Brevet FR2964975A1 — publié le 20120323

COMPOSITION A BASE DE 2,3,3,3-TETRAFLUOROPROPENE La présente invention concerne une composition renfermant du 2,3,3,3-tetrafluoropropène et du trans-1,3,3,3-tetrafluoropropène et au moins un lubrifiant, apte à être utilisée dans la réfrigération, climatisation et pompe à chaleur. Les problèmes posés par les substances appauvrissant la couche d'ozone atmosphérique ont été traités à Montréal où a été signé le protocole imposant une réduction de la production et de l'utilisation des chlorofluorocarbures (CFC). Ce protocole a fait l'objet d'amendements qui ont imposé l'abandon des CFC et étendu la réglementation à d'autres produits, dont les hydrochlorofluorocarbones (HCFC). L'industrie de la réfrigération et de la climatisation a beaucoup investi dans la substitution de ces fluides frigorigènes et c'est ainsi que les hydrofluorocarbures (HFC) ont été commercialisés. Dans l'industrie automobile, les systèmes de climatisation des véhicules commercialisés dans de nombreux pays sont passés d'un fluide frigorigène au chlorofluorocarbure (CFC-12) à celui de l'hydrofluorocarbure (1,1,1,2 tetrafluoroéthane : HFC-134a), moins nocif pour la couche d'ozone. Cependant, au regard des objectifs fixés par le protocole de Kyoto, le HFC-134a (GWP = 1430) est considéré comme ayant un pouvoir de réchauffement élevé. La contribution à l'effet de serre d'un fluide est quantifiée par un critère, le GWP (Global Warming Potential) qui résume le pouvoir de réchauffement en prenant une valeur de référence de 1 pour le dioxyde de carbone. Les hydrofluorooléfines (HFO) ont un pouvoir de réchauffement peu élevé et donc répondent aux objectifs fixés par le protocole de Kyoto. Le document JP 4-110388 divulgue les hydrofluoropropènes comme agent de transfert de chaleur. Dans le domaine industriel, les machines frigorifiques les plus employées sont basées sur le refroidissement par évaporation d'un fluide frigorigène liquide. Après vaporisation, le fluide est compressé puis refroidi afin de repasser à l'état liquide et poursuivre ainsi le cycle. Les compresseurs frigorifiques utilisés sont du type alternatifs , scroll, centrifuges ou à 35 vis. En général, la lubrification interne des compresseurs est indispensable pour réduire l'usure et l'échauffement des organes en mouvement, parfaire leur étanchéité et les protéger contre la corrosion. Outre les bonnes propriétés d'agent de transfert de chaleur, pour qu'un fluide frigorigène soit accepté commercialement il doit notamment présenter une stabilité thermique et une compatibilité avec les lubrifiants. En effet, il est hautement souhaitable que le fluide frigorigène soit compatible avec le lubrifiant utilisé dans le compresseur, présent dans la majorité des systèmes de réfrigération. Cette association fluide frigorigène et lubrifiant est importante pour la mise en oeuvre et l'efficacité du système de réfrigération, notamment le lubrifiant doit être suffisamment soluble ou miscible dans le fluide frigorigène dans tout l'intervalle de température de fonctionnement. C'est ainsi que les polyalkylènes glycol (PAG) ont été mis au point comme lubrifiants du HFC-134a dans la climatisation automobile. Des essais de miscibilité du 1,1,3,3,3-pentafluoropropène et du 1,3,3,3-tetrafluoropropène avec des lubrifiants ont été décrits à l'exemple 2 du document WO 2004/037913. Des essais de compatibilité ont également été décrits à l'exemple 3 avec le polyalkylène glycol. Toutefois, ces essais ne précisent pas la nature de l'isomère du 1,3,3,3-tetrafluoropropène. Tout récemment, le 2,3,3,3-tetrafluoropropène a été choisi comme fluide frigorigène pour remplacer le HFC-134a dans la climatisation automobile. La demanderesse a maintenant mis au point un couple fluide frigorigène et lubrifiant, apte à être utilisée en réfrigération, climatisation et pompe à chaleur. La présente demande a donc pour objet une composition comprenant au moins un lubrifiant à base d'esters de polyol ( POE) ou de polyvinyléther (PVE) et un fluide frigorigène F comprenant de 1 à 99 % en poids du 2,3,3,3-tetrafluoropropène (HFO- 1234yf) et de 1 à 99 % en poids de trans-1,3,3,3-tetrafluoropropène (trans HFO-1234ze). Le fluide F peut en outre comprendre du HFC-134a et de préférence au plus 10 % en poids. De préférence, la composition