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PROCEDE DE PURIFICATION DU BENZENE
La présente invention est relative à un procédé de purification du benzène contenant des hydrocarbures non aromatiques, en particulier du n-heptane et du cyclohexane, à titre d'impuretés, et cela au moyen d'un procédé de distil- lation.
Pour l'obtention de benzène de grande pureté, par exemple d'un benzène ayant un point de solidification supé-
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rieur à 5,4 , il faut la mise en oeuvre d'une grande quan- tité d'énergie et d'appareils importants. Ordinairement, on décompose tout d'abord le produit initial, constitué par un mélange préalablement purifié de benzène, de toluène et de xylène, en les fractions individuelles constituées par le benzène, le toluène et le xylène dans une colonne de distillation fonctionnant avec un très grand rapport de reflux, par exemple un rapport de 1 à 900, en même temps que l'on sépare une tête de distillation qui contient en particulier les impuretés les plus volatiles.
Ensuite, on soumet à nouveau la fraction de benzène ainsi obtenue à une purification, par exemple par une distillation azéotropique ou un procédé d'extraction. Un traitement du benzène par une distillation à pression normale ne conduit pas au degré de pureté désiré.
Cependant, une distillation azéotropique de même qu'une extraction demandent en général la mise en oeuvre d'une quantité considérable d'énergie supplémentaire.
Dans ces conditions, on a trouvé qu'on peut assu- rer la purification du benzène de manière à en porter le point de solidification au-dessus de 5,4 avec un appareil- lage très simple, tout en réduisant considérablement les dépenses d'énergie, si on assure la séparation, en parti- culier celle de l'heptane d'avec le benzène, sous une pres- sion accrue.
En conséquence, le procédé de la présente inven- tion consiste à décomposer le produit de départ, dans une colonne de distillation, sous une surpression de 2 à 20 atmosphères, en un produit qui se rassemble au bas de la colonne et qui contient la majeure partie du n-heptane à côté d'une faible quantité de benzène, et en un produit que
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l'on prélève sur le côté ou à la tête de la colonne et qui contient la majeure partie du benzène et du cyclohexane.
Les raisons de la manière d'opérer selon l'in- vention résident essentiellement dans le fait que, lorsque la pression augmente, il se produit un enrichissement du constituant dans le produit de tête de la distillation, quand ce constituant est celui qui a la chaleur de vapori- sation moléculaire la plus grande. Dans le cas présent, le benzène a la chaleur de vaporisation moléculaire la plus élevée, quand on le compare au n-heptane. C'est pourquoi il est possible d'obtenir dans la colonne fonctionnant sous une pression accrue une élimination déjà poussée de l'impu- reté, constituée par le n-heptane, qui distille difficile- ment, de sorte qu'on obtient un benzène déjà très purifié et qui convient sans autre traitement pour bien des appli- cations.
La quantité d'énergie qui est nécessaire pour opé- rer selon la présente invention, et qui est absorbée prin- cipalement par la consommation de vapeur servant au chauf- fage de la colonne sous pression, peut être couverte entière- ment par le fait que désormais la séparation du mélange initial de benzène, de toluène et de xylène en les fractions individuelles n'a plus besoin de se faire avec un rapport de reflux d'environ 1 à 900, mais simplement avec un rapport de reflux d'environ 1 à 50, car le procédé de la présente invention est en mesure de transformer en un benzène très pur même un benzène moins fortement purifié au préalable.
Ainsi que cela a été indiqué, la pression qui règne dans la colonne sous pression peut être comprise entre 2 et 20 atmosphères. La pression effectivement appliquée dépend en premier lieu de la proportion des impuretés non
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aromatiques dans le produit dont on est parti, c'est-à- dire leur proportion les unes par rapport aux autres et par rapport au benzène. Sous des pressions inférieures à deux atmosphères, on ne peut plus, en général, parvenir à un enrichissement satisfaisant du n-heptane dans le bas de la colonne. Les pressions supérieures à 20 atmosphères environ n'apportent pas une amélioration telle de la sépa- ration initiale que l'augmentation correspondante des dé- penses d'installation et de fonctionnement soit justifiée.
