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~1~3~2B4
L'invention concerne l'utiliqation de résines échan-
geuses d'ions, macroporeuses ou de type gel, cationiques ou anio-
niques, contenant de l'eau pour l'élimination de composés polai-
res de mélanges les contenant avec des hydrocarbures, c'est-à-
dire des composés non-polaires ou faiblement polaires.
On sait réaliser cette séparation par des procédes
tels que, par exemple, la distillation, l'absorption sur sili-
cagel ou sur tamis moléculaire, l'extraction par solvant, géné-
ralement par l'eau.
Le procédé proposé offre sur ceux-ci l'avantage d'une
mise en oeuvre simple, dont aucune des étapes ne demande un ap-
port d'énergie important et toujours coûteux.
Il est particulièrement bien adapté au traitement de
mélanges contenant une faible proportion de compose polaire pour
lesquels une grande dépense d'énergie ne se justifie pas. Par
exemple sa mise en oeuvre peut constituer l'une des étapes d'un
procédé utilisant un ou plusieurs composes polaires pour sepa-
rer des hydrocarbures de degrés de saturation differents. On
récupère au moyen de résines le (ou les) composé polaire entraî-
né, habituellement en faible quantité, par les hydrocarbures nonabsorbés dans ces opérations d'extraction.
Cette technique permet de récupérer les produits sans
altérer leurs propriétés, en limitant les pertes dues à des ma-
nipulations successives, par exemple en évitant les inconv~nients
dus à des lavages à l'eau ou à l'action prolongée de la chaleur.
De plus, la résine peut être r~générée facilement un
grand nombre de fois, ce qui présente un int~rêt ~conomique cer-
tain pour le procedé.
Cette application de l'invention dans des procédés
extractifs n'est pas limitative pour l'invention. La quantité
de composé polaire n'est pas non plus limitative, bien que le
procédé proposé présente surtout un interêt lorsque cette quan-
~ ' ~
.
31;~
tité n'est pas trop importante, par exemple lorsqu'elle est com-
prise entre quelques parties par million (par exemple 10 ppm) et
10 % en poids, par e~emple entre 0,5 et 10 ~ en poids.
Le procede selon la presente invention est donc un
procédé d'élimination d'un composé polaire de sa solution dans
un hydrocarbure liquide, ledit composé polaire étant présent en
concentration de 10 parties par million en poids à 10 % en poids,
caractérisé en ce que l:on met ladite solution en contact avec
une résine échangeuse cationique macroporeuse ou du type gel,
contenant au moins 1 % en poids d'eau, et en ce que l'on sépare
ensuite l'hydrocarbure de la résine, cette dernière ayant retenu
une partie au moins du composé polaire.
Dans le cas du traitement d'une charge humide d'hydro-
carbures (la quantité d'eau contenue dans une telle charge ne
d~passe habituellement pas 0,1 % en poids), lorsqu'on part avec
une résine sèche, l'eau s'accumule sur cette dernière pour at-
teindre une concentration conforme aux exigences de la présente
invention.
103~Z84
Dans le cas où la quantité d'eau présente sur la rési-
ne est supérieure ~ ladite concentration, l'excès d'eau sera progres-
sivement éliminé.
Les résines utilisd~les dans cette invention sont des
résines échangeuses d'ions, de type cationique ou anionique, pré-
sentant une structure macroporeuse ou ~e type gel.
On préfère toutefois utiliser les résines de type macro-
poreux.
Les résines sont préparées à partir de polymères réti-
culés par exemple de type polystyrénique, polyacrylique, polymétha-
crylique ou formophénolique, formant une matrice dans laquelle on
greffe des groupes actifs, acides ou basiques, ces groupements actifs
sont le plus souvent de nature sulfonique, phosphorique, phosphonique
ou carboxylique ou des groupes amine, triméthylammonium, diméthyl-
éthanolamine ou ammonium quaternaire, par exemple.
