Brevet FR2691965A1 — publié le 19931210

PROCEDE DE FABRICATION DE FLUORURE D'ISOBUTYRYLE La presente invention porte sur un procédé de fabrication de fluorure d'isobutyryle à partir du propylène. Le fluorure d'isobutyryle est un compose très réactif qui peut être facilement converti par hydrolyse en acide isobutyrique, lequel conduit à l'acide méthacrylique par oxydation déshydrogénante, puis au méthacrylate de méthyle, par esterification. Par la demande de brevet européen EP-A-0 161 322, il est connu de préparer le fluorure d'isobutyryle par la mise en contact du fluorure d'isopropyle, du monoxyde de carbone et du fluorure d'hydrogène anhydre, à une température se situant dans la plage de O à 80"C et sous une pression se situant dans la plage de 1,03 x 106 à 4,83 x 106 Pa. I1 est par ailleurs connu depuis longtemps (cf. brevet americain US-A-2 917 559) de préparer le fluorure d'isopropyle dans une réaction en phase gazeuse, en soumettant le propylène gazeux à l'action de l'acide fluorhydrique gazeux sensiblement anhydre, sensiblement à la pression atmosphérique et en présence d'un catalyseur de charbon actif, et en récupérant le fluorure d'isopropyle à partir des produits de réaction résultants. I1 est également mentionné dans ce brevet américain, que le-fluorure d'isopropyle peut être obtenu par réaction en phase gazeuse du propylène et d'acide fluorhydrique en presence du fluorures métalliques supportés comme catalyseurs, à des températures raisonnablement élevees et à des pressions sensiblement élevées. I1 est également connu de préparer le fluorure d'isobutyryle par réaction du propylène, du monoxyde de carbone et de l'acide fluorhydrique. Dans ce procédé, de l'acide fluorhydrique pur et liquide est saturé par du monoxyde de carbone dans un réacteur à lit agité, puis la phase liquide est introduite dans un réacteur tubulaire maintenu à une température de l'ordre de 40"C. Le propylène en mélange avec du monoxyde de carbone est introduit en continu dans ce réacteur en plusieurs points constituant autant d'étages de carbonylation. Les débits et la forme du réacteur tubulaire contribuent à favoriser le mélange gaz-liquide. La Société déposante a maintenant mis au point un procédé intégré pour la formation du fluorure d'isobutyryle, par une réaction du propylène et de l'acide fluorhydrique en phase gazeuse suivie d'une carbonylation en phase liquide du mélange résultant en présence d'acide fluorhydrique, ce procédé conduisant à un meilleur rendement que celui que l'on peut atteindre dans la carbonylation du propylène seul, car il combine, en deuxième étape, la carbonylation à la fois du fluorure d'isopropyle et celle du propylène n'ayant pas réagi, en offrant l'important avantage complémentaire de ne pas avoir à viser une conversion poussée du propylène en première étape, laquelle s'accompagne du risque de l'apparition de produits lourds (polymères du propylène), dont la séparation d'avec le fluorure d'isopropyle serait à coup sûr un problème difficile à résoudre au plan industriel. La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication du fluorure d'isobutyryle à partir du propylène, caractérisé par le fait que - dans une première étape, on fait réagir, en phase gazeuse, du propylène et de l'acide fluorhydrique, en ne conduisant la conversion du propylène que jusqu'à un moment se situant avant l'apparition des oligomères du propylène, ce qui conduit à un mélange gazeux comprenant une quantité majeure de fluorure d'isopropyle et une quantite mineure de propylène n'ayant pas réagi ; et - dans une seconde étape, on fait réagir le mélange gazeux résultant de la première étape, sans séparation et après compression, avec du monoxyde de carbone dans de l'acide fluorhydrique liquide. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, le procédé est conduit en continu, généralement dans un reacteur tubulaire, en effectuant la première étape sous flux d'un gaz vecteur. On peut utiliser, comme gaz vecteur, un gaz inerte tel que l'azote ou bien le monoxyde de carbone. On peut également conduire le procédé selon l'invention en discontinu, dans un réacteur à agitation. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, on conduit la réaction de la première étape sans catalyseur jusqu'à une conversion molaire du propylène de 6080%. On peut également conduire la réaction de la première étape en présence de charbon actif ou de fluorures metalliques comme catalyseur, celui-ci se présentant sous la forme de poudre, de pastilles ou d'extrudats, et étant généralement disposé en lit fixe. De façon avantageuse, on peut, à la première étape, utiliser le monoxyde de carbone comme gaz vecteur et, à la seconde étape, introduire le complément de monoxyde de carbone nécessaire pour la carbonylation du fluorure d'isopropyle en phase liquide. La compression du mélange gazeux issu de la première étape en vue de son passage en phase liquide est assuree par un compresseur et/ou par l'apport du monoxyde de carbone pour la réaction de la deuxième etape. A la première étape, le rapport molaire de l'acide fluorhydrique au propylène est généralement compris entre environ 0,8 et 6, notamment entre environ 1 et 3. Par ailleurs, on conduit généralement la réaction de la première étape à une température comprise environ entre o et 200"C, de préférence environ entre 40 et 80"C, sous une pression comprise environ entre 105 et 1,2 x 106 Pa, de préférence environ entre 6 x 105 et 106 Pa, et pendant un temps d'environ 1 à 15 minutes. A la seconde étape, le rapport molaire de l'acide fluorhydrique au fluorure d'isopropyle est généralement compris environ entre 1 et 30, de préférence, environ entre 1 et 15 et le rapport molaire du monoxyde de carbone au fluorure d'isopropyle est généralement compris environ entre 1 et 15, de préférence environ entre 5 et 12. On conduit la réaction de la seconde étape à une température généralement inférieure à 100 C, comprise par exemple, environ entre 20 et 60"C sous une pression généralement inférieure à 107 Pa, comprise, par exemple, entre 2 x 106 et 8 x 106 Pa, et pendant un temps d'environ 1 à 60 minutes, notamment de 5 à 20 minutes. La Figure unique du dessin annexé représente un schéma de principe pour la conduite du procédé conforme à la présente invention, les réactions mises en jeu étant les suivantes Première étape (phase gazeuse) CH3 + CH2=CH-CH3 n'ayant pas réagi H2=CH-CH3 + HF > CH-F CH3 Deuxième étape (phase liquide) On introduit à l'entrée d'un réacteur tubulaire pouvant contenir un catalyseur, d'une part, de l'acide fluorhydrique entraîné par un gaz vecteur et, d'autre part, du propylène, et on conduit la réaction dans les conditions indiquées ci-dessus. Le mélange gazeux sortant est comprimé dans un compresseur avant d'être transféré dans le réacteur de deuxième étape dans lequel on introduit de l'acide fluorhydrique liquide.Le monoxyde de carbone nécessaire à la réaction de carbonylation est introduit en amont ou en aval du compresseur, de préférence en amont. La pression du monoxyde de carbone peut être suffisante pour assurer la compression. Dans le cas où l'on a utilisé le monoxyde de carbone comme gaz vecteur à la première étape, on n'introduit que le complément de monoxyde de carbone, ce complément pouvant également être suffisant pour assurer la compression. Les Exemples suivants sont destinés à illustrer la présente invention sans toutefois en limiter la portée. Exemples 1 à 10 : Synthèse du fluorure d'isopropyle en phase gazeuse On utilise un réacteur de carbonylation en phase liquide dans lequel la turbine est remplacée par un module permettant un meilleur brassage du gaz. on introduit 1,2 g d'acide fluorhydrique dans le réacteur à une température voisine de -10 C. L'acide fluorhydrique pesé est supérieur de 0,1 g