WO2016142608A1 - Procede ameliore de production d'acide (meth)acrylique - Google Patents

Procede ameliore de production d'acide (meth)acrylique Download PDF

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WO2016142608A1
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acrylic acid
meth
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flow
vacuum pump
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Sandeep Jain
Christian Lacroix
Michel Fauconet
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Arkema France SA
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Arkema France SA
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    • C07C57/03—Monocarboxylic acids
    • C07C57/04—Acrylic acid; Methacrylic acid

Definitions

  • the present invention relates to the production of (meth) acrylic acid.
  • the method according to the invention includes a dry vacuum pump condensation system, making it possible to reduce the quantity of ultimate aqueous discharges.
  • the invention also relates to a suitable installation for the implementation of this method.
  • This reaction is generally carried out in the gaseous phase, and most often in two stages: the first step carries out the substantially quantitative oxidation of propylene to a mixture rich in acrolein, then, in the second step, the selective oxidation of the acrolein to acrylic acid.
  • reaction conditions of these two steps carried out in two reactors in series or in a single reactor containing the two series reaction steps, are different and require catalysts adapted to the reaction; however, it is not necessary to isolate the intermediate acrolein in this two-step process.
  • the gaseous mixture resulting from the second stage consists, apart from acrylic acid:
  • condensable light compounds that are not converted in the first stage or that are formed in the second stage: water, unconverted acrolein, light aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde, formic acid, acetic acid or propionic acid;
  • the complexity of the gaseous mixture obtained in this process requires a set of operations to recover the acrylic acid contained in this gaseous effluent and transform it into an acrylic acid grade compatible with its end use, for example the production of acrylic acid polymers, or the production of acrylic ester polymers.
  • the first step of this recovery / purification phase consists in extracting the acrylic acid by counter-current absorption in a solvent, generally water supplied by an external source and / or originating from the process.
  • a solvent generally water supplied by an external source and / or originating from the process.
  • the amounts of water and gaseous reaction mixture are such that the mass content of acrylic acid in the crude aqueous solution produced is generally of the order of 40 to 80%.
  • this separation operation is generally carried out on an industrial scale by distillation with a third azeotropic solvent, which contributes to increasing the number of distillation columns and their associated energy costs.
  • the multiplication of the distillation columns entails an additional cost linked to the additional consumption of polymerization inhibitors which must be introduced on each of said columns, in order to carry out the purification of the desired product and the elimination of the subunits. products by avoiding problems of fouling of the apparatus by polymerization of the monomer.
  • a disadvantage of this process is that the introduction of external water as an absorption solvent makes it difficult to remove the water at the head of the absorption column without significant loss of acrylic acid, and the recovery of a quality of crude acrylic acid at a low concentration of water in lateral withdrawal, when this process is involved in a 2-column configuration.
  • EP 2,066,613 discloses a process for recovering acrylic acid without the use of external water or an azeotropic solvent and implementing only two purification columns of the cooled gaseous reaction mixture: a) a dehydration column, b ) and a finishing column (or purification column) fed with a portion of the foot flow of the dehydration column.
  • the dewatering column generally operates at atmospheric pressure or slightly higher.
  • the overhead gas stream is condensed and returned partially to the dewatering column as reflux to absorb acrylic acid.
  • the finishing column generally operates at a pressure below atmospheric pressure, allowing operating at relatively low temperatures, to thereby avoid polymerization of the unsaturated products present, and minimize the formation of heavy by-products.
  • the overhead distillate comprising water and light by-products is condensed and then recycled at the bottom of the first column, and a stream comprising acrylic acid enriched in heavy by-products is removed in foot to be used optionally for the production of acrylic esters.
  • a flow of purified acrylic acid corresponding to a technical grade is recovered by lateral withdrawal in the form of liquid or vapor.
  • the technical acrylic acid obtained is generally greater than 98.5% by weight and contains less than 0.5% by weight of water.
  • the condenser releases residual vapors comprising organic impurities which must be removed, for example by incineration, which is harmful to the environment.
  • volumetric pumps that generate the vacuum are generally distinguished by using liquid seals (oils, organic products or water), such as, for example, vane pumps and liquid ring pumps, and so-called "drive" pumps. which is the flow of a fluid that creates the depression (ejector pumps, jet steam, ).
  • drive is the flow of a fluid that creates the depression (ejector pumps, jet steam, ).
  • the most commonly used systems involve water jet or water vapor ejectors or liquid ring pumps, mainly water ring.
  • the present invention firstly relates to a process for recovering (meth) acrylic acid without the use of an azeotropic solvent, from a gaseous reaction mixture comprising (meth) acrylic acid obtained by gas phase oxidation of a precursor of (meth) acrylic acid, comprising at least the following steps:
  • dehydration column i) subjecting the gaseous reaction mixture to dehydration without the use of an azeotropic solvent in a first column called dehydration column, resulting in a head stream of which at least a portion is condensed and returned to the dehydration column in the form of reflux, and to a foot flow;
  • said method being characterized in that the top flow of the finishing column is at least partly subjected to a dry vacuum pump condensation system, forming a condensate which is returned to the dewatering column, and an ultimate gaseous effluent .
  • (meth) acrylic means "acrylic” or "methacrylic”.
  • azeotropic solvent denotes any organic solvent having the property of forming an azeotropic mixture with water.
  • the term "light” qualifying by-product compounds refers to compounds with a boiling point lower than that of (meth) acrylic acid, and by analogy, the term “heavy” refers to compounds whose point of boiling is greater than that of (meth) acrylic acid.
  • the process according to the invention may furthermore comprise other steps aimed at continuing the purification of the (meth) acrylic acid stream recovered in step iii).
  • the invention also has one or, preferably, several of the advantageous features listed below:
  • the dry vacuum pump condensation system comprises at least one condenser and a dry vacuum pump (which may also be called a primary dry vacuum pump);
  • the dry vacuum pump condensation system may optionally comprise, in addition to the primary dry vacuum pump, a liquid separator, one or more flame arrestors, one or more filters, sealing systems and isolation, a pump or a combination of dry booster pumps, such as for example "Roots” pumps (positive displacement pumps using two synchronized rotors rotating in the opposite direction);
  • At least a portion of the flow of (meth) acrylic acid withdrawn laterally is subjected to a dry vacuum pump condensation system, the same or different from that used for the top flow of the finishing column.
  • the precursor of (meth) acrylic acid is acrolein.
  • acrolein is obtained by oxidation of propylene or by oxyhydrogenation of propane.
  • the precursor of (meth) acrylic acid is methacrolein.
  • methacrolein is obtained by oxidation of isobutylene and / or tert-butanol.
  • methacrolein is obtained from butane and / or isobutane oxidation hydrogenation.
  • the gaseous reaction mixture comprising (meth) acrylic acid obtained by gas phase oxidation of a precursor of (meth) acrylic acid comprises carbon of renewable origin.
  • the (meth) acrylic acid precursor is derived from glycerol, 3-hydroxypropionic acid or 2-hydroxypropanoic acid (lactic acid).
  • the gaseous reaction mixture comprises acrylic acid derived from propylene obtained by a two-stage oxidation process.
  • the process according to the invention produces a flow of (meth) acrylic acid without producing aqueous discharges, and does not require the use of an azeotropic solvent to remove water from the process.
  • the process according to the invention also contributes to limiting losses of (meth) acrylic acid at the top of the dehydration column.
  • the present invention also relates to an installation for recovering (meth) acrylic acid, suitable for implementing the method according to the invention.
  • the installation according to the invention comprises at least:
  • connection or “fluidically connected”, it is meant that there is connection by a pipe system capable of transporting a flow of material.
  • This connection system can include valves, taps, heat exchangers or compressors.
  • the invention also has one or, preferably, several of the advantageous features listed below:
  • the dry vacuum pump condensation system comprises at least one condenser fluidly connected to a dry vacuum pump;
  • the dry vacuum pump condensation system comprises several condensers
  • the dry vacuum pump condensation system may optionally include a liquid separator, one or more flame arrestors, one or more filters, sealing and isolation systems, a pump or a combination of pumps.
  • dry fillers such as Roots pumps;
  • the finishing column is fluidly connected to a dry vacuum pump condensation system at the top of the column or at the top of the column and laterally to the column.
  • the dry vacuum pump condensation system is fluidly connected to the finishing column for condensing a distilled stream at the top of the finishing column, or for condensing a stream withdrawn laterally from the finishing column, or a mixture of these two flux.
  • Another object of the invention is a process for producing (meth) acrylic acid comprising at least the following steps:
  • At least one (meth) acrylic acid precursor is subjected to gas phase oxidation to form a gaseous reaction mixture comprising (meth) acrylic acid;
  • the present invention makes it possible to overcome the disadvantages of the state of the art related to the implementation of a solvent-free recovery / purification process that requires obtaining a purified (meth) acrylic acid.
  • FIGS. 1 to 4 show:
  • FIG. 1 diagram of a process for producing acrylic acid illustrating the recovery / purification process without solvent according to the invention.
  • the invention is based on the integration of a dry vacuum pump fluidly connected to a condenser forming a dry vacuum pump condensation system in a process for producing (meth) acrylic acid.
  • a reactor R producing a gaseous reaction mixture comprising (meth) acrylic acid obtained by gas phase oxidation of a (meth) acrylic acid precursor.
  • the gaseous reaction mixture comprising a mass ratio water / acid (meth) acrylic generally between 0.3 and 2 may be previously cooled before being subjected to dehydration according to step i) of the process according to the invention in a first Cl 00 column called dehydration column.
  • the dehydration column leads to a head stream 14, a part of which is condensed and returned to the dehydration column in the form of reflux 13 to absorb the (meth) acrylic acid, the other part 19 comprising the incondensable light compounds being generally sent partially or totally to a purification device or partly recycled to other stages of the (meth) acrylic acid production process, preferably in a stage upstream of the reactor R.
  • the reactor R is a set of 2 reactors in series or comprises at least 2 reaction zones in series, the first reactor or the first reaction zone being used for the synthesis of the precursor of the acid (meth) acrylic.
  • the entire head flow 14 of the dehydration column is sent into the head condenser.
  • step i) is to remove in a head flow most of the water present in the reaction mixture, but also the incondensable light compounds and condensable light compounds.
  • the dehydration column operates, at least partially, as a distillation column. It is supplied in its lower part by the reaction mixture 10. It generates a flow of the head 14 comprising most of the water and light compounds, this head flow being depleted in (meth) acrylic acid, and a flow of foot 11 comprising most of the (meth) acrylic acid with heavy byproducts.
  • the dehydration column operates at atmospheric pressure or slightly higher, up to 1.5 ⁇ 10 5 Pa.
  • the temperature in the upper part of the dehydration column is at least 40 ° C, preferably between 40 ° C and 80 ° C.
  • the temperature of the foot flow of the dewatering column preferably does not exceed 120 ° C.
  • step i) most of the water present in the gaseous reaction mixture comprising the (meth) acrylic acid is removed during step i) without there being excessive loss of acid acrylic in the head flow 19.
  • the mass content of water in the foot flow of the dehydration column is generally less than 10%, preferably less than 7%.
  • the foot flow 11 of the dehydration column is sent at least partly (stream 15) at the head of a second distillation column, called finishing column, or purification column, C200, in which a head flow 17 and a foot flow 20 are separated.
  • the foot flow of the dehydration column is sent at least partly between the head and the side draw of the purification column.
  • the foot flow of the dewatering column may pass partly into an intermediate tray before entering the purification column.
  • a portion 12 of the liquid flow 11 of the foot of the dehydration column is sent by a pump PI 10 in a heat exchanger El 10, which may be a heater or a cooler and reinjected into the dehydration column , so as to constitute a foot loop.
  • a pump PI 10 in a heat exchanger El 10
  • the portion 12 of the foot flow is reinjected between the feed of the reaction gas mixture and the dehydration head of the column.
  • the remainder (stream 15) of the liquid stream 11 is sent by the same pump PI 10 to feed the finishing column (or purification) C200.
  • the dewatering column and the finishing column may be of various configurations, for example loose or structured packing column type or tray columns.
  • the dehydration column generally comprises from 5 to 50 theoretical plates, preferably from 20 to 30 theoretical plates; the finishing column generally comprises from 5 to 30 theoretical plates, preferably from 8 to 20 theoretical plates.
  • the choice of the type of internals in the columns and the choice of ancillary equipment such as heat exchangers, condensers, pumps, fluid inlet and outlet will be easily determined according to considerations known to those skilled in the art.
  • the finishing column (or purification) is a distillation column associated with a reboiler and a condenser.
  • the temperature and pressure in the purification column are not critical, and can be determined according to distillation methods known from the state of the art. However, preferably, the purification column operates at a pressure below atmospheric pressure, allowing operate at relatively low temperatures, thus avoiding the polymerization of the unsaturated products present, and minimizing the formation of heavy by-products.
  • the purification column operates at a pressure ranging from 5 kPa to approximately 60 kPa, the temperature of the overhead stream being advantageously between 40 ° C. and approximately 90 ° C., and the temperature of the foot flow being included in the range 60 ° C. C and 120 ° C.
  • the top gas stream 17 of the finishing column C200 is sent at least partly, preferably wholly, into a dry vacuum pump system SI, shown in FIG. 1 by the assembly constituted by the condenser E220 and the dry vacuum pump 300.
  • the condensed liquid 18 mainly containing light compounds, in particular water and acetic acid, as well as (meth) acrylic acid, is advantageously recycled via a pump P220, in the dehydration column C100.
  • the uncondensed vent 22 at the outlet of the condenser E220 is introduced into the dry pump 300, before being eliminated in the form of an ultimate gaseous effluent 25.
  • dry vacuum piston pumps are described for example in US 2005/260085 or US 5,921,755.
  • the dry vacuum pumps can also be composed for example of a cylindrical body in which a rotor rotates in eccentric position, with notches in which are inserted pallets for sucking a gas stream. Any other type of configuration can be used as a dry vacuum pump.
  • dry indicates that no liquid flow, such as a lubricating oil or water, is in contact with the gas flow supplying the pump.
  • dry vacuum pumps As examples of dry vacuum pumps, mention may be made, without this list being limiting, of dry mechanical pumps with screws, bellows, spiral (scroll pumps), rotary piston, rotary lobe, diaphragm without oil, for example dry screw vacuum pumps marketed by Edwards, or rotor pumps, marketed by Sihi. These pumps create a primary vacuum which can if necessary be supplemented by other dry vacuum pumps, such as "Roots" booster dry pumps.
  • the vacuum obtained in the finishing column can be modulated according to the operating speed of the dry vacuum pump.
  • a flow of (meth) acrylic acid 16 is recovered by side withdrawal from the finishing column (step iii), at a lateral level preferably located below the feed of said column.
  • the product stream 16 withdrawn may be a liquid stream or a gas stream.
  • the stream 16 withdrawn laterally corresponds to a grade of (meth) acrylic acid technique. It generally consists of (meth) acrylic acid with a purity greater than 98%, preferably greater than 99%. Preferably, it contains less than 1.5%, preferably less than 0.5%, more preferably less than 0.2% by weight of acetic acid, and less than 1%, preferably less than 0.5%. more particularly, less than 0.3% by weight of water.
  • the stream 16 can be further subjected to purification by distillation, optionally coupled with a crystallization treatment.
  • At least a portion of the flow of purified (meth) acrylic acid 16 withdrawn laterally is subjected to a dry vacuum pump condensation system which may include the dry vacuum pump 300 used at the top of the finishing column.
  • the stream 16 is subjected to condensation in a condenser E230 and the gas stream 23 is sent into the vacuum pump 300.
  • the gas stream 22, possibly mixed with the stream 23, supplying the dry vacuum pump passes beforehand into a liquid separator device 310, which makes it possible to separate traces of residual liquid, rich in light compounds, in particular water and acetic acid, as well as residual (meth) acrylic acid.
  • this liquid stream will be recycled to the dehydration column, for example in a mixture with the flow 18 supplying the pump P220.
  • the gas leaving the dry vacuum pump passes through various elements, such as those described above, in particular at least one flame arrester 320, and a dry auxiliary pump 330, before to be finally sent to an incinerator.
  • the condensate 18, formed by the dry vacuum pump condensation system, is advantageously returned partly or wholly to the dehydration column, between the foot and the top of the column and preferably above the feed of the pump. reaction gas mixture. According to one embodiment, it is mixed with flow 12 of the foot loop of the dehydration column, as shown in Figure 1.
  • the stream 18 can pass through an intermediate storage tank before recycling in the dehydration column foot loop.
  • the bottom flow of the finishing column corresponds to a crude (meth) acrylic acid grade which can be used directly as raw material in an acrylic ester production unit by direct esterification, or possibly after a decomposition step. thermal Michael addition derivatives releasing (meth) acrylic acid.
  • the bottom stream can be purified in a third distillation column to obtain a technical grade (meth) acrylic acid.
  • the stream 16 of laterally withdrawn product and the bottom stream of the finishing column are recovered in a weight ratio of from 99: 1 to 25:75, preferably from 98: 2 to 50:50.
  • Polymerization inhibitors may be introduced at different locations in the installation for implementing the process of the invention, in particular in the overhead flow of the dehydration column at the condenser, or in the overhead flow of the column.
  • the polymerization inhibitors are selected from the compounds which inhibit the polymerization reaction of (meth) acrylic acid and are added in a sufficient amount known to those skilled in the art to avoid or reduce the polymerization of the acid (meth) )acrylic.
  • usable compounds mention may be made of phenothiazine, hydroquinone, 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy (Tempo) or one of its derivatives such as 4-hydroxy-Tempo, the salts Soluble copper salts, soluble manganese salts, alone or as a mixture, optionally in solution in water, in (meth) acrylic acid or in a mixture of water and (meth) acrylic acid.
  • the nature of the inhibitor varies according to the place where it is injected.
  • air or a gas comprising oxygen is introduced, for example in the feet of the dehydration and purification columns, in the reboilers of the columns, in the recirculation loop. foot dehydration column or at the side withdrawal of the purification column or in the condensers.
  • the process of the invention directly provides, in lateral extraction of the finishing column, a quality of (meth) acrylic acid which corresponds to a grade of technical (meth) acrylic acid, which can then be sent to a purification unit for example by crystallization, to obtain a quality of (meth) acrylic acid called "glacial". It also provides at the bottom of the finishing column, a quality of crude (meth) acrylic acid which can then be purified or heat treated to obtain a grade of technical (meth) acrylic acid.
  • the plant according to the invention adapted to implement the process for the recovery / purification of (meth) acrylic acid as described, comprises at least: a) a Cl 00 dehydration column;
  • Another subject of the invention relates to a process for producing (meth) acrylic acid comprising at least the following steps:
  • At least one (meth) acrylic acid precursor is subjected to gas phase oxidation to form a gaseous reaction mixture comprising (meth) acrylic acid;
  • the precursor of the (meth) acrylic acid may be acrolein or methacrolein, and may be derived from renewable raw material thereby producing biosourced (meth) acrylic acid.
  • the (meth) acrylic acid is acrylic acid and the precursor of acrylic acid is acrolein obtained by catalytic oxidation of propylene.
  • the oxidation reaction of step A), performed according to the state of the art, generally provides a gaseous reaction mixture, superheated at a temperature above 280 ° C.
  • This mixture is advantageously cooled according to a stage B), in particular up to a temperature below 250.degree. C., preferably below 190.degree. C., to be subjected according to stage C) to the acid recovery process (meth ) acrylic without the use of azeotropic solvent including a dry vacuum pump condensation system. It can be cooled directly in the dewatering column, or can be cooled using a heat exchanger located upstream of the dewatering column.
  • the condensation system with Dry vacuum pump can be used also in other processes that produce a gaseous reaction mixture, to reduce the amount of water and steam used, and thus reduce the amount of aqueous effluents discharged.
  • the gas stream 22 (67.6 kg / h) from the condenser E220 at the top of the finishing column C200 was subjected to a dry vacuum pump 300. This pump provides a pressure of 12 kPa at the top of the column C200.
  • a stream 23 (7.3 kg / h) from the condenser E230 placed at the side outlet of the technical acrylic acid stream was sent at the same time to the dry vacuum pump 300.
  • the main constituents of the incoming streams 22 and 23, as well as the composition of the outgoing gas flow, expressed in hourly mass flow (kg / h), are collated in Table 1.
  • Example 3 involves a steam ejector vacuum generator technology described in US 6,677,482 or US 7,288,169.
  • a system S2 incorporating a liquid ring pump P240 supplied with a stream of water 24.
  • the flow rate of the flow 24 introduced into the pump to ensure a pressure of 12 kPa is 1000 kg / h.
  • This system S2 comprises a pump P240, an exchanger E240 and a condensate collecting container R.
  • the pump P240 is fed on the one hand by the gas streams 22 and 23 coming from the column C200 and on the other hand by the aqueous stream 27.
  • the main role of this aqueous stream is to constitute a liquid seal necessary for the generation of the vacuum in the pump and ensure the renewal of the liquid by purging condensed impurities.
  • the heat released by the pump is eliminated by cooling the condensed flow through the exchanger.
  • the outflow of the pump is partly liquid and partly gaseous.
  • the two phases are separated in the container R and part of the liquid phase (essentially aqueous) is recirculated to the pump P240 after cooling in the exchanger E240.
  • This system S2 thus produces at the outlet a gas flow 25 (43.2 kg / h), but also a liquid effluent 26 in large quantity (1031.7 kg / h).
  • This stream 26 essentially aqueous, contains organic compounds in solution, at high concentrations (mainly 1.8% of acrylic acid, 0.5% of acetic acid), which render it unfit for rejection without additional purification treatment. .
  • FIG. 4 shows a system S3 incorporating two ejectors in series P240 and P250 fed respectively with 400 kg / h of water vapor (stream 27) and 600 kg / h of water vapor (stream 28), so as to ensure a pressure of 12 kPa at the head of the column C200.
  • This S3 system comprises the 2 pumps (ejectors) connected in series which are fed by pressure steam of 1500 kPa and 3 condensers.
  • the first ejector P240 is supplied on the one hand by the gas streams 22 and 23 from the column C200 and on the other hand by the flow of water vapor under pressure.
  • the gas stream leaving at a temperature of 144 ° C. is cooled to a temperature of 42 ° C. in a first condenser E 240.
  • the liquid condensate 29 is supplied to a collecting container condensates R and the non-condensed gas vents 30 are sent to the supply of the 2 nd P250 ejector.
  • the gaseous flow at 162 ° C. is cooled to a temperature of 42 ° C. in the condenser E250.
  • the condensed liquid stream 31 is sent to the receiver R.
  • the uncondensed vents 32 in this 2nd condenser are cooled to 15 ° C in the 3rd E260 condenser, producing a 3rd liquid condensate collected in the reservoir R.
  • the gas stream 25 not condensed in this 3rd condenser is eliminated.
  • This system S3 thus produces at the outlet a gas flow 25 (42.8 kg / h), but also an aqueous effluent 26 in large quantity (1032.1 kg / h).
  • This aqueous stream 26 contains organic compounds in solution, at high concentrations (mainly 1.8% of acrylic acid, 0.5% of acetic acid), which make it unfit for rejection without further purification treatment.

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de récupération/purification d'acide (méth)acrylique qui n'utilise pas de solvant azéotropique et basé sur la mise en œuvre de deux colonnes de purification d'un mélange réactionnel comprenant de l'acide (méth)acrylique. Le procédé selon l'invention inclut un système de condensation à pompe à vide sèche, permettant de réduire la quantité de rejets aqueux ultimes. L'invention a trait également à une installation adaptée pour la mise en œuvre de ce procédé.

Description

PROCEDE AMELIORE DE PRODUCTION
D'ACIDE (METH)ACRYLIQUE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne la production d'acide (méth)acrylique.
Elle a plus particulièrement pour objet un procédé de récupération/purification d'acide (méth)acrylique qui n'utilise pas de solvant azéotropique et basé sur la mise en œuvre de deux colonnes de purification d'un mélange réactionnel comprenant de l'acide (méth)acrylique. Le procédé selon l'invention inclut un système de condensation à pompe à vide sèche, permettant de réduire la quantité de rejets aqueux ultimes.
L'invention a trait également à une installation adaptée pour la mise en œuvre de ce procédé.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE ET PROBLEME TECHNIQUE
Les industriels ont développé depuis des décennies des procédés de synthèse de l'acide acrylique.
Le procédé, qui aujourd'hui est le plus largement exploité industriellement, met en œuvre une réaction d'oxydation catalytique du propylène en présence d'oxygène.
Cette réaction est conduite généralement en phase gazeuse, et le plus souvent en deux étapes : la première étape réalise l'oxydation sensiblement quantitative du propylène en un mélange riche en acroléine, puis, lors de la deuxième étape réalise l'oxydation sélective de l'acroléine en acide acrylique.
Les conditions de réaction de ces deux étapes, réalisées dans deux réacteurs en série ou dans un seul réacteur contenant les 2 étapes de réaction en série, sont différentes et nécessitent des catalyseurs adaptés à la réaction ; il n'est cependant pas nécessaire d'isoler l'acroléine intermédiaire au cours de ce procédé en deux étapes.
Le mélange gazeux issu de la deuxième étape est constitué, en dehors de l'acide acrylique :
- des impuretés issues de la première étape de réaction qui n'ont pas réagi ;
- de composés légers incondensables dans les conditions de température et de pression habituellement mises en œuvre, non transformés dans la première étape ou formés dans la seconde étape : azote, oxygène non converti, monoxyde et dioxyde de carbone formés en faible quantité par oxydation ultime ou tournant en rond, par recyclage, dans le procédé ;
- de composés légers condensables non transformés dans la première étape ou formés dans la seconde étape : l'eau, l'acroléine non converti, des aldéhydes légers comme le formaldéhyde et l'acétaldéhyde, l'acide formique, l'acide acétique ou l'acide propionique ;
- de composés lourds : furfuraldéhyde, benzaldéhyde, acide et anhydride maléique, acide benzoïque, acide 2-buténoïque, phénol, protoanémonine.
La complexité du mélange gazeux obtenu dans ce procédé nécessite de procéder à un ensemble d'opérations pour récupérer l'acide acrylique contenu dans cet effluent gazeux et le transformer en un grade d'acide acrylique compatible avec son utilisation finale, par exemple la production de polymères d'acide acrylique, ou la production de polymères d'esters acryliques.
La première étape de cette phase de récupération/purification consiste en une extraction de l'acide acrylique par absorption à contre-courant dans un solvant, généralement de l'eau amenée par une source extérieure et/ou provenant du procédé. Les quantités d'eau et de mélange réactionnel gazeux sont telles que la teneur massique en acide acrylique dans la solution aqueuse brute produite est généralement de l'ordre de 40 à 80%.
Il se pose néanmoins un problème économique très important, principalement en raison de l'énergie coûteuse nécessaire à l'élimination de l'eau utilisée comme solvant d'absorption de l'acide acrylique, dans la mesure où l'élimination efficace de l'eau sans perte exagérée d'acide (méth)acrylique est compliquée par l'existence d'interactions (liaisons hydrogène) entre les 2 composés.
Ainsi, cette opération de séparation est généralement réalisée à l'échelle industrielle par distillation avec un tiers solvant azéotropique, ce qui contribue à augmenter le nombre de colonnes de distillation et leurs coûts énergétiques associés. D'autre part, la multiplication des colonnes de distillation entraine un coût additionnel lié à la consommation supplémentaire d'inhibiteurs de polymérisation qui doivent être introduits sur chacune des dites colonnes, afin de réaliser la purification du produit recherché et l'élimination des sous-produits en évitant les problèmes d'encrassement des appareils par polymérisation du monomère.
Une alternative à ce processus qui utilise l'eau comme solvant d'absorption de l'acide acrylique est d'utiliser un solvant lourd hydrophobe pour extraire l'acide acrylique, mais un tel processus ne simplifie pas le procédé de purification de l'acide acrylique.
Récemment, pour pallier ces différents inconvénients, de nouvelles technologies « sans solvant » de récupération/purification d'acide acrylique sont apparues, impliquant un nombre réduit d'étapes de purification et supprimant l'introduction de solvant organique externe. Dans le procédé de production d'acide acrylique décrit dans le brevet US 7,151,194, le mélange réactionnel gazeux est envoyé dans une colonne d'absorption et mis en contact avec une solution aqueuse d'absorption, pour obtenir une solution aqueuse d'acide acrylique, qui est ensuite distillée en l'absence de solvant azéotropique. Un flux d'acide acrylique brut est obtenu en pied ou en soutirage latéral de la colonne de distillation, qui est envoyé ensuite sur une unité de purification par cristallisation. Un inconvénient de ce procédé est que l'introduction d'eau extérieure comme solvant d'absorption rend difficile l'élimination de l'eau en tête de colonne d'absorption sans perte importante d'acide acrylique, et la récupération d'une qualité d'acide acrylique brut à faible concentration d'eau en soutirage latéral, lorsque ce procédé est mis en jeu dans une configuration à 2 colonnes.
Le brevet EP 2 066 613 décrit un procédé de récupération d'acide acrylique sans utiliser d'eau extérieure, ni de solvant azéotropique et ne mettant en œuvre que deux colonnes de purification du mélange réactionnel gazeux refroidi : a) une colonne de déshydratation, b) et une colonne de finition (ou colonne de purification) alimentée par une partie du flux de pied de la colonne de déshydratation.
La colonne de déshydratation fonctionne généralement à la pression atmosphérique ou légèrement supérieure.
Dans la colonne de déshydratation, le flux gazeux distillé en tête est condensé et renvoyé en partie à la colonne de déshydratation sous forme de reflux pour absorber l'acide acrylique.
La colonne de finition fonctionne généralement à une pression inférieure à la pression atmosphérique, permettant d'opérer à des températures relativement faibles, pour éviter ainsi la polymérisation des produits insaturés présents, et minimiser la formation de sous-produits lourds.
Dans la colonne de finition, le distillât de tête comprenant de l'eau et des sous- produits légers est condensé puis recyclé en pied de la première colonne, et un flux comprenant de l'acide acrylique enrichi en sous-produits lourds est éliminé en pied pour être utilisé éventuellement pour la production d'esters acryliques.
Un flux d'acide acrylique purifié correspondant à un grade technique est récupéré par soutirage latéral sous forme de liquide ou de vapeur. L'acide acrylique technique obtenu est généralement de pureté supérieure à 98,5% massique et contient moins de 0,5%> massique d'eau.
Dans ce procédé, une partie des flux (du pied de la colonne de déshydratation ou de tête de la colonne de finition) est renvoyée avantageusement aux dispositifs de chauffage/rebouilleur de la colonne de déshydratation et/ou utilisée pour refroidir le mélange réactionnel gazeux, ce qui permet d'optimiser les besoins énergétiques du procédé. Malgré les avantages que procure le procédé décrit dans le document EP 2 066 613, il subsiste encore des inconvénients liés à sa mise en œuvre.
En particulier, en tête de la colonne de finition qui fonctionne sous vide, le condenseur libère des vapeurs résiduelles comprenant des impuretés organiques qu'il faut éliminer, par exemple par incinération, ce qui est néfaste pour l'environnement.
Les systèmes générateurs de vide disponibles pour réduire la pression de fonctionnement des colonnes de distillation sont nombreux (voir par exemple Techniques de l'Ingénieur, Pompes à vide, B4030, 10/11/1983). On distingue généralement des pompes dites « volumétriques » qui génèrent la dépression en utilisant des joints liquides (huiles, produits organiques ou eau), comme par exemple les pompes à palettes et pompes à anneau liquide, et des pompes dites « à entraînement », dans lesquelles c'est l'écoulement d'un fluide qui crée la dépression (pompes à éjecteurs, à jet de vapeur,...). Les systèmes les plus communément utilisés mettent en jeu des éjecteurs à jet d'eau ou de vapeur d'eau ou des pompes à anneau liquide, principalement à anneau d'eau.
Ces systèmes, ne sont pas adaptés à la réduction de la pression de fonctionnement de la colonne de finition d'un procédé de purification d'acide (méth)acrylique sans solvant, tel que celui décrit dans le document EP 2 066 613.
De tels systèmes, par exemple décrits dans les documents US 6,677,482 ou US 7,288,169, utilisent de la vapeur d'eau et génèrent en quantité importante des effluents aqueux contenant de l'acide acrylique et des impuretés organiques, qui ne peuvent pas être économiquement recyclées dans la boucle de purification formée par la colonne de déshydratation et la colonne de finition. En effet, il a été constaté que le recyclage d'une trop grande quantité d'eau au niveau de la colonne de déshydratation entraine des pertes conséquentes en acide acrylique en tête de cette colonne, à moins d'utiliser une colonne surdimensionnée mais entraînant un investissement coûteux. Ces effluents aqueux nécessitent donc d'être envoyés dans une station de traitement d'eau ou directement dans un oxydeur thermique, occasionnant ainsi d'une part une perte de produit noble et d'autre part un rejet nocif pour l'environnement. Les évents issus de ces systèmes sous vide, riches en composés incondensables, incinérés ou envoyés directement dans l'atmosphère, libèrent dans le premier cas des produits d'oxydation et dans le second cas des composés organiques polluants pour l'environnement.
Il subsiste donc un besoin d'éliminer et/ou réduire la génération de rejets aqueux dans un procédé de récupération/purification sans solvant permettant le fonctionnement sous vide de la colonne de finition.
Les inventeurs ont maintenant découvert que l'utilisation d'une pompe à vide sèche liée au fonctionnement de la colonne de finition dans un procédé de récupération/purification d'acide acrylique sans solvant permet de répondre à ce besoin, avec les avantages économiques et environnementaux en résultant.
Il est par ailleurs apparu aux inventeurs que cette invention pouvait s'appliquer à l'acide acrylique produit à partir d'autres sources que le propylène, à l'acide méthacrylique, ainsi qu'à ces acides dérivés de matières premières renouvelables, qui sont susceptibles de poser les mêmes problèmes de purification.
RESUME DE L'INVENTION
La présente invention concerne en premier lieu un procédé de récupération d'acide (méth)acrylique sans utiliser de solvant azéotropique, à partir d'un mélange réactionnel gazeux comprenant de l'acide (méth)acrylique obtenu par oxydation en phase gazeuse d'un précurseur de l'acide (méth)acrylique, comprenant au moins les étapes suivantes :
i) on soumet le mélange réactionnel gazeux à une déshydratation sans utiliser de solvant azéotropique dans une première colonne dite colonne de déshydratation, conduisant à un flux de tête dont une partie au moins est condensée et renvoyée à la colonne de déshydratation sous forme de reflux, et à un flux de pied ;
ii) on soumet au moins en partie le flux de pied de colonne de déshydratation à une distillation à une pression inférieure à la pression atmosphérique dans une seconde colonne dite colonne de finition, conduisant à un flux de tête, et à un flux de pied contenant des composés lourds ;
iii) on récupère un flux d'acide (méth)acrylique par soutirage latéral de la colonne de finition, et/ou en pied de la colonne de finition ;
ledit procédé étant caractérisé en ce que le flux de tête de la colonne de finition est au moins en partie soumis à un système de condensation à pompe à vide sèche, formant un condensât qui est renvoyé dans la colonne de déshydratation, et un effluent gazeux ultime.
Dans la présente invention, le terme « (méth)acrylique » signifie « acrylique » ou « méthacrylique ».
Le terme « solvant azéotropique » désigne tout solvant organique présentant la propriété de former un mélange azéotropique avec l'eau.
Le terme « léger » qualifiant les composés sous-produits désigne les composés dont le point d'ébullition est inférieur à celui de l'acide (méth)acrylique, et par analogie, le terme « lourd » désigne les composés dont le point d'ébullition est supérieur à celui de l'acide (méth)acrylique. Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre d'autres étapes visant à poursuivre la purification du flux d'acide (méth)acrylique récupéré à l'étape iii).
Selon certains modes de réalisation particuliers, l'invention présente également une ou, de préférence, plusieurs des caractéristiques avantageuses énumérées ci- dessous :
- le système de condensation à pompe à vide sèche comprend au moins un condenseur et une pompe à vide sèche (pouvant être dénommée aussi pompe à vide sèche primaire) ;
- le système de condensation à pompe à vide sèche peut comprendre de façon optionnelle, en plus de la pompe à vide sèche primaire, un séparateur de liquide, un ou plusieurs pare-flamme, un ou plusieurs filtres, des systèmes d'étanchéité et d'isolement, une pompe ou une combinaison de pompes sèches d'appoint, comme par exemple des pompes de type « Roots » (pompes volumétriques utilisant deux rotors synchronisés tournant en sens inverse) ;
- au moins une partie du flux d'acide (méth)acrylique soutiré latéralement est soumis à un système de condensation à pompe à vide sèche, identique ou différent de celui utilisé pour le flux de tête de la colonne de finition.
Selon un mode réalisation de l'invention, le précurseur de l'acide (méth)acrylique est l'acroléine.
Selon un mode réalisation de l'invention, l'acroléine est obtenue par oxydation de propylène ou par oxydéshydrogénation de propane.
Selon un mode réalisation de l'invention, le précurseur de l'acide (méth)acrylique est la méthacroléine.
Selon un mode réalisation de l'invention, la méthacroléine est obtenue par oxydation d'isobutylène et/ou de tert-butanol.
Selon un mode réalisation de l'invention, la méthacroléine est obtenue à partir d'oxydéshydrogénation de butane et/ou isobutane.
Selon un mode réalisation de l'invention, le mélange réactionnel gazeux comprenant de l'acide (méth)acrylique obtenu par oxydation en phase gazeuse d'un précurseur de l'acide (méth)acrylique comprend du carbone d'origine renouvelable.
Selon un mode réalisation de l'invention, le précurseur de l'acide (méth)acrylique est dérivé du glycérol, de l'acide 3-hydroxypropionique ou de l'acide 2-hydroxypropanoïque (acide lactique). Selon un mode réalisation préféré de l'invention, le mélange réactionnel gazeux comprend de l'acide acrylique dérivé de propylène obtenu selon un procédé d'oxydation en deux étapes.
Le procédé selon l'invention produit un flux d'acide (méth)acrylique sans produire de rejets aqueux, et ne nécessite pas l'utilisation d'un solvant azéotropique pour éliminer l'eau du procédé. Le procédé selon l'invention contribue également à limiter les pertes en acide (méth)acrylique en tête de la colonne de déshydratation.
La présente invention a également pour objet une installation pour récupérer de l'acide (méth)acrylique, adaptée pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention.
L'installation selon l'invention comprend au moins :
a) une colonne de déshydratation ;
b) une colonne de finition connectée f uidiquement en pied de ladite colonne de déshydratation ;
c) au moins un système de condensation à pompe à vide sèche connecté fluidiquement en tête de ladite colonne de finition.
d) de façon optionnelle un système de condensation à pompe à vide sèche E230/300 connecté fluidiquement latéralement à ladite colonne de finition.
Par « connexion fluidique » ou « connecté fluidiquement », on veut indiquer qu'il y a connexion par un système de conduites aptes à transporter un flux de matière. Ce système de connexion peut comprendre des vannes, des dérivations, des échangeurs de chaleur ou des compresseurs.
Selon certains modes de réalisation particuliers, l'invention présente également une ou, de préférence, plusieurs des caractéristiques avantageuses énumérées ci- dessous :
- le système de condensation à pompe à vide sèche comprend au moins un condenseur connecté fluidiquement à une pompe à vide sèche ;
- le système de condensation à pompe à vide sèche comprend plusieurs condenseurs ;
- le système de condensation à pompe à vide sèche peut comprendre de façon optionnelle, un séparateur de liquide, un ou plusieurs pare-flamme, un ou plusieurs filtres, des systèmes d'étanchéité et d'isolement, une pompe ou une combinaison de pompes sèches d'appoint, comme par exemple des pompes dites Roots ; - La colonne de finition est connectée fluidiquement à un système de condensation à pompe à vide sèche, en tête de colonne, ou en tête de colonne et latéralement à la colonne.
- le système de condensation à pompe à vide sèche est connecté fluidiquement à la colonne de finition pour condenser un flux distillé en tête de la colonne de finition, ou pour condenser un flux soutiré latéralement de la colonne de finition, ou un mélange de ces deux flux.
Un autre objet de l'invention est un procédé de production d'acide (méth)acrylique comprenant au moins les étapes suivantes :
A) on soumet à une oxydation en phase gazeuse au moins un précurseur d'acide (méth)acrylique pour former un mélange réactionnel gazeux comprenant de l'acide (méth)acrylique ;
B) on refroidit le mélange réactionnel gazeux ;
C) on soumet le mélange réactionnel gazeux refroidi au procédé de récupération de l'acide (méth)acrylique tel que défini précédemment.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la technique liés à la mise en œuvre d'un procédé de récupération/purification sans solvant que nécessite l'obtention d'un acide (méth)acrylique purifié.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures 1 à 4 annexées qui représentent :
- Figure 1 : schéma d'un procédé de production d'acide acrylique illustrant le procédé de récupération/purification sans solvant selon l'invention.
- Figure 2 : installation adaptée à la mise en œuvre du procédé de récupération illustrant un mode de réalisation de l'invention.
- Figure 3 : installation de l'art antérieur incluant un système de condensation à pompe à anneau liquide.
- Figure 4 : installation de l'art antérieur avec un système de condensation intégrant des éjecteurs de vapeur.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention est basée sur l'intégration d'une pompe à vide sèche connectée fluidiquement à un condenseur formant un système de condensation à pompe à vide sèche dans un procédé pour produire de l'acide (méth)acrylique. Sur la Figure 1 , on voit un réacteur R produisant un mélange réactionnel gazeux 10 comprenant de l'acide (méth)acrylique obtenu par oxydation en phase gazeuse d'un précurseur de l'acide (méth)acrylique. Le mélange réactionnel gazeux comportant un rapport massique eau/acide (méth)acrylique généralement compris entre 0,3 et 2 peut être préalablement refroidi avant d'être soumis à une déshydratation selon l'étape i) du procédé selon l'invention dans une première colonne Cl 00 dite colonne de déshydratation. La colonne de déshydratation conduit à un flux de tête 14 dont une partie est condensée et renvoyée à la colonne de déshydratation sous forme de reflux 13 pour absorber l'acide (méth)acrylique, l'autre partie 19 comprenant les composés légers incondensables étant généralement envoyée partiellement ou totalement à un dispositif d'épuration ou recyclée en partie vers d'autres étapes du procédé de production d'acide (méth)acrylique, de préférence dans une étape située en amont du réacteur R.
Selon un mode de réalisation, le réacteur R est un ensemble de 2 réacteurs en série ou comprend au moins 2 zones réactionnelles en série, le premier réacteur ou la première zone de réaction étant utilisée pour la synthèse du précurseur de l'acide (méth)acrylique.
Selon un mode de réalisation, la totalité du flux de tête 14 de la colonne de déshydratation est envoyée dans le condenseur de tête.
Le but de l'étape i) est d'éliminer dans un flux de tête l'essentiel de l'eau présente dans le mélange réactionnel, mais aussi les composés légers incondensables et les composés légers condensables. La colonne de déshydratation fonctionne, au moins partiellement, comme une colonne de distillation. Elle est alimentée dans sa partie inférieure par le mélange réactionnel 10. Elle génère un flux de tête 14 comprenant l'essentiel de l'eau et des composés légers, ce flux de tête étant appauvri en acide (méth)acrylique, et un flux de pied 11 comprenant l'essentiel de l'acide (méth)acrylique avec des sous-produits lourds.
Avantageusement, la colonne de déshydratation fonctionne à la pression atmosphérique ou légèrement supérieure, jusque 1,5 105 Pa.
Avantageusement, la température dans la partie supérieure de la colonne de déshydratation est d'au moins 40°C, de préférence est comprise entre 40°C et 80°C. La température du flux de pied de la colonne de déshydratation ne dépasse pas de préférence 120°C.
Selon l'invention, l'essentiel de l'eau présente dans le mélange réactionnel gazeux comprenant l'acide (méth)acrylique est éliminé au cours de l'étape i) sans qu'il n'y ait de perte excessive d'acide acrylique dans le flux de tête 19.
Aucun solvant azéotropique n'est ajouté dans la colonne de déshydratation. La teneur massique en eau dans le flux de pied de la colonne de déshydratation est généralement inférieure à 10%, de préférence inférieure à 7%.
Selon l'étape ii) du procédé selon l'invention, le flux de pied 11 de la colonne de déshydratation est envoyé au moins en partie (flux 15), en tête d'une seconde colonne de distillation, dite colonne de finition, ou colonne de purification, C200, dans laquelle sont séparés un flux de tête 17 et un flux de pied 20.
En alternative, le flux de pied de la colonne de déshydratation est envoyé au moins en partie entre la tête et le soutirage latéral de la colonne de purification.
Le flux de pied de la colonne de déshydratation peut passer en partie dans un bac intermédiaire avant de pénétrer dans la colonne de purification.
Selon un mode de réalisation, une partie 12 du flux liquide 11 de pied de la colonne de déshydratation est envoyée par une pompe PI 10 dans un échangeur de chaleur El 10, qui peut être un réchauffeur ou un refroidisseur et réinjectée dans la colonne de déshydratation, de façon à constituer une boucle de pied. De préférence, la partie 12 du flux de pied est réinjectée entre l'alimentation du mélange gazeux réactionnel et la tête de colonne de déshydratation. Le reste (flux 15) du flux liquide 11 est envoyée par la même pompe PI 10 en alimentation de la colonne de finition (ou purification) C200.
La colonne de déshydratation et la colonne de finition peuvent être de configurations diverses, par exemple de type colonne à garnissage vrac ou structuré ou colonnes à plateaux.
La colonne de déshydratation comprend généralement de 5 à 50 plateaux théoriques, de préférence de 20 à 30 plateaux théoriques ; la colonne de finition comprend généralement de 5 à 30 plateaux théoriques, de préférence de 8 à 20 plateaux théoriques. Le choix du type d'internes dans les colonnes et le choix des équipements annexes tels que échangeurs de chaleur, condenseurs, pompes, entrée et sorties des fluides seront facilement déterminés selon les considérations connues de l'homme de l'art.
La colonne de finition (ou purification) est une colonne de distillation associée à un rebouilleur et un condenseur.
La température et la pression dans la colonne de purification ne sont pas critiques, et peuvent être déterminées conformément aux méthodes de distillation connues de l'état de l'art. Cependant, de préférence, la colonne de purification fonctionne à une pression inférieure à la pression atmosphérique, permettant de fonctionner à des températures relativement faibles, évitant ainsi la polymérisation des produits insaturés présents, et minimisant la formation de sous-produits lourds.
Avantageusement, la colonne de purification fonctionne sous une pression allant de 5 kPa à environ 60 kPa, la température du flux de tête étant avantageusement comprise entre 40°C et environ 90°C, et la température du flux de pied étant comprise ente 60°C et 120°C.
Selon le procédé de récupération de l'invention, le flux gazeux de tête 17 de la colonne de finition C200 est envoyé au moins en partie, de préférence en totalité, dans un système SI de condensation à pompe à vide sèche, représenté sur la Figure 1 par l'ensemble constitué par le condenseur E220 et la pompe à vide sèche 300. Le liquide condensé 18 contenant principalement des composés légers, en particulier eau et acide acétique, ainsi que de l'acide (méth)acrylique, est avantageusement recyclé via une pompe P220, dans la colonne de déshydratation C100. L'évent 22 non condensé en sortie du condenseur E220 est introduit dans la pompe sèche 300, avant d'être éliminé sous la forme d'un effluent gazeux ultime 25.
L'utilisation d'un tel système SI intégrant une pompe à vide sèche fournit une pression en-dessous de la pression atmosphérique dans la colonne de finition, permettant ainsi d'éliminer à température réduite les composés légers résiduels issus de l'étape antérieure de déshydratation du mélange réactionnel comprenant l'acide (méth)acrylique.
Aucun effluent aqueux n'est produit par le système de condensation à pompe à vide sèche.
Des exemples de pompes à vide sèches à piston sont décrits par exemple dans les documents US 2005/260085 ou US 5,921,755. Les pompes à vide sèches peuvent également être composées par exemple d'un corps cylindrique dans lequel tourne un rotor en position excentrique, doté d'entailles dans lesquelles sont insérées des palettes permettant d'aspirer un flux gazeux. Tout autre type de configuration peut être utilisé comme pompe à vide sèche. Le terme « sèche » indique qu'aucun flux liquide, tel qu'une huile lubrifiante ou de l'eau, n'est en contact avec le flux gazeux alimentant la pompe.
Comme exemples de pompe à vide sèche, on peut citer, sans que cette liste soit limitative, des pompes mécaniques sèches à vis, à soufflets d'étanchéité, à spirales (pompes scroll), à piston rotatif, à lobe rotatif, à membrane sans huile, par exemple les pompes à vide sèches à vis commercialisées par la société Edwards, ou les pompes à rotors, commercialisées par la société Sihi. Ces pompes créent un vide primaire qui peut si nécessaire être complété par d'autres pompes à vide sèches, comme par exemple des pompes sèches d'appoint de type « Roots ». Avantageusement, le vide obtenu dans la colonne de finition peut être modulé en fonction de la vitesse de fonctionnement de la pompe à vide sèche.
Un flux d'acide (méth)acrylique 16 est récupéré par soutirage latéral à partir de la colonne de finition (étape iii), à un niveau latéral situé de préférence en-dessous de l'alimentation de ladite colonne. Le flux de produit 16 soutiré peut être un flux liquide ou un flux gazeux.
Le flux 16 soutiré latéralement correspond à un grade d'acide (méth)acrylique technique. Il est en général constitué d'acide (méth)acrylique de pureté supérieure à 98%, de préférence supérieure à 99%. De préférence, il contient moins de 1,5%, de préférence moins de 0,5%, plus particulièrement moins de 0,2% en poids d'acide acétique, et moins de 1%, de préférence moins de 0,5 %, plus particulièrement, moins de 0,3%) en poids d'eau.
Le flux 16 peut encore être soumis à une purification par distillation, éventuellement couplée avec un traitement de cristallisation.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, au moins une partie du flux d'acide (méth)acrylique purifié 16 soutiré latéralement est soumis à un système de condensation à pompe à vide sèche qui peut comprendre la pompe à vide sèche 300 utilisée en tête de la colonne de finition.
Selon un mode de réalisation, le flux 16 est soumis à une condensation dans un condenseur E230 et le flux gazeux 23 est envoyé dans la pompe à vide 300.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, comme représenté à la Figure 2, le flux gazeux 22, éventuellement mélangé avec le flux 23, alimentant la pompe à vide sèche, passe préalablement dans un dispositif 310 séparateur de liquide, permettant de séparer les traces de liquide résiduel, riche en composés légers, en particulier eau et acide acétique, ainsi que de l'acide (méth)acrylique résiduel. De manière préférentielle, ce flux liquide sera recyclé dans la colonne de déshydratation, par exemple en mélange avec le flux 18 alimentant la pompe P220.
Selon d'autres modes de réalisation, le gaz 25 en sortie de la pompe à vide sèche passe par différents éléments, tels que ceux décrits précédemment, en particulier au moins un pare-flamme 320, et une pompe sèche d'appoint 330, avant d'être envoyé finalement dans un incinérateur.
Le condensât 18, formé par le système de condensation à pompe à vide sèche, est avantageusement renvoyé en partie ou en totalité vers la colonne de déshydratation, entre le pied et la tête de la colonne et de préférence au-dessus de l'alimentation du mélange gazeux réactionnel. Selon un mode de réalisation il est mélangé au flux 12 de la boucle de pied de la colonne de déshydratation, comme représenté sur la Figure 1.
Optionnellement, le flux 18 peut transiter dans un bac de stockage intermédiaire avant recyclage dans la boucle de pied de colonne de déshydratation.
Un flux d'acide (méth)acrylique 20 comprenant l'essentiel des sous-produits lourds, notamment des produits d'addition de Michael ainsi que des inhibiteurs de polymérisation, est récupéré en pied de la colonne de finition (étape iii).
Le flux de pied 20 de la colonne de finition correspond à un grade d'acide (méth)acrylique brut qui peut être utilisé directement comme matière première dans une unité de production d'esters acryliques par estérification directe, ou éventuellement après une étape de décomposition thermique des dérivés d'addition de Michael libérant de l'acide (meth)acrylique. Alternativement, le flux de pied 20 peut être purifié dans une troisième colonne de distillation pour obtenir un acide (méth)acrylique de grade technique.
Avantageusement, le flux 16 de produit soutiré latéralement et le flux 20 de pied de la colonne de finition sont récupérés selon un rapport massique allant de 99 : 1 à 25 : 75, de préférence de 98 : 2 à 50 : 50.
Des inhibiteurs de polymérisation peuvent être introduits à différents endroits dans l'installation de mise en œuvre du procédé de l'invention, notamment dans le flux de tête de la colonne de déshydratation au niveau du condenseur, ou dans le flux de tête de la colonne de purification au niveau du condenseur associé à ladite colonne, ou dans le flux de produit purifié soutiré latéralement de la colonne de purification, éventuellement après condensation dans le cas où le flux soutiré est sous forme gazeuse.
Les inhibiteurs de polymérisation sont choisis parmi les composés qui inhibent la réaction de polymérisation de l'acide (méth)acrylique et sont ajoutés en quantité suffisante connue de l'homme de l'art pour éviter ou réduire la polymérisation de l'acide (méth)acrylique. Comme exemples de composés utilisables, on peut citer la phénothiazine, l'hydroquinone, le 2,2,6,6-tétraméthyl-l-pipéridinyloxy (Tempo) ou l'un de ses dérivés tel que le 4-hydroxy Tempo, les sels de cuivre solubles, les sels de manganèse solubles, seuls ou en mélange, éventuellement en solution dans l'eau, dans l'acide (méth)acrylique ou dans un mélange d'eau et d'acide (méth)acrylique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la nature de l'inhibiteur varie selon l'endroit où il est injecté.
Selon un mode de réalisation de l'invention, de l'air ou un gaz comprenant de l'oxygène est introduit, par exemple dans les pieds des colonnes de déshydratation et de purification, dans les rebouilleurs des colonnes, dans la boucle de recirculation en pied de colonne de déshydratation ou au niveau du soutirage latéral de la colonne de purification ou dans les condenseurs.
Le procédé de l'invention fournit directement en soutirage latéral de la colonne de finition, une qualité d'acide (méth)acrylique qui correspond à un grade d'acide (méth)acrylique technique, qui peut être envoyé ensuite sur une unité de purification, par exemple par cristallisation, pour obtenir une qualité d'acide (méth)acrylique dite « glaciale ». Il fournit également en pied de la colonne de finition, une qualité d'acide (méth)acrylique brut qui peut ensuite être purifié ou traité thermiquement pour obtenir un grade d'acide (méth)acrylique technique.
L'installation selon l'invention adaptée pour mettre en œuvre le procédé de récupération/purification de l'acide (méth)acrylique tel que décrit, comprend au moins : a) une colonne de déshydratation Cl 00 ;
b) une colonne de finition C200 connectée fluidiquement en pied de ladite colonne de déshydratation ;
c) au moins un système SI de condensation à pompe à vide sèche E220/300, connecté fluidiquement en tête de ladite colonne de finition.
d) de façon optionnelle un système de condensation à pompe à vide sèche E230/300 connecté fluidiquement latéralement à ladite colonne de finition.
Un autre objet de l'invention porte sur un procédé de production d'acide (méth)acrylique comprenant au moins les étapes suivantes :
A) on soumet à une oxydation en phase gazeuse au moins un précurseur d'acide (méth)acrylique pour former un mélange réactionnel gazeux comprenant de l'acide (méth)acrylique ;
B) on refroidit le mélange réactionnel gazeux ;
C) on soumet le mélange réactionnel gazeux refroidi au procédé de récupération de l'acide (méth)acrylique tel que défini précédemment.
Le précurseur de l'acide (méth)acrylique peut être l'acroléine ou la méthacroléine, et peut être dérivé de matière première renouvelable produisant ainsi de l'acide (méth)acrylique biosourcé.
De préférence, l'acide (méth)acrylique est l'acide acrylique et le précurseur de l'acide acrylique est l'acroléine obtenu par oxydation catalytique de propylène. La réaction d'oxydation de l'étape A), effectuée selon les connaissances de l'art, fournit généralement un mélange réactionnel gazeux, surchauffé à une température supérieure à 280°C.
Ce mélange est avantageusement refroidi selon une étape B), notamment jusqu'à une température inférieure à 250°C, de préférence inférieure à 190°C, pour être soumis selon l'étape C) au procédé de récupération de l'acide (méth)acrylique sans utiliser de solvant azéotropique incluant un système de condensation à pompe à vide sèche. Il peut être refroidi directement dans la colonne de déshydratation, ou peut être refroidi à l'aide d'un échangeur de chaleur situé en amont de la colonne de déshydratation.
Même si l'utilisation du système de condensation à pompe à vide sèche est décrit dans la présente invention dans un procédé de production d'acide (méth)acrylique incluant un processus de purification sans solvant avec deux colonnes de distillation, le système de condensation à pompe à vide sèche peut être utilisé également dans d'autres procédés qui produisent un mélange réactionnel gazeux, afin de réduire la quantité d'eau et de vapeur utilisée, et réduire ainsi la quantité d'effluents aqueux rejetés.
L'invention sera maintenant illustrée par les exemples suivants, qui n'ont pas pour but de limiter la portée de l'invention, définie par les revendications annexées.
PARTIE EXPERIMENTALE
Exemple 1 (selon l'invention)
Des simulations à l'aide du logiciel ASPEN ont été utilisées pour illustrer le procédé selon l'invention.
En référence à la Figure 1, dans un procédé de production en continu d'acide acrylique à partir de propylène, un mélange réactionnel 10 a été soumis au procédé de récupération/purification selon l'invention.
Dans ce procédé, 11 000 kg/h d'acide acrylique technique sont produits (flux 16), ayant une pureté de 99,8%. Les principales impuretés sont l'acide acétique (0,05%), l'acide propionique, (0,021%), le furfural (0,014%), le benzaldéhyde (0,008%), l'anhydride maléique (0,037%).
Le flux gazeux 22 (67,6 kg/h) provenant du condenseur E220 en tête de la colonne de finition C200 a été soumis à une pompe à vide sèche 300. Cette pompe assure une pression de 12 kPa en tête de la colonne C200. Un flux 23 (7,3 kg/h) provenant du condenseur E230 placé à la sortie latérale du flux d'acide acrylique technique a été envoyé en même temps à la pompe à vide sèche 300. Les principaux constituants des flux 22 et 23 entrants, ainsi que la composition du flux gazeux 25 sortant, exprimée en débit massique horaire (kg/h), sont rassemblés dans le tableau 1.
Aucun effluent aqueux n'est produit selon ce système.
A la sortie de la pompe à vide sèche, seul un effluent gazeux ultime 25 (74,9 kg/h) est émis, qui est facile à éliminer par les méthodes connues de l'homme de l'art, par exemple par oxydation thermique ou catalytique.
La perte d'acide acrylique dans le flux 19 refroidi à 57°C est de 0,69%, soit un rendement de récupération d'acide acrylique de 99,31%.
Tableau 1
Figure imgf000017_0001
Exemples 2 et 3 (comparatifs)
A titre de comparaison, les mêmes flux 22 et 23 ont été soumis respectivement à une pompe à anneau liquide (exemple 2, Figure 3) en remplacement de la pompe à vide sèche, et à un système intégrant des éjecteurs de vapeur (exemple 3, Figure 4).
En particulier, l'exemple 3 met en jeu une technologie de générateur de vide par éjecteur de vapeur décrite dans les documents US 6,677,482 ou US 7,288, 169. Sur la Figure 3, est représenté un système S2 intégrant une pompe à anneau liquide P240, alimentée par un flux d'eau 24. Le débit du flux 24 introduit dans la pompe pour assurer une pression de 12 kPa est 1000 kg/h. Ce système S2 comprend une pompe P240, un échangeur E240 et un récipient de collecte des condensais R.
La pompe P240 est alimentée d'une part par les flux gazeux 22 et 23 provenant de la colonne C200 et d'autre part par le flux aqueux 27. Le rôle principal de ce flux aqueux est de constituer un joint liquide nécessaire à la génération de la dépression dans la pompe et d'assurer le renouvellement du liquide en le purgeant des impuretés condensées. La chaleur dégagée par la pompe est éliminée grâce au refroidissement du flux condensé à travers Γ échangeur.
Le flux sortant de la pompe est en partie liquide et en partie gazeux. Les 2 phases sont séparées dans le récipient R et une partie de la phase liquide (essentiellement aqueuse) est recirculée vers la pompe P240 après refroidissement dans l'échangeur E240.
Ce système S2 produit donc en sortie un flux gazeux 25 (43,2 kg/h), mais aussi un effluent liquide 26 en quantité importante (1031,7 kg/h). Ce flux 26, essentiellement aqueux, contient des composés organiques en solution, à des concentrations importantes (principalement 1,8% d'acide acrylique, 0,5% d'acide acétique), qui le rendent impropre au rejet sans traitement complémentaire de purification.
Sur la Figure 4, est représenté un système S3 intégrant deux éjecteurs en série P240 et P250, alimentés en respectivement par 400 kg/h de vapeur d'eau (flux 27) et 600kg/h de vapeur d'eau (flux 28), de façon à assurer une pression de 12 kPa en tête de la colonne C200.
Ce système S3 comprend les 2 pompes (éjecteurs) montées en série qui sont alimentées par de la vapeur à pression de 1500 kPa et 3 condenseurs.
Le premier éjecteur P240 est alimenté d'une part par les flux gazeux 22 et 23 provenant de la colonne C200 et d'autre part par le flux de vapeur d'eau sous pression. Le flux gazeux sortant à température de 144°C est refroidi à température de 42°C dans un premier condenseur E240. Le condensât liquide 29 est envoyé à un récipient de collecte des condensais R et les évents gazeux non condensés 30 sont envoyés à l'alimentation du 2eme éjecteur P250. En sortie de cet éjecteur, le flux gazeux à 162°C est refroidi à température de 42°C dans le condenseur E250. Le flux liquide condensé 31 est envoyé dans le récepteur R. Les évents 32 non condensés dans ce 2eme condenseur sont refroidis à 15°C dans le 3eme condenseur E260, produisant un 3eme condensât liquide recueilli dans le réservoir R. Le flux gazeux 25 non condensé dans ce 3eme condenseur est éliminé.
Ce système S3 produit ainsi en sortie un flux gazeux 25 (42,8 kg/h), mais aussi un effluent aqueux 26 en quantité importante (1032,1 kg/h). Ce flux aqueux 26 contient des composés organiques en solution, à des concentrations importantes (principalement 1,8% d'acide acrylique, 0,5% d'acide acétique), qui le rendent impropre au rejet sans traitement complémentaire de purification.
Les principaux constituants du flux gazeux 25 et du flux aqueux 26 en sortie des systèmes S2 et S3 sont indiqués dans le tableau 2.
Tableau 2
Figure imgf000019_0001
Les systèmes classiques sous vide mettant en jeu une pompe à anneau liquide, ou des éjecteurs à jet de vapeur génèrent une quantité importante d'effluent aqueux. Cet effluent contient des impuretés organiques et doit donc être traité. Exemple 4
Pour éviter le traitement coûteux du flux aqueux issu de la pompe à anneau liquide (exemple 2) ou du système à éjecteurs (exemple 3), et récupérer une partie de l'acide acrylique contenu dans ces flux, il peut être envisagé de recycler ces flux dans le procédé de purification sans solvant.
Une simulation du procédé de purification sans solvant a été réalisée à l'aide du logiciel ASPEN, intégrant un recyclage du flux aqueux 26 condensé dans l'exemple 3 (éjecteurs en série), en mélange dans le flux 18 renvoyé vers la colonne de déshydratation C100 (voir Figure 1).
Dans ces conditions, contrairement à l'objectif recherché, on observe que le recyclage de ce flux aqueux (1032 kg/h) occasionne une perte significative d'acide acrylique en tête de colonne Cl 00 de condensation.
La perte d'acide acrylique dans le flux 19 refroidi à 61°C est de 1,74%, soit un rendement de récupération d'acide acrylique de 98,26%.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de récupération d'acide (méth)acrylique sans utiliser de solvant azéotropique, à partir d'un mélange réactionnel gazeux comprenant de l'acide (méth)acrylique obtenu par oxydation en phase gazeuse d'un précurseur de l'acide (méth)acrylique, comprenant au moins les étapes suivantes :
i) on soumet le mélange réactionnel gazeux à une déshydratation sans utiliser de solvant azéotropique dans une première colonne dite colonne de déshydratation, conduisant à un flux de tête dont une partie au moins est condensée et renvoyée à la colonne de déshydratation sous forme de reflux, et à un flux de pied ;
ii) on soumet au moins en partie le flux de pied de colonne de déshydratation à une distillation à une pression inférieure à la pression atmosphérique dans une seconde colonne dite colonne de finition, conduisant à un flux de tête, et à un flux de pied contenant des composés lourds ;
iii) on récupère un flux d'acide (méth)acrylique par soutirage latéral de la colonne de finition, et/ou en pied de la colonne de finition ;
ledit procédé étant caractérisé en ce que le flux de tête de la colonne de finition est au moins en partie soumis à un système de condensation à pompe à vide sèche, formant un condensât qui est renvoyé dans la colonne de déshydratation, et un effluent gazeux ultime.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de condensation à pompe à vide sèche comprend au moins un condenseur et une pompe à vide sèche.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le système de condensation à pompe à vide sèche comprend en outre un séparateur de liquide, ou un ou plusieurs pare-flamme, ou un ou plusieurs filtres, ou des systèmes d'étanchéité et d'isolement, ou une pompe ou une combinaison de pompes sèches d'appoint.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins une partie du flux d'acide (méth)acrylique soutiré latéralement est soumis à un système de condensation à pompe à vide sèche, identique ou différent de celui utilisé pour le flux de tête de la colonne de finition.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le précurseur de l'acide (méth)acrylique est l'acroléine, obtenue par oxydation de propylène ou par oxydéshydrogénation de propane.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le précurseur de l'acide (méth)acrylique est la méthacroléine obtenue par oxydation d'isobutylène et/ou de tert-butanol ou à partir d'oxydéshydrogénation de butane et/ou isobutane.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le précurseur de l'acide (méth)acrylique comprend du carbone d'origine renouvelable.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le précurseur de l'acide (méth)acrylique est dérivé du glycérol, de l'acide 3-hydroxypropionique ou de l'acide 2-hydroxypropanoïque.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une étape de purification du flux d'acide (méth)acrylique récupéré à l'étape iii).
10. Procédé de production d'acide (méth)acrylique comprenant au moins les étapes suivantes :
A) on soumet à une oxydation en phase gazeuse au moins un précurseur d'acide (méth)acrylique pour former un mélange réactionnel gazeux comprenant de l'acide (méth)acrylique ;
B) on refroidit le mélange réactionnel gazeux ;
C) on soumet le mélange réactionnel gazeux refroidi au procédé de récupération de l'acide (méth)acrylique tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 9.
11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'acide (méth)acrylique est l'acide acrylique et le précurseur de l'acide acrylique est l'acroléine obtenu par oxydation catalytique de propylène.
12. Installation pour récupérer de l'acide (méth)acrylique sans utiliser de solvant azéotropique comprenant au moins :
a) une colonne de déshydratation Cl 00 ; b) une colonne de finition C200 connectée fluidiquement en pied de ladite colonne de déshydratation ;
c) au moins un système de condensation à pompe à vide sèche E220/300, connecté fluidiquement en tête de ladite colonne de finition.
d) de façon optionnelle un système de condensation à pompe à vide sèche E230/300 connecté fluidiquement latéralement à ladite colonne de finition.
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