Способ получения фторуглеродных соединений (варианты) и установка для его осуществления

Способ получения фторуглеродных соединений (варианты) и установка для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к способу и установке для получения фторуглеродных соединений. Способ включает стадии создания электрической дуги в высокотемпературной зоне и подачи по крайней мере одного исходного материала в высокотемпературную зону для получения термической плазмы, включающей фторсодержащие и углеродсодержащие частицы. Молекулярное отношение C : F в массе нагретого газа контролируется при заданной величине 0,4 - 2,0; удельная энтальпия массы нагреваемого газа контролируется при заданной величине ~ 1 - 10 кВт ч/кг в течение промежутка времени, достаточного для образования реакционноспособной термической газовой смеси, содержащей реакционноспособные фторсодержащие и углеродсодержащие промежуточные вещества. Затем реакционноспособная термическая смесь охлаждается с такой скоростью и до такой температуры, которые приводят к получению конечного продукта, включающего желаемое фторуглеводородное соединение. Исходный материал обычно представляет собой C₁-C₁₀ - перфторированное соединение углерода общей формулы C_nF_m, где 0 < n < 10 и m = 2n, 2n + 2 или 2n - 2, где n > 1, например газообразный фторуглеводород, например тетрафторметан (CF₄). В термической смеси температура углеродсодержащих частиц достигает 1727 - 2727^oC. Используют, главным образом, нерасходуемые электроды. Установка включает высокотемпературную зону с массой нагретого газа, пару электродов для создания электрической дуги, средство для подачи исходного материала и создания термической плазмы в высокотемпературной зоне. При этом установка содержит по крайней мере одну плазменную горелку с парой нерасходуемых электродов и вихревой генератор, выполненный как часть по меньшей мере одной плазменной горелки. В результате получают широкий ассортимент фторуглеродных соединений с высокой производительностью процесса и при минимальном потреблении энергии. 3 с. и, 29 з.п. ф-лы, 35 ил., 7 табл.

Настоящее изобретение относится к способу получения фторуглеводородных соединений и к установке и аппарату для получения фторуглеводородных соединений. В особенности, изобретение относится к способу и к установке и аппарату для непрерывного селективного получения желаемых фторуглеводородных соединений при минимальном количестве стоков.

Согласно одному из аспектов изобретения предлагается способ получения желаемого фторуглеводородного соединения, включающий стадии: создание высокотемпературной зоны; подачу по крайней мере одного исходного вещества в высокотемпературную зону для генерирования среды нагретого газа, включающего фторсодержащее соединение и углеродсодержащее соединение; регулирование молярного отношения C:F в среде нагретого газа в выбранном значении от около 0,4 до 2; регулирование величины удельной энтальпии нагретого газа в пределах от 1 до 10 кВтч/кг в течение промежутка времени, достаточного для образования реакционной термической газообразной смеси, содержащей реакционноспособное вещество, включающее реакционноспособные фторсодержащие промежуточные соединения и реакционноспособные углеродсодержащие промежуточные соединения, и охлаждение реакционноспособной термической смеси со скоростью охлаждения и до температуры, выбранной так, чтобы получить конечный продукт, включающий желаемое фторуглеводородное соединение.

Величина отношения C:F в среде горячего газа выбирается с учетом оптимального выхода названных промежуточных соединений при оптимальном расходе энергии.

Если не утверждается иного, то указанная удельная энтальпия относится к термической газообразной смеси и выражает величину на 1 кг термической газообразной смеси.

Исходное вещество может включать газовый поток и по крайней мере одно фторуглеводородное соединение. Таким образом, исходное вещество может включать одно или более фторуглеводородных соединений, выбранных согласно желаемому молярному отношению C:F в среде горячего газа для обеспечения получения конечного фторуглеводородного соединения.

Фторуглеводородное соединение может иметь короткую углеродную цепь. Обычно это C-C-перторуглеродное соединение общей формулы C_nF_m где 0 < n < 10, a m = 2n, 2n+2 или 2n-2. Например, газообразное фторуглеводородное соединение, такое как дифторэтилен (C₂F₂), тетрафторэтилен (C₂F₄), гексафторэтан (C₂F₆), гексафторпропен (C₃F₆), октафторпропан (C₃F₈), тетрафторметан (CF₄), октафторбутен (C₄F₈) или декафторбутан (C₄F₁₀).