On utilise les résines de type cationique sous leur
forme acide ou traitées de manière à ce que l'ion échangeable subs-
titué au proton H+, soit un cation métalllque choisi de préférence
parmi ceux des groupes IA, IB ou VIII de la Classification Périodique
des Elements ou un cation ammonium ou alkylammonium,
On a obtenu de bons résultats en particulier lorsque
ces cations étaient le potassium, l'argent, le cobalt, un groupement
NH4+ ou alXylammonium.
On entend par groupement alkylammonium des groupements:
Rl _NH3+, Rl Rl Rl
R2 R2 ~ 2 ~ N+
R ~
dans lesquels Rl, R2, R3, R4 sont des radicaux hydrocarbonés quel-
conques, paraffiniques ou cyclaniques ou des radicaux hydrocarbonés
comportant, par exemple, de l'oxygène tels que: -CH2OH, -CHOH-R,
. .
"
- . . -- ~ ~
~1)3~z~
R"
R-Co-RI-, R-Co2-R'-, R-O-R'-, -N 0, (R étant un radical hydro-
carboné monovalent et R~ et R" étant des radicaux hydrocarbonés
divalents, identiques ou différents.
Les résines anioniques sont mises en oeuvre sous leur
forme hydroxyle ou sous forme de sels, tels que les halogénures,
les sulfates, les sulfites, les carbonates, les nitrates, les phos-
phates, les carboxylates, les chromates, les borates par exemple.
La capacité d~échange d~ions de ces résines est habi-
tuellement comprise entre 0,1 et 6 équivalents par litre de résine
et leur taux de réticulation en divinylbenzène se situe entre 1 %
et 60 %, par exemple entre 4 et 40 %.
On obtient une fixation rapide des molécules polaires
et une désorption aisée, particulièrement avec les résines ayant
une structure macroporeuse, dont la surface spécifique est très im-
portante, supérieure à 20 m2/g et généralement comprise entre 300
et 800 m2/g.
On a également obtenu des résultats intéressants en
utilisant des résines dont la structure physique est du type gel
présentant une surface.spécifique faible.
On a constaté en outre que, lorsque le taux de satura-
tion de la résine en composé polaire était atteint , un simple
lavage avec un agent d'élution suffisait pour redonner à la résine
ses caractéristiques lui permettant de retenir à nouveau des molé-
cules polaires. On procède à.la régénération lorsque l'on observe
dans l'effluent récupéré une teneur en composé polaire supérieure
à une valeur désirée.
On peut utiliser, comme agent d'élution, des hydro-
carbures quelconques, c'est-à-dire des hydrocarbures légers ou
lourds, paraffiniques, cyclaniques, oléfiniques, aromatiques, acé-
tyléniques, ramifiés ou non, seuls ou contenus dans une coupe
hydrocarbonée. On peut aussi utiliser l'eau comme agent d'élution.
On réalise cette étape à une température peu élevée ,
--3--
:: ,: - , ,
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généralement d'une manière pratique, à la température ambiante, mais
une température inférieure ou supérieure peut convenir à condition
d'être compatible avec les hydrocarbures présents et l'agent d'élu-
tion qui doivent rester liquides.
L'effluent provenant de l'étape de régénération peut
par exemple être réutilisé sans subir de traitement particulier, ou
il peut être au moins partiellement distillé pour en récupérer le
composé polaire, ou rejeté si celà est plus avantageux. On peut
également si nécessaire éliminer par distillation les hydrocarbures
présents dans les premières fractions recueillies.
On met en oeuvre les résines, lors de l'étape de fixa-
tion des molécules polaires, en faisant passer, à travers lesdites
résines, éventuellement échangées avec l'ion désiré, le mélange
contenant le composé polaire de manière à récupérer un effluent
constitué essentiellement par les hydrocarbures moins polaires.
On peut utiliser efficacement des débits allant jusqu'à
1 à 100 volumes de lit par heure et l'on met en oeuvre avantageuse-
ment des quantités de charge à traiter et de résine dans un rapport
en poids compris entre l:l et 20.000:1, par exemple entre 1:1 et
10.000:1 selon la nature de la purification ou de la récupération
du solvant à r~aliser.
