Brevet FR3035104A1 — publié le 20161021

PROCEDE DE PURIFICATION DU PENTAFLUOROETHANE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la purification du pentafluoroéthane (R125) contenant du chloropentafluoroéthane (R115) et a plus particulièrement pour objet un procédé de purification dans lequel le R115 est éliminé par distillation extractive. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE Le pentafluoroéthane est l'un des substituts possibles des chlorofluorocarbures (CFC) qui sont concernés par le protocole de Montréal et qui se caractérisent par une durée de vie exceptionnellement élevée leur permettant d'atteindre les hautes couches de l'atmosphère et de participer ainsi sous l'influence du rayonnement UV à la destruction de la couche d'ozone. Il est donc évident que leurs substituts ne devront, en fonction des divers procédés d'obtention, ne renfermer que des traces de ces CFC. Les substituts sont généralement obtenus soit par des méthodes de fluoruration appropriées qui ne sont pas hautement sélectives et peuvent générer par dismutation des composés perhalogénés du type CFC, soit à partir de CFC eux-mêmes par des méthodes de réduction, en pratique par des réactions d'hydrogénolyse. C'est ainsi que le pentafluoroéthane (R125) peut être préparé par fluoration du perchloroéthylène ou de ses produits de fluoration intermédiaires tels que le dichlorotrifluoroéthane (R123) et le chlorotétrafluoroéthane (R124), ou par hydrogénolyse du chloropentafluoroéthane (R115). Dans les deux cas, le R125 produit contient des quantités non négligeables de R115 qu'il convient, d'éliminer le plus complètement possible, le R115 étant un CFC. Or, l'existence d'un azéotrope R115/R125 à 21 % en poids de R115 (voir le brevet US 3,505,233) avec un point d'ébullition (-48,5°C sous 1,013 bar) très voisin de celui du R125 (-48,1°C) rend pratiquement impossible la séparation complète du R115 et du R125 par distillation à moins d'utiliser des procédés techniquement complexes tels que la distillation azéotropique à différentes pressions comme décrit dans le brevet US 5,346,595. L'élimination du R115 dans le R125 ne peut donc se faire que par voie chimique ou par des méthodes physiques mettant en jeu un tiers corps. 3035104 2 Dans la demande de brevet EP 0 508 631 qui décrit la production d'hydrofluorocarbures (HFC) par réduction chimique en phase liquide de composés chlorés, bromés ou iodés avec un hydrure métallique ou un complexe d'un tel hydrure, il est indiqué que ce procédé peut être intéressant 5 pour purifier certains HFC comme le pentafluoroéthane. Dans le même but, la demande de brevet japonais publiée (Kokai) sous le n°2001414/90 utilise des couples rédox métalliques en milieu solvant. D'autres techniques comme celle décrite dans Journal of Fluorine Chemistry, 1991 vol. 55, p.105-107, utilisent des réducteurs organiques tels que le formiate d'ammonium en milieu DMF et 10 en présence de persulfate d'ammonium. Ces procédés qui font appel à des réactifs difficiles à manipuler (hydrures métalliques) ou susceptibles de poser des problèmes d'effluents, sont peu compatibles avec une production industrielle de R125 en tonnages importants. 15 Pour une fabrication industrielle de R125, la technique de distillation extractive apparaît être le procédé idéal pour éliminer le R115 résiduel. Dans un procédé de distillation extractive, la séparation des constituants d'un mélange binaire se fait à l'aide d'une colonne dite d'extraction comportant successivement, du bouilleur à la tête, trois tronçons, l'un d'épuisement, le 20 second d'absorption et le troisième de récupération. Le mélange binaire à fractionner est injecté en tête du tronçon d'épuisement alors que le tiers corps jouant le rôle de solvant sélectif ou agent d'extraction est introduit en tête du tronçon d'absorption de manière à circuler à l'état liquide de son point d'introduction jusqu'au bouilleur. 25 Le troisième tronçon dit de récupération sert à séparer par distillation le constituant le moins absorbé, des traces de solvant entraînées sous l'effet de sa tension de vapeur non nulle. Le document EP 0 669 302 décrit un procédé de purification du pentafluoroéthane contenant du chloropentafluoroéthane par distillation 30 extractive, l'agent extractant étant un alcane ou un cycloalcane en C5 à C8. Le document FR 2 758 137 décrit un procédé de purification du pentafluoroéthane contenant du chloropentafluoroéthane par distillation extractive, l'agent extractant étant un halogénure de perfluoroalkyle en C5 à C8. Le document FR 2 730 228 décrit un procédé de purification du 35 pentafluoroéthane contenant du chloropentafluoroéthane par distillation extractive, l'agent extractant étant le perchloroéthylène. 3 0 3 5 1 0 4 3 Le document WO 96/06063 décrit un procédé de purification du pentafluoroéthane comprenant la mise en contact du pentafluoroéthane avec un composé organique polaire liquide comprenant au moins un atome d'azote et/ou un atome d'oxygène. 