Brevet FR2203818A1 — publié le 19740517

L'invention concerne un procédé pour la séparation de thiophène à partir de mélanges avec du benzène, en particulier à partir de fractions techniques qui contiennent dn thiphène et du benzène, ainsi qu'éventuelle- ment encore d'autres hydrocarbures, au moyen de solvants s#electifs. Le benzène est un produit de départ important de l'industrie chimique. On obtient depuis peu principalement à partir du pétrole, toutefois l'obtention du benzène à partir du charbon présente encore une grande importance. Le benzène brut que l'on recueille dans la technique de la fabrication est toujours souillé de combinaisons sulfurées, et l'on trouve surtout, dans les fractions de benzène brut obtenues à partir du charbon, des proportions relativement importantes de thiophène. venant compte des exigences de pureté très élevées que l'on pose pour les traitements ultérieu- re du benzène, il est nécessaire d'éliminer le thiophène, dans la plus large mesrre possible, du benzène brut. On axait déjà séparer les impuretés à base de thiophène du benzène par voie chimique. Les p cédés de ce genre les plus importants et que l'on utilise techni- quement sont le lavage avec de l'acide sulfurique concentré, et l'hydroraffinage catalytique. T'inconvénient de ces procédés réside en ce qu'il est inévitable qu'il se produise des pertes de benzène, et qu'il est exclu que l'on tire parti du thiophène en raison de sa transformation en déchets résineux quand on procède au lavage à l'acide sulfurique, et en raison de sa des truction totale quand on procède à l'hydroraffinage catalytique. Corme le thiophène est un duit de départ précieux et très demandé pour des mises eL ceu- vre chimiques,-il peut entre autres être utilisé pour la fabrication de colorants, de matières plastiques, de résines spéciales, d'accélérateurs de vulcanisation, d'antioxydants, de cosméti- ques, de solvants spéciaux, de stimulateurs de croissance, d'herbioides, de défoliants, et de substances biologiquement activesil est très important de mettre au point un procédé pour séparer le thiophène du benzène brut obtenu techniquement sans qu'il soit modifié chimiquement. Il est déjà été proposé de sé- parer le thiophène et le benzène par distillation azéotropique. Comme formateur d'azéotrope, on a indiqué le dioxolan et le méthanol. Les inconvénients de eette façon de procéder résident dans le mauvais rendement en produit final (dioxolan), la plus grande difficulté de la séparation, la proximité des points d'ébullition de l'azéotrope du thiophène et du benzène avec l'agent de séparation (méthanol) ainsi que dans la difficulté que l'on rencontre pour récupérer le liquide de séparation à partir de l'azéotrope dans les opérations technologiques. On sait également que l'on peut débarrasser le benzène de sa teneur en thiophène par extraction liquide-liquide. À cet effet, on peut utiliser eomme solvant par exemple le diméthylsulfoxyde en mélange avec de l'eau. IEn raison de la faible stabilité thermique du diméthylsulfoxyde, il est très difficile de traiter les extraits et de régénérer le solvant. Le même inconvénient se présente quand on utilise le diéthylène-glycol comme agent d'extraction liquide-liquide. Il a encore été proposé de séparer le benzène et le thiophène par rectification. En raison de la faible différence des points d'ébullition, il est toutefois extrêmement difficile d'effectuer la séparation des deux compo- sants avec une pureté et des rendements satisfaisants ; I'opéra- tical exige des appareils de rectification d'une très grande efficacité, elle est onéreuse r et par suite difficile à pratiquer industriellement.Sans doute c'est surtout dans les cokeries que les procédés de distillation pour la récupération de fractions de benzène brut pauvre en soufre et de fractions enrichies en thiophène sont très importants, toutefois la récupération de fractions de thiophène très concentrées entraîne des dépenses énergétiques très élevées et de grandes pertes de rendement; d'autre part, il est impossible de préparer le thiophène pur à partir des produits de cokeries par distillation en raison de la teneur en hydrocarbures non-aromatiques que l'on ne peut sé- parer. Enfin on sait arriver à séparer le thiophène et le benzène par distillation extractive en mettant en oeuvre des solvants sélectif s. le principe de ce proc4- dé offre des avantages en raison de Sa très grande efficacité. On a proposé jusqu'ici les solvants suivants : glycols aLipha- tiques comme les éthylèneglycol, di et triéthylèneglycol, le glycoléther, les alcanolamines comme les mono-, di-, et triétha- nolaiine, les diamines aliphatiques comme l'éthylènediamine, les amines aromatiques, comme les N,N'-diméthylaniline, o- et mphénylènediamine, ou encore le diméthylformamide, la pyrrolidone-2, la N-méthylpyrrolidone-(2), le tricrésylphosphate, le propylène carbonate, et le 1,1-dioxytatrahydrothiophène (Sulfolan). On doit poser, à un solvant destiné à la séparation du thiophène et du benzène par distillation extractive, différente s conditions : Les principales sont -sélectivité importante, dans toute la mesure du possible dans un large éventail de concentraction et de température, - qu'il soit un très bon solvant à la température de travail, - que la différence des points d'ébullition avec les composants à séparer soit suffisante, - grande stabilité à la cha- lear, - grande stabilité chimique, - point de fusion bas, - faible viscosité, - manipulation sans danger, - fabrication relativement facile au point de vue technique, - prix le plus bas possible. Tous les solvants utilisés jusqu'ici présentent des inconvénients en rapport avec différen- tes de ces exigences. Ainsi, le tricrésylphosphate et la N,N-di- méthylaniline ont une faible sélectivité. I a pyrrolidone-(2), le sulfolan, et surtout les o- et m-phénylènediamines ne se prêtent pas bien à une utilisation technique en raison de leur point de fusion élevé. L'éthylèneglycol et ses dérivés, les alcanolami- nes et l'éthylènediamine ont un pouvoir solvant relativement faible. Le propylènecarbonate, les dérivés de l'éthylèneglycol présentent des inconvénients au point de vue de la stabilité thermique ou chimique. ;invention a pour objet de créer un procédé pour la séparation du thiophène à partir d'un mélange avec du benzène, en particulier à partir de fractions techniques qui contiennent du thiophène et du benzène ainsi qu'éventuellement encore d'autres hydrocarbures, en utilisant des solvants sélectifs par un procédé plus économique que les procédés connus, et de trouver, pour séparer le thiophène de mélange avec du benzène et éventuellement dàutres hydrocarbu res, des solvants qui, à côté d'un bon pouvoir solvant fassent preuve d'une grande sélectivité9 d'une très bonne stabilité à la chaleur et aux agents chimiques, dont le point de fusion soit bas et la viscosité faible, dont la manipulation soit facile et sûre, qui soient peu toxiques, dont la fabrication soit techniquement favorable, et dont le prix soit le plus bas pos- sible. À cet effet l'invention concerne un procédé pour séparer du thiophène de mélanges avec du benzène, en particulier à partir de fractions techniques qui contiennent le thiophène et le benzène, ainsi qu'éventuellement encore d'autres hydrocarbures, par utilisation de solvants sélectifs, procédé caractérisé en ce que comme solvant sélectif, on met en oeuvre un N-alcoyl-#-caprolactame, ou un mélange contenant un N-alcoyl-#-caprolactame. On utilisera de préférence un N-alcoyl caprolactame dont le groupe alcoyl contient 1 à 4 atcmes de carbone. Il est particulièrement avantageux d'utiler le N-méthyl-#-caprolactame. Il y a avantage à ce que le N-alcoyl-#-caprolactame soit mis en ceuvre en mélange avec des composés additionnels, en particulier avec de l'éthylène- glycol et/ou du diéthylèneglycol et/ou de la phénylènediamine. Il est particulièrement avantageux d'opérer la séparation du thiophbne par le procédé de distillation extractive. Les solvants ou mélanges de solvants utilisés suivant l'invention peuvent être utilisés dans des conditions analogues à celles où on utilise les solvants connus dans l'état actual de la technique pour séparer sélectivement le thiophène de mélanges avec du benzène. Comme ces solvants se prêtent également à la séparation sélective d'hydrocarbures aromatiques et non-aromatiques, ils peuvent servir en mtme temps peur séparer, au cours de la séparation du thiophène et du benzène, les hydrocarbures non-aromatiques éventuellement contenus dans les mélanges techniques thiophène-ben- zène. En établissant les mélanges de solvants utilisés suivant l'invention, on peut faire varier au moyen des composants additionnels, le pouvoir solvant et la sélectivité, et les adapter à différentes conditions d'usage. Les N-alcoyl-#-caprolactames, en particulier le N-méthyl- -caprolactame font preuve d'un comportement favorable au point de vue sélectivité dans le sys- tème thiophène-benzène (voir tabealu 1). Ce point est d'autant plus surprenant qu'en même temps ils offrent un très haut in- dice de pouvoir solvant. ne 1d ressort entre autres la upério- rité des solvants proposés suivant l'invention par rapport à la diméthylformamide et au N-méthylpyrollidone-(2). Les solvants utilisés suivant l'invention ont en outre une très bonne stabilité è la chaleur. Ainsi par exemple le N-méthyl-#-caprolactame n'a laissé apparaître aucun signe de décomposition, k la pression normale, avec un chauffage prolonge à la température de l'ébullition. Il y a lieu de noter aussi la grande stabilité chimique du solvant utilisé suivant l'invention, en particulier contre l'hydrolyse en milieu neutre contenant de l'eau. En corrélation avec cette résistance, on constate un effet de corrosion extrêmement faible qui est trèa avantageux pour l'application technique. Les solvants sélectifs mis en oeuvre techniquement sont dans de nombreux cas utilisés en mélange avec de l'eau afin d'augmenter leur sélectivité. En plus de ce que le pouvoir solvant est alors diminué, on constate alors que ces mélanges de solvants ont une action corrosive importante, qui peut provoquer des perturbations désagréables et des frais de fonctionnement importante.On a donc comparé ensemble les effets corrosifs de mélanges de N-méthyl- # -caprolactame, de diméthylformamide, de N-pyrrolidone-(2) entre autres, et l'on a déduit d'une action de 28 jours du mélange de solvants sur un acier au carbone à 100 C la vitesse de corrosion linéaire que l'on pouvait envisager par an. On a obtenu les chif- fres suivants : attaque en mm en un an Remarques N-méthyl-#-caprolactame/ Légère corrosion 25 % au 0,01 ponctuelle Sulfolan/20 % eau 0,21 Couche noire de re couvrement Diméthylformamide/15 % eau 0,38 Forte attaque super ficielle N-méthylpyrrolidone-(2)/ 25 % eau 0,32 Forte attaque super ficielle Diméthylsulfoxyde/10 % eau 0,77 Forte attaque grenue et attaque superfi cielle. La stabilité élevée à la chaleur, la grande résistance aux agents chimiques, ainsi que la cor- rosive extrêmement faible qui s'y associe représentent des avantages essentiels des solvants utilisés suivant l'invention, en particulier du N-méthyl-#-caprolactame. les substances utilisées suivant l'invention possèdent des indices de viscosité favorables, et sont faciles à manipuler, leur point de cristallisation étant inférieur à + 10 C, et ils ont en outre une force tendance à res- ter en surfusion. La toxicité des solvants utilises suivant l'invention est faible. Un autre avantage réside en ce que les solvants utilisés suivent l'invention peuvent être facilement fabriqués par synthèse à partir de produits de départ techniquement accessibles en grande quantité. L'invention sera mieux comprise en regard des exemples suivants : Exemple 1. On a obtenu dune façon connue, par détermination des coefficients d'activité limite, à base de mesures chrmatcgraphiques, des données comparables sur les taux de sélectivité et de pouvoir solvant des solvants suivant l'invention dans le système benzène/thiophène. les résultats sont rassemblés dans le tableau 1 Comme mesure de la sélectivité du solvant, on prend, suivant les indications de la littérature, le quotient des coefficients d'activité limite avec une dilution infinie, le pouvoir solvant pcur le thiophène est exprimé sous forme de la valeur réciproque du coefficient d'activité limite avec une dilution infinie. À titre de comparaisonS on indique les valeurs correspondantes pour quelques solvants connus, examinés dans les mêmes conditions de travail. Tableau 1. Solvant Température Solubilité Sélectivité ( C) (1/# Thio- (# Benzène) phène) # Thiophène) N-Méthyl-#-caprolactame 30 1,48 1,66 60 1,59 1,63 N-Ethyl- 8 -caprolactame 30 1,88 1,55 60 1,91 1,53 Ethylèneglycol 30 0,04 1,55 60 0,04 1,50 Diéthylèneglycol 30 0,19 1,50 60 0,21 1,45 Triéthylèneglycol 30 0,32 1,49 60 0,34 1,44 Sulfolan 30 0,71 1,63 