selon la présente invention comprend au moins un lubrifiant à base d'esters de polyol ( POE) ou de polyvinyléther (PVE) et un fluide frigorigène F comprenant de 5 à 70 % en poids du 2,3,3,3-tetrafluoropropène (HFO-1234yf) et de 30 à 95 % en poids de trans-1,3,3,3-tetrafluoropropène (trans HFO-1234ze). La composition particulièrement préférée comprend au moins un lubrifiant à base d'esters de polyol ( POE) ou de polyvinyléther (PVE) et un fluide frigorigène F comprenant de 25 à 55 % en poids du 2,3,3,3-tetrafluoropropène (HFO-1234yf) et de 45 à 75 % en poids de trans-2,3,3,3-tetrafluoropropène (trans HFO-1234ze). Le fluide F présente l'avantage par rapport au HFO-1234yf seul d'avoir une faible inflammabilité, et un procédé de fabrication du trans-HFO-1234ze moins complexe et moins coûteux que celui du HFO-1234yf. En outre, le fluide F en combinaison avec le POE ou PVE présente une bonne stabilité thermique. Le fluide F peut avantageusement être utilisé pour produire de la chaleur à des températures très élevées (autour de 100°C) du fait de sa température critique élevée. Les esters de polyol sont obtenus par réaction d'un polyol (un alcool contenant au moins 2 groupements hydroxyles, -OH) avec un acide carboxylique monofonctionnel ou plurifonctionnel ou avec un mélange d'acides carboxyliques monofonctionnels. L'eau formée lors de cette réaction est éliminée pour éviter la réaction inverse ( c-à-d l'hydrolyse). Selon la présente invention, les polyols préférés sont ceux ayant un squelette de néopentyle comme le néopentyle glycol, le triméthylol propane, le pentaerythritol et le dipentaerythritol; le pentaerythritol est le polyol préféré. Les acides carboxyliques peuvent comprendre de 2 à 15 atomes de carbone, le squelette carboné pouvant être linéaire ou ramifié. On peut citer notamment l'acide npentanoque, l'acide n-hexanôique, l'acide n-heptanoïque, l'acide n-octanoque, l'acide 2-éthylhexanôique, l'acide 2,2-diméthylpentanoïque, l'acide 3,5,5-trimethylhexano que, l'acide adipique, l'acide succinique et leurs mélanges. Certaines fonctions alcool ne sont pas estérifiées, cependant leur proportion reste faible. Ainsi, les POE peuvent comprendre entre 0 et 5 % molaire relatif de motifs CH2-OH par rapport aux motifs -CH2-O-(C=O)-. Les lubrifiants POE préférés sont ceux ayant une viscosité de 1 à 1000 centiStokes (cSt) à 40°C, de préférence de 10 à 200 cSt, et avantageusement de 30 à 80 cSt. Les huiles polyvinyléther ( PVE) sont de préférence des copolymères des 2 motifs suivants : Motif 1 : Motif 2 : lCH2 iFi o CH2 CH3 H3C~ 'CH3 Les propriétés de l'huile (viscosité, solubilité du fluide et miscibilité avec le fluide notamment) peuvent être ajustées en faisant varier le ratio m/n et la somme m+n. Les huiles PVE préférées sont celles ayant 50 à 95 % en poids de motifs 1. Selon un mode préféré de l'invention le lubrifiant représente(nt) entre 10 et 50 %, inclus, en poids de la composition. Le fluide F peut également comprendre des additifs tels que les composés odorants. 15 La présente invention a également pour objet l'utilisation de la composition précitée dans : - la réfrigération, notamment la réfrigération domestique, commerciale, chambres froides, industrie alimentaire, procédé, transport frigorifique (camions, bateaux) ; 20 - la climatisation : climatisation domestique, commerciale ou industrielle, où les équipements utilisés sont soit des chillers, soit des équipements à expansion directe. - Les pompes à chaleur, notamment pompes à chaleur moyenne et haute température 25 Grâce à leur faible glissement de température (ou glide), les compositions selon la présente invention peuvent être utilisées aussi bien dans des installations avec évaporateurs à détente sèche qu'avec des évaporateurs fonctionnant en régime noyé. 30 PARTIE EXPERIMENTALE Les essais de stabilité thermique sont effectués selon la norme ASHRAE 97-2007: "sealed glass tube method to test the chemical stability of materials for use within refrigerant systems". -CH2 ~CH I n o~ CH2 CH 10 Les conditions de test sont les suivantes : masse de fluide: 2,2 g masse de lubrifiant : 5 g température : 200°C durée : 14 jours Le lubrifiant est introduit dans un tube en verre de 42,2 ml. Le tube est ensuite tiré sous vide puis le fluide F y est ajouté. Le tube est alors soudé pour le fermer et placé dans une étuve à 200°C pendant 14 jours. En fin de test, différentes analyses sont réalisées : - la phase gaz est récupérée pour être analysée par chromatographie phase gazeuse : les principales impuretés ont été identifiées par GC/MS (chromatographie phase gazeuse couplée spectrométrie de masse). On peut ainsi regrouper les impuretés venant du fluide F et celles venant du lubrifiant. - le lubrifiant est analysé : couleur ( par spectrocolorimétrie, Labomat DR Lange LICO220 Modèle MLG131), humidité (par coulométrie Karl Fischer, Mettler DL37) et indice d'acide ( par dosage avec de la potasse méthanolique 0,01N). 