à la masse nécessaire, soit 1,3 g pour pallier les pertes lors du transfert. Le volume utile du réacteur est de 300 ml. On chauffe le réacteur jusqu'à obtenir une température aussi proche que possible de 60"C dans le réacteur, puis on introduit le propylène rapidement et avec une légère poussée d'azote, jusqu'à obtention de la pression figurant dans le Tableau 1 ci-après. On pousse l'agitation au maximum pendant environ 750 tours/min pendant 5 minutes. Ensuite, on arrête l'agitation, on détend à pression atmosphérique, on purge l'installation avec de l'azote et on recueille la totalité des gaz dans la poche à gaz. Le mélange fluorure d' isopropyle-propylène collecté en fin de réaction dans les Exemples précédents est composé en moyenne d'environ 20% en moles de propylène et 80% en moles de fluorure d'isopropyle. Le propylène est analysé en CPG sur FID et catharomètre - colonne squalane. Le fluorure d'isopropyle est également analysé par CPG sur Carbowax 20 M. Les conditions réactionnelles particulières et les résultats des analyses pour chacun des Exemples 1 à 10 figurent dans le Tableau I ci-après. TABLEAU I Taux de Taux de Entrée Sortie transforma- transfortion utile mation Pression Acide fluor- Propylène Acide fluor- Fluorure en fluorure utile d'isopro- global Exemple hydrique hydrique/ d'isopro- Propylène (105 Pa) (mmoles) (mmoles) propylène pyle (mmoles) pyle (mmoles) 1 5 55 61,2 0,90 24,5 29,8 44,5 51,3 2 5 60 62 0,97 24,9 29,2 41,5 52,9 3 5 60 30,9 1,9 17,1 11,7 55,4 62 4 5 60 21,2 2,8 15,9 3,4 75,1 83,8 5 5 60 20,7 2,9 14,9 2,7 72,0 87,1 6 5 25 31,2 0,8 5,5 17,8 22 43,1 7 5 25 16,2 1,5 7,2 6,8 42 58,2 8 5 25 9,5 2,6 6,1 1,8 63,5 81,5 9(1) 10 50 50 1 20,0 26,2 40 47 10(2) 10 50 48,3 1 24,4 16,5 49,2 65 (1) Temps de contact de 7,5 min. (2) Temps de contact de 15 min. Exemples 11 à 18 On a comparé, dans les conditions de laboratoire, le rendement atteint dans la carbonylation du propylène seul (Rdt 2) (réaction 2 ci-dessus), et celui que permet d'atteindre le procédé selon l'invention (Rdt 1+2) (réactions combinées 1 et 2 ci-dessus), ce rendement étant dans le cas du mélange fluorure d' isopropyle/propylène 80/20 (en moles): Rdt 1+2 = 0,80 x Rdt 1 + 20 x Rdt 2, Rdt 1 étant le rendement de la carbonylation du fluorure d'isopropyle seul. Pour cela, on a purifié le fluorure d'isopropyle issu des Exemples précédents par une distillation cryogénique du propylène. A cet effet, on a introduit le mélange fluorure d'isopropyle-propylène obtenu à la première étape dans un appareil de distillation dont le bouilleur était maintenu à -50 C. On a porté ensuite lentement la température du mélange à -20 C et on a balayé l'installation par un léger flux d'azote. Le propylène ayant un point d'ébullition à -36QC et le fluorure d'isopropyle à -10 C, ce dernier est resté dans le bouilleur. L'enrichissement en fluorure d'isopropyle a été suivi en chromatographie. On a ainsi obtenu du fluorure d'isopropyle pur à 99,1%. Les conditions réactionnelles figurent dans le Tableau II ci-après, les Exemples 11 à 15 concernant la carbonylation du fluorure d'isopropyle (Rdt 1) et les Exemples 16 à 18, la carbonylation du propylène (Rdt 2). La comparaison des résultats des Exemples 12 et 16, conduits sensiblement dans les mêmes conditions de température, pression et temps de contact, permet de conclure à une supériorité du rendement du procédé selon l'invention par rapport à la carbonylation du propylène seul puisque Rdt 2 = 67,4 ; et Rdt 1 + 2 = 87,2 x 0,80 + 67,4 x 0,20 = 83,2 Le procédé selon l'invention représente un perfectionnement par rapport à l'état antérieur de la technique, sachant notamment qu'il permet d'éviter une formation de produits lourds à la première étape. On sait en effet qu'il serait nécessaire de pousser la conversion de la première étape si l'on souhaitait atteindre un rendement analogue à Rdt 2, mais que cette voie s'accompagnerait