Желаемые фторуглеводородные соединения, которые получают по способу согласно данному изобретению, обычно представляют собой C₁-C₄ - фторуглеводороды, например тетрафторэтилен (C₂F₄, ТФЭ), гексафторэтан (C₂F₆), гексафторпропен (C₃F₆), октафторпропан (C₃F₈) и тетрафторметан (CF₄, карбонтетрафторид).

Следует подчеркнуть, что некоторые фторуглеводородные соединения, конкретно упомянутые как фторуглеводородные конечные продукты, являются теми же самыми соединениями, которые упомянуты как возможные исходные фторуглеводороды. Таким образом, изобретение предусматривает способ эффективного превращения доступного, но не целевого фторуглеводорода в другое конечное (желаемое) фторуглеводородное соединение, а также способ превращения смеси фторуглеводородов в одно или более очищенных желаемых фторуглеводородных соединений.

Способ по изобретению может включать другие стадии, а именно введение углеродсодержащего соединения в среду горячего газа в условиях регулирования величины энтальпии для получения реакционной термической газообразной смеси реакционноспособных промежуточных соединений, полученных из углеродсодержащего соединения. Если вводимое вещество содержит фторуглеводородное соединение, то реакционноспособные промежуточные соединения могут быть получены из фторуглеводородного соединения и частиц углеродсодержащего соединения. Соответственно способ может включать стадии: создание высокотемпературной зоны; подачу исходного газового потока, содержащего по крайней мере одно фторуглеводородное соединение, в высокотемпературную зону для генерирования среды горячего газа; введение в условиях регулируемой величины энтальпии частиц углеродсодержащего соединения в среду горячего газа для получения реакционноспособной термической смеси с молярным отношением C:F в пределах от ~0,2 до 4 и величиной удельной энтальпии в пределах от около 1 кВтч/кг до 10 кВтч/кг; контролирование указанной удельной энтальпии в течение промежутка времени, достаточного для того, чтобы вызвать образование реакционноспособной термической смеси, причем эта смесь содержит реакционноспособные частицы, включая желаемые фторсодержащие и углеродсодержащие промежуточные соединения, полученные из по крайней мере одного фторуглеводорода и углеродсодержащего вещества в виде частиц; охлаждение реакционной термической смеси таким образом, чтобы получить смесевой продукт, содержащий по крайне мере одно желаемое фторуглеводородное соединение.

Среда горячего газа в высокотемпературной зоне может быть создана генерированием плазмы в исходном газообразном веществе, например, под действием электрической дуги в названной высокотемпературной зоне между по крайней мере одной парой электродов. Электродами могут быть существенно неизнашивающиеся (неразрушающиеся) электроды.

Вид реакционноспособного вещества, образуемого в среде горячего газа, будет зависеть от состава вводимого газового потока, природы частиц углеродсодержащего соединения и других факторов. Более того, некоторые реакционноспособные соединения могут быть получены в среде горячего газа даже прежде введения частиц углеродсодержащего соединения, и дополнительные реакционноспособные соединения могут быть получены после введения названного углеродсодержащего соединения. Эти реакционноспособные соединения будут описаны более подробно ниже. Реакционноспособные соединения включают некоторые желаемые промежуточные соединения, которые в условиях дальнейшей реакции в подходящих условиях быстрого охлаждения до заданной температуры реакции обеспечат получение желаемого фторуглеводородного соединения (или фторуглеводородных соединений).

Как будет более подробно показано ниже, то, каким образом охлаждают реакционную термическую смесь, содержащую среди реакционноспособных соединений желаемые промежуточные продукты, определяет конечный фторуглеводородный продукт (продукты). Соответственно стадия охлаждения предпочтительно имеет скорость охлаждения, пределы температуры охлаждения и период времени, в течение которого выдерживают охлажденную термическую смесь в пределах температуры охлаждения, каждые из которых выбирают так, чтобы определить природу по крайней мере одного желаемого фторуглеводородного соединения, являющегося конечным продуктом реакции.

