Brevet FR2524875A1 — publié le 19831014

L'invention concerne la fabrication d'halogéno- alcanes et halogéno-cycloalcanes, en phase liquide, par l'action du chlore sur l'hydrocarbure correspondant Elle apporte un procédé perfectionné, ainsi qu'un appareil pour la réalisation de ce procédé L'invention s'applique très avantageusement à la production de chloro-cyclo-alca- nes, en particulier de monochlorure de cyclo-hexyle. Vue l'importance des halogéno-alcanes et cyclo- alcanes, notamment du chlorure de cyclo-hexyle, comme pro- duits intermédiaires dans la production de différents com- posés utiles, la préparation de ces corps a donné lieu à un certain nombre de réalisations industrielles Parmi les pro- cédés existants, le plus pratique est celui qui consiste à faire passer une solution de chlore dans du cyclo-hexane, dans un réacteur, dans lequel est placé un émetteur de lu- mière ultra-violette; le monochlorocyclo-hexane, ainsi formé, est ensuite séparé par distillation du cyclo-hexane restant Cependant, dans la pratique industrielle de cette méthode, on se heurte à l'inconvénient d'une chloration trop poussée, conduisant à des dérivés polychlorés du cyclo- hexane, abaissant la sélectivité de la réaction en monochlo- rocyclohexane désiré On perd ainsi des quantités de l'or- dre de plus de 10 % de cyclo-hexane sous forme de composés polychlorés, comme on peut le voir par exemple au tableau de la page 2 du BF no 1 254 403 ou du tableau 1 du USP no 3 494 844 Cet inconvénient était attribué, par certains chercheurs, à la réaction du chlore avec le cyclohexane dans l'obscurité avant que le mélange réactionnel n'arrive dans la zone o a lieu l'émission de l'ultraviolet Dans cette optique, on a conçu un procédé qui consiste à intro- duire une faible proportion d'oxygène dans le milieu réac- tionnel, afin d'inhiber la chloration dans l'obscurité; par ce moyen, on devait arriver à ce que la réaction commence seulement lorsque le mélange est irradié par l'ultraviolet. Mais l'introduction de l'oxygène dans le milieu réactionnel comporte des risques contre lesquels on est obligé de pren- dre des précautions assez strictes, tant à cause des dan- gers que présente l'introduction de l'oxygène dans un hy- drocarbure qu'à cause de-l'action inhibitrice de l'oxygène sur la réaction photochimique elle-même Il est donc né- cessaire de contrôler rigoureusement l'entrée de l'oxygène dans le circuit d'alimentation, de façon à ce que sa te- neur ne soit que de l'ordre de 5 à 10 ppm, compte-tenu de l'oxygène déjà normalement présent dans les réactifs D'au- tre part, la puissance lumineuse, à fournir au réacteur, doit être accrue à cause de l'action inhibitrice sus-men- tionnée Il est à noter enfin que les peroxydes, formés à partir de l'oxygène présent, conduisent à la formation d' impuretés, notamment de cyclohexanol. La présente invention permet d'éviter les incon- vénients précités et de conduire à des sélectivités très élevées de plus de 96 % en monochloro-cyclohexane par rap- port au cyclo-hexane transformé Elle rend possible la con- duite très régulière de la fabrication, sans danger et sans formation de quantités notables de sous-produits. L'invention est basée sur la découverte assez surprenante, faite par les demandeurs, en ce qui concerne la propagation de la réaction d'halogénation dans l'obscu- rité, qui précède l'irradiation par l'ultraviolet; on est en effet arrivé à la conclusion étonnante que cette réac- tion dans les parties obscures, en amont du réacteur, est due à la propagation de la réaction initiée dans le réac- teur photochimique Effectivement, on a trouvé qu'en dispo- sant un inhibiteur de chloration à l'entrée du réacteur, la chloration ne se produit plus dans les appareils et ca- nalisations en amont du réacteur, o a lieu la dissolution du chlore dans le