Brevet FR2733497A1 — publié le 19961031

La présente invention a pour objet un procédé industriel perfectionné permettant la production de butène-1 à partir d'éthylène. I1 existe de nombreux brevets décrivant des méthodes destinées à synthétiser du butène-l par dimérisation d'éthylène. Parmi ceux-ci, le brevet US-A-4.532.370 déposé par le demandeur décrit un catalyseur d'une très grande activité et sélectivité pour le butène-1. Toutefois, ce procédé nécessite la désactivation du catalyseur usé, qui doit ensuite être séparé de l'effluent réactionnel par vaporisation de la quasi totalité de l'effluent. La zone de séparation du catalyseur nécessite un équipement de vaporisation spécifique tel que, par exemple, des évaporateurs à film mince permettant de vaporiser le produit recherché. La présente invention a pour objet un procédé perfectionné de production de butène-1 par dimérisation d'éthylène comportant une zone de séparation du catalyseur extrêmement performante. Le procédé de l'invention, au cours duquel environ 99 % en poids de l'effluent réactionnel sont vaporisés en deux étapes, d'abord au moyen d'un vaporiseur ordinaire puis d'un évaporateur à film mince, présente l'avantage de limiter le service de l'évaporateur à film mince. Cette limitation réduit considérablement le coût de l'installation. De plus, une vaporisation à température et à pression élevées provoque souvent l'encrassement du vaporiseur du fait de la modification des propriétés des polymères à température élevée dans le vaporiseur. On évite les températures élevées avec le procédé de l'invention, ce qui limite efficacement l'encrassement du vaporiseur. Un autre avantage très important du procédé selon la présente invention résulte de la possibilité d'utiliser un ou plusieurs évaporateurs à film mince de dimension réduite, ce qui limite le coût de l'installation. Ainsi, l'invention concerne un procédé perfectionné de production de butène-1 par la dimérisation catalytique homogène en phase liquide d'éthylène, à une pression de 0,5 à 8 MPa et à une température de 20 C à 150 C, comportant une étape au cours de laquelle un effluent réactionnel de dimérisation est mis en contact avec un inhibiteur de catalyseur, ainsi qu'une étape de récupération d'un effluent réactionnel sensiblement exempt de catalyseur et d'une solution catalytique inactivée concentrée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: 2 2733497 a) on introduit un catalyseur inhibé contenant un effluent réactionnel dans une zone de détente dans laquelle la pression est réduite d'environ 0,1 MPa à environ 2 MPa et on obtient une première phase gazeuse contenant de l'éthylène et du butène-1, ainsi qu'une première phase liquide contenant le catalyseur inhibé, b) on fait passer la première phase liquide issue de l'étape a) dans au moins une section de vaporisation dans laquelle elle est vaporisée à une pression sensiblement identique à celle de l'étape a) et à une température permettant la séparation d'une seconde phase gazeuse contenant du butène- 1 et de l'éthylène et d'une seconde phase liquide contenant le catalyseur inhibé, c) on fait ensuite passer la seconde phase liquide issue de l'étape b) dans au moins une zone d'évaporation à film mince dans laquelle elle est évaporée à une pression sensiblement identique à celle de l'étape b), dans des conditions permettant la séparation d'une troisième phase gazeuse contenant de l'éthylène, du butène-1, ainsi que d'autres produits hydrocarbonés plus lourds, et d'une solution catalytique inactivée concentrée, et d) on recueille la première, la seconde et la troisième phase gazeuse pour constituer un effluent réactionnel gazeux sensiblement exempt de catalyseur usé. Au cours du processus de dimérisation de l'éthylène, l'effluent réactionnel contient toujours certains composants lourds tels que du C6 (essentiellement des composés oléfiniques) et du C6+ (essentiellement de l'octène) formés au cours de réactions secondaires dans le réacteur. Le catalyseur reste dissous dans cette fraction lourde et sera séparé sous forme de