BRPI0908337B1 - Method for purifying metacrylic acid - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA PURIFICAR ÁCIDO METACRÍLICO". A presente invenção refere-se a um processo para purificar ácido metacrílico e a um sistema para condução deste processo.

Processos para preparar ácido metacrílico são conhecidos há algum tempo. A oxidação controlada de gases hidrocarbonetos, por exemplo, propileno ou butileno, é um procedimento habitualmente utilizado. Esse processo tem como desvantagens os rendimentos obtidos, que são bem baixos quando considerados no geral.

Além disso, o ácido metacrílico pode ser obtido pela reação de metacrilamida com água. Esse processo está descrito especialmente no documento US 7 253 307. De acordo com essa publicação, a reação de metacrilamida com água pode ser efetuada em reator tanque agitado ou reator tubular. É dada preferência que a reação seja conduzida em pressão na faixa de 365 a 770 kPa (3,65 a 7,70 bar) e temperatura na faixa de 50 a 210°C. A mistura resultante da reação é resfriada por um trocador de calor e transferida para um separador de fases. Nesse ponto, a fase aquosa é separada da fase orgânica, o produto desejado sendo isolado, então, da fase orgânica.

Os processos descritos no documento US 7 253 307 para preparar ácido metacrílico já resultam em bons rendimentos associados com alta pureza. No entanto, o ácido metacrílico é um importante produto na indústria química, servindo como matéria-prima para muitos produtos de importância. Por conseguinte, rendimento máximo, em especial alta pureza associada com baixos custos de preparação, é fundamental para que um processo deste importante produto seja bem-sucedido em termos econômicos. Mesmo beneficiamentos relativamente pequenos, relativamente aos rendimentos, à vida útil dos sistemas ou a características semelhantes do processo, levam a avanço considerável no que se refere ao volume de resíduos e os custos de preparação.

Tendo em vista a técnica anterior, a presente invenção tem, por conseguinte, como objetivo prover um processo para preparar ou purificar ácido metacrílico que possa ser conduzido em maneira especialmente sim- pies e barata. Neste processo, o rendimento, a pureza e a vida útil do sistema empregado para preparar ácido metacrílico devem ser especialmente aumentados. Adicionalmente, a formação de subprodutos indesejados deve ser minimizada. A presente invenção tem, por conseguinte, como objetivo adicional prover um sistema para preparar ácido metacrílico que possibilite a produção muito barata de ácido metacrílico.

Estes objetivos, e objetivos adicionais não explicitamente declarados, porém imediatamente evidentes ou discerníveis a partir das ligações aqui discutidas a título de introdução, são atingidos por um processo com todas as características da reivindicação 1. Modificações apropriadas ao processo de acordo com a invenção estão protegidas em reivindicações secundárias. Com referência ao sistema para condução do processo, a reivindicação 21 oferece uma solução ao problema de interesse. A presente invenção consequentemente provê um processo para purificar ácido metacrílico, o qual é caracterizado pelo fato de que a mistura da reação obtida por reação de metacrilamida com água, é resfriada pela mistura com meio aquoso e, em seguida, transferida para um separador de fases.

Como resultado dessas medidas, é surpreendentemente possível prover um processo para preparar ou para purificar ácido metacrílico cujas propriedades exibam perfil especialmente excelente. É surpreendentemente possível, por meio do processo de acordo com a invenção, preparar ácido metacrílico em maneira especialmente simples, segura e barata. No processo, é possível, inter alia, aumentar o rendimento, a pureza e a vida útil do sistema empregado na preparação de ácido metacrílico. Além disso, a formação de subprodutos indesejados pode ser minimizada pelo processo da presente invenção. Sistemas preferidos para condução do processo da presente invenção podem contribuir para as vantagens mencionadas em maneira não antevista de imediato.

De acordo com o presente processo, ácido metacrílico é obtido por reação de metacrilamida com água. Esta reação pode ser referida como hidrólise ou saponificação. A reação pode ser efetuada em batelada ou continuamente, por exemplo, em reator tubular ou reator tanque agitado. Em uma característica especial da presente invenção, a reação pode ser efetuada de modo contínuo em reator tubular. Os termos "contínuo" e "reator tubular" são conhecidos na área técnica. Reações contínuas são especialmente entendidas no sentido de reações em que reagentes são adicionados e produtos são removidos da mistura da reação sobre um período prolongado. Reatores tubulares compreendem pelo menos uma região tubular na qual pode ser dado prosseguimento à reação. Estes reatores possuem tipicamente construção relativamente simples e, dessa forma, os custos de capital são comparativamente baixos.

Dentro do reator tubular, pode haver, de preferência, uma diferença em pressão em direção ao fluxo seguido pela mistura da reação. Essa pressão diferencial pode ser obtida, inter alia, por meio de diferentes sub-regiões dentro do reator tubular, delimitadas entre si, por exemplo, por válvulas. Em uma concretização preferida da presente invenção, esta característica pode ser gerada por pressão hidrostática, em cujo caso a mistura da reação percorre uma diferença em altura na direção seguida pelo fluxo. A pressão diferencial, presente preferivelmente entre a entrada dos reagentes e a saída dos produtos do reator tubular, não é por si mesma fundamental, embora vantagens surpreendentes sejam claramente exibidas no caso de alta pressão diferencial. No entanto, alta pressão diferencial é em muitos casos associada com altos custos de capital. Vantagens inesperadas podem ser obtidas, especialmente se a pressão diferencial for de pelo menos 50 kPa (0,5 bar), mais preferivelmente de pelo menos 100 kPa (1 bar) e, o mais preferível, de pelo menos 150 kPa (1,5 bar). O gradiente de pressão pode assumir, nesta exposição, qualquer forma, por exemplo, uma forma em etapas. No entanto, é dada especial preferência a processos em que a pressão é alterada continuamente. Isso pode ser ocasionado por meio de reatores tubulares cujo eixo, o qual é definido pela direção do fluxo da mistura da reação, está inclinado em relação à superfície do piso. O ângulo de inclinação é, de preferência, em torno de 90°, ou seja, o reator tubular está alinha- do essencialmente em direção vertical em relação à superfície do piso, embora desvios relativamente pequenos, por exemplo, de menos de 10°, de preferência de menos de 5o, possam ser em muitos casos tolerados.