cyclo-hexane. Le procédé suivant l'invention est donc caractéri- sé en ce qu'une substance solide, insoluble dans le milieu réactionnel, inhibitrice de l'halogénation, est placée dans la région d'entrée du réacteur photochimique. Plus particulièrement, le procédé suivant l'in- vention consiste à placer, à l'intérieur d'une région d' entrée du réacteur, un métal susceptible d'inhiber la chlo- ration de l'hydrocarbure Suivant un trait préféré de l'in- vention, le métal inhibiteur est choisi dans le groupe VB de la Classification Périodique des Eléments, c'est-à-dire qu'elle est constituée par un ou plusieurs des métaux Vana- dium, Niobium et Tantale Le tantale est particulirement indiqué du fait de sa haute réactivité vis-à-vis des radi- caux et atomes, et de son inertie chimique vis-à-vis du milieu réactionnel, riche en acide chlorhydrique. De préférence, un tel inhibiteur est également placé dans la région de sortie du réacteur, ce qui évite la poursuite de la réaction en dehors du réacteur dans le cas o l'effluent contiendrait du chlore. Bien que l'inhibition suivant l'invention soit un phénomène de type catalytique, n'exigeant qu'une faible quantité de métal inhibiteur, il est préférable que la surface de contact de l'inhibiteur avec le liquide entrant dans le réacteur soit suffisante pour que l'inhibition puis- se se produire en tous les points de la veine de 'liquide coulant vers le réacteur Il est donc recommandable que la surface offerte par le métal dans les régions d'entrée et de sortie du réacteur photochimique, soit d'environ 100 à 000 cm 2 par cm 2 de section de la veine liquide traver- sant ces régions De toute manière, les poids et volume de métal inhibiteur employé sont incomparablement plus faibles que ceux des matériaux de construction du réacteur et des canalisations concernées. L'effet inhibiteur de propagation des radicaux libres, par l'application de la présente invention, peut être obtenu de différentes manières On peut notamment re- couvrir les parois intérieures des conduites d'entrée et de sortie du réacteur photochimique, sur une certaine longueur, avec un chemisage de métal inhibiteur Cependant, pour as- surer un meilleur contact entre le liquide réactionnel et ce métal, il est préférable de disposer celui-ci sous une forme présentant une grande surface, transversalement au courant liquide Ainsi, le métal peut-il être placé sous la forme d'une ou de plusieurs plaques perforées ou gril- les, perpendiculairement au trajet du liquide, dans les con- duites en question La conformation du type mélangeur stati- que est particulièrement recommandée Comme les métaux in- hibiteurs sont assez coûteux, ces plaques, très minces, ou grilles sont supportées par des plaques perforées ou gril- les plus épaisses en matériau résistant, notamment céramique, verre ou métal inattaquable par le milieu réactionnel. Comme il y a intérêt à utiliser l'inhibiteur, en particulier le vanadium, niobium ou tantale, sous une forme présentant une surface aussi grande que possible pour un minimum de poids, le moyen préféré consiste à prendre ces métaux en fins filaments ou tournures de faible épaisseur. Ainsi, est-il recommandable de se servir de filaments ayant une section d'environ 0,05 à 1 mm, et de préférence de 0,1 à 0,5 mm de diamètre, ou de tournures présentant une épais- seur de ce même ordre de grandeur Dans ce cas, il convient de placer les filaments ou/et tournures dans une botte ou raccord délimité de part et d'autre par des grilles ou pla- -ques perforées en matériau résistant, pour l'inhibi- teur en place, empêchant son entraînement par le courant liquide des réactifs traités. Cette forme d'exécution préférée est illustrée schématiquement sur la figure 2 dcnt la description est don- née plus loin, à la suite de celle d'une installation, Figu- re 1, comprenant