solution dans cette fraction. Au cours de la dimérisation de l'éthylène, la pression du réacteur varie de préférence entre 1,5 MPa et 3 MPa, la température varie de préférence entre C et 70 C et de manière encore préférentielle entre environ 50 C et environ 70 C. L'effluent réactionnel est mis en contact avec une quantité suffisante d'inhibiteur de catalyseur tel que, par exemple, un composé polaire oxygéné ou azoté destiné à désactiver sensiblement la totalité du catalyseur présent dans l'effluent avant de faire passer cet effluent dans la zone de détente. De tels inhibiteurs de catalyseur azotés sont par exemple décrits dans le brevet européen EP-B-200.654. 3 2733497 Au sein de la zone de détente, la pression de l'effluent réactionnel sera de préférence réduite d'environ 0,5 MPa à environ 1 MPa. Dans cette zone, en raison de la baisse de la pression, une partie de l'effluent sera vaporisée. La chute de pression est généralement telle qu'au moins 5 % en poids, par exemple 8% à 15 %, de l'effluent en provenance du réacteur sont vaporisés. On fait passer la première phase liquide obtenue dans la zone de détente dans la zone de vaporisation qui comporte un ou plusieurs vaporiseurs. Dans cette zone de vaporisation, la température varie de préférence entre 60 C et 100 C et de manière encore préférentielle entre 70 C et 90 C. Dans ces conditions, au moins % en poids, par exemple 55 % à 81 %, de l'effluent réactionnel sont vaporisés dans cette zone. On fait passer la seconde phase liquide recueillie après la section de vaporisation dans une zone d'évaporation à film mince qui comporte au moins un évaporateur à film mince et souvent deux évaporateurs à film mince sensiblement identiques, voire davantage. Dans cette zone, au plus 25 % en poids, par exemple 10 % à 20 % de l'effluent réactionnel sont généralement vaporisés. Dans un mode de réalisation préféré, l'effluent réactionnel gazeux sensiblement exempt de catalyseur est condensé sous la forme d'un produit liquide qui peut être amené dans une zone de séparation dans laquelle le butène-1 sera séparé de l'éthylène. La condensation s'effectue généralement à la pression du produit gazeux recueilli à l'issue de chacune des étapes de vaporisation de la présente invention. Le produit liquide obtenu peut alors être comprimé à une pression sensiblement identique à la pression réactionnelle de dimérisation. Cette compression peut être réalisée au moyen d'une pompe centrifuge ou de tout autre appareil connu en soi. La réussite de ce nouveau procédé dépend de la concentration d'éthylène dans l'effluent réactionnel et de la possibilité de transférer une charge de travail de vaporisation maximale des évaporateurs à film mince vers le vaporiseur. Il est évident que la pression de service du vaporiseur joue un rôle essentiel dans le transfert du travail de vaporisation. Le procédé permettant d'obtenir le butène-1 nécessite une vaporisation quasi totale de l'effluent réactionnel en vue de séparer le catalyseur de l'effluent, puis une condensation complète avant les 4 2733497 opérations de distillation. Une pression de service peu élevée favorise la vaporisation de l'effluent réactionnel dans le vaporiseur, tandis qu'une pression de service importante favorise la recondensation de l'effluent réactionnel dans le condenseur d'alimentation de la colonne de recyclage, notamment lorsque la concentration de l'éthylène est supérieure dans l'effluent réactionnel. Cette invention est basée sur l'optimisation de ces pressions de vaporisation et de condensation. Selon cette invention, on utilise un évaporateur à film mince pour éliminer seulement une faible quantité de catalyseur en solution. On évite ainsi un flux inutile de liquide vers l'évaporateur à film mince. La masse de catalyseur soutirée au fond de l'évaporateur à film mince contient environ 13 % en poids par exemple de catalyseur non vaporisable. i5 La réfrigération requise pour ce nouveau procédé est minimisée en optimisant les écoulements d'eau de réfrigération et d'eau glacée, et en adaptant la disposition des réfrigérants