3 lubrifiants commerciaux ont été testés : l'huile PAG ND8, l'huile POE Ze-GLES RB68 et l'huile PVE FVC 68D. 5 PAG N D8 POE Ze-G LES PVE FVC 68D RB68 Fluide HFO-1234yf Trans-HFO- Trans-HFO- Trans-HFO- 1234ze 1234ze 1234ze Sous-produits dans la phase gaz : 1000 ppm 4000 ppm 500 ppm 3 % + > à partir du 3 % + 6000 ppm +1500ppm 1800ppm de fluide (H FO-1234yf) (H FO-1234yf) (H FO-1234yf) >à partir du 2% 800 ppm 2% lubrifiant Analyse du 9 Gardner 17 Gardner 300 Hazen 6 Gardner lubrifiant : 1500 ppm 1100 ppm 500 ppm 500 ppm > couleur 4,5 mg KOH/g >10mg KOH/g 0,6 mg KOH/g 1,1 mg KOH/g > humidité >Indice d'acide On opère comme précédemment sauf que le fluide est remplacé par le fluide F. On constate que l'ajout du trans-HFO1234ze au HFO-1234yf en présence du POE ou PVE améliore la stabilité du lubrifiant. En outre, en présence du POE la stabilité du fluide est également améliorée. APPLICATIONS Performance thermodynamique des systèmes utilisant le fluide F Outils de calcul L'équation RK-Soave est utilisée pour le calcul des densités, enthalpies, entropies et les données d'équilibre liquide vapeur des mélanges. L'utilisation de cette équation nécessite la connaissance des propriétés des corps purs utilisés dans les mélanges en question et aussi les coefficients d'interaction pour chaque binaire. Les données nécessaires pour chaque corps pur sont: Température d'ébullition, Température et pression critique, la courbe de pression en fonction de la température à partir du point d'ébullition jusqu'au point critique, les densités liquide saturée et vapeur saturé en fonction de la température. Les données de la courbe température-pression des HFO sont mesurées par la méthode statique. La température et pression critique sont mesurées par un calorimètre C80 commercialisé par Setaram. Les densités, à saturation en fonction de la température, sont mesurées par la technologie du densimètre à tube vibrant développée par les laboratoires de l'école des Mines de Paris. Coefficient d'interaction binaire: L'équation RK-Soave utilise des coefficients d'interaction binaire pour représenter le comportement des produits en mélanges. Les coefficients sont calculés en fonction des données expérimentales d'équilibre liquide vapeur. La technique utilisée pour les mesures d'équilibre liquide vapeur est la méthode de cellule statique analytique. La cellule d'équilibre comprend un tube saphir et est équipée de deux échantillonneurs ROLSITM électromagnétiques. Elle est immergée dans un bain cryothermostat (HUBER HS40). Une agitation magnétique à entraînement par champ tournant à vitesse variable est utilisée pour accélérer l'atteinte des équilibres. L'analyse des échantillons est effectuée par chromatographie (HP5890 seriesII) en phase gazeuse utilisant un catharomètre (TCD). 7 Trans HFO-1234ze / HFO-1234yf Les mesures d'équilibre liquide vapeur sur le binaire HFO-1234ze / HFO-1234yf sont réalisées pour l'isotherme suivante : 18°C Système à compression Considérons un système à compression équipé d'un évaporateur, d'un condenseur, d'un échangeur liquide-vapeur (échangeur interne), d'un compresseur à vis et d'un détendeur. Le système fonctionne avec 15°C de surchauffe et un échangeur interne entre les sorties du condenseur et de l'évaporateur. Le rendement isentropique des compresseurs est fonction du taux de compression. Ce rendement est calculé suivant l'équation suivante: isen =a -b(ti - c)2 - d (1) i -e Pour un compresseur à vis, les constantes a, b, c, d et e de l'équation (1) du rendement isentropique sont calculées suivant les données types publiées dans le Handbook "Handbook of air conditioning and refrigeration, page 11.52". 