Les résines décrites présentent une sélectivité très
marquée pour les composés polaires et l'effet est suffisamment net
pour que l'on puisse, d'une manière aisée et rapide, éliminer le
composé polaire contenu dans un mélange avec les espèces moins po-
laires à des concentrations allant généralement jusqu'à 10 % en
poids et obtenir une concentration r~siduaire de quelques parties
par million.
D'une manière générale, on peut réaliser cette étape
à n'importe quelle température compatible avec la stabilité de la
résine et avec les propriétés physiques des produits traités. Toute-
fois, on préfère opérer à la température la plus basse possible
--4--
~ - - - . - ~ . ~
` ` 103~ 4
présentant ces avantages et, d'une manière avantageuse pour le pro-
cédé, à des températures voisines pour les deux étapes de fixation
et de régénération.
Le traitement, réalisé sur des résines ~umides, selon
l'invention, conduit à de très bons résultats, supérieurs au traite-
ment avec des résines anhydres, en ce qui concerne la capacité et
la sélectivité des résines vis-à-vis des composés polaires.
On`a obtenu de bonnes performances en utilisant des
résines accompagnées de leur eau d'hydratation, c'est-à-dire, par
exemple, avec une résine XE 284 (Rohm et Haas) qui peut contenir,
en poids, jusqu'à 45 % d'eau.
L'eau qui peut être contenue dans les mélanges d'hydro-
carbures et de composés polaires à traiter est retrouvée dans l'ef-
fluent recueilli après passage sur la résine. Généralement, la
quantité d'eau contenue dans ces mélanges ne dépasse pas 0,1% en
poids et, le plus souvent, est inférieure à 0,05 % en poids et on a
remarqué que l'utilisation d'une résine anhydre ou faiblement hydra-
tée provoquait un effet de déshydratation sur le courant avec le-
quel on la met en contact jusqu'à ce qulil s'établisse, sur la rési-
ne, une teneur stationnaire en eau dont la valeur dépend générale-
ment de la nature du solvant présent. Après quoi, la résine devient
inactive vis-à-vis de l'eau et continue à retenir le composé polai,re
jusqu'à ce que sa capacité vis-à-vis de ce dernier soit atteinte.
L'expérience a montré que la capacité en fonctionnement de la résine
est améliorée en présence de son eau d'hydratation.
L'invention convient particulièrement pour la sépara-
tion de quantit~s allant de traces jusqu'à 5 à 10 % de un ou plu-
sieurs composés polaires en mélange avec des hydrocarbures.
Par composé polaire, on entend selon l'invention un
composé organique qui renferme du carbone et au moins un hétéro-
atome tel que O, S, N ou P. Il renferme aussi habituellement de
l'hydrogène.
, .
11)3~Z~4
Ce composé est soluble à au moins 1 % en poids dans l'eau
et inversement l'eau est soluble à au moins 1 % en poids dans ce com-
posé, à la temp~rature où l'on met en oeuvre le procéd~. Ce compo-
sé présente aussi une solubilit~ appréciable dans au moins un hydro-
carbure, par exemple au moins 10 ppm en poids, puisque l'invention a
pour objet de traiter les solutions de composés polaires dans les
hydrocarbures.
On citera par exemple comme composés susceptibles d~être
retenus, des alcools, par exemple l'alcool butylique secondaire, des
polyols comme le glycol, des sulfoxydes, par exemple le diméthylsul-
foxyde, des amides, par exemple le méthylformamide, le diméthylfor-
mamide, diméthylacétamide, des lactames telle que la N-méthylpyrro-
lidone, des aldéhydes, comme le furfural, des sulfones, comme le
sulfolane, le diméthylsulfolane, des oxazines, comme la morpholine,
la N-methyl morpholine, la formyl-morpholine, des nitriles, des cé-
tones, des esters.
L'invention peut être mise en oeuvre en utilisant, par
exemple, des lits fixes de résines, suffisamment tass~s pour assurer
une surface de contact maximum avec la charge à traiter. Mais on
peut également employer des lits fluides convenablement agités.