Em uma configuração especialmente apropriada, os reagentes podem ser convertidos em alta pressão no início da reação e em pressão mais baixa ao final da reação. Essa modificação pode ser preferivelmente configurada em virtude de se escoar o fluxo através do reator tubular, o qual está inclinado com referência à superfície do piso, da parte inferior a superior, de modo que a direção do fluxo tenha um componente direcional alinhado em ângulos retos em relação à superfície do piso. A reação pode ser efetuada em pressão elevada ou reduzida. Vantagens surpreendentes no tocante ao rendimento e a pureza do produto, além das vidas úteis do sistema, podem ser obtidas especialmente pela condução da reação em pressão na faixa de 100 kPa (1 bar) a 800 kPa (8 bar), de preferência de 150 kPa (1,5 bar) a 600 kPa (6 bar) e, mais preferivelmente, na faixa de 200 a 500 kPa (2 a 5 bar).

De modo apropriado, a conversão pode ser realizada no início da reação em pressão variando de 150 a 600 kPa (1,5 a 6 bar), especialmente de 200 a 450 kPa (2 a 4,5 bar) e, mais preferivelmente, de 250 a 350 kPa (2,5 a 3,5 bar), e no final da reação em pressão variando de 100 a 500 kPa (1 a 5 bar), mais preferivelmente de 150 a 400 kPa (1,5 a 4 bar) e, o mais preferível, de 200 a 300 kPa (2 a 3 bar). A temperatura da reação pode igualmente se encontrar em ampla variação. Vantagens as quais por si próprias não são previsíveis, no entanto, por exemplo, em relação ao rendimento, à taxa da reação e a vida útil da instalação, podem ser obtidas em virtude de se conduzir a reação em temperatura na faixa de 90 °C a 150°C, de preferência, de 100 °C a 140 °C.

Os beneficiamentos detalhados acima podem ser adicional e surpreendentemente aperfeiçoados, convertendo-se os reagentes no início da reação em temperatura mais baixa do que ao final da reação. De modo apropriado, a temperatura ao final da reação pode ser pelo menos 5 °C mais alta, de preferência, pelo menos 10 °C mais, do que no início da reação. A temperatura ao final da reação é, de preferência, no máximo 25 °C mais alta, preferivelmente, no máximo, 20 °C mais alta do que no início da reação. Por exemplo, a conversão no início da reação pode ser em temperatura na faixa de 100 °C a 130 °C, de preferência, na faixa de 105 °C a 125 °C e, o mais preferível, na faixa de 110 °C a 120 °C. Em direção ao final da reação, as temperaturas na faixa de 110 °C a 150 °C são especialmente preferidas. Em uma configuração especial, a temperatura máxima atingida pode ser no máximo de 160 °C, mais preferivelmente, no máximo, de 150 °C e, o mais preferível, no máximo de 135 °C. De modo apropriado, a temperatura pode ser medida e controlada em pelo menos duas regiões do reator.

Assim como os reagentes, a mistura da reação pode compreender aditivos conhecidos na área técnica. Estes incluem especialmente catalisadores, por exemplo, ácidos, e estabilizantes, os quais previnem a polime-rização dos compostos insaturados. A reação pode ser catalisada de preferência com ácido, em cujo caso, ácido sulfúrico pode ser utilizado com especial preferência. O ácido sulfúrico pode ser adicionalmente acrescentado à mistura da reação. Além disso, o ácido sulfúrico pode estar presente em um dos reagentes, por exemplo, na metacrilamida e/ou água. O pH da mistura utilizada pode estar, de preferência, na faixa de 1 a 7, mais preferivelmente na faixa de 1 a 2. A fim de prevenir a polimerização indesejada dos compostos insaturados, é possível utilizar inibidores de polimerização na reação. Estes compostos, por exemplo, hidroquinonas, éteres de hidroquinona, como mo-noetil éter de hidroquinona ou di-terc-butilpirocatecol, fenotiazina, N,N’-(difenil)-p-fenilenodiamina, 4-hidroxi-2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxila, p-fenilenodiamina, azul de metileno ou fenóis com impedimento estérico, são amplamente conhecidos na área técnica. Estes compostos podem ser utilizados individualmente ou na forma de misturas, e são, de modo geral, disponíveis comercialmente. A reação dos estabilizantes consiste geralmente em sua atuação como removedores de radicais livres para os radicais livres eventualmente resultantes no transcorrer da polimerização. Para detalhes adicionais, é feita referência à literatura técnica comum, especialmente a Rõmpp-Lexikon Chemie; editores: J. Falbe, M. Regitz; Stuttgart, Nova York; 10a Edição (1996); sob o título "antioxidants", e as referências citadas no mesmo.