des reflux circulants et des condenseurs d'alimentation de la colonne de recyclage. Une température minimale de réfrigération de l'eau est souhaitable pour permettre la condensation de l'ensemble des vapeurs produites dans la zone de séparation du catalyseur. On peut faire fonctionner le réacteur contenant le butène-1 dans des conditions telles que la concentration d'éthylène dans l'effluent réactionnel varie entre 10 et 15 % en poids par exemple. Avec cette faible concentration d'éthylène, l'effluent réactionnel peut être recondensé par exemple à 1,3 MPa et à 15 C après séparation du catalyseur. Ce liquide recondensé est ensuite pressurisé à la pression de service choisie pour la colonne de recyclage en vue de séparer l'éthylène du butène-1 et d'autres composants lourds. Selon cette invention, l'ensemble des vapeurs de la zone de séparation du catalyseur est de préférence recondensé à une pression peu élevée, par exemple à 1,3 MPa, dans la mesure o on utilise généralement une pompe pour augmenter la pression de l'effluent réactionnel en la faisant passer d'une valeur peu élevée à la valeur de la pression de la réaction de dimérisation, c'est à dire par exemple de 1,3 à 2,6 MPa. Après fractionnement, l'éthylène qui n'a pas réagi est recyclé vers le réacteur contenant le butène-1 dont la pression de service s'élève à environ 2,3 MPa. 2733497 EXEMPLES Les exemples présentés ci-dessous illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLE 1 Cet exemple présente de manière détaillée le bilan matière et le bilan énergétique d'une installation de production de butène-1 selon l'invention. L'exemple décrit le bilan matière et le bilan énergétique de 11,7 MT/h de butène-1 dans l'effluent réactionnel. La dimérisation de l'éthylène est effectuée à une température de 53 C et à une pression de 2,32 MPa en présence du catalyseur décrit dans l'exemple 1 du brevet US-A-4.532.370 déposé par le demandeur. La pression de l'effluent réactionnel est abaissée de 0,77 MPa (de 2,32 MPa à 1,55 MPa) au moyen d'une soupape de régulation de pression qui vaporise environ 10,1 % en poids de l'effluent réactionnel et diminue la température de l'effluent réactionnel de 11 C (de 53 C à 42 C). On ajoute ensuite 5 kg de décylamine, employée comme inhibiteur de catalyseur, à l'effluent réactionnel chaud afin de désactiver le catalyseur avant l'étape de dépressurisation. A l'issue de l'étape de dépressurisation, on envoie l'effluent réactionnel dans un ballon de détente. Le courant de vapeur formé dans la partie supérieure du ballon est recueilli pour être envoyé dans au moins un condenseur. Le liquide contenu dans le ballon de détente est ensuite transféré par pompage dans un vaporiseur. Le liquide initialement contenu dans le ballon de détente est chauffé à 83 C dans le vaporiseur. La pression dans le vaporiseur n'étant que de 1,5 MPa, environ 69,1 % en poids d'effluent réactionnel sont vaporisés à 83 C. Cette méthode permet de faire passer 3 MT/h de liquide contenant une faible quantité de catalyseur dans la zone d'évaporation à film mince composée de deux évaporateurs à film mince disposés en série. 95 % en poids de ce liquide sont vaporisés dans le premier et dans le second évaporateur à film mince et environ 5 % en poids constituent la purge de catalyseur. Le premier, le second et le troisième flux provenant respectivement du ballon de détente, du vaporiseur et des évaporateurs à film mince sont ensuite mélangés en vue de former un écoulement gazeux avant d'être envoyés dans deux condenseurs disposés en série. L'ensemble des vapeurs est condensé à 1,31 MPa et à 15 C. La limitation à 6 2733497 C de la température de sortie du condenseur est imposée par la température de l'eau refroidie (10 C). Le bilan matière est présenté dans le Tableau 1 ci-après. TABLEAU 1 EFFLUENT PURGE DE FLUX GAZEUX REACTIONNEL CATALYSEUR COMPOSANT % POIDS COMPOSANT % POIDS COMPOSANT % POIDS méthane 0,0338 méthane 0,0 méthane 0,0377 éthane 1,0709 éthane 0,0006 éthane 1,1019 éthylène 13,822 éthylène 0,0017 éthylène 14,135 butane-1 79,031 butène-1 