On peut améliorer le rendement de l'opération en composé
polaire obtenu en faisant passer, sur une nouvelle colonne de résine
régén~rée, l'effluent recueilli après passage sur une première
colonne et dont la teneur en composé polaire est supérieure à un
seuil convenu.
Un ~chéma (figure 1) joint à la présente demande illustre
l'invention, sans être toutefois limitatif.
Z est un appareil dans lequel on met en contact un mé-
lange d'hydrocarbures de degrés de saturation différents et un com-
` 30 posé polaire ou solvant. Le solvant y est introduit par la ligne 1et les hydrocarbures par la ligne 2. L'extrait contenant la majeure
partie du solvant et les hydrocarbures les moins saturés est recueil-
li par la ligne 3 tandis que le raffinat constitué par les hydrocar-
bures plus saturés et une petite quantité de solvant
-6-
~(~3~ t4
sort par la ligne 4.
On dispose de deux colonnes Cl et c2 contenant une ré-
sine échangée humide l'une pouvant être régénérée pendant que
l'autre fonctionne.
Dans l'installation en cours de fonctionnement, on fait
arriver le raffinat, par la ligne 5, dans la colonne c2 dont la
résine a été régénérée. Le mélange entre en contact avec la résine
qui fixe préférentiellement le solvant qulil contient. On recueille
par la ligne 6, le raffinat débarrassé de solvant.
- Pendant ce temps, on alimente la colonne Cl, par la
ligne 7 et la ligne 8, par une partie ou la totalité de la charge
hydrocarbonée à traiter qui entraine le solvant fixé par la résine.
Le mélange est ensuite envoyé dans z par l'intermédiaire de la
ligne 2.
On alimente la colonne C2 jusqu'à ce que la capacité
de la résine soit atteinte et de manière à ce que la teneur globale
en solvant du raffinat récupéré ne dépasse pas une teneur spécifiée
généralement inférieure à quelques dizaines de ppm, de préférence
10 ppm en poids.
On manoeuvre alors les vannes 9 et 10 de manière à ce
que le raffinat soit maintenant dirigé vers la colonne Cl par la
ligne 11 et la charge à traiter vers la colonne C2, par la ligne
12.
Le raffinat débarrassé de solvant est alors recueilli
par la ligne 13 et la charge hydrocarbonée entrainant le solvant
rejoint la ligne 2 par la ligne 14.
On inverse ainsi le rôle des colonnes Cl et C2 à des
intervalles de temps réguliers.
Il est avantageux d'utiliser trois colonnes de résines
dont deux en série pour réaliser l'étape de fixation, la troisième
fonctionnant, pendant ce temps, en étape de régénération. Le nom-
bre de colonnes n'est pas limitatif pour l'invention.
--7--
"
103~
L'extrait sortant par la ligne 3 est envoyé dans une
colonne de distillation 15 ou tout autre appareillage dans lequel
il est séparé en ses constituants. Les hydrocarbures sont recueillis
par la ligne 16 et le solvant par la ligne 17 qui rejoint la ligne
1.
Les exemples suivants, donnés à titre non limitatif,
feront mieux comprendre l'invention.
EXEMPLE 1 (comparatif)
On traite un mélange contenant en poids:
1,98 % de diméthylformamide
97,95 % d'hydrocarbures paraffiniques et naphténiques
(à 6, 7 et 8 atomes de carbone)
0,07 % de benzène
en le mettant en contact avec 15 g d'une résine XE 284 contenue
dans une colonne de 60 cm de hauteur et maintenue à une température
voisine de 25C.
Il s~agit d'une résine cationique, macroporeuse, dont
la surface est d'environ 600 m2 par gramr.le et dont le taux de réti-
culation en divinylbenzène est élevé, commercialisée par Rohm et
Haas sous la forme H+. On échange préalablement cette résine en la
mettant en contact avec une solution aqueuse de potasse, afin de
remplacer les ions H+ par des cations K+. Puis, la r~sine est lavée
et s~chée sous-vide et sa teneur en eau est alors de 0,23 % en
poids.