Em princípio, o reator tubular pode ser carregado com água suprida ao reator a partir de qualquer fonte desejada, desde que esta água não contenha ingredientes que pudessem afetar adversamente a reação de hi-drólise ou as etapas subsequentes do processo. Por exemplo, água desmi-neralizada ou água corrente pode ser suprida ao reator. No entanto, é da mesma forma possível o suprimento de água misturada a compostos orgânicos ao reator, conforme obtida, por exemplo, na purificação de ácido meta-crílico. Em uma concretização preferida do processo apresentado nesta exposição, o reator é carregado pelo menos parcialmente com água misturada a tais compostos orgânicos. A razão molar de água para metacrilamida, na mistura utilizada da reação pode, por exemplo, se encontrar na faixa de 7:1 a 1:1, mais preferivelmente, de 5,5:1 a 4:1.

De preferência, pode-se utilizar uma mistura que compreenda 10 a 40% por peso, mais preferivelmente, 20 a 30% por peso de metacrilamida, 20 a 50% por peso, mais preferivelmente, 26 a 32% por peso de água, 30 a 65% por peso, mais preferivelmente, 40 a 52% por peso de ácido sulfúrico e 0 a 5% por peso, mais preferivelmente, 0,1 a 4% por peso de aditivos adicionais.

Vantagens surpreendentes podem ser especialmente obtidas no caso de tempo de permanência na faixa de 10 minutos a 2 horas, mais preferivelmente, de 20 minutos até 1 hora.

Para o êxito da invenção, é fundamental que a mistura reagida obtida pela reação seja resfriada pela mistura com meio aquoso e, em seguida, transferida para um separador de fases. É, dessa forma, surpreendentemente possível aumentar a vida útil do sistema, ao mesmo tempo em vantagens adicionais são também obtidas. Mais especialmente, essa confi- guração possibilita aumentar o rendimento de ácido metacrílico e minimizar a formação de subprodutos, especialmente de constituintes sólidos, na mistura da reação. A temperatura do meio aquoso, pelo qual a mistura resultante da reação é resfriada, se encontra, de preferência, na faixa de 20 °C a 80 °C, mais preferivelmente, de 40 a 75 °C. A razão do volume da mistura reagida obtida pela reação relativamente ao meio aquoso pode se encontrar na faixa de 2:1 a 1:5, mais preferivelmente, de 1:1 a 1:3. O meio aquoso a ser utilizado para o resfriamento pode ser suprido fresco ao processo de produção. O meio aquoso pode ser formado, por exemplo, de água ou compreender constituintes adicionais, os quais, no entanto, não devem exercer efeito adverso sobre a mistura da reação. É especialmente apropriado utilizar um meio aquoso que tenha sido obtido pela separação da mistura reagida obtida pela reação. Essa medida possibilita reduzir os custos consideravelmente. Em maneira técnica e especialmente favorável, o meio aquoso pode ser descarregado do separador de fases. Essa configuração é possível como resultado do achado surpreendente de que a fase líquida a ser obtida na separação compreende, em muitos casos, proporções relativamente baixas de constituintes orgânicos, especialmente de subprodutos sólidos, e estas proporções podem ser ainda mais minimizadas por purificação ou por meio de volume adequado de uma primeira razão no separador de fases e a razão associada de refluxo.

Para a execução do processo de acordo com a invenção, um sistema pode contar com exatamente um único separador de fases no qual a mistura resultante da reação é separada em fase orgânica e fase líquida. De preferência, um sistema conta com dois ou mais separadores de fases, de forma que a mistura da reação seja introduzida de um primeiro separador de fases para um segundo separador de fases.

Essa configuração do processo possibilita que o circuito de resfriamento seja desvinculado em maneira especialmente simples e, consequentemente, de baixa manutenção, da descarga da fase inorgânica. Entre outros motivos, a descarga da fase inorgânica presente no segundo separa- dor de fases pode ser controlada a fim de serem obtidas melhorias adicionais à vida útil do sistema. O controle da descarga da fase inorgânica pode ser efetuado por meio de medição da pressão diferencial e/ou medição da capacidade. A corrente de descarga pode ser passada através de uma tela, de modo que partículas relativamente grossas sejam retidas. As partículas relativamente grossas inicialmente retidas podem ser mecanicamente comi-nuídas. Essa cominuição pode ser efetuada, por exemplo, por meio de fluxos turbulentos. Essa configuração contribui para melhorar ainda mais a operação livre de problemas do sistema, esta concretização sendo especialmente permitida pelo resfriamento específico da mistura da reação, uma vez que este possibilita minimizar a formação de subprodutos a um grau de tal modo significativo que somente pequenas quantidades de partículas relativamente grossas tenham que ser cominuídas.

Compostos orgânicos removidos, presentes na fase líquida, podem ser isolados em uma modificação especial do processo de acordo com a invenção. Para tanto, a fase líquida removida pode ser primeiramente introduzida em tanque carregado com vapor, com a finalidade de deslocar os constituintes orgânicos ainda presentes na fase líquida. Os constituintes orgânicos deslocados, os quais contêm alta proporção de ácido metacrílico, podem ser purificados e recuperados.