un garnissage de métal inhibiteur suivant l'invention. Comme déjà indiqué plus haut, la surface, offerte par le métal inhibiteur, est de l'ordre de 100 à 10 000 cm 2 par cm de section de l'entrée et de la sortie du réacteur photochimique Il est i remarquer cependant que la surface nécessaire dépend également de la vitesse du liquide trai- té En effet, plus cette vitesse est grande à l'entrée du réacteur, moins grands sont les risques de propagation de radicaux libres vers l'amont du réacteur; inversement, plus la vitesse est grande, plus il y a des dangers d'en- traîner de tels radicaux, propagateurs de la réaction, à la sortie du réacteur photochimique Par conséquent, aux vites- ses faibles du liquide doivent correspondre les surfaces d' inhibition supérieures des limites susindiquées, à l'entrée du réacteur; par contre, ce sont les limites inférieures -de surface qui suffisent à la sortie, lorsque la vitesse est faible C'est l'inverse qui est valable pour les fortes vitesses d'écoulement du liquide. Pratiquement, les valeurs de surface susindiquées conviennent pour des vitesses d'environ 0,05 à 5 m/sec à l'entrée du réacteur. L'application d'un inhibiteur à l'entrée du ré- acteur photochimique, suivant l'invention, présente une grande importance; par contre, il est possible d'utiliser des surfaces d'inhibeur faibles, ou même de les supprimer complètement à la sortie dans la forme d'exécution de l'in- vention qui consiste à régler la proportion d'halogène de telle manière qu'il soit entièrement combiné pendant le pas- sage du liquide réactionnel par la région soumise à l'ul- traviolet Dans ces conditions, comme il n'y a plus d'ha- logène à la sortie du réacteur, la réaction ne se poursuit pas au delà de celui-ci Comme il peut cependant y avoir des radicaux libres créés accidentellement dans le circuit de recyclage, ce qui in"itierait la réaction dans le liquide recyclé dès l'injection du chlore, la précaution suivant 1 ' invention reste néanmoins valable et utile;autrement dit, il y a toujours intérêt à utiliser un garnissage d'inhibi- teur à la sortie du réacteur. En ce qui concerne les conditions générales de la synthèse suivant l'invention, elles sont semblables à celles de la technique antérieure: ainsi la température peut aller avantageusement de O à 50 et de préférence de à 30 WC; on peut employer des UV de longueurs d'onde de 250 à 400 nm et plus particulirèement de 350 nm, le temps de séjour du mélange réactionnel dans le réacteur photo- chimique étant de l'ordre de 1 à 300 sec et plus particu- lièrement 3 à 150 sec. Comme dans la technique connue, le procédé sui- vant l'invention est réalisé de préférence avec un large excès d'alcane ou cyclo-alcane par rapport à l'halogène. Ainsi, dans la préparation du chlorure de cyclo-hexyle, il est avantageux d'avoir au moins 5 moles de cyclo-hexane par mole de chlore, cette proportion pouvant d'ailleurs aller jusqu'à 200 pour 1. L'invention, illustrée par les exemples donnés plus loin, peut être réalisée dans une installation repré- sentée sur les figures annexées. Fig 1 est un schéma général, d'une installation. pour la chloration d'un alcane ou cyclo-alcane liquide. Fig 2 représente en coupe schématique axiale la région du fond d'un réacteur photochimique avec une frac- tion de la conduite d'entrée des réactifs dans ce fond. Sur le dessin, 1 désigne un réservoir de sto- ckage de cyclohexane, 2 une pompe branchée au bas de ce ré- servoir, 3 une conduite pour le transfert du cyclohexane dans le mélangeur 4 Le chlore, qui arrive d'un réservoir non représenté à la pompe 5, est introduit dans la partie inférieure du mélangeur 4; la solution de chlore dans le cyclohexane est soutirée du mélangeur 4 par la pompe 6 pour être injectée par la canalisation 7 dans le bas du réacteur 8 Ce dernier contient un tube axial 9 en