5 Certains de ces agents d'extraction ne satisfont pas les conditions imposées en termes d'exigences environnementales. Il a été trouvé des agents d'extraction permettant de satisfaire les exigences environnementales et présentant une sélectivité et/ou une capacité améliorée. 10 RESUME DE L'INVENTION L'invention concerne en premier lieu un procédé de purification du pentafluoroéthane contenant du chloropentafluoroéthane par distillation 15 extractive, ledit procédé comprenant l'utilisation d'un agent d'extraction choisi parmi le diméthylformamide, le dioxane, le diméthylsulfoxyde et le diéthylsulfoxyde. Selon un mode de réalisation particulier, l'agent d'extraction est choisi parmi le diméthylsulfoxyde et le diéthylsulfoxyde. 20 De préférence, la distillation est effectuée sous une pression allant de la pression atmosphérique à 20 bars. Selon un mode de réalisation de l'invention, le ratio molaire pentafluoroéthane/chloropentafluoroéthane avant distillation va de 2 à 99. Selon un mode de réalisation de l'invention, le ratio molaire 25 pentafluoroéthane/chloropentafluoroéthane après distillation va de 5 à 99999. Selon un mode de réalisation de l'invention, le mélange contenant le pentafluoroéthane et le chloropentafluoroéthane à purifier est issu de la réaction de fluoration du perchloroéthylène ou d'un produit de fluoration intermédiaire dudit perchloroéthylène. 30 Selon un mode de réalisation de l'invention, le produit de fluoration intermédiaire dudit perchloroéthylène est choisi parmi le dichlorotrifluoroéthane ou le chlorotétrafluoroéthane. Selon un mode de réalisation de l'invention, le mélange contenant le pentafluoroéthane et le chloropentafluoroéthane à purifier est issu de la réaction 35 d'hydrogénolyse du chloropentafluoroéthane. 3035104 4 Le procédé selon l'invention est simple à mettre en oeuvre, en particulier à l'échelle industrielle. Le procédé selon l'invention permet de récupérer le pentafluoroéthane avec une plus grande pureté. 5 Le procédé selon l'invention utilise des solvants ayant une plus faible toxicité et présentant ainsi un plus faible impact sur l'environnement. Le procédé selon l'invention présente une sélectivité améliorée et/ou une capacité améliorée. 10 DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit. La présente invention propose un procédé de purification d'un 15 pentafluoroéthane (R125) contenant du chloro-pentafluoroéthane (R115) par distillation extractive, ledit procédé comprenant l'utilisation d'un agent d'extraction choisi parmi le diméthylformamide (DMF), le dioxane, le diméthylsulfoxyde (DMSO) et le diéthylsulfoxyde (DESO). Le dioxane peut être le 1,4-dioxane, le 1,3-dioxane ou le 1,2-dioxane. De 20 préférence, le dioxane est le 1,4-dioxane. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'agent d'extraction est choisi parmi le dioxane, le diméthylsulfoxyde et le diéthylsulfoxyde. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'agent d'extraction est choisi parmi le diméthylsulfoxyde et le diéthylsulfoxyde. 25 Selon un mode de réalisation de l'invention, le pentafluoroéthane à purifier comprend notamment du pentafluoroéthane et du chloropentafluoroéthane. Selon un mode de réalisation, le ratio molaire R125/R115 avant distillation va de 2 à 99. 30 Selon un mode de réalisation, le ratio molaire R125/R115 après distillation va de 5 à 99999. Selon un mode de réalisation, le pentafluoroéthane purifié comprend moins de 10 ppm massique de R115. 35 De préférence, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre sans la présence d'hydrures métalliques ou de sels d'ammonium. 3 0 3 5 1 0 4 5 Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre selon les principes bien connus de la distillation extractive. L'opération peut être effectuée dans une colonne de distillation extractive dans laquelle le mélange R125-R115 à séparer est injecté en un point situé en tête du tronçon d'épuisement. L'agent 5 d'extraction, est introduit dans la colonne en un point situé en tête du tronçon d'absorption; il circule à l'état liquide de son point d'introduction jusqu'au bouilleur. Le diamètre et le nombre d'étages de la colonne de distillation extractive, le taux de reflux et les températures et pressions optimales peuvent 10 être facilement calculées par l'homme du métier à partir des données propres aux constituants individuels et à leurs mélanges (volatilités relatives, pressions de vapeur et constantes physiques). Selon un mode de réalisation de l'invention, la distillation est effectuée 15 sous une pression allant de la pression atmosphérique à 20 bars absolus. Selon un mode de réalisation de l'invention, la distillation est effectuée à une température allant de -50°C à 250°C, de préférence de -10°C à 200°C, de préférence encore de 5°C à 150°C. 20 Lors du procédé de purification selon l'invention, l'agent d'extraction absorbe sélectivement le R125. Dans ce mode de réalisation, l'agent d'extraction présente alors de préférence un facteur de séparation F à 25°C, tel que défini ci-dessous, supérieur à 2, de préférence supérieur à 3, de préférence encore supérieur à 4. 