20 Le coefficient de performance (COP) est défini, comme étant la puissance utile fournie par le système sur la puissance apportée ou consommée par le système. Le coefficient de performance de Lorenz (COPLorenz) est un coefficient de performance de référence. Il est fonction de températures et est utilisé pour comparer 25 les COP des différents fluides. Le coefficient de performance de Lorenz est défini comme suit: (Les températures T sont en K) +condenseur _ +condenseur _ +condenseur (2) moyenne entrée sortie (3) T evaporatezr - T evaporatetr _ T evaporatetr moyenne 1 sortie 1 entrée 15 Le COP de Lorenz dans le cas de l'air conditionnée et réfrigération: T évaporateur COPlorenz Zorenz = moyenne T condenseur _ T évaporateur moyenne moyenne Le COP de Lorenz dans le cas de chauffage: T condenseur COPlorenz Lorenz = moyenne T condenseur _ T évaporateur moyenne moyenne Pour chaque composition, le coefficient de performance du cycle de Lorenz est calculé en fonction des températures correspondantes Le %COP/COPLorenz est le rapport du COP du système par rapport au COP du cycle de Lorenz correspondant. Résultats en mode refroidissement En mode refroidissement, le système à compression fonctionne entre une température d'évaporation de -5°C et une température de condensation de 50°C. Les valeurs des constituants (HFO-1234yf, trans HFO-1234ze) pour chaque composition sont données en pourcentage en poids. Mode y E C ~_ o. -a a y E o. N refroidissement cu m 1- -a a. ü x a E 5 0 O ~ « ~ 4=7 â = o 4=7 _ E 47 C (J HFO-1234ze -5 73 50 42 1,8 10,0 5,6 0,00 74,8 100 54 ro m 4 M LL M p u. 65 35 -5 71 50 42 2,3 12,3 5,2 0,49 76,7 120 54 55 45 -6 72 50 42 2,3 12,0 5,3 0,62 76,2 117 53 45 55 -6 73 50 42 2,2 11,8 5,4 0,70 75,8 114 53 35 65 -6 73 60 42 2,1 11,4 5,5 0,70 75,4 110 53 25 75 -6 73 50 42 2,0 11,1 5,6 0,63 75,0 107 53 15 85 -5 74 50 42 1,9 10,7 5,6 0,46 74,8 104 53 5 95 -5 73 50 42 1,8 10,2 5,7 0,18 74,7 101 54 (4) (5) Résultats en mode chauffage En mode chauffage, le système à compression fonctionne entre une température d'évaporation de -5°C et une température de condensation de 50°C. Les valeurs des constituants (HFO-1234yf, trans HFO-1234ze) pour chaque composition sont données en pourcentage en poids. 0' a. a7 a a .......................................................................... ....................................................................... a d a7 d a C a- [i U -a }} V x a> U a> d7 lÔ E m 1- a> ---a m -a a7 E _ = v c E = aY +A c°s C Q. 1- E E H Mode chauffage HFO-1234ze -5 73 50 42 1 ,8 10,0 5,6 0,00 74,8 100 62 u- d u_ 65 35 -5 71 50 42 2,3 12,3 5,2 0,49 76,7 120 62 55 45 -6 72 50 42 2,3 12,0 5,3 0,62 76,2 117 61 45 55 -6 73 50 42 2,2 11,8 5,4 0,70 75,8 114 61 35 65 -6 73 50 42 2,1 11,4 5,5 0,70 75,4 110 61 25 75 -6 73 50 42 2,0 11,1 5,6 0,63 75,0 107 61 15 85 -5 74 50 42 1,9 10,7 5,6 0,46 74,8 104 61 5 95 -5 73 50 42 1 ,8 10,2 5,7 0,18 74,7 101 62 REVENDICATIONS1) Composition comprenant au moins un lubrifiant à base d'esters de polyol (POE) ou PVE et un fluide frigorigène F comprenant de 1 à 99 % en poids du 2,3,3,3- tetrafluoropropène (HFO-1234yf) et de 1 à 99 % en poids de trans-1,3,3,3-tetrafluoropropène (trans HFO-1234ze). 2) Composition selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fluide frigorigène F comprenant de 5 à 70 % en poids du 2,3,3,3-tetrafluoropropène (HFO- 1234yf) et de 30 à 95 % en poids de trans-1,3,3,3-tetrafluoropropène (trans HFO-1234ze). 3) Composition selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le fluide frigorigène F comprenant de 25 à 55 % en poids du 2,3,3,3-tetrafluoropropène (HFO- 1234yf) et de 45 à 75 % en poids de trans-2,3,3,3-tetrafluoropropène (trans HFO-1234ze). 4) Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les POE sont obtenus à partir de polyols ayant un squelette de néopentyle comme le néopentyle glycol, le triméthylol propane, le pentaerythritol et le di pentaerythritol. 5) Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que les POE sont obtenus à partir d'acide carboxylique ayant de 2 à 15 atomes de carbone, linéaire ou ramifié. 6) Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le(s) POE représente(nt) entre 10 et 50 % en poids de la composition. 7) Utilisation de la composition selon l'une quelconque de la revendication 1 à 6 en réfrigération, climatisation et pompe à chaleur.