nécessairement d'une séparation du fluorure d'isopropyle d'avec les produits lourds en fin de première étape, séparation extrêmement difficile à réaliser correctement à l'échelle industrielle. Par ailleurs, on peut souligner que les rendements dont la comparaison a été faite ci-dessus sont obtenus dans des conditions de laboratoire, lesquelles sont, dans le cas de la présente technologie, plus défavorables qu'à l'échelle industrielle. TABLEAU II Tempé- Pression Temps de Rapport molai- Rapport mo- % molaire % molaire de rature contact re acide laire monoxyde de propy- fluorure Exemple (105 Pa) fluorhydrique/ de carbone/ Rdt 1 Rdt 2 lène d'isopropyle ( C) (h) propylène propylène résiduel résiduel 11 41 40 1 14,3 9,5 83,4 - 0,2 3,9 12 41 42 1 14,7 9,1 87,2 - 0,2 2,7 13 42 63 1 14,7 14,1 83,2 - 0,1 3,7 14 41 42 1/4 15,4 11,2 78,4 - 0,2 5,6 15 41 53 1/4 14,7 9,8 79,5 - 0,3 4,4 16* 42 42 1 15,3 9,8 - 67,4 4 0,9 17* 42 43 1 14,8 10 - 65,5 2,9 0,9 18* 42 42 1 15,3 10 - 60,3 3,9 2,4 * Ces exemples correspondent à des exemples comparatifs dans lesquels le mélange de la première étape est remplacé par du propylène pur à 99,4%. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication du fluorure d'isobutyryle à partir du propylène, caractérisé par le fait que - dans une première étape, on fait réagir, en phase gazeuse, du propylène et de l'acide fluorhydrique, en ne conduisant la conversion du propylène que jusqu'à un moment se situant avant l'apparition des oligomères du propylène, ce qui conduit à un mélange gazeux comprenant une quantité majeure de fluorure d'isopropyle et une quantité mineure de propylène n'ayant pas réagi ; et - dans une seconde étape, on fait réagir le mélange gazeux résultant de la première étape, sans séparation et après compression, avec du monoxyde de carbone dans de l'acide fluorhydrique liquide. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est conduit en continu en effectuant la première étape sous flux d'un gaz vecteur. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on utilise, comme gaz vecteur, un gaz inerte tel que l'azote ou bien le monoxyde de carbone. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on conduit la reaction de la première étape sans catalyseur jusqu'à une conversion molaire du propylène de 60-80%. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on conduit la réaction de la première étape en présence de charbon actif ou de fluorures métalliques comme catalyseur. 6 - Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait qu'à la première étape, on utilise le monoxyde de carbone comme gaz vecteur et qu'à la seconde étape, on introduit le complement de monoxyde de carbone nécessaire pour la carbonylation du fluorure d'isopropyle en phase liquide. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la compression du mélange gazeux issu de la première étape en vue de son passage en phase liquide est assurée par un compresseur et/ou par l'apport du monoxyde de carbone pour la réaction de la deuxième étape. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'à la première étape, le rapport molaire de l'acide fluorhydrique au propylène est compris entre 0,8 et 6. 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'on conduit la réaction de la première étape à une température comprise entre 0 et 200"C, sous une pression comprise entre 105 et 12 x 105 Pa, et pendant un temps de 1 à 15 minutes. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'à la seconde étape, le rapport molaire de l'acide fluorhydrique au fluorure d'isopropyle est compris entre 1 et 30, et le rapport molaire du monoxyde de carbone au fluorure d'isopropyle est compris entre 1 et 15. 11 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'on conduit la réaction de la seconde étape à une température inférieure à 100 C, sous une pression inférieure à 107 Pa et pendant un temps de 1 à 60 minutes.