Частицы углеродсодержащего соединения могут быть введены в среду горячего газа, например термическую плазму, таким образом и при таких значениях энтальпии, чтобы получить реакционноспособную термическую смесь, содержащую реакционноспособные частицы, включая желаемые промежуточные продукты, и предпочтительно имеющую величину удельной энтальпии не менее 3 кВтч/кг. Частицы углеродсодержащего вещества могут быть предварительно нагреты перед введением в среду горячего газа. Скорость введения специфического углеродного соединения и его температуру, таким образом, можно регулировать, чтобы обеспечить получение реакционной термической смеси, в которой углеродсодержащие частицы достигают температуры в пределах от 2000K до 3000K (1728 - 2728^oC).

Частицы углеродсодержащего соединения могут быть введены непосредственно в среду горячего газа в высокотемпературной зоне или они могут быть введены в зону смешения для смешения со средой горячего газа, вытекающего из высокотемпературной зоны.

Таким образом, способ может включать следующие стадии: создание высокотемпературной зоны под действием дугового разряда между существенно нерасходующимися электродами и зоны смешения в непосредственной близости от высокотемпературной зоны; введение исходного потока газа, содержащего по крайней мере одно фторуглеводородное соединение, в высокотемпературную зону и генерирование термической плазмы в названной зоне, содержащей фторсодержащие соединения и углеродсодержащие соединения; контролирование молярного отношения C:F в термической плазме в пределах выбранного значения от 0,4 до 2; контролирование в названной высокотемпературной зоне величины удельной энтальпии термической плазмы в пределах от 1 кВтч/кг до 10 кВтч/кг; введение частиц углеродсодержащего соединения в зону смешения для смешения с термической плазмой при указанном выше значении C:F, чтобы получить реакционную термическую смесь, в которой углеродсодержащие частицы достигают температуры от 2000K до 3000K (1728 - 2728^oC), причем указанная реакционная термическая смесь содержит реакционноспособные соединения, включающие реакционноспособные фторсодержащие промежуточные соединения (предшественники) и реакционноспособные углеродсодержащие соединения, и имеет величину удельной энтальпии не менее чем 3 кВтч/кг; выдерживание реакционноспособной термической смеси при вышеуказанных условиях в течение определенного промежутка времени; быстрое охлаждение реакционной термической смеси, содержащей промежуточные соединения, в зоне охлаждения таким образом, чтобы получить смесевой продукт, содержащий по крайней мере одно желаемое фторуглеводородное соединение.

Зона смешения, в которую могут быть введены частицы углеродсодержащего соединения, может образовывать часть высокотемпературной зоны или может непосредственно примыкать к высокотемпературной зоне. Предпочтительно высокотемпературная зона может быть зоной, расположенной внутри, вокруг или в непосредственной близости от дуговой плазменной горелки, и зона смешения может быть расположена у выхода горелки, т.е. в области хвостового пламени горелки.

Изобретение основано на посылке, что фторуглеводороды, такие как тетрафторэтилен (C₂F₄, ТФЭ), тетрафторметан (CF₄), гексафторэтан (C₂F₆) и гексафторпропан (C₃F₆), могут быть получены нагреванием фторуглеводородного соединения, предпочтительно в присутствии углерода, для создания среды горячего газа с регулируемым отношением C:F и удельной энтальпией в пределах от 1 кВтч/кг до 10 кВтч/кг и быстрым охлаждением реакционной смеси до температуры ниже ~800K (528^oC).

Высокое значение величины энтальпии, необходимое для протекания реакции, может быть, в основном, достигнуто в таких процессах, как нагрев за счет сопротивления с использованием графитовых резисторов, индуктивный нагрев графита посредством радиочастотного, индуктивного или емкостного двойного плазменного генерирования, создания плазмы низкочастотного переменного тока или плазмы постоянного тока путем использования различных электродных систем, например малоизнашивающихся интенсивно охлаждаемых угольных электродов, или охлаждаемых неуглеродных электродов, или интенсивно охлаждаемых неуглеродно-углеродных электродов.