quartz, dans le- quel se trouve une lampe à ultraviolet 10; une tubulure 11 constitue la sortie du haut du réacteur 8. Conformément à la caractéristique originale de * T- l'invention, à l'entrée du réacteur 8, la canalisation 7 se termine par un raccord 12 contenant de la tournure de tantale Un raccord semblable 13 se trouve à la jonction de la tubulure de sortie 11 avec le réacteur 8; ce rac- cord 13 contient également de la tournure de tantale. La tubulure 11 relie le réacteur avec le bas d' un séparateur 14 d'o les gaz sont évacués par un tuyau supérieure 15 De la partie inférieure du séparateur 14 part une conduite de recyclage 16 qui ramène la majeure partie du milieu réactionnel en haut du mélangeur 4; sur la conduite 16 est branché un échangeur de chaleur 25 per- mettant de refroidir, à la température voulue, le liquide recyclé A un niveau supérieur à celui de la conduite 16, se trouve une sortie 17, par laquelle le cyclohexane res- tant, le chlorure de cyclohexyle formé, ainsi que le HC 1, vont dans un laveur 18, dans lequel l'eau introduite par 19 fait éliminer l'acide chlorhydrique sous la forme d'une solution aqueuse, évacuée en bas par 20 Le mélange cyclo- hexane-chlorure de cyclohexyle, ainsi lavé, passe par la canalisation 21 dans la colonne à distiller 22: le cyclo- hexane, distillé en haut de la colonne, retourne par 23 dans le réservoir de stockage 1, tandis que le chlorure de cyclohexyle brut passe, du bas de la colonne 22, par le conduit 24 dans une colonne de rectification classique, non représentée. Sur la figure 2, on voit le fond du réacteur pho- tochimique 8 auquel est reliée là canalisation 7 au moyen d'un raccord 26 A l'entrée de ce dernier est insérée une grille ou plaque 28 en matériau inattaquable, à l'acide chlorhydrique; X la sortie du raccord 26 se trouve une seconde grille ou plaque perforée similaire 28 ' L'intérieur du raccord est garni de tournures ou de filaments 27 de mé- tal inhibiteur de la réaction Les grilles 28 et 28 ' sont calculées de façon à laisser passer librement le liquide venant de la canalisation 7, sans cependant permettre l'en- trainement des tournures ou filaments 27. EXEMPLES 1 à 6 Dans un appareil en verre,à l'échelle de labo- ratoire, conforme au schéma de la figure 1, on a effectué une série d'essais de chloration de cyclohexane, avec ou sans garnissage de tournures de tantale à l'entrée du ré- acteur Le volume du réacteur était de 160 ml, le débit de chlore de 11 à 12 litres à l'heure, mesuré à 00/760 mm Hg. La température dans le réacteur était maintenue à 22-230 C. Les temps de séjour dans le réacteur étaient réglés de fa- çon à ce que tout le chlore soit consommé avant la sortie du réacteur, alors que le débit de la circulation dans le circuit de recyclage 16-4-6 était modifié d'un essai à l'autre La durée maximale de passage par le circuit de recyclage était de Oh 32, l'appoint de cyclohexane frais é- tant de 500 ml/h L'entrée du réacteur comportait un tube de 5 mm de diamètre intérieur dans lequel était placé sur 2 cm de haut un tampon de 2 g de tantale en tournures de 0,2 mm d'épaisseur; ce tampon était enlevé pour les es- sais des exemples 5 et 6 Le tableau I, à la page 10, donne les résultats de ces essais. La comparaison des productions et des sélectivi- tés des exemples 5 et 6 avec celles des exemples 1 à 4 mon- tre un avantage marqué de l'emploi d'un inhibiteur à l'en- trée du réacteur; on voit en effet qu'avec ce dernier, on atteint des sélectivités de 94,5 contre un maximum' de 86,2 en l'absence d'inhibiteur. Ces exemples prouvent d'autre part qu'il est possible de travailler avec des vitesses assez élevées à l'entrée du réacteur, conduisant à des temps de séjour dans ce dernier assez faibles. EXEMPLES 7 à 11 Dans l'appareil des exemples précédents, dont le réacteur photochimique à lampe