[发明专利]用于液相氟化的反应器设计

说明书

本申请是一项发明专利申请的分案申请，其母案的申请日为2015年2月10日、申请号为201580007955.2 (PCT/US2015/015126)、发明名称为“用于液相氟化的反应器设计”。

技术领域

本发明涉及用于氟化有机化合物的装置，或更特别涉及适用于商业规模有机化合物的氟化的反应器。

背景技术

碳氟化合物（特别是氟化烯烃，作为一类碳氟化合物）具有许多和不同的用途，包括作为化学中间体和单体。尤其是，这些产品可用作制冷剂、用于制备制冷剂的单体或中间体，特别是确定为具有低全球变暖潜势的那些。

随着对全球变暖的关注，因为氢氟烯烃(HFO)不消耗臭氧层并具有低全球变暖潜势，HFO正在被商业化为用作制冷剂、传热剂、发泡剂、单体和抛射剂的氯氟烃(CFC)、氢氯氟烃(HCFC)和氢氟烃(HFC)的替代物。某些HFO通过多个步骤制备，所述多个步骤包括在氟化催化剂的存在下用氟化剂（例如氟化氢）来氟化氯化的有机化合物。这些反应可以在液相或气相或这些的组合中进行。在一个制备2,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234yf)的方法中，下列反应顺序是优选的：

步骤1: CCl₂=CClCH₂Cl + 3HF → CH₂=CClCF₃ + 3HCl；

步骤2: CH₂=CClCF₃ + HF → CH₃CClFCF₃；和

步骤3: CH₃CClFCF₃→ CH₂=CFCF₃ + HCl。

在一个优选的实施方案中，步骤1在气相中在氟化催化剂的存在下进行，步骤2在液相中在氟化催化剂的存在下进行，和步骤3在气相中在脱氯化氢催化剂的存在或不存在下进行。

关于上述方法的步骤2，优选液相氟化，因为该反应控制在相对较低的温度下，其导致较少的由于低聚、分解或过氟化造成的副产物形成。

但是，液相氟化使用和生成腐蚀性化合物，例如氟化氢、氯化氢和路易斯酸催化剂，其形成超酸。这些超酸倾向于腐蚀在其中进行反应的反应器容器，甚至是由耐腐蚀材料例如Inconel 600、 NAR25-50MII、Hastelloy C、Hastelloy G-30、两相不锈钢和Hastelloy C-22构成的反应器。反应器的腐蚀损害了反应器的结构完整性，并减少其使用寿命。因此，需要尽量减少反应器腐蚀。

在液相反应中，尤其是当反应组分不混溶或部分混溶时，反应物引入的位置和反应物料的混合是非常重要的标准。在这些反应中，混合程度影响转化率、产率和选择性。此外，在工业规模上，混合程度会影响放热反应中反应器系统的安全性并导致失控反应，其能损坏设备并导致操作人员受伤。因此，不良混合的反应器会导致低转化率、低产率、低选择性以及安全性问题。

通常，为了反应系统的有效混合，使用搅拌器。搅拌器通常由有利于强度的金属轴和在反应器内部的（一个或多个）金属叶轮和用于将电动驱动器（motor drive）与反应器内部的部分隔离的密封机构构成。在腐蚀性环境中，这些组分会腐蚀，导致反应器和搅拌器的结构完整性的折损并减少反应系统的使用寿命。因此，需要在这样的腐蚀性环境中提供混合的方法。

当有效混合的需要与腐蚀性反应环境组合时，反应器设计受到双重挑战。在一些腐蚀性系统中，通常使用搪玻璃钢件（glass lined steel）来构造反应器、搅拌器和挡板以尽量减少腐蚀和保持设备完整。但是，在使用HF作为反应组分的系统中，由于 HF与玻璃的不相容性，这些系统是不合适的。

美国专利No. 7,102,040公开了尽量减少腐蚀的反应器设计。但是，美国专利No. 7,102,040并没有公开用于混合反应内容物的装置。在生成HCl的氟化系统中（参见下面的实例），通常不必提供附加的混合装置，因为所生成的HCl在其离开液相时提供了反应器内容物的有效混合。这些反应的实例是：

CCl₄ + 2HF → CCl₂F₂ + 2HCl（用于制备CFC-12、CCl₂F₂的化学反应）