Таким образом, задачей изобретения является создание высокотемпературной плазмы, содержащей реакционноспособные соединения, некоторые из которых образуют с углеродом желаемые реакционноспособные промежуточные соединения, которые в присутствии углерода в процессе или после охлаждения приведут к образованию желаемых фторуглеводородных соединений.

В том случае, если входящий газ, в среде которого генерируют высокотемпературную плазму, включает фторуглеводородное соединение, могут быть получены следующие виды реакционноспособных веществ: CF₃, CF₂, CF, F, C и их ионы.

При смешении плазменного газа с частицами углерода могут быть получены следующие реакционноспособные вещества: C (газ), C (твердый), C⁺ (ион), C₂ (газ), C₂F₂ (газ), C₂F₄, C₂F₆, C₃ (газ), CF (газ), CF⁺ (ион), CF₂ (газ), CF₃ (газ), CF₄ (газ), F (газ), F^- (ион), e (электрон).

Из этих реакционноспособных ионов желаемыми промежуточными соединениями для получения C₂F₄ (ТФЭ) являются следующие: C₂F₂, CF₂, CF₃, CF и F. Соответственно энтальпия среды горячего газа, отношение C:F в среде горячего газа и превалирующее давление могут контролироваться для создания предоминанты в реакционной термической смеси этих реакционноспособных промежуточных соединений.

В экспериментальных процедурах процесс осуществляют при давлении в пределах от 0,01 бар до 1,0 бар с использованием в качестве исходного фторуглеводородного соединения CF₄ и устройства для создания плазмы прямого тока (DC) с неохлаждаемыми углеродными электродами и плотностью тока от 40 до 120 А/см.

Было обнаружено, что такие углеродные электроды сублимируются при повышении величины тока между электродами выше некоторого уровня в условиях, определяемых некоторыми величинами температуры и давления, например, если плотность тока между электродами превышает 100 А/см при атмосферном давлении и температуре около 4000K (3728^oC). (Это будет проиллюстрировано и пояснено далее со ссылкой на фиг.35.) Кроме того, было установлено, что уровень тока, при котором возникает сублимация углеродных электродов, понижается с понижением давления так, что измеряемое количество углерода сублимирует при плотности тока выше ~80 А/см и величине давления около 0,01 - 0,1 бар, и что температура сублимации углерода аналогичным образом понижается при понижении давления так, что температура сублимации падает до величины ~3000K при давлении около 0,01 - 0,1 бар. (Это будет проиллюстрировано и пояснено далее со ссылкой на фиг. 27 - 30.) Утверждается, что в описанной выше экспериментальной процедуре при использовании CF₄ в качестве исходного фторуглеводородного соединения и при создании плазмы прямого тока между неохлаждаемыми углеродными электродами сублимирующийся с электродов углерод является источником получения достаточного количества углерода, необходимого для ощутимого выхода тетрафторэтилена (около 80%), таким образом вызывая быстрый износ углеродных электродов. Очевидно поэтому такая процедура не может быть непрерывной операцией.

Экспериментальная работа, таким образом, показала, что использование плазменной установки с неохлаждаемыми углеродными электродами было непрактичным ввиду износа электродов, и до настоящего времени было невозможно осуществить процесс в течение более нескольких минут.

Заявитель обнаружил, что можно успешно использовать плазменные установки с существенно не изнашивающимися электродами для осуществления процесса в течение значительно более длительного периода времени, то есть вплоть до нескольких часов.

Важным аспектом, вытекающим из проделанной заявителем работы, является демонстрация потребности в электродах из материала с хорошей устойчивостью к химической коррозии под действием фтора при повышенной температуре, например вплоть до 1300K, и связанная с этим потребность в электродах, охлаждаемых и даже интенсивно охлаждаемых до температуры ниже ~1300K (1000^oC), а в случае графита - ниже ~800K (500^oC).

Под нерасходующимися электродами подразумевают электроды, которые могут работать от более чем нескольких минут до нескольких часов без их изнашивания, то есть без существенного разрушения и/или эрозии. Обычно это охлаждаемые или даже интенсивно охлаждаемые металлические электроды, такие как электроды из меди или из медных сплавов, которые могут содержать вставки из подходящих тугоплавких веществ, такие как углеродные и графитовые вставки. Вставки могут быть из графита с добавками или высокотемпературного металлического сплава, содержащего вольфрам, торийсодержащий вольфрам или вольфрамовые сплавы с добавками, цирконий, гафний, карбид гафния, тантал, карбид тантала и другие подходящие термостойкие материалы.