coaxiale à UV centré sur 350 nm a une capacité de 160 ml, on produit du chlorure de cyclohexyle en continu: le cyclohexane est débité en un excès tel par rapport à Cl 2 que son taux de conversion en dérivé monochloré reste faible, dans les limites de 11 à 18 %, le chlore étant complètement consommé dans le réac- teur On fait varier les débits des réactifs en valeur ab- solue, ainsi que la puissance de la lampe à ultraviolet. Dans les exemples 7 à 9, le garnissage de tantale est le même que dans les exemples 1 à 4, tandis que les exemples et 11 sont effectués sans aucun inhibiteur. Les résultats sont-réunis au tableau II, à la page 11. Il en résulte qu'avec un garnissage de tantale, les sélec- tivités en produit désiré sont de 92 à 94 % contre 81-84 % en l'absence d'un tel inhibiteur; en outre, dans les exem- ples 10 et 11, du chlore est consommé dans la canalisation d'arrivée de mélange réactionnel, alors qu'il ne s'en con- somme pas aux exemples 7 à 9. AI TABLEAU I Exemple n avec inhibiteur 1 2 3 4 sans inhibiteur Débit de recyclage 1/h Vitesse linéaire à l'entrée du réacteur m/sec Moles par litre Cl 2 à l'entrée du réacteur Temps de séjour dans le réacteur,sec. Conversion % du cyclo- hexane Production de monochlo- rocyclohexane g/h Sélectivité en mono- chlorocyclohexane mole % 0,07 0,5 2,13 0,1 0,0143 0,00414 0,00373 ,2 11,24 71,5 94,5 16,46 11,35 56,54 93,5 8,23 3,84 13,80 11,43 71,8 93,6 ,3 94,2 0,07 0,1 ,2 11,24 56,0 86,2 2,13 0,00373 3,84 o 11,43 57,2 82,5 ru Ln co -'J. Ln Conditions opératoires Exemple N ________________________________ Débit de cyclohexane ml/h " C 12 gaz 1/h Rapport molaire cyclohexane/ C 12 Puissance électrique de la lampe en watts % Conversion du cyclohexane Production de mono-chloro- cyclohexane, en g/l/h Sélectivité % en mono-chloro- cyclohexane TABLEAU II Avec inhibiteur _______________________________ 543 580 5000 11,5 21 130 9,66 5,77 7,84 3,2 0,6 3,2 11,4 18,5 13,2 408 648 4493 94,2 92 94 94,2 92 94 Sans inhibiteur 11 543 5000 11,5 130 9,66 7,84 3,2 3,2 11,6 13,3 361 3910 83,4 81,8 Mà CO l 4 a m Revendications 1 Procédé d'halogénation d'un alcane ou d'un cyclo alcane par l'action de la lumière ultraviolette sur une lution d'halogène dans l'alcane ou cycloalcane, préparée d'avance, qui passe dans la zone irradiée par l'ultravio- let, caractérisé en ce qu'un inhibiteur de l'halogénation est placé à l'entrée de la zone d'irradiation. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé e ce que l'inhibiteur de l'halogénation est également placé à la sortie de la zone d'irradiation. 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que l'inhibiteur est un solide, insoluble dans le milieu réactionnel, en particulier un métal du groupe VB de la Classification Périodique des Eléments. 4 Procédé suivant une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'inhibiteur de l'halogénation est constitué par un ou plusieurs des métaux vanadium, niobium et tantale. Application du procédé suivant une des revendica- tions 1 à 4 à la production de monochlorure de cyclohexyle par traitement du cyclohexane par du chlore, en milieu li- quide, en présence de la lumière ultraviolette, le cyclo- hexane étant en excès par rapport au chlore, caractérisée en ce qu'un inhibiteur, constitué par du vanadium, du niobium ou du tantale, est placé à l'entrée de la zone de réaction photochimique,et de préférence également à la sor- tie de cette zone. 6 Application suivant la revendication 5, dans laquel- le le milieu réactionnel est soumis à la recirculation par la zone soumise à l'ultraviolet et par un dispositif de refroidissement, caractérisée en ce que à l'entrée et à la sortie de la zone de réaction photochimique sont disposés des filaments ou tournures de tantale présentant une surface de l'ordre de 100 à 10 000 cm 2 par cm 2 de section de la vei-