60 0,78 1,60 Monoéthanolamine 30 0,05 1,58 60 0,07 1,55 m-Phénylènediamine 70 0,27 1,71 Diméthylformamide 30 0,88 1,50 60 0,98 1,46 N-Méthylpyrrolidone-(2) 30 1,22 1,61 60 1,26 1,58 On se rend compte nettement, d'après les chiffres indiqués, du pouvoir solvant particulièrement grand du solvant suivant l'invention et en même temps de sa sélectivité élevée9 en particulier dans le cas du N-méthyl- #-caprolactame. Exemple 2. En procédant comme dans les es sais cités dans l'exemple 1, on a recherché des informations sur le comportement du N-méthyl- -caprolactame en mélange avec des composants additionnels (comme substances type on a choisi l'éthylèneglycol, le diéthylèneglycol et la métaphénylènediami ne). Les résultats sont rassemblés dans le tableau 2. Tableau 2. Mélange de solvants Température Solubilité Sélectivité (1) ( C) (1/# Thio- (# Benzène/ phène) # thiophène) N-Méthyl-#-caprolactame 50 % 30 0,33 1,58 Ethylèneglycol 50 % 60 0,39 1,52 N-Méthyl-#-caprolactame 50 % 30 0,61 1,57 Diéthylèneglycol 50 % 60 0,75 1,53 N-Méthyl-#-caprolactame 50 % 30 0,45 1,67 m-Phènylènediamine 50 % 60 0,62 1,65 1) indications sur la composition chimique en % en poids. Les chiffres font apparaîte que les pouvoirs solvants de l'éthylèneglycol et du diéthylène- glycol sont très améliorés par l'addition de N-méthyl- E -ca- prolactame. Dans le mélange N-méthyl-#-caprolactame/m-phénylè nediamine, le pouvoir solvant du mélange dépasse celui de la m-phénylènediamine pure. On obtient en même temps cet avantage qu'en préparant un mélange avec du N-méthyl- # -caprolactame, le point de cristallisation de la m-phénylènediamine (62,8OC), qui est élevé et très défavorable pour l'application technique, est nettement abaissé et qu'en même temps la manipulation de cette substance est sensiblement améliorée. Exemple 3. Dans une colonne à garnissage (2,5 m de hauteur, 35 mm de diamètre libre), contenant des anneaux de Raschig, on soumet un mélange type constitué de 35 % en poids de thiophène, 60 % en poids de benzène et 5 % en poids de cyclohexane, à une distillation extractive avec du N-méthyl # -caprolactame.Le mélange type est préchauffé et introduit régulièrement dans la partie moyenne de la colonne de distilla- tion extractive. ans la partie supérieure de la colonne, on introduit du N-méthyl-#-caprolactame préchauffé à raison d'environ 12,5 fois le volume de mélange, avec un rapport de reflux de 3 : 1 à 3,5 : l, on reprend9 en tête de la colonne, un distillat qui contient à peu près quantitativement les quan- tités de benzène et de cyclohexane contenues dans le mélange mis en oeuvre, ainsi que 0,25 % en poids de thiophène. Le solvant chargé du thiophène extrait qui tombe dans le fond de la colonne, est introduit dans la partie moyenne d'une seconde colonne à garnissage, et traité par distillation. On obtient ici un produit de tête qui contient 98,7 % de thiophène. Mi fond de la seconde solonne, on récupère le solvant, n-méthyl-#-caprolactame, sous une forme pratiquement pure, et on peut le retourner, pour qu'il soit remis en oeuvre, dans la colonne de distillation extractive. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentes, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I a À 2 I O N S 1 ) Procédé pour séparer du thio- phène de mélanges avec du benzène, en particulier à partir de fractions techniques qui contiennent le thiophène et le benzène, ainsi qu'éventuellement encore d'autres hydrocarbures, par uti lisation de solvants sélectifs, procédé caractérisé en ce que comme solvant sélectif, on met en oeuvre un N-alcoyl S -caprolactame, ou un mélange contenant un N-alcoyl-# -caprolactame. 20) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre un N-alcoyl-# # caprolactame dont le groupe alcoyle contient de 1 à 4 atomes de carbone. 3 ) Procédé suivant une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre com- me N-alcoyl-# -caprolactame le N-méthyl- # -caprolactame. 40) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre le N-alcoyl- # -caprolactame en mélange avec des composants additionnels en particulier avec de l'éthylèneglycol et/ou du diéthylèneglycol et/ou de la phénylène-diamine. 5 ) Procédé suivant tune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la séparation du thiophène s'opère par distillation extractive.