Avec les benzènes tels qu'on peut les envisager ordinaire- ment pour le traitement par le procédé selon l'invention, la zone de pression la plus favorable est comprise à peu près entre 5 et 10 atmosphères. Dans le cas d'une surpres- sion d'environ 5 atmosphères, on applique avec avantage au sommet de la colonne sous pression une température d'envi- ron 150 , et au bas de la colonne, une température d'envi- ron 160 .
La suite de la purification du produit contenant la partie principale du benzène telle qu'on l'obtient à la sortie de la colonne sous pression sous la forme d'une va- peur peut se faire de différentes manières, suivant les degrés de qualité qu'on impose en dernier ressort au benzène de grande pureté. Pour peu qu'un traitement complémentaire soit nécessaire, ce dernier peut se faire par exemple par prélèvement, sur la colonne sous pression, de deux frac- tions de vapeur, l'une étant prélevée au sommet sous la forme d'un mélange azéotropique de cyclohexane et de benzène, et l'autre sous la forme, d'un produit prélevé sur le côté et contenant la majeure partie du benzène à côté d'un peu de cyclohexane.
On peut alors traiter ce produit, extrait par le côté, dans une colonne latérale, en séparant le
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cyclohexane ou un mélange azéotropique de cyclohexane et de benzène, et en réintroduisant ce mélange dans la colonne sous pression. La colonne latérale fournit alors, dans le bas, un produit qui est un benzène de grande pureté qu'on extrait du circuit. Cette manière d'opérer fournit un ben- zène de grande pureté qui peut présenter un point de soli- dification allant jusqu'à 5,42 .
Si l'on impose des conditions très sévères à la pureté du benzène, c'est une autre forme d'exécution du procédé de la présente invention qui est plus avantageuse.
Cette forme d'exécution consiste à extraire de la colonne sous pression uniquement un produit de tête, c'est-à-dire que l'on ne prélève pas de produit sur le côté. Ce produit de tête contient la majeure partie du benzène, de même que toutes les impuretés qui ne se sont pas concentrées dans le bas de la colonne, et, dans une seconde colonne qui se trouve sous la pression normale ou sous une dépression, on sépare ledit produit de tête, à des températures adaptées à la pression réalisée, en deux fractions dont l'une, la fraction de tête, contient la majeure partie du cyclohexane à côté de faibles quantitésde benzène, tandis que l'autre fraction, prélevée dans le bas de la colonne, représente du benzène très pur d'un point de solidification considé- rablement supérieur à 5,4 , et atteignant par exemple 5,48 .
Pour la seconde colonne, on a observé qu'il est particulièrement avantageux d'utiliser une pression absolue d'environ 400 mm de mercure, la température au sommet n'étant alors que de 50 , et la température au bas de la colonne d'environ 58 . Cependant, on peut également adopter une pression absolue plus élevée. Le choix de la pression dé- pend de la proportion de reflux qu'on veut appliquer pour
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cette colonne. En outre, l'augmentation du volume absolu des vapeurs, lorsque la pression absolue baisse, constitue une limite naturelle à une diminution plus importante de la pression.
Deux colonnes ont été exploitées à reflux d'une manière connue en elle-même. Pour la colonne sous pression, une proportion de reflux comprise entre 1/2,5 et 1/5 s'est révélée judicieuse. On produit le reflux à partir des va- peurs de tête de la colonne sous pression, en refroidissant une partie de ces vapeurs, par un échange de chaleur indi- rect avec le produit du bas de la seconde colonne, ou avec le produit de départ fraîchement introduit, ou à la fois avec les deux produits, et en condensant. L'autre partie des vapeurs de tête de la colonne sous pression est conduite, en majeure partie sous la forme de vapeur, dans la seconde colonne.
Pour la colonne qu'on fait fonctionner sous une pression qui est une dépression ou la pression normale, il est avantageux de prévoir un rapport de reflux de 1%300 à 1/1000.
Le procédé qui fait l'objet de la présente inven- tion ne se limite pas à un produit de départ contenant du benzène, dont les autres composés aromatiques, distillant à température plus élevée, ont déjà été séparés par une distillation préalable. Bien au contraire, le produit de départ du procédé selon l'invention peut aussi contenir, en dehors du benzène et des composés non aromatiques pré- cités, des composés aromatiques distillant à température . plus élevée que le benzène, en particulier du toluène et du xylène.