Em uma configuração especial, a fase orgânica da mistura da reação que foi separada pode ser purificada por destilação em dois estágios. É dada preferência a se remover primeiramente da fase orgânica subprodutos de baixo ponto de ebulição, de modo que ácido metacrílico bruto possa ser transferido do fundo do primeiro alambique para um segundo alambique. A fim de remover constituintes de baixo ponto de ebulição da fase orgânica, o ácido metacrílico bruto é alimentado de preferência para a metade superior de uma coluna de destilação. O fundo da coluna é aquecido de preferência de modo a ser atingida temperatura na parede de aproximadamente 50 a aproximadamente 120 °C. A purificação é efetuada tipicamente sob pressão negativa. A pressão no interior da coluna é de preferência de aproximadamente 4 a 30 kPa (40 a aproximadamente 300 mbar).

No topo da coluna, os constituintes de baixo ponto de ebulição são removidos. Especificamente, estes podem ser, por exemplo, éteres, ace-tona e formato de metila. Os vapores são subsequentemente condensados por meio de um ou mais trocadores de calor. Foi constatado ser útil em alguns casos, por exemplo, primeiramente efetuar uma condensação por meio de dois trocadores de calor, conectados em série e resfriados por água. No entanto, é igualmente possível utilizar somente um único trocador de calor nesse ponto. Os trocadores de calor são operados de preferência em estado vertical para aumentar a vazão e para que a superfície possa ser completamente umedecida. Em sentido descendente do trocador de calor resfriado por água ou dos trocadores de calor resfriados por água, pode estar conectado um trocador de calor resfriado por salmoura, Porém, é possível também conectar em sentido descendente uma cascata de dois ou mais trocadores de calor resfriados por salmoura. Em ainda outra configuração do equipamento, constituintes de baixo ponto de ebulição podem ser também descarregados através de uma saída para caldeira de baixa temperatura. Na cascata de trocadores de calor, os vapores são condensados, abastecidos com estabilizantes e, por exemplo, enviados para um separador de fases. Dado que os vapores podem compreender água também, qualquer fase líquida obtida é descartada ou enviada para utilização posterior. Um exemplo de outra possível utilização é reciclagem para reação de hidrólise. A fase orgânica removida pode ser parcialmente alimentada como refluxo no topo da coluna. Uma parcela da fase orgânica pode ser, por outro lado, utilizada para pulverizar o topo dos trocadores de calor ou o topo da coluna. Dado que a fase orgânica removida está misturada com estabili-zante, é assim possível, no princípio, prevenir efetivamente a formação de zonas de calmaria. Em segundo lugar, a presença do estabilizante suprime ainda mais a tendência à polimerização dos vapores removidos. A corrente de material condensado, obtida a partir dos trocadores de calor, é ainda misturada de preferência com água desmineralizada em tal maneira suficiente para permitir que a separação ocorra no separador de fases.

Os compostos gasosos que restam após a condensação nos trocadores de calor em cascata de permutador podem, de preferência por meio de ejetores de vapor como geradores de pressão negativa, ser mais uma vez submetidos à condensação por meio de um ou mais outros trocadores de calor. Foi constatado ser vantajoso por motivos econômicos quando esta pós-condensação condensa somente as substâncias gasosas provenientes da pré-purificação. Por exemplo, é possível alimentar substâncias gasosas adicionais, à medida que surgirem da principal purificação de ácido metacrílico, para esta pós-condensação. A vantagem desse procedimento reside, por exemplo, em assim ser-se capaz de transferir, mais uma vez, uma proporção de ácido metacrílico que não tenha sido condensada no estágio da principal purificação, por intermédio do separador de fases para a coluna de purificação com a finalidade de ser conduzida pré-purificação. Dessa forma, é assegurado, por exemplo, que ocorra rendimento máximo e perdas mínimas de ácido metacrílico. Além disso, a seleção adequada do desenho e da operação destes outros trocadores de calor permite que a composição do gás de refinaria (offgas) que sai destes trocadores de calor, especialmente o conteúdo de caldeiras de baixa temperatura, seja ajustada.