Le mélange s'écoule à travers la colonne avec un débit
de 153 g/heure.
Le mélange obtenu a une teneur globale en diméthyl-
formamide inférieure à 10 ppm en poids pendant 5 heures, après 5
heures de fonctionnement, on observe une augmentation notable de
la teneur de l'effluent récupéré en diméthylformamide. On arrête
l'opération et procède à la régénération.
La régénération, à la même température avec un agent
--8--
.. . . -
103~284 ~
d'~lution constitué par une coupe hydrocarbonée, contenant 75 %
d'aromatiques tels que le ~enzène et le tolu~ne et 25 /O d'hydrocar-
bures paraffiniques et naphténiques de même nature que ceux contenus
dans le mélange traité, permet de récupérer des mélanges dans les-
quels on retrouve 15,15 g de diméthylformamide.
EXEMPLE 2
On rép~te l'essai de l'exemple 1, mais le mélange trai-
té contient en outre 0,05 % poids d~eau.
On règle le débit de manière à ce que les quantités de
mélange injecté, sans tenir compte de l'eau, soient les mêmes que
dans l'exemple 1.
On constate après plusieurs cycles d'absorption et
régénération que d'une part la teneur en eau de la résine est mon- ;
tée au fur et à mesure des essais jusqu'à stabiliser à 13-14 % et
d'autre part la quantité d'hydrocarbures contenant le solvant,
traitée par la résine avait augmenté après que la teneur en eau de
la résine se soit stabilisée.
On constate que l'augmentation de la teneur en solvant
de l'effluent se produit après 5 heures 30 mn: on observe donc
une augmentation de la capacité de la résine d'environ lO %.
EXEMPLE 3
On fait passer sur un lit de résine convenablement
tassé dans une colonne de hauteur: 80 cm et de diamètre: 0,7 cm,
une solution dont la composition pondérale est la suivante:
n-hexane 63 %
n-heptane 30 %
benzène 5 %
diméthylformamide 2 %
en le faisant circuler de bas en haut.
La résine utilisée est une résine macroporeuse, macro-
réticulée à Squelette polystyrénique réticulé par du divinylbenzène,
contenant initialement des groupements fortement acides SO3H et qui
_g_
\
~31284
sont traités de manière à remplacer l'ion H+ par le cation NH4+.
Pour cela, on s'assure par un lavage à l'acide sulfurique que tous
les groupements sont mis SOU5 forme S03H, puis on traite la résine
par une solution normale de NO3NH4. La résine est ensuite abondam-
ment lavée par de l'eau déminéralisée afin d'éliminer toutes traces
,d'acide nitrique ou de nitrate d~ammonium n~ayant pas réagi. Ainsi
préparée, la résine est sous forme active.
` Lorsqu'on s'aperçoit que le produit recueilli contient
plus de 20 ppm en volume de diméthylformamide, on procède à la ré-
génération de la résine en faisant circuler de haut en bas de la
colonne un mélange dont la composition pondérale est:
Benzène 70 %
hydrocarbures non-
aromatiques 30 %
Ceci constitue un cycle.
La température de la colonne est maintenue à 25C.
Le poids de-résine est de 15,4 g ~poids sec).
On const~te que:
, 1) en utilisant une résine sèche (teneur en eau: 0,2 % en poids)
,20 et des produits secs, on traite, à chaque cycle, 185 g de solu-
tion qui fournissent un effluent contenant 20 ppm en volume de
diméthylaformamide et on utilise 573,5 g d'agent d'élution.
Le rapport pondéral aaent d'élution = 3 1
solution traitée
et la capacité de fonctionnement de la résine est de 24,02 % en
poids.
2) en utilisant une résine sèche (0,2 % en poids d'eau) et une
charge humide (teneur en eau voisine de 0,1 % en poids) la quantité
de charge traitée est de 185 g pour le premier cycle et augmente
progressivement,jusqu'à se stabiliser à 215 g en fournissant un
effluent contenant 20 ppm en,volume de diméthylformamide. On ob-
serve que, à ce stade, la teneur en eau sur la résine se fixe à
--10--
.~
103~Z84
13,6 % en poids.