Le procédé est illustré de façon plus détaillée
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sur le dessin annexé par un schéma des circuits, et plus spécialement pour le cas où, dans la colonne sous pression, on ne soutire qu'une fraction à l'état de vapeur à titre de produit de tête que l'on soumet ensuite à un traitement complémentaire dans une colonne à dépression. Les chiffres indiqués sont relatifs au traitement d'une tonne de benzène par heure. Le produit de départ, un benzène redistillé, a un point de solidification de 5,22 et contient encore, en dehors du benzène, 0,1 % en poids de cyclohexane et 0,5 % en poids de n-heptane.
A la sortie du réservoir 1, le ben- zène parvient, à une température de réchauffage préalable d'environ 100 et par une conduite 2, dans l'échangeur de chaleur 3 où il recueille de la chaleur à partir des vapeurs de la colonne de distillation 4, par condensation de ces vapeurs. Le benzène parvient ensuite, à une température d'environ 145 et à travers une conduite 5, dans un échan- geur 6 qu'il abandonne à une température de 154 . Ensuite, le benzène pénètre dans la colonne sous pression 4 qui se trouve sous une surpression de 5 atmosphères. Le chauffage de la colonne 4 s'effectue à l'aide d'un bouilleur 7 à travers lequel on fait circuler une partie du produit re- cueilli au bas de la colonne. La température du bas de la colonne est d'environ 160 . On refroidit le produit du bas de la colonne dans un réfrigérant 8, puis on le soutire par la conduite 9.
Il est constitué par 23,1 kg de liquide d'écoulement par heure, dont 4,1 kg sont du n-heptane et 19 kg du benzène.
On maintient le sommet de la colonne 4 à 152 environ. Le mélange de vapeurs s'échappe de la colonne par la conduite 10 et est conduit en partie par la conduite 11 à travers l'échangeur de chaleur 12 faisant fonction de
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condenseur, et à travers l'échangeur de chaleur 3, ce qui conduit à une condensation pratiquement complète. On re- cueille le produit de la condensation dans le réservoir 13 et on le réintroduit par la conduite 14 dans la colonne sous pression 4 à titre de reflux dans une proportion de 2,9 tonnes par heure à une température d'environ 65 C.
L'autre courant partiel des vapeurs sortant de la colonne sous pression parvient par la conduite 10a et par la conduite 15 dans la colonne de distillation 16 qui se trouve soit sous la pression normale, soit sous une pression réduite. Dans le schéma des circuits, l'instal- lation a été représentée dans le cas où il règne dans la colonne 16 une dépression, par exemple une pression de 400 mm de hauteur de mercure. Pour produire cette dépres- sion, on détend le mélange de vapeurs arrivant par la con- duite 10a dans une buse 17, cependant qu'on aspire constam- ment par la conduite 18, et à la sortie du récipient 19 collecteur du condensat monté à la suite de la colonne 16, des vapeurs résiduelles dans une proportion telle que la dépression désirée s'établisse.
S'il s'agit de faire fonc- tionner la colonne 16 sous la pression normale, ce qui sera possible dans de nombreux cas, on peut supprimer la buse 17 et la conduite 18. Au lieu de cela, il suffit de prévoir, sur le récipient 19 collecteur du condensat, simplement une conduite d'évacuation de l'air.
Dans la colonne 16, on fait arriver le produit de tête de la colonne sous pression 4 dans une proportion de 976,9 kg par heure. On fait circuler à travers l'échan- geur de chaleur 12 le contenu du bas 'de la colonne 16 et par ce moyen on maintient ce dernier à une température d'environ 58 . La température du sommet est de 50 . On
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soutire du fond de la colonne 16, par la conduite 20, un benzène de grande pureté dans une proportion de 974,9 kg par heure, ce benzène contenant moins de 0,01 % de cyclo- hexane (0,09 kg) et moin de 0,1 % de n-heptane (0,8 kg).
Le point de solidification de ce benzène de grande pureté est de 5,48 .
On fait passer le mélange de vapeurs, qui s'échappe de la colonne 16 par la conduite 21, dans le condenseur 22 où il se produit une condensation complète. On réintroduit à titre de reflux au sommet de la colonne 16 une partie du condensat à travers la conduite 23, et cela dans'une pro- portion d'environ 1000 kg par heure. On soutire par la con- duite 24 du récipient 19 collectant le condensat, un produit de tête représentant environ 2 kg par heure et qui se com- pose pour moitié de cyclohexane et pour moitié de benzène.