Электроды описываются более подробно ниже. Электроды могут образовывать часть устройства для генерирования плазмы, такого как высоковольтная плазменная горелка прямого тока (DC). В последующем способ по изобретению будет описан с использованием высоковольтной DC плазменной горелки для создания высоковольтной плазмы. Более чем одна, предпочтительно три, такие плазменные горелки могут быть использованы, причем плазменные горелки имеют выходные концы, где известным образом образуется хвостовое пламя и горелки расположены так, что входят в камеру смешения, образуя часть установки.

Как отмечалось выше, электроды предпочтительно представляют собой неизнашивающиеся охлаждаемые металлические электроды, в некоторых случаях имеющие добавку, такую как графит. Одной из причин предпочтительного использования таких электродов, помимо их относительно большей долговечности, является отсутствие эрозии или лишь небольшая эрозия, так что либо вовсе не образуется продуктов эрозии, либо их образуется немного и исключается блокирование выходного отверстия горелки.

В экспериментальной работе с использованием изнашивающихся углеродных электродов найдено, что углерод сублимирует и осаждается в более холодных областях выходного отверстия горелки. Осажденный углерод образует твердую массу, что вызывает блокирование выходного отверстия горелки, а также загрязнение и блокирование средств для быстрого охлаждения реакционной смеси, как это будет более подробно показано ниже. Такое отложение твердого углерода, таким образом, будет препятствовать и/или нарушать непрерывность процесса.

При использовании неизнашивающихся электродов, как это предлагается по изобретению, например охлаждаемых электродов из металла или металлических сплавов с графитовыми вставками, становится возможным поддерживать процесс в течение нескольких часов, а именно в течение более чем ~8 часов и до около трех дней. Это создает возможность создания жизнеспособного промышленного способа получения фторуглеводородных соединений, особенно тетрафторэтилена, с рециркуляцией побочных продуктов реакции при минимальном образовании отработанных стоков.

В случае использования множества, например трех, плазменных горелок, они могут быть установлены с входом в зону смешения, например, в виде камеры смешения таким образом, что при работе хвостовое пламя распространяется в камеру смешения и таким образом, что устанавливается расширенная высокотемпературная зона, окруженная зоной смешения с температурой лишь немного ниже, чем в высокотемпературной зоне.

Фторуглеводородным соединением входящего газового потока может быть CF₄ или C₂F₆ или их смесь либо оно может содержать или включать разбавительную смесь газообразного F₂. На практике предпочтительный уровень энтальпии может быть установлен в зависимости от состава входящего газа для обеспечения оптимальной эффективности процесса.

Частицы углеродсодержащего соединения могут быть введены в среду горячего газа в виде мелких частиц, например, размером от 10^-3 мм до ~0,3 мм. Как уже отмечалось, скорость подачи регулируют так, чтобы обеспечить молярное отношение C:F в реакционной термической смеси в пределах от ~0,4 до 2, и таким образом, чтобы углеродные частицы в термической смеси достигли бы температуры от ~2000K до 3000K (1728-2728^oC). Удельная энтальпия реакционной термической смеси предпочтительно поддерживается на уровне не менее чем около 3 кВтч/кг. Очевидно, что энтальпия (а следовательно, и температура) реакционной смеси будет зависеть от температуры и количества добавленных углеродных частиц.

Частицы углеродсодержащего соединения могут подаваться в зону смешения из бункера и могут быть предварительно нагреты в бункере или между бункером и зоной смешения перед подачей в зону смешения. Частицы углеродсодержащего соединения могут быть введены в зону смешения со скоростью настолько низкой, как 0,1 г/мин для низкопроизводительных процессов, или скорость может быть увеличена в случае промышленного процесса для поддержания требуемого молярного отношения C: F. Соединением может являться углерод в виде частиц. Предпочтительно это должен быть чистый углерод, хотя он может содержать и небольшое количество сажи. Особенно должно быть как можно меньшим содержание в углероде водорода, кремния и серы. Предпочтительно углерод должен быть освобожден от водорода, кремния и серы.