25 Le facteur de séparation (F) est défini de la façon suivante : F - y(R115) P(R115) y(R125) P(R125) où y(R125) représente le coefficient d'activité du composé R125 dans le 30 solvant considéré à dilution infinie. y(R115) représente le coefficient d'activité du composé R115 dans le solvant considéré à dilution infinie. P(R125) représente la tension de vapeur du composé R125 à la température considérée. 35 P(R115) représente la tension de vapeur du composé R115 à la température considérée. 3 0 3 5 1 0 4 6 Le ratio P(R125)/P(R115) correspond à la volatilité relative du R125 par rapport au R115. Et comme dans le cas précis de la présente invention, le rapport des 5 tensions de vapeur est constant quel que soit le solvant d'extraction utilisé, nous pouvons considérer un facteur de séparation simplifié F' ou sélectivité S défini par : F'y(R115) - y(R125) 10 Les valeurs de coefficients d'activité des composés i (i est R125 ou R115), yi, sont calculées selon la relation : ln yi = - piP)/RT, où p correspond au potentiel chimique du composé i à dilution infinie 15 dans le solvant considéré, et pi') correspond au potentiel chimique du composé pur i, et R est la constante des gaz parfaits, et T est la température. Le coefficient d'activité et la tension de vapeur sont des données bien connues et accessibles à l'homme du métier. 20 La capacité d'un solvant est définie par l'inverse du coefficient d'activité du soluté dans le solvant à dilution infinie. Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé de purification selon l'invention comprend en outre une étape ultérieure de séparation du 25 solvant d'extraction et du composé R125 comme cela est connu de l'homme de l'art et décrit par exemple dans le document EP 778254. Une colonne de régénération du solvant permet de séparer le mélange solvant/R125 selon leur différence de point d'ébullition. Le solvant récupéré peut être réutilisé pour la distillation extractive. 30 La sélectivité et la capacité de différents solvants sont indiquées dans le tableau 1 suivant : 3 0 3 5 1 0 4 7 Tableau 1 : capacité et sélectivité des solvants Solvant Facteur de Séparation Capacité simplifié (F') = sélectivité S Acéton itri le 6,31 0,3 THF 7,64 2,09 Hexane 0,63 0,18 Acétone 9,86 1,29 DMF 16,05 1,63 1,4-dioxane 8,86 1,12 diméthylsulfoxyde 30,08 0,73 Diéthylsulfoxyde 22,72 1,94 Les données du tableau 1 montrent qu'à l'exception de l'hexane, tous ces solvants présentent de bonnes caractéristiques d'extraction. 5 Il est montré ici que de nouveaux solvants tels que le DMF, le 1,4- dioxane, le DMSO et le DESO donnent de très bons résultats en termes de sélectivité et/ou de capacité. Ces 4 solvants présentent un excellent choix en termes de performances pour la distillation extractive. Par ailleurs, ces solvants ne sont pas, ou peu, nocifs pour l'environnement. 10 En particulier, le DMSO et le DESO présentent d'excellentes sélectivités, respectivement de 30,08 et 22,72. Au contraire, d'autres solvants traditionnellement utilisés, tels que l'acétonitrile, ne présentent pas une bonne sélectivité et une bonne capacité. REVENDICATIONS1. Procédé de purification du pentafluoroéthane contenant du chloropentafluoroéthane par distillation extractive, ledit procédé comprenant l'utilisation d'un agent d'extraction choisi parmi le diméthylformamide, le dioxane, le diméthylsulfoxyde et le diéthylsulfoxyde. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'agent d'extraction est choisi parmi le diméthylsulfoxyde et le diéthylsulfoxyde. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la distillation est effectuée sous une pression allant de la pression atmosphérique à 20 bars. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le ratio molaire pentafluoroéthane/chloropentafluoroéthane avant distillation va de 2 à 99. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le ratio molaire pentafluoroéthane/chloropentafluoroéthane après distillation va de 5 à 99999. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le mélange contenant le pentafluoroéthane et le chloropentafluoroéthane à purifier est issu de la réaction de fluoration du perchloroéthylène ou d'un produit de fluoration intermédiaire dudit perchloroéthylène. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le produit de fluoration intermédiaire dudit perchloroéthylène est choisi parmi le dichlorotrifluoroéthane ou le chlorotétrafluoroéthane. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le mélange contenant le pentafluoroéthane et le chloropentafluoroéthane à purifier est issu de la réaction d'hydrogénolyse du chloropentafluoroéthane.35