[发明专利]C1烃转化成卤代C1烃的氧化卤化反应

说明书

相关申请的交叉引用

本发明主张2005年5月4日申请的美国临时专利申请No.60/677,591的权益。

技术领域

本发明涉及一种甲烷和卤代C₁烃的氧化卤化反应方法。为了达到所述的目的，术语“氧化卤化反应”是指将甲烷或卤代C₁烃(C₁反应物烃)与一种卤素源和一种氧源在催化剂存在下在足以形成具有比C₁卤化反应物至少多一个卤素取代基的卤代C₁产物的条件下接触的方法。作为本发明的一个例子，将在催化剂存在下使甲烷与氯化氢和氧气接触以形成氯代甲烷作为参考。

背景技术

单卤代甲烷，比如氯代甲烷，可用于生产硅氧烷和更多卤素取代的甲烷，以及在大量生产通用化学品(如甲醇、二甲醚、轻质烷烃、汽油、氯乙烯和乙酸)时用作中间体。多卤素取代的C₁化合物，如二氯甲烷可用作溶剂，也可以在生产硅氧烷和在纤维素、乙醇和苯酚的甲基化或醚化时用作中间体。

因为供应和开采原油具有更多不确定性，对可替代烃和燃料的能源进行了探索。已经考虑将含有大量低分子量的烷烃的天然气转化成更高分子量的烃，因为在世界许多地方发现大量贮存主要由甲烷组成的天然气。另外，低分子量的烷烃通常存在于煤藏中，且还可以在采矿操作中、在各种石油加工中、和合成燃料(如煤、沥青沙、油页岩和生物量)的气化或液化过程中也能形成。在探寻石油过程中，经常发现在世界上的许多偏远地区存在大量的天然气，但是当地的使用燃料或化工原料的市场很小。

容易取得的天然气在当地市场通常用作居民、商用、或工业应用的燃料。通常，用作燃料的材料的交易价格比其用作化学原料时的价格要低。因而将天然气用作化学原料是一个高价值的应用。但是，远程气体无论用作燃料还是原料，它的可取性是其有效地、广泛地应用的主要障碍。不利地，在地球偏远地区大量的天然气被烧掉或放空，从这些地方以气体形式进行的运输是不可能的。

将天然气转化成有用的化学原料(优选液体原料)为从偏远地区运输低分子量烃的问题提供有一个有希望的解决办法；但是，转化这类产品对石油和能源工业提出了一个特别的挑战。现在利用远程天然气的关键技术包括将天然气转变成合成气，氢和一氧化碳的混合物，然后再将合成气转化成液体产品。例如，合成气能通过费托(Fischer-Tropsch)技术转化成合成原油，并且合成原油能用典型的炼油方法升级成交通燃料。可选择性地，合成气能转化成液体含氧化合物，比如甲醇，液体含氧化合物回过头来又能通过沸石催化剂转变成更多的常规的交通燃料。

虽然合成气工艺提供一种将天然气转变成更容易运输的液体(该液体回过头来又能转变成有用的化工产品)的方法，但是其中包含的中间步骤，即合成气的形成是昂贵的。因此，需要继续研究可供选择的、更便宜的可将甲烷直接转变成更有价值的化工原料的方法。

一种潜在的可供选择的能活化甲烷的路线包括，在第一步将甲烷氧化卤化以形成卤代甲烷或其它低卤代的甲烷，例如二卤代甲烷，这些卤素取代的甲烷回过头来又能转变成有价值的通用化工产品，比如甲醇、二甲醚、轻质烯烃、包括汽油的高级烃、氯乙烯和乙酸。如果应用氯卤化反应，这个路线就叫做“氯化”路线，可以用以下的式(1)和(2)两个反应方程表示：

CH₄+HCl+O₂→氯代甲烷+H₂O    (1)

氯代甲烷→化工产品+HCl    (2)

采用这样的反应方案，在第二步中产生的氯化氢又可以循环至第一步中应用。

通常，先有技术中的氧化卤化反应，例如US4,769,504和US4,795,843，产生了大量的全卤代产物，比如四氯化碳，该全卤代产物根据最后的应用，与低卤代的产品相比(比如氯代甲烷、二氯甲烷)，提供了更低的价值。进一步不利地，先有技术产生了不能接受的大量的深度氧化产物(CO_x)，特别是一氧化碳和二氧化碳。氧化产物的产生不可逆地浪费了C₁烃原料，并且产生了产物分离和副产物处理的问题。再进一步不利地，先有技术产生了氯元素，这降低了对氯源的目标利用，可能会腐蚀生产设备，因而需要增加额外的分离步骤。再进一步不利地，在这些方法中用作催化剂的许多过渡金属卤化物在反应温度下出现很高的蒸气压。这种易挥发性通常能降低催化剂的活性和/或在下游设备中沉积腐蚀材料。