Зона смешения обычно находится под давлением от ~0,01 до 1,0 бар. В зоне смешения образуется реакционная термическая смесь в результате взаимодействия углерода с реакционноспособными веществами плазмы. Названная термическая смесь содержит желаемые реакционноспособные фтор- и углеродсодержащие промежуточные соединения. При быстром охлаждении термической смеси, например, гашением и при выдерживании в течение подходящего периода времени при температуре охлаждения образуются желаемые фторуглеводородные конечные продукты. Скорость охлаждения, также как величина температуры после охлаждения и время реакции при температуре охлаждения будут определять образуемый конечный продукт, так же как его выход, как это будет описано более подробно ниже.

Частицы углерода, вместо этого или дополнительно, могут подаваться в высокотемпературную зону, например в область дуги между электродами горелки. При этом успешно решаются проблемы сублимации и последующей конденсации загрязнения, описанные выше. Углерод предпочтительно вводят в хвостовое пламя плазменной горелки, которое может быть направлено в зону смешения. Для обеспечения оптимальных значений энтальпии в зоне смешения с минимальным охлаждением плазменного пламени частицы углерода, как указано выше, могут быть предварительно нагреты.

Частицами углеродсодержащего соединения могут являться (или они могут включать) частицы политетрафторэтилена (ПТФЭ). Таким образом, способ может включать дополнительную стадию введения в высокотемпературную зону или в зону смешения политетрафторэтилена или смеси его с углеродом. При использовании в качестве дополнительного углеродсодержащего соединения ПТФЭ его, преимущественно, вводят в зону смешения. Очевидно, что отходы, содержащие ПТФЭ, могут быть утилизированы путем рециркуляции их и возвращения в производственный цикл. Кроме того, способ может включать еще одну дополнительную стадию введения фторсодержащего газа в высокотемпературную зону или в зону смешения. Таким образом, входящий газовый поток может включать газообразный фтор, например, в количестве от ~5 до 30 мол.%.

Величина энтальпии реакционной термической смеси обычно поддерживается выше ~1 кВт/кг и предпочтительно не менее ~3 кВтч/кг.

Как отмечено выше, частицы углерода взаимодействуют с реакционноспособными веществами, образующимися в высокотемпературной зоне, в то время как тепловая энергия передается углеродным частицам и в реакционной термической смеси образуются при этом между прочими соединениями желаемые реакционноспособные фторсодержащие и углеродсодержащие промежуточные соединения, такие как CF₂, C₂F₂, CF₃, CF и F, которые в процессе охлаждения и дальнейшего взаимодействия образуют фторуглеродные соединения, такие как ТФЭ, C₂F₂, C₃F₆, C₃F₈, CF₄. Регулируя скорость охлаждения или гашения, эффективную температуру гашения и период времени, в течение которого выдерживают реакционную смесь при специфической температуре после гашения, можно повысить выход одних или других из названных выше продуктов. Например, для достижения максимального выхода ТФЭ предпочтительно охлаждают реакционноспособные промежуточные продукты до температуры ниже ~800K в течение менее чем ~0,05 с. Также возможно выделить реакционноспособное соединение C₂F₂ быстрым охлаждением реакционноспособных промежуточных продуктов до температуры ниже ~ 1000K (728^oC).

Обычно охлаждение реакционноспособной термической смеси происходит в течение выбранного промежутка времени охлаждения до выбранного интервала температуры охлаждения, и термическую смесь будут выдерживать в выбранном интервале температур охлаждения в течение выбранного промежутка времени, и все эти параметры выбираются так, чтобы обеспечить наличие желаемого фторуглеводородного соединения(ний) в конечном продукте.

Для повышения выхода C₂F₆ можно увеличить время охлаждения до ~0,05 - 3 с. С другой стороны, при температуре охлаждения выше 800K (728^oC), например от ~1000K до 1200K (728 - 928^oC), можно получить максимальный выход C₃F₆. В случае небыстрого охлаждения реакционноспособных промежуточных продуктов продуктом реакции, в основном, является CF₄. Получение CF₄ в больших количествах можно достигнуть при введении фтора в зону смешения в процессе получения.