Para purificação fina do ácido metacrílico, o ácido metacrílico bruto, pré-purificado, é submetido à outra destilação. Esta nova descarga libera o ácido metacrílico bruto dos constituintes de alto ponto de ebulição, com a ajuda de uma coluna de destilação para que ácido metacrílico glacial possa ser obtido. A coluna de destilação pode, em princípio, corresponder a qualquer desenho que aparente ser adequado para aqueles versados na técnica. No entanto, foi constatado ser vantajoso, em muitos casos, para a pureza do produto resultante que a coluna de destilação seja operada com um ou mais recheios que correspondam a aproximadamente os seguintes requisitos: Primeiramente, exatamente como nas outras linhas através das quais flui ácido metacrílico, no interior das colunas deve haver a formação de nível mínimo dos assim chamados "espaços mortos". Os espaços mortos fazem com que o tempo de permanência do ácido metacrílico seja comparativamente longo, promovendo a sua polimerização. Além disso, foi constatado que, surpreendentemente, espaços mortos não são, em muitos casos, adequados para serviço em grau suficiente por estabilizantes ou misturas de estabilizantes opcionalmente utilizados. A polimerização de ácido metacriii-co, por seu turno, resulta em interrupções de produção com alto custo e requer a limpeza das peças apropriadas obstruídas com polímero. Uma maneira de contornar a formação de espaços mortos é, tanto pelo desenho como por modo adequado da sua operação, carregar as colunas sempre com quantidade suficiente de líquido, de modo a ser conseguido fluxo constante para limpeza das colunas e, especialmente, dos dispositivos de contato no interior das colunas, como recheios. Por exemplo, as colunas podem contar com dispositivos de pulverização destinados a pulverizar os dispositivos de contato no interior da coluna. Adicionalmente, os dispositivos de contato no interior da coluna podem estar conectados entre si de modo que não sejam formados espaços mortos. Isso é conseguido por meio de orifícios de saída ou costuras de adesão interrompidas, conforme descrito abaixo. Estas costuras de adesão possuem pelo menos 2, de preferência, pelo menos 5 e, mais preferivelmente, pelo menos 10 interrupções por 1 m de extensão da costura de adesão. A extensão destas interrupções pode ser selecionada de modo que totalizem pelo menos aproximadamente 10%, de preferência, pelo menos aproximadamente 20% e, mais preferivelmente, pelo menos aproximadamente 50%, porém geralmente não mais de 95% da extensão da costura de adesão. Outra medida adotada no desenho pode ser a de que, nas áreas internas da coluna, especialmente aquelas que entram em contato com o ácido metacrílico, menos de aproximadamente 50%, de preferência menos de aproximadamente 25% e, mais preferivelmente, menos de aproximadamente 10% de todas as superfícies, especialmente dos dispositivos de contato no interior das colunas, estejam em sentido horizontal. Por exemplo, os cilindros (stubs) abertos para o interior da coluna podem ser configurados em forma cônica ou com superfícies oblíquas. Outra medida pode consistir em manter a quantidade de ácido metacrílico líquido, presente no fundo da coluna, tão baixa quanto possível durante a operação da coluna, e outro em prevenir o superaquecimento desta quantidade apesar de temperaturas moderadas e áreas de grande evaporação durante a evaporação. Pode ser vantajoso nesse contexto que a quantidade de líquido no fundo da coluna varie de aproximadamente 0,1 a 15% e, de preferência, de aproximadamente 1 a 10% da quantidade total de ácido metacrílico na coluna.

Na purificação do ácido metacrílico, seus constituintes de alto ponto de ebulição são separados do produto por destilação. A temperatura no fundo é, de preferência, de aproximadamente 50 a aproximadamente 80 °C, especialmente de aproximadamente 60 a aproximadamente 75 °C, em temperatura da parede de menos de aproximadamente 120 °C. O material obtido no fundo da coluna é removido, de preferência, continuamente e resfriado por meio de trocador de calor ou cascata de múltiplos trocadores de calor até uma temperatura na faixa de aproximadamente 40 a aproximadamente 80 °C, de preferência, de aproximadamente 40 a aproximadamente 60 °C e mais preferivelmente variando de aproximadamente 50 a 60 °C. A fim de melhorar o rendimento, o material do fundo do segundo alambique pode ser novamente submetido à evaporação. Este material do fundo do segundo alambique pode ser de preferência submetido à evaporação com evaporador de circulação, introduzido no segundo alambique. Essa configuração é preferida sobre evaporador de filme fino por motivos econômicos. No entanto, evaporadores de circulação requerem manutenção intensa se subprodutos sólidos estiverem presentes na mistura a ser evaporada. Surpreendentemente, no entanto, resfriamento surpreendente e efetivamente da mistura da reação, o qual leva à formação inesperadamente baixa de subprodutos e efetiva minimização dos constituintes sólidos, torna possível o uso de evaporadores de circulação.

No topo da coluna, o ácido metacrílico purificado por destilação é retirado e resfriado por meio de um trocador de calor ou dois ou mais trocadores de calor em cascata. Nesse caso, o calor dos vapores pode ser removido por trocadores de calor resfriados por água ou por trocadores de ca- lor resfriados por salmoura, ou por uma combinação dos dois. Foi constatado ser útil, em alguns casos, a transferência dos vapores provenientes da coluna de destilação para dois mais trocadores de calor conectados em paralelo, os quais são operados por refrigeração à água. As frações não condensadas, provenientes dos trocadores de calor resfriados por água, podem, por exemplo, ser introduzidas em um trocador de calor resfriado por salmoura ou em cascata de dois ou mais trocadores de calor resfriados por salmoura, dispostos em série ou em paralelo. Em uma configuração adicional do equipamento, constituintes de baixo ponto de ebulição podem ser removidos também através de uma saída para caldeira de baixa temperatura. Os materiais condensados a serem obtidos a partir dos trocadores de calor são introduzidos em um recipiente coletor e enviados para um recipiente de tampo-namento por meio de uma bomba, via outro trocador de calor ou cascata de dois ou mais outros trocadores de calor. A corrente de material condensado é resfriada, por exemplo, por meio de uma cascata de dois ou mais trocadores de calor resfriados por água e um ou dois trocadores de calor resfriados por salmoura até uma temperatura na faixa de aproximadamente 18 a aproximadamente 50 °C, de aproximadamente 18 a aproximadamente 40 °C e, mais preferivelmente, na faixa de aproximadamente 18 a 30 °C.

Uma corrente secundária é retirada da corrente de material condensado e reciclada na coluna de destilação, através do topo da coluna. Em princípio, a corrente de material condensado pode ser alimentada ao topo da coluna em qualquer maneira desejada, por exemplo, por intermédio de distribuidores. No entanto, pode ser vantajoso quando uma parte da corrente de material condensado é alimentada à linha dos vapores acima do topo da coluna, por exemplo, e seja nela pulverizada. É também preferido que essa alimentação introduza estabilizante no topo da coluna.

Uma corrente secundária adicional do material condensado, destinada à reciclagem na coluna, pode, por exemplo, ser separada em uma ramificação anterior à introdução na linha do vapor, e ser introduzida diretamente no topo da coluna. Nesse caso também, é preferido que esta introdução insira estabilizante no topo da coluna. A introdução no topo da coluna pode ser efetuada, por exemplo, em tal maneira que o interior do topo da coluna seja pulverizado com material condensado, de modo a não permitir a formação de zonas de calmaria no topo da coluna, nas quais o ácido meta-crílico possa se polimerizar. Pode ser adicionalmente vantajoso adicionar um estabilizante para prevenir que uma corrente secundária de material condensado se polimerize, quando esta for reciclada na coluna. Isso pode ser efetuado, por exemplo, adicionando-se uma quantidade apropriada de inibidor de polimerização, como estabilizante, à corrente secundária de material condensado destinado à pulverização do topo da coluna. Foi constatado ser vantajoso, em alguns casos, quando a corrente secundária de material condensado, após a adição do estabilizador, porém antes de entrar no topo da coluna, atravessa um equipamento adequado de mistura, de preferência, misturador estático, para que o estabilizante seja distribuído de modo substancialmente muito uniforme na corrente secundária de material condensado.

As substâncias gasosas não condensáveis, obtidas no processo de purificação, são, por exemplo, enviadas para descarte. O sistema para execução do presente processo pode compreender reatores conhecidos para reação de amidas com água. Estes incluem especialmente reatores tanque agitados e reatores tubulares. É dada preferência ao uso de reator tubular essencialmente alinhado verticalmente. Isso possibilita obter vantagens surpreendentes com referência às vidas úteis do sistema, e para o rendimento e a pureza do produto. O reator tubular possui, de preferência, pelo menos dois, mais preferivelmente, pelo menos três trocadores de calor, por meio dos quais a temperatura da reação pode ser ajustada para um perfil desejado.

Os reagentes podem ser introduzidos no reator tubular por meio de uma bomba. Para evitar interrupções da operação relacionadas com manutenção, é possível também prover duas ou mais bombas que podem ser conectadas em paralelo. Visualizados em direção ao fluxo, os reagentes podem ser misturados em sentido ascendente das bombas, em cujo caso, o sistema, mais preferivelmente, não possui dispositivos de contato adicionais para mistura na região entre as bombas e o reator tubular. Essas medidas possibilitam serem obtidas vantagens surpreendentes com referência à confiabilidade operacional e as vidas úteis do sistema, e em relação ao rendimento e a pureza do produto.

Um sistema preferido para condução do processo de acordo com a presente invenção possui pelo menos um único separador de fases, o referido separador de fases sendo conectado por uma linha de reciclagem à linha de alimentação, através da qual a mistura da reação é introduzida no separador de fases. Este sistema igualmente integra o objeto da presente invenção. A linha de reciclagem através da qual o separador de fases pode ser preferivelmente conectado à linha de alimentação, através da qual a mistura da reação pode preferivelmente ser introduzida no separador de fases, pode ser preferivelmente equipada com um trocador de calor. Isso possibilita o controle de temperatura da fase reciclada. O sistema pode contar com um, dois ou mais separadores de fases, preferência sendo dada a sistemas com pelo menos dois separadores de fases. De modo apropriado, o primeiro separador de fases pode ser conectado por uma linha de reciclagem à linha de alimentação através da qual a mistura da reação é introduzida no separador de fases. O segundo separador de fases compreende, de preferência, um equipamento para controle da descarga de material inorgânico. O segundo separador de fases possui, de preferência, volume maior do que o do primeiro separador de fases. O segundo separador de fases pode compreender pelo menos um único ponto de retirada, provido com pelo menos uma tela que retenha partículas relativamente grossas. Nesse caso, o ponto de retirada é de preferência modificado de modo que as partículas relativamente grossas retidas pela tela sejam mecanicamente cominuídas. A cominuição mecânica pode ser ocasionada, em particular, por fluxo turbulento, em cujo caso a fricção sobre as partículas, atingida em resultado na tela, leva à cominuição. Por exemplo, a tela pode ser configurada na forma de um tubo inserido suprido com furos.

Os componentes do sistema que entram em contato com ácido, especialmente o reator tubular, as bombas e o separador de fases, são construídos de preferência a partir de metal resistente a ácido, por exemplo, zircônio, tântalo, titânio ou aço inoxidável, ou metal revestido com, por exemplo, uma camada de verniz ou camada de zircônio. Adicionalmente, é possível também utilizar plásticos, por exemplo, componentes com bainha em PTFE, componentes de grafite ou materiais compostos de grafite, especialmente em bombas. A metacrilamida utilizada para preparar ácido metacrílico pode ser obtida, de preferência, pelo processo assim denominado ACH. A partir de cianeto de hidrogênio e acetona, cianohidrina de acetona é preparada em uma primeira etapa e, em seguida, convertida para metacrilamida. Estas etapas estão descritas, interalia, nos documentos US 7 253 307, EP-A-1 666 451 e DE 102006058251.9. O precedente será descrito, a seguir, por meio de exemplo com referência a desenhos não limitantes. O sistema descrito nas figuras refere-se, no presente contexto, a um sistema para preparar ácido metacrílico. As figuras mostram: figura 1: um desenho esquemático de um sistema para reagir metacrilamida com água, figura 2: um desenho esquemático de um sistema para pré-purificar ácido metacrílico, figura 3: um desenho esquemático de um sistema de purificação fina para ácido metacrílico e figura 4: um desenho esquemático de um sistema para separar a fase líquida, obtida a partir do sistema, para hidrólise de metacrilamida. A figura 1 exibe uma concretização preferida de um sistema 10 em que a metacrilamida é reagida com água. Através das linhas 100, a ami-da, transportada pelas bombas 101 e 102, é introduzida no reator tubular 103. A água exigida para a reação pode ser alimentada através de fonte externa na linha 100, a qual está conectada à linha 100 por meio da linha 104 na figura 1. Adicionalmente, pelo menos uma parte da água de um separador de fases 116, o qual será descrito posteriormente, pode ser introduzida por meio da linha 118 na linha 100. Nesse caso, o suprimento, visualizado em direção ao fluxo, pode ser efetuado em sentido ascendente das bombas 101 e 102. As bombas 101 e 102 são conectadas em paralelo. A conexão em paralelo da bomba 101 e a 102 permite aumentar a confiabilidade operacional. A fim de estabilizar a mistura da reação, estabilizantes podem ser adicionados através da linha 105. A temperatura do reator tubular 103 pode ser preferivelmente controlada por dois, mais preferivelmente, três trocadores de calor 106, 107 e 108, os quais, no presente caso, estão configurados como constituinte integrante do reator tubular. Para essa finalidade, é possível utilizar fluídos refrigerantes que circulam através de camisas, providas em vários segmentos do reator tubular. A mistura convertida da reação é descarregada por meio da linha 109, que leva a um primeiro separador de fases 110. No primeiro separador de fases, uma parte da fase líquida é removida. Esta parte da fase líquida é reciclada por meio da linha 111 e introduzida na linha 109. Esse circuito é mantido pelas bombas 112, 113, conectadas em paralelo. A fim de melhorar o desempenho do resfriamento da fase líquida reciclada por meio da linha 111, a concretização exibida no presente caso possui um trocador de calor 114. A mistura resfriada da reação é introduzida, por meio da linha 115, do primeiro separador de fases 110 para o segundo separador de fases 116. O segundo separador de fases 116 pode conter especialmente um dispositivo para controlar a descarga, o qual não é mostrado na presente figura. A fase líquida é descarregada através da linha 117, e uma parcela da fase líquida pode ser introduzida na linha que conduz a amida 100, especialmente através da linha 118. A parcela da fase líquida que não é reciclada pode ser submetida a tratamento. Um sistema adequado para essa finalidade é mostrado es-quematicamente na figura 4. A fase orgânica é descarregada a partir dessa parte da instalação através da linha 119. A fase orgânica é purificada, de preferência, por meio de um processo em dois estágios. O sistema mostrado na figura 1 pode contar com separadores de gás, os quais não são mostrados, em vários pontos. De modo vantajoso, é possível prover um separador de gás especialmente em sentido descendente do segundo separador de fases 116 e em sentido ascendente do sistema de destilação. A figura 2 exibe um sistema preferido de destilação 20, por meio do qual os constituintes de baixo ponto de ebulição da fase orgânica, os quais podem ser obtidos a partir da mistura da reação, são removidos.

Uma fase orgânica que pode ser obtida, por exemplo, por descarga do sistema 10, mostrado na figura 1, é introduzida por meio da linha 200 na coluna de destilação 201. A introdução pode ser efetuada, por exemplo, na região do topo da coluna. Os constituintes de baixo ponto de ebulição podem ser transferidos da região do topo da coluna de destilação 201 através da linha 202 para um trocador de calor 203. No trocador de calor 203, os vapores são resfriados e descarregados através da linha 204, e uma parte das substâncias condensadas pode ser reciclada e introduzida na 201 através da linha 205. Para estabilização, uma composição estabilizante pode ser introduzida na coluna. Isso pode ser feito, por exemplo, por meio da alimentação 206, através da qual uma mistura estabilizante pode ser introduzida na linha 205.

Uma parte do material do fundo da coluna pode ser evaporada em evaporador de partes inferiores 208 por meio da linha 207 e retornar à coluna. O material do fundo da coluna pode ser descarregado e do sistema pela bomba 210 através da linha 209. A figura 3 exibe uma concretização preferida de um sistema de destilação 30, com o qual o ácido metacrílico obtido na parte inferior do sistema de destilação acima descrito pode ser ainda purificado.

Uma composição contendo ácido metacrílico pode ser introduzida por meio da linha 300 na coluna de destilação 301. Constituintes de alto ponto de ebulição desta composição são descarregados da coluna através das partes inferiores por meio da linha 302. Uma parte dessa descarga pode ser evaporada em evaporador de partes inferiores 304, o qual é configurado de preferência como evaporador de circulação, através da linha 303 e ser introduzida no fundo da coluna 301.

Os vapores contendo ácido metacrílico são retirados da coluna por meio da linha 305 e condensados no trocador de calor 306. O ácido metacrílico condensado é retirado do sistema de destilação 30 através da linha 307. Uma parte da fase condensada no trocador de calor 306 pode ser introduzida através da linha 308 em um segundo trocador de calor 309, onde pode ser resfriada. Por meio da bomba 310, a fase assim resfriada pode ser introduzida no topo da coluna de destilação 301. A fim de estabilizar a composição presente na coluna de destilação 301, estabilizantes podem ser utilizados. Estabilizantes podem ser alimentados, por exemplo, por meio da linha 311, através da qual os estabilizantes podem ser introduzidos no trocador de calor 309. A figura 4 exibe um desenho esquemático de um sistema preferido para separação da fase aquosa, a qual é obtida a partir do sistema 10 para hidrolisar a metacrilamida. A fase líquida pode ser introduzida por meio da linha 400 em um recipiente com ácido 401 o qual é carregado com vapor por meio da alimentação 402. As substâncias gasosas liberadas resultantes são descarregadas através da linha 403 em um condensador 404. A fase líquida é transferida por meio da linha 405 para uma coluna 406, a qual é igualmente carregada com vapor por meio da alimentação 407. A descarga líquida pode ser descarregada através da linha 408. A fase em vapor é introduzida por meio da linha 409 em um condensador 404. A fase condensada é retirada do sistema por meio da linha 410 e pode, inter alia, ser enviada par o processo de hidrólise mostrado na figura 1, uma vez que esta fase contém alta proporção de água e de constituintes orgânicos voláteis, especialmente de ácido metacrílico e metacrilamida. A presente invenção será ilustrada a seguir por um exemplo, sem a intenção de que este deva impor uma restrição.

Exemplo 1 Ácido metacrílico (MA) é preparado em um sistema mostrado na figura 1. Neste sistema, com reator tubular 103 (reator; H = 19,7 m, D = 0,78 m, pressão máxima perm.: 6 bar (600 kPa), temperatura máxima perm.: 200°C), é assegurada operação virtualmente livre de problemas do sistema por mais de seis meses. No ciclo de sua operação, a carga do sistema pode ser variada dentro de amplo intervalo. Cargas de até 20 000 toneladas de MA por ano com pureza de pelo menos 99,5% (HPLC) são atingidas.

REIVINDICAÇÕES

Claims (29)

1. Processo para purificar ácido metacrílico, caracterizado pelo fato de que a mistura da reação obtida por reação de metacrilamida com água é resfriada por mistura com meio aquoso e transferida, em seguida, para um separador de fases (110,116).

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio aquoso é obtido por separação da mistura da reação obtida pela reação.

3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o meio aquoso é descarregado do separador de fases (110, 116).

4. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o meio aquoso possui temperatura na faixa de 20 °C a 80 °C.

5. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a mistura da reação é introduzida de um primeiro separador de fases (110) em um segundo separador de fases (116).

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a descarga da fase inorgânica presente no segundo separador de fases (116) é controlada.

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a descarga da fase inorgânica é controlada por meio de medição de pressão diferencial e/ou medição de capacidade.

8. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que a corrente de descarga é passada através de uma tela de modo que partículas relativamente grossas sejam retidas.

9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as partículas relativamente grossas são cominuídas mecanicamente.

10. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a razão do volume da mistura da reação obtida pela reação em relação ao meio aquoso encontra-se na faixa de 2:1 a 1:5.

11. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a reação é efetuada em temperatura na faixa de 90 °C a 150 °C.

12. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a reação é efetuada em pressão na faixa de 150 kPa a 600 kPa (1,5 bar a 6 bar).

13. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a reação é conduzida em reator tubular (103), cujo fluxo se inicia no fundo e prossegue em sentido ascendente.

14. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a reação é catalisada com ácido.

15. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a mistura da reação compreende pelo menos um estabilizante.

16. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a mistura utilizada compreende 10 a 40% por peso de metacrilamida, 20 a 50% por peso de água, 30 a 65% por peso de ácido sulfúrico e 0 a 5% por peso de aditivos adicionais.

17. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o pH da mistura utilizada varia na faixa de 1 a 2.

18. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o tempo de permanência varia na faixa de 10 minutos a 2 horas.

19. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a fase orgânica da mistura separada da reação é purificada por destilação em dois estágios.

20. Processo de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o material na parte inferior do segundo alambique (301) é evaporado com evaporador de circulação (304) e introduzido no segundo alambique.

21. Sistema para condução de um processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende pelo menos um separador de fases (110), o referido separador de fases (110) sendo conectado por uma linha de reciclagem (111) à linha de alimentação (109) através da qual a mistura da reação é transferida para o separador de fases (110).

22. Sistema de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a linha de reciclagem (111) pela qual o separador de fases (110) é conectado à linha de alimentação (109), através da qual a mistura da reação é transferida para o separador de fases (110), é equipada com um trocador de calor (114).

23. Sistema de acordo com a reivindicação 21 ou 22, caracterizado pelo fato de que o sistema possui dois separadores de fases (110, 116).

24. Sistema de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o primeiro separador de fases (110) é conectado por uma linha de reciclagem (111) à linha de alimentação (109) através da qual a mistura da reação é transferida para o separador de fases (110), e o segundo separador de fases (116) compreende controle da descarga inorgânica.

25. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 21 a 24, caracterizado pelo fato de que o segundo separador de fases (116) possui volume maior do que o primeiro separador de fases (110).

26. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 21 a 25, caracterizado pelo fato de que o segundo separador de fases (116) possui pelo menos um ponto de retirada ao qual é provida pelo menos uma tela que retém partículas relativamente grossas.

27. Sistema de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sítio de retirada é modificado de modo que as partículas re- lativamente grossas retidas pela tela são cominuídas mecanicamente.

28. Sistema de acordo com a reivindicação 26 ou 27, caracterizado pelo fato de que a tela é configurada na forma de tubo inserido provido com furos.

29. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 21 a 28, caracterizado pelo fato de que os separadores de fases (110,116) são construídos a partir de metal resistente a ácido ou de metal revestido, o qual compreende, por exemplo, uma camada de verniz ou uma camada de zircô-nio.