Le rappQrt agent d'élution à chaque cycle est égal à 3,1.
solution traitée
~a capacité de la résine atteint 27,g2 % en poids.
3) en utilisant une résinè humide (teneur en eau = 30,35 % en poids)
et une charge humide (0,1 % en poids d'eau), on atteint un état
d'équilibre du système qui fournit les mêmes résultats que dans 2).
En particulier, la teneur en eau sur la résine se fixe à 13,6 % en
poids.
EXEMPLE 4
On fait passer sur un lit de résine analogue à celui de
l'exemple 3 une charge dont la composition pondérale est la suivante:
Oléfines et cyclooléfines en C6 10 %
n-heptane 39 %
Cyclohexane 20 %
benzène . 30 %
diméthylformamide 1 %
La température de la colonne est de 40C.
Le poids de résine..est de 14 g (poids sec). La teneur en
0 eau de cette résine est de 14 %.
L'agent d'élution utilisé a pour composition pond~rale:
benzène . 97 %
hydrocarbures non aromatiques 3 %
On traite ainsi à chaque cycle 380 g de charge pour obtenir
un effluent contenant moins de 10 ppm en volume de DMF1 800 g
d'agent d'élution sont nécessaires pour régénérer la résine.
Le rapport agent d~élution est d 2 1
charge
EXEMPLE S
Dans une colonne de résine analogue à celle de l'exemple 3,
on traite 35 kg.d'une charge constituée par une solution à 7,3 ppm
en volume de diméthylsulfoxyde dans un mélange formé de 80 % de
^ ~03~Z~4
pentane et 20 % de mélange (benzène, tolu~ne, xylène). On opère à ~,
40C sous un pression de 2 atmosphères. On utilise 4,6 g d~ résine
(poids sec) contenant 20 % en poids d'eau. On obtient un effluent
dans lequel le DMSO est indosable (moins de 0,1 ppm en volume).
100 g d'eau sont utilisés pour la régénération.
EXEMPLE 6
On traite 1400 g d'une solution à 0,2 % en poids de diméthyl-
sulfoxyde dans l'isooctane avec 10,7 g de résine identique à celle
de l'exemple 3, à la température de 40C.
On obtient un effluent dont la teneur en DMSO est d'environ
20 ppm en volume.
On régénère la résine à 70OC ~ chaque cycle avec 740 g d~un
agent d'élution constitué de 80 % en poids d~aromatiques C6C7 et
20 % en poids de paraffines C6-C8.
EXEMPLE 7
On traite à 40C 195 g d~une solution formée de 85 % en
poids d'heptane, 14 % en poids de toluène et 1 % en poids de N-
méthyl pyrrolidone avec 10 g (poids sec) de résine sous forme NH4+
décrite ~ l'exem,ple 3, contenant 15 % en poids d'eau. Le mélange
obtenu contient moins de 10 ppm en poids de NMP. On régénère alors
à 60C par 545 g d'un mélange de 90 % de toluène et 10 % d'hydro-
carbures paraffiniques et cycloparaffiniques (C -C ).
EXEMPLE 8
15 g de la même résine humide sont utilisés à 25C pour
traiter 165 g d'un mélange formé en poids de 90 % d'heptane, 8 % de
toluène et 2 % d'acétonitrile. L'effluent contient 17 ppm en poids
d'acétonitrile.
On régénère à 25C avec 500 g d'un mélange formé de 65 %
en poids de benzène et 35 % d'hexane.
_XEMPLE 9
5 g de la même résine humide sont utilisés pour traiter à
60C 10 Kg d'un mélange à 25 % d'aromatiques (m~lange de benzène,
. h
-12-
, .-.. ,, ::, .
103~Z84
toluène et xylènes) et 75 % d'heptane, contenant 20 ppm en poids
.
de sulfolane.
Le mélange obtenu contient moins de 0,2 % en poids de sul-
folane.
La résine est régén~rée à 60C avec 150 g d'eau. ~.
'
-13-
,
