Brevet FR2882360A1 — publié le 20060825

2u Procédé de fabrication de lactames La présente invention concerne un procédé de fabrication de lactames. Elle concerne plus particulièrement un procédé de fabrication de lactames à partir de composés alkylcyanovalérates obtenus en utilisant comme matières premières notamment des composés mononitriles insaturés, et plus particulièrement des pentènenitriles tels que les 2-, 3-, 4-pcntènitriles pris isolément ou en mélange et appelés ci-après PN pour le mélange et respectivement 2PN, 3PN, et 4PN. L' E-caprolactame est un composé utilisé préférentiellement pour la fabrication de différents polyamides dont le plus important est le polyamide 6 (PA()) ou polycaproamide. Plusieurs procédés de synthèse d'c-caprolactame ont été proposés dont certains sont exploités industriellement depuis de nombreuses années. Le procédé le plus exploité utilise comme matière première du benzène pour fabriquer l'oxime de cyclohexanone comme composé intermédiaire, l'Ecaprolactame étant obtenu par la réaction de réarrangement de Beckmann. Depuis plusieurs années. il a également été proposé un procédé de fabrication de -caprolactame en utilisant comme matière première le butadiène et avec comme composé intermédiaire, l'adiponitrile Dans ce procédé. l'adiponitrile obtenu par double hydrocyanation du butadiène est partiellement hydrogéné en aminocapronitrile avec production conjointe d'hexