Brevet FR2509294A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un procédé de production d'esters acryliques ou méthacryliques (qui seront désignés ci-après par le terme unique d'esters (méth)acryliques, plus particulièrement un perfectionnement apporté à un procédé de production continue d'un ester (méth)acrylique par estérification directe de l'acide acrylique ou méthacrylique (désignés ci-après par le terme unique d'acide' (méth>acrylique) avec un alcool alipha- tique inférieur en C 1 à C 3 en présence d'un catalyseur acide, à un rapport molaire bas de l'alcool à l'acide. On sait que dans la réaction d'estérifica- tion de l'acide acrylique ou méthacrylique avec des alcools aliphatiques inférieurs tels que le méthanol, l'éthanol ou l'isopropanol, comme il s'agit d'une réaction d'équili- bre, le produit obtenu contient, en plus des esters voulus, de l'alcool n'ayant pas réagi, de l'acide acrylique ou méthacrylique et de l'eau formée par la réaction On opé- rait jusqu'ici une distillation pour séparer l'ester et l'eau du produit réactionnel, mais comme il existe une forte affinité entre l'eau et l'acide acrylique ou méthacrylique, cet acide a une tendance inévitable à accompagner l'eau quand on élimine celle-ci par distillation, et l'on ne peut séparer ces substances l'une de l'autre d'une manière satis- faisante, même en augmentant le nombre de plateaux ou le rapport de reflux Cela complique la purification de l'ester (méth)acrylique et entraîne_ divers inconvénients, par exem- ple la présence de grandes quantités d'eau résiduaire Si l'on abaisse le rapport molaire de l'alcool à l'acide dans l'alimentation du réacteur d'estérification, la quantité d'acide qui distille avec l'eau a tendance à augmenter, et dans la pratique antérieure on maintenait donc ce rapport entre 3 et 5 au cours de l'estérification, et une grande partie du coût de fabrication doit entrer dans la récu- pération de l'alcool n'ayant pas réagi, l'augmentation de la capacité du réacteur et des services etc Par ailleurs, en vue de réduire la forte affinité entre l'eau et 1 iacide acrylique ou méthacrylique, on a essayé d'ajouter un agent formant un azéotrope, ayant une plus grande affinité pour l'eau, et de distiller l'eau formée du produit réactionnel à l'état d'azéotrope avec cet agent On a ainsi utilisé le benzène, le toluène, le xylène et autres pour former un mélange azéotropique, mais un tel procédé est très désavantageux du point de vue économique car la séparation de l'ester formé d'avec l'agent ajouté n'est pas facile et des opérations compliquées sont néces- saires, par exemple pour récupérer l'agent formant le mé- lange azéotropique. La présente invention a pour objectif de supprimer les défauts de ces techniques antérieures et d'ap- porter un procédé de production continue d'esters acryliques ou méthacryliques directement à partir de l'acide correspon- dant et d'un alcool aliphatique inférieur. Plus précisément, cette invention apporte, dans un procédé de production d'esters acryliques ou métha- cryliques par estérification de l'acide correspondant avec un alcool aliphatique inférieur en C 1 à C 3 en présence d'un catalyseur acide, le perfectionnement consistant ( 1) à distiller le mélange d'estérification formé tout en amenant L'ester acrylique ou méthacrylique à une colon- ne de distillation de l'extérieur du système, pour ob- tenir comme distillat un mélange composé de l'ester acrylique ou méthacrylique, de l'eau formée par la réac- tion et de l'alcool n'ayant pas réagi, et qui ne con- tient pratiquement plus de l'acide, et ( 2) à recycler à la réaction d'estérification le résidu de la colonne dont l'ester et l'eau formée ont été pratiquement éliminés, dans une proportion telle que le rapport molaire de l'acide acrylique ou méthacryli- que à l'alcool dans la totalité des matières-de départ amenées à l'estérification soit maintenu entre 2 et 1. Comme dans le présent procédé le rapport molaire de l'alcool aliphatique à l'acide à amener au sys- tème réactionnel est bas, à savoir compris entre 2 et 1, la récupération de l'alcool s'en trouve très simplifiée, et de plus les services, par exemple la quantité de vapeur d'eau, peuvent être considérablement diminués De plus, l'ester acrylique ou méthacrylique peut être obtenu avec un rendement beaucoup plus élevé que dans les procédés connus, par rapport aussi bien à l'acide qu'à l'alcool. L'estérification entre l'acide et l'alcool étant une réaction d'équilibre, le produit de cette réac- tion contient nécessairement l'alcool et l'acide n'ayant pas réagi La présente demanderesse a trouvé que pour ob- tenir l'ester acrylique ou méthacrylique voulu avec un bon rendement par distillation du produit réactionnel, il est nécessaire d'amener le même type d'ester (acrylique ou méthacrylique, le produit cherché) à-la colonne de distil- lation par le haut de celle-ci au cours de la distillation, ce qui permet d'obtenir comme distillat un mélange de l'es- ter, d'eau et d'une faible proportion de l'alcool n'ayant pas réagi, mélange qui ne contient pratiquement plus de l'acide qui n'a pas réagi. Le résidu de la colonne, qui comprend l'a- cide n'ayant pas réagi, avec une petite quantité d'eau et une petite quantité de l'ester formé, est recyclé au réac- teur d'estérification pour l'y faire à nouveau réagir, la quantité recyclée représentant de préférence une ou plu- sieurs fois, en poids, les matières de départ nouvellement amenées Si en effet la proportion d'acide est forte dans le mélange de départ qui est envoyé à la réaction d'esté- rification, la formation d'impuretés dans cette réaction (principalement un composé alcoxylé) s'en trouve considéra- blement diminuée, ce qui augmente le rendement en produit cherché, aussi bien par rapport à l'acide que par rapport à l'alcool A cet égard, les études de la présente deman- deresse ont montré que si l'on recycle le résidu de distil- lation au réacteur d'estérification dans une proportion telle que le rapport molaire de l'acide à l'alcool dans les matières de départ qui sont envoyées au réacteur soit maintenu entre 2 et 1, le rendement en ester, acrylique ou méthacrylique, peut être accru jusqu'à 96-99 % par rapport à l'acide, et jusqu'à 97-99,5 % par rapport à l'alcool, alors que dans la technique antérieure ces rendements par rapport à l'acide et par rapport à l'alcool sont respecti- vement de 91 à 94 % et de 94 à 97 %. En plus du réglage du recyclage du résidu de distillation au réacteur comme ci-dessus, on règle éga- lement la distillation du produit réactionnel de manière que l'ester cherché soit retiré comme distillat dans la proportion dans laquelle il doit se former si la quasi totalité ( 100 %) de l'acide amené est transformée en ester. En opérant ainsi, on peut exécuter aisément et de façon régulière le procédé de fabrication continue d'esters acry- liques ou méthacrylique. Le distillat contenant l'ester et l'eau, qui sort de la colonne de distillation, est séparé en deux couches De la couche aqueuse on récupère l'alcool et l'es- ter, et de l'autre couche on sépare l'alcool et l'eau pour obtenir l'ester Comme le procédé selon cette invention est conduit à un bas rapport de l'acide à l'alcool, la-quantité d'alcool n'ayant pas réagi est très faible, ce qui rend inutile une opération d'extraction pour le récupérer, ex- traction qui est nécessaire dans la technique antérieure, et le présent procédé s'en trouve ainsi grandement simpli- fié. De préférence, et comme il a été dit plus haut, le résidu de distillation, principalement formé d'a- cide, est recyclé au réacteur d'estérification de manière que sa proportion représente 1 ou plusieurs fois, en poids, la quantité d'acide et d'alcool frais à envoyer au réac- teur Une augmentation de la quantité recyclée ne modifie pas beaucoup la réaction, mais une quantité excessive n'a aucun intérêt, et des proportions supérieures à 7 fois le poids des matières de départ fraîchement amenées au réacteur sont inutiles Dans le cas de l'acrylate de méthyle, la proportion recyclée sera de préférence de 1 à 2 fois, et dans le cas du méthacrylate de méthyle ou de l'acrylate ou du méthacrylate d'éthyle ou d'isopropyle, elle sera de préférence de 2 à 5 fois Le rapport molaire de l'acide acrylique ou méthacrylique à l'alcool dans les matières de dé- part fraîchement amenées au réacteur d'estérification est 2509294 de 1:1,0-2,0, de préférence-de 1:1,1-1,5. Le catalyseur acide employé peut être par exemple un catalyseur liquide tel que l'acide p-toluène sulfonique, l'acide sulfurique, l'acide sulfonique ou l'a- cide chlorhydrique, ou bien un catalyseur solide acide, par exemple une résine d'échange d'ions fortement acide, mais un catalyseur solide est particulièrement avantageux. La réaction d'estérification se fait en général en présence d'un inhibiteur de polymérisation tel que l'hydroquinone o son éther monométhylique ou'la phéno- thiazine, inhibiteur qui est ajouté dans une proportion de 0,0005 à 0,5 % du poids de l'acide acrylique ou méthacrylique. Il est approprié d'effectuer l'estérification à une tempéra- ture de 60 à 100 'C, de préférence de 60 à 900 C, et sous une pression suffisante pour maintenir le système réaction- nel à l'état liquide, ordinairement à la pression atmosphé- rique ou à une pression un peu supérieure, c'est-à-dire une pression relative (au manomètre) de 0,5 à 2 bars Le temps de séjour des matières de départ dans le réacteur doit être d'au moins 1/2 heure, en général d'1/2 heure à 20 heures et de préférence d'l/2 heure à 10 heures, de plus longues du- rées n'étant pas avantageuses économiquement. Un mode d'exécution préféré du procédé se- lon l'invention est décrit ci-après avec référence au des- sin annexé, qui représente schématiquement la mise en oeuvre du procédé. L'acide (acrylique ou méthacrylique) et un alcool arrivent par les conduits 1 et 2 respectivement, et un résidu de distillation de la colonne 5, qui contient une forte proportion de l'acide n'ayant pas réagi, est recyclé par le conduit 6 L'acide frais, l'alcool frais et le rési- du contenant l'acide n'ayant pas réagi sont mélangés et le mélange est envoyé au réacteur 3 contenant un catalyseur acide Il est préférable que le résidu de distillation soit soumis en partie ou en totalité à une purification avant d'être recyclé, par exemple dans un évaporateur à couche mince, ce qui élimine les composés à haut point d'ébulli- tion, les produits polymérisés et autres, et ce qui permet d'empêcher l'accumulation des composants à haut point d'ébullition dans le système réactionnel. Dans le réacteur 3, on fait réagir l'acide acrylique ou méthacrylique avec l'alcool à peu près jusqu'à l'équilibre, puis le mélange réactionnel formé de l'ester, de l'eau et de l'alcool et de l'acide n'ayant pas réagi, est envoyé à une colonne de distillation 5 par le conduit 4, colonne dans laquelle l'ester, en une quantité sensible- ment egale à la quantité théorique correspondant à l'acide et à l'alcool de départ, est distillé avec l'eau formée et l'alcool qui n'a pas réagi, tandis qu'on amène le même type d'ester (acrylique ou méthacrylique) à cette colonne 5 par le conduit 7, l'acide ne distillant pratiquement pas La quantité d'ester amenée par le conduit 7 doit être telle 15.que la teneur en eau du distillat soit de 3 à 8 % en poids, de préférence de 5 à 7 %, dans le cas de l'acrylate de mé- thyle, et de 8 à 13,5 % en poids, de préférence de 11 à 13,5 %, dans le cas du méthacrylate de méthyle ou de l'acrylate-ou du méthacrylate d'éthyle ou d'isopropyle L'ester a envoyer à la colonne de distillation 5 peut aussi être celui arri- vant par le conduit 10 ou 21, mais du point de vue économi- que il est préférable que ce soit l'ester du conduit 7. Le distillat de la colonne est envoyé & un réservoir de séparation huile-eau 9 par le conduit 8. La couche d'ester qui est séparée dans ce réservoir 9 va par le conduit 10, éventuellement par l'in- termédiaire d'une colonne d'extraction, à une colonne 12 de séparation des composants à bas point d'ébullition, dans laquelle sont séparés l'alcool, l'eau et les impuretés à bas point d'ébullition, tandis que l'ester est repris du bas de la colonne par le conduit 17 Une partie de l'ester est recyclée à la colonne de distillation 5 par le conduit 7, la partie restante étant envoyée à une colonne de rectifica- tion 19 par le conduit 18. L'ester, l'alcool et l'eau, qui distillent dans la colonne de séparation 12, sont envoyés par le con- duit 13 à un réservoir 14 de séparation huile-eau, et la couche d'ester est recyclée dans le haut de cette colonne 7 2509294 par le conduit 15 Les couches d'eau qui se sont séparées dans les réservoirs 9 et 14 sont reprises par les conduits 11 et 16 et, si cela est nécessaire, elles sont envoyées à une colonne de récupération de l'alcool L'alcool et l'es- ter sont récupérés et renvoyés au réacteur par le conduit 2. L'ester purifié dans la colonne de rectification 19 en est retiré comme produit par les conduits 20 et 21,tandis que le résidu de distillation est soutiré au bas de la colonne par le conduit 22. Les exemples qui suivent illustrent plus par- ticulièrement le procédé selon cette invention, mais dont ils ne limitent aucunement la portée. Exemple 1 On fait arriver par heure un liquide de dé- part composé de 5 kg ( 69,4 moles) d'acide acrylique et 2,91 kg ( 83,1 moles) de méthanol, et contenant 0,2 % en poids d'eau et 8,3 % en poids d'acrylate de méthyle (le mélange contenant en outre 0,05 % en poids d'hydroquinone par rapport à l'acide acrylique), avec 11,87 kg/h du résidu de dis- tillation recyclé, à un réacteur en acier spécial contenant litres d'une résine échangeuse de cations fortement aci- de La quantité totale du mélange qui arrive au réacteur est ainsi de 19, 78 kg à l'heure et comprend 9,1 % en poids d'acrylate de méthyle, 14,2 % en poids de méthanol, 52,7 % en poids d'acide acrylique et 23,9 % en poids d'eau et de sous produits Le réacteur est placé dans un réservoir d'eau chaude pour maintenir sa température interne à 800 C, et dans ce réacteur, 99 % de l'acide acrylique du liquide de départ fraîchement amené sont transformés en acrylate de méthyle. Le mélange réactionnel qui est retiré du réacteur est envoyé à une colonne de distillation o il est distillé à la pression atmosphérique, tandis que l'on fait arriver de l'acrylate de méthyle à 0,02 % en poids d'hydro- quinone du haut de la colonne à un débit de 9,77 kg/h A ce moment la température au sommet de la colonne est de 690 C et la température du pot de distillation de 1020 C On * 9294 obtient ainsi du haut de la colonne 17,53 kg/h d'un distil- lat formé de 90,5 % en poids d'acrylate de méthyle, 2,5 % de méthanol, 7,0 % d'eau et moins de 0,0005 % d'acide acrylique. Dans le même temps, le résidu de la colonne de distilla- tion est soutiré au débit de 12 kg/h 2,4 kg/h de ce rési- du sont envoyés à un évaporateur à couche mince, et après élimination dans cet évaporateur des composants à haut point d'ébullition et des produits polymérisés, le résidu restant est mélangé avec les autres 9,6 kg/h du premier résidu et le mélange est recyclé au réacteur. Le distillat de la colonne de distillation est envoyé à un réservoir de séparation huile-eau dans lequel il se sépare en une couche d'acrylate de méthyle et une couche d'eau Le méthanol et l'eau sont séparés de la cou- che d'acrylate de méthyle dans une colonne de séparation des composants à bas point d'ébullition, et le résidu va à une colonne de rectification pour obtenir l'acrylate de méthyle La couche d'eau est par ailleurs mélangée avec le méthanol et l'eau qui se sont séparés dans la colonne de séparation des composants à bas point d'ébullition, et le mélange est envoyé à une colonne de récupération de l'alcool o s'élimine la majeure partie de l'eau, le résidu étant recyclé au réacteur. On obtient ainsi l'acrylate de méthyle avec un rendement de 97,8 % par rapport à l'acide acrylique, et de 99 % par rapport au méthanol. Exemple 2 - De la même manière que dans l'exemple 1, on mélange avec 23,45 kg du résidu de distillation recyclé, un liquide de départ formé de 5 kg ( 69,4 moles) d'acide acry- lique et 4,38 kg ( 83,3 moles) d'éthanol, et contenant 7,6 % en poids d'eau et 4,8 % en poids d'acrylate d'éthyle (mélan- ge qui contient encore 0,5 % en poids d'hydroquinone par rap- port à l'acide acrylique), et on envoie ce mélange par heure dans un réacteur contenant 70 litres d'une résine échangeuse de cations fortement acide et qui est maintenu à 80 'C La quantité totale du mélange arrivant au réacteur est ainsi de 32,83 kg/h, comprenant 16,7 % en poids d'acrylate s 9 2509294 d'éthyle, 13 % d'éthanol, 42,3 % d'acide acrylique et 27,9 % d'eau et de sous produits Dans le réacteur, 98 % de l'acide acrylique du liquide de départ fraîchement amené sont trans- formés en acrylate d'éthyle. Le mélange réactionnel qui est retiré du réacteur est envoyé à une colonne de distillation o il est distillé à la pression atmosphérique, tandis que l'on fait arriver par le haut de cette colonne 2,72 kg/h d'acry- late d'éthyle contenant 0,02 % en poids d'hydroquinone A ce moment la température au sommet de la colonne est de 790 C et la température du pot de distillation de 1100 C On ob- tient ainsi par le haut de la colonne 11,93 kg/h d'un dis- tillat comprenant 81,6 % en poids d'acrylate d'éthyle, 5,4 % d'éthanol, 13 % d'eau et moihs de 0,0005 % d'acide acrylique. Dans le même temps, le résidu de la colonne de distillation est soutiré au débit de 23,62 kg/h 2,36 kg/h de ce résidu sont envoyés à un évaporateur à couche mince, et après élimination dans cet évaporateur des composants à haut point d'ébullition et des produits polymérisés, le résidu restant est mélangé avec les autres 21,26 kg du pre- mier résidu, et le mélange est recyclé-au réacteur. Le distillat de la colonne va à un réservoir de séparation huile-eau dans lequel il est séparé en une couche d'acrylate d'éthyle et une couche d'eau, et la cou- che d'acrylate d'éthyle est envoyée à une colonne de recti- fication après séparation de l'éthanol et de l'eau dans une colonne de séparation des composants à bas point d'ébulli- tion, ce qui donne l'acrylate d'éthyle La couche d'eau est par ailleurs mélangée avec l'éthanol et l'eau qui ont été séparés dans la colonne de séparation des composants à bas point d'ébullition, et le mélange est envoyé à une colonne de récupération de l'alcool o la majeure partie de l'eau s'élimine, le residu étant recyclé au réacteur. On obtient ainsi l'acrylate d'éthyle avec un rendement de 97,5 % par rapport à l'acide acrylique, et de 98,6 % par rapport à l'éthanol. Exemple 3 De la même manière encore qu'à l'exemple 1, on mélange avec 36,35 kg du résidu de distillation recyclé un liquide de départ formé de 5 kg ( 58,1 moles) d'acide méthacrylique et 2,27 kg ( 69,6 moles) de méthanol, et con- tenant 0,4 % en poids d'eau et 1,3 % en poids de méthacry- late de méthyle (mélange qui contient encore 0,05 % en poids d'hydroquinone par rapport à l'acide méthacrylique), et on fait arriver ce mélange par heure dans un réacteur con- tenant 90 litres d'une résine échangeuse de cations forte- ment acide et qui est maintenu à 800 C La quantité totale du-mélange arrivant au réacteur est ainsi de 43,62 kg/h et comprend 43,8 % en poids de méthacrylate de méthyle, 6,8 % de méthanol, 43,6 % d'acide méthacrylique et 5,7 % d'eau et de sous produits Dans le réacteur, 99 % de l'acide métha- crylique du liquide de départ fraîchement envoyé sont transformés en méthacrylate de méthyle. Le mélange réactionnel qui est retiré du réacteur va à une colonne de distillation o il est distillé à la pression atmosphérique, tandis que l'on fait arriver par le haut de la colonne 3,57 kg/h de méthacrylate de mé- thyle contenant 0,02 % en poids d'hydroquinone A ce moment, la température au sommet de la colonne est de 850 C et la température du pot de distillation est de 1100 C On obtient ainsi 10,71 kg/h d'un distillat formé de 86,8 % en poids de méthacrylate de méthyle, 3,5 % de méthanol, 9, 7 % d'eau et moins de 0,0005 % d'acide méthacrylique Dans le même temps, le résidu de la colonne de distillation est soutiré au débit de 36,48 kg/h 3,65 kg/h de ce résidu sont envoyés à un évaporateur à couche mince, et après élimination dans celui-ci des composants à haut point d'ébullition et des produits polymérisés, le résidu restant est mélangé avec les autres 32,83 kg du premier résidu et le mélange est recyclé au réacteur. Le distillat de la colonne va à un réservoir de séparation huile-eau dans lequel il est séparé en une couche de méthacrylate de méthyle et une couche d'eau, et la couche de méthacrylate de méthyle est envoyée à une colonne de rectification après séparation du méthanol et de l'eau dans une colonne de séparation des composants à bas point d'ébullition, ce qui donne le méthacrylate -de méthyle En même temps, la couche d'eau est mélangée avec le méthanol et l'eau qui ont été séparés dans la colonne de séparation des composants à bas point d'ébullition, et le mélange est envoyé à une colonne de récupération de l'alcool dans la- quelle la majeure partie de l'eau est éliminée, le résidu étant recyclé au réacteur. On obtient ainsi le méthacrylate de méthy- le avec un rendement de 97,5 % par rapport à l'acide métha- crylique, et de 99,5 % par rapport au méthanol. R E V E N D I C A T I O N S' 1) Dans un procédé de production d'esters acryliques ou méthacryliques par estérification de l'acide acrylique ou méthacrylique avec un alcool aliphatique en C 1 à C 3 en présence d'un catalyseur acide, le perfectionne- ment consistant ( 1) à distiller le mélange d'estérification formé tout en amenant l'ester acrylique ou méthacrylique à une colon- ne de distillation de l'extérieur du système, pour ob- tenir comme distillat un mélange composé de l'ester acrylique ou méthacrylique, de l'eau formée par la réac- tion et de l'alcool n'ayant pas réagi, et qui ne con- tient pratiquement plus de l'acide, et ( 2) à recycler à la-réaction d'estérification le résidu de la colonne dont l'ester et l'eau formée ont été pratiquement éliminés, dans une proportion telle que le rapport molaire de l'acide acrylique ou méthacryli- que à l'alcool dans la totalité des matières de départ amenées à l'estérification soit maintenu entre 2 et 1. 2) Procédé selon la revendication 1 pour la production d'acrylate de méthyle à partir d'acide acry- lique et de méthanol, dans lequel on distille le mélange d'estérification tout en faisant arriver de l'acrylate de méthyle à la colonne de distillation de l'extérieur du système, de manière que la teneur en eau du distillat soit maintenue entre 3 et 8 % en poids. 3) Procédé selon la revendication 1 pour la production d'acrylate d'éthyle à partir d'acide acryli- que et d'éthanol, dans lequel on distille le mélange d'estérification tout en faisant arriver de l'acrylate d'éthyle dans la colonne de distillation de l'extérieur du système de manière que la teneur en eau du distillat soit maintenue entre 8 et 13,5 % en poids. 4) Procédé selon la revendication 1 pour la production de méthacrylate de méthyle à partir d'acide méthacrylique et de méthanol, dans lequel on distille le mélange d'estérification tout en faisant arriver du -2509294 méthacrylate de méthyle de l'extérieur du système à la colonne de manière que la teneur en eau du distillat soit maintenue entre 8 et 13,5 % en poids. ) Procédé selon la revendication 1 pour la production d' acrylate d'isopropyle à partir d'acide acrylique et d'isopropanol, dans lequel on distille le mélange d'estérification tout en faisant arriver de l'a- crylate d'isopropyle dans la colonne de distillation de l'extérieur du système de manière que la teneur en eau du distillat soit maintenue entre 8 et 13,5 % en poids.