13,342 butène-1 79,469 butane 0,0883 butane 0,0175 butane 0,0688 hexène- 1 5,5093 hexène- 1 59,401 hexène- 1 4,8649 hexane 0,3039 hexane 3,9689 hexane 0,2571 octane-1 0,1523 octène-1 7,5734 octane-1 0,0615 inhibiteur de inhibiteur de inhibiteur de catalyseur 0,0000 catalyseur 2,4614 catalyseur 0,0044 catalyseur 0,1554 catalyseur 13,234 catalyseur 0,0 EXEMPLE 2 Dans cet exemple, les conditions de dimérisation sont identiques à celles de i0 l'exemple 1, mais la pression dans la zone de séparation du catalyseur est encore réduite. La pression dans la zone de séparation du catalyseur est diminuée de 0,1 MPa (1 bar) à 1,45 MPa, le flux liquide qui s'écoule vers l'évaporateur à film mince passe de 3 à 2 MT/h, nécessitant ainsi un évaporateur à film mince de taille encore inférieure. La baisse d'un bar de la pression réduit de 13 % le travail fourni par l'évaporateur à film mince, ce qui est toutefois pénalisant dans la mesure o la condensation d'environ 274 kg de vapeurs à 1,21 MPa et à 15 C est impossible. La condensation totale de ces vapeurs s'effectue néanmoins à 1,21 MPa en réduisant la température côté procédé à 12 C à la sortie du condenseur. 7 2733497 REVENDICATIONS 1) Procédé permettant la production de butène-1 par dimérisation catalytique homogène en phase liquide d'éthylène à une pression variant entre 0,5 MPa et 8 MPa et à une temperature variant entre 20 C et 150 C, comportant une étape au cours de laquelle un effluent réactionnel de dimérisation est mis en contact avec un inhibiteur de catalyseur et une étape de récupération d'un effluent réactionnel sensiblement exempt de catalyseur et d'une solution catalytique inactivée concentrée, caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes: a) on introduit un catalyseur inhibé contenant un effluent réactionnel dans une zone de détente dans laquelle la pression est abaissée d'environ 0,1 MPa à environ 2 MPa, et on obtient une première phase gazeuse contenant de l'éthylène et du butène-l, ainsi qu'une première phase liquide contenant le catalyseur inhibé, b) on fait passer la première phase liquide issue de l'étape a) dans au moins une zone de vaporisation dans laquelle elle est vaporisée à une pression sensiblement identique à celle de l'étape a) et à une température permettant la séparation d'une seconde phase gazeuse contenant du butène-1 et de l'éthylène et d'une seconde phase liquide contenant le catalyseur inhibé, c) on fait passer la seconde phase liquide issue de l'étape b) dans au moins une zone d'évaporation à film mince dans laquelle elle est évaporée à une pression sensiblement identique à celle de l'étape b), dans des conditions permettant la séparation d'une troisième phase gazeuse contenant de l'éthylène, du butène-1 et d'autres produits hydrocarbonés plus lourds et d'une solution catalytique inactivée concentrée, et d) on recueille la première, la seconde et la troisième phase gazeuse pour constituer un effluent réactionnel gazeux sensiblement exempt de catalyseur. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit effluent réactionnel gazeux sensiblement exempt de catalyseur est condensé sous la forme d'un produit liquide. 8 2733497 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le produit liquide est amené dans une zone de séparation dans laquelle le butane-1 est séparé de l'éthylène. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimérisation de l'éthylène est effectuée à une pression variant entre 1,5 MPa et 3 MPa et à une température variant entre 30 C et 70 C. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pression dans le ballon de détente est réduite d'environ 0,5 MPa à environ 1 MPa. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la température dans la zone de vaporisation varie entre environ 60 C et 100 C. 7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la zone d'évaporation à film mince comporte un seul évaporateur à film mince. 8) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la zone d'évaporation à film mince comporte au moins deux évaporateurs à film mince connectés en sénrie.