuǎn)化率也達96%,選擇性99.9%,但估計催化劑壽命不高[18]。
而HFO-1225ye除直接作為最終產(chǎn)品外,還可以繼續(xù)通過加氫反應,高效地合成HFC-245eb。Pd/C催化劑同樣是有效的HFO-1225ye加氫催化劑,在H2/HFO-1225ye,接觸時間4.6 s,溫度為20~60℃時,HFO-1225ye的轉(zhuǎn)化率即可達100%,此時HFC-245eb的選擇性也在99.5%以上。阿科瑪公司則利用Ni-Cu-La催化劑代替貴金屬Pd,在0.1 MPa、120℃及3 s接觸時間的條件下獲得了99%的轉(zhuǎn)化率和98%的選擇性。在合適的催化劑和反應條件下,HFC-236ea可以直接通過加氫和脫HF生成HFC-245eb[12]。
HFC-245eb脫HF主要生成HFO-1234yf,有效的催化劑包括 ALF3,部分氟化的 Cr-Ni/AlF3、Al2O3、Zn-Cr及Pd/C[13-14,16,18]。在300~450℃常壓或低壓下可以獲得80%~99%的轉(zhuǎn)化率及最高99%的選擇性[19]。
眾多研究發(fā)現(xiàn),KOH溶液是較為有效的脫HF試劑。阿科瑪公司發(fā)現(xiàn)HFC-236ea和KOH溶液在160℃的釜式反應器中接觸,可以得到近98%的轉(zhuǎn)化率和99%的選擇性[17]。巨化集團公司通過HFC-236ea與KOH反應得到HFO-1225ye后,通過氣相加氫獲得HFC-245eb,再利用245eb與KOH反應形成HFO-1234yf,其選擇性大約為 72%[19]。
以 2-氯-3,3,3-三氟丙烯 (HCFC-1233xf,CH2=CClCF3) 為原料, 在 Cr-Zn-Ni催化劑的作用下,加入蔗糖-檸檬酸溶液,干燥后在N2氣氛450℃焙燒4 h得到炭模板的氧化物,并將其在HFN2混合氣300℃下處理12 h,再在氧氣氣氛下經(jīng)氧化14 h,得到催化劑。在常壓下的固定床反應器中裝入3 g催化劑,HCFC-1233xf與HF的摩爾比為1:10,空速為 600 h-1。HCFC-1233xf的轉(zhuǎn)化率為29.4%,HCFC-1234yf的選擇性為67.6%。加入蔗糖-檸檬酸形成的炭可以支撐催化劑的孔道結(jié)構(gòu),在氧氣氛中除去炭可以增強催化劑的穩(wěn)定性,添加的Ni也能提高催化劑的穩(wěn)定性。該路線簡單,原料價格低廉,HCFC-1234yf的選擇性高[20]。
將氟處理的氧化鉻催化劑放入管形哈司特鎳合金反應器中,分別向反應器中通入1 h的無水HF和0.5 h的氧氣,之后,在365℃下供應HCFC-1233xf。HFO-1234yf的選擇性為75.2%,1,1,1,2,2-五氟丙烷(HFC-245cb)的選擇性為 15.3%[21]。
在阻聚劑存在的條件下,使用高壓活化的催化劑進行1,1,2,3-四氯丙烯(HCC-1230xa)的氟化。在350℃,用HF和氮氣將Cr2O3活化,并將已活化的催化劑放入反應器加熱,保持330℃、壓力為1.03 MPa,通入HF氣體、HCC-1230xa和空氣。其轉(zhuǎn)化率為 100%,HFC-1234yf的選擇性為 11.5%,HFC-245cb的選擇性為20.7%[22]。
采用HCFC-1233xf,在氣相條件,在常規(guī)的壓力下與HF進行氟氯交換得到產(chǎn)物HFO-1234yf材料易得且價格低廉,反應條件容易控制。另外,該方法選用的銻基催化劑為SbF5/多孔氯化鋁,不存在積碳問題,使用壽命長,不用頻繁更換催化劑。
表2 HCFC-1233xf氟化制備HFO-1234yfTab 2 HFO-1234yf prepared by HCFC-1233xf fluorination
HCC-1230xa經(jīng)過氟化反應可以分別制備HCFC-1233xf 、HFO-1234ze、HFC-245eb、HCFC-244bb 及 HFO-1234yf、2,3-二氯-1,1,1-三氟丙烷(HCFC-243db)[29-41]等。
反應(23)采用氣相氟化,催化劑為 Cr/Al、AlF3/AC,部分氟化 Cr2O3、Co-Sm/Cr、Al-La-Ni-Cr等。 在低溫下(300 ℃),高空速下(500~800 h-1),轉(zhuǎn)化率最高可達89%,選擇性80%。但催化劑普遍失活較快,例如采用Cr2O3催化劑,4~5 h顯著失活。當在反應體系中加入質(zhì)量分數(shù)0.1×10-3的三乙基胺、二異丙基胺等阻聚劑,催化劑壽命可以提供至300 h。
為避免催化劑迅速失活,反應(23)也可在液相進行。利用SbCl5或高壓無催化反應,或采用三乙基胺·3HF、KF等為氟化試劑,HCC-1230xa可在低溫下(100~120℃)選擇性合成 HCFC-1233xf。 在優(yōu)化條件下,選擇性和轉(zhuǎn)化率均高于90%。
在SbCl5催化的100℃液相反應釜中,HCC-1230xa和HF反應12 h可將100%的反應物轉(zhuǎn)化,HFC-245eb的選擇性 53%(反應(25))[37]。 在上述體系中,采用連續(xù)液相反應,溫度96℃、接觸時間1 s,可以獲得22%的HCFC-244bb(反應(26))和33%的1233xf。以Cr-Mg-Zn/Al2O3為催化劑,在200℃和500 h-1,轉(zhuǎn)化98%的 HCC-1230xa,獲得 95.6%的HCFC-243db(反應(28))[41]。
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