Охлаждение осуществляют обычными методами, например посредством теплообменника с холодной плоскостью или одно- или многотрубчатого теплообменника либо смешением с холодной жидкостью или их комбинацией или любыми другими подходящими средствами.

Для охлаждения предпочтительно следует использовать теплообменник такого типа, который позволяет охладить реакционноспособные промежуточные продукты от ~ 2500K (2228^oC) до ниже ~800K (528^oC) за очень короткое время, обычно менее чем за 0,1 с. В случае, если охлаждение или гашение достигают смешением холодного газа, используют газообразный фторуглеводород или подходящий инертный газ в качестве холодного газа.

Таким образом, способ включает стадию быстрого охлаждения реакционноспособных промежуточных соединений в зоне охлаждения до заданной температуры в пределах от ~ 100K и до ~1200K со скоростью в пределах от ~500 до 10 K/с и взаимодействия промежуточных соединений при заданной температуре и в течение подходящего промежутка времени в зависимости от желаемого конечного продукта.

Например, согласно изобретению предлагается способ получения ТФЭ охлаждением реакционноспособных промежуточных соединений до температуры ниже ~ 800K за менее чем 0,05 с c последующей выдержкой в течение подходящего времени для протекания реакции, например в течение ~0,01 с.

Предлагается также способ получения C₂F₆ охлаждением реакционноспособных промежуточных соединений до температуры ниже ~800K в течение ~0,05 - 3 с и выдержкой для протекания реакции в течение подходящего времени или способ получения C₃F₆ охлаждением реакционноспособных промежуточных соединений до температуры в пределах от ~800K до ~1000K в течение ~0,05 - 3 с и выдержкой для протекания реакции в течение подходящего времени.

Изобретение, кроме того, касается способа получения C₂F₂ быстрым охлаждением реакционноспособных промежуточных соединений до температуры ниже ~ 100K с выдержкой для протекания реакции в течение соответствующего времени или способа получения CF₄ взаимодействием промежуточных соединений без охлаждения.

Например, при использовании трубчатого теплообменника с холодной плоскостью можно достигнуть оптимального выхода ТФЭ правильным выбором параметров теплообменника, таких как диаметр и длина трубы, температура охлаждающей жидкости, масса потока и т.д. Обычно время быстрого охлаждения и указанные температуры охлаждения на практике могут быть установлены путем варьирования массы потока через теплообменник и длины теплообменника.

Предпочтительно использовать теплообменник с фиксированной стенкой, то есть теплообменник, который работает без перемешивания охлаждающей жидкости с термической смесью и в котором между охлаждающей жидкостью и термической смесью расположена теплопроводная разделительная стенка. Это позволяет избежать последующих стадий разделения.

Способ может включать стадию выделения по крайней мере одного желаемого углеводородного соединения из реакционной смеси. Другие компоненты в смесевом продукте могут быть выделены и возвращены в цикл.

Способ можно осуществлять при абсолютном давлении около 0,01 -1,0 бар.

Как указано выше, скорость введения частиц углерода, и/или политетрафторэтилена (ПТФЭ), и/или фторсодержащего соединения в плазму предпочтительно должна быть такой, чтобы регулировать отношение C:F в плазме на уровне около 0,4 - 2,0, предпочтительно 1.

Подобно углероду политетрафторэтилен может быть введен в форме порошка с размером частиц от ~10^-3 мм до 0,3 мм, предпочтительно ~10^-3 мм.

Углерод и/или ПТФЭ могут быть введены в зону смешения посредством гравитационного питающего механизма или газом-переносчиком преимущественно с использованием части входящего газового потока в качестве транспортирующего средства. На практике давление в питающем бункере для углерода может быть снижено до величины ниже выбранного оптимального значения, например до ~10 бар (абсолют), а затем давление может быть повышено и поддерживаться на оптимальном уровне за счет подачи фторуглеродного газа. Как уже указывалось, температура углеродных и/или ПТФЭ-частиц может быть достигнута перед введением их в зону смешения, что способствует достижению и регулированию желаемой величины удельной энтальпии и оптимальному протеканию процесса.

Ввиду высокой экзотермичности реакции фтора с углеродом можно уменьшить требуемый расход энергии за счет регулируемой подачи фтора в зону смешения.

Можно также использовать и другие методы для оптимизации расхода энергии.

Таким образом, способ может включать стадию введения фтора в зону смешения. Фтор может быть введен в виде смеси со фторуглеродным газом. Количество фтора в смеси может составлять от 5 до 30 мол.%.

Важно при введении фтора в систему регулировать отношение между фтором, углеродом и газом, вводимым в систему, так, чтобы поддерживать отношение C:F в пределах от ~0,4 до 2,0, предпочтительно около 1, и величину удельной энтальпии смеси от ~ 1 до 10 кВтч/кг, предпочтительно ~3 кВтч/кг, в случае использования фторуглеродного питающего газа. Фтор может быть, например, введен в хвостовую зону пламени плазменной горелки (горелок).

Смесевой продукт может включать углеродсодержащие частицы. Таким образом, способ может включать стадию удаления твердых частиц из смесевого продукта, например, его фильтрацией. Например, смесевой продукт может быть профильтрован через термостойкий фильтр, такой как фильтр из политетрафторэтилена, карбида кремния SiC, или металлический фильтр. Конечно, может быть использован и любой другой метод выделения твердого вещества из газового потока, такой как выделение с помощью циклона.

Способ может включать стадию рециркуляции углеродсодержащих частиц со стадии выделения обратно к бункеру.

На практике способ предпочтительно проводят таким образом, чтобы свести к минимуму образование N₂, или O₂, или водяных паров, так как это привело бы к образованию нежелательных и/или нестабильных продуктов.

Такие компоненты, как HF и F₂, могут быть удалены из смесевого продукта перед или после, но предпочтительно после, стадии разделения газа и твердых веществ. Таким образом, способ может включать дополнительную стадию пропускания продукта через один или более химических или охлаждающих поглотителей для удаления примесей, таких как HF или F₂. Например, продукт может быть пропущен через углеродный поглотитель при температуре обычно 700K (428^oC) для удаления F₂ и через поглотитель, содержащий NaF, для удаления HF. Вместо этого HF можно удалить охлаждением продукта для конденсации жидкого HF. Вместо этого фторсодержащие загрязнения могут быть удалены мокрой очисткой газа разбавленным щелочным раствором, предпочтительно раствором KOH, для удаления реакционноспособных фторидов из газообразного продукта.

Способ может включать дополнительную стадию сжатия производственных газов до давления ниже ~20 бар, предпочтительно ~10 бар, что является достаточно высоким для дистилляции или мембранного разделения компонентов производственных газов в безопасных условиях. Давление, конечно, должно поддерживаться достаточно низким для ингибирования или предотвращения спонтанной полимеризации ненасыщенных компонентов производственных газов или экзотермического превращения тетрафторэтилена в углерод и CF₄. Для обеспечения безопасности процесса согласно изобретению предусматривается введение ингибитора в процессе компрессионной обработки и на стадии разделения.

Могут быть использованы вместо этого или дополнительно и другие методы очистки, такие как газовое центрифугирование.

Полученный газ обычно хранят в ограниченном объеме в емкостях под давлением с добавкой соответствующего ингибитора или он может быть передан на другие установки для дальнейших химических превращений, таких как полимеризация, для получения политетрафторэтилена. Нежелательный фторуглеродный газ может быть рециркулирован в исходный газовый поток для повторного использования.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается также установка для получения фторуглеродных соединений, включающая; высокотемпературную зону для массы горячего газа; средства, генерирующие тепло, для создания высокой температуры в высокотемпературной зоне с тем, чтобы превратить подаваемый в зону газовый поток в названную массу горячего газа, включающего фторсодержащие частицы и углеродсодержащие частицы; средства для введения подаваемого материала в высокотемпературную зону для превращения этого материала в массу нагретого газа; реакционную зону, в которой масса нагретого газа образует реакционную термическую смесь при контролируемых значениях энтальпии и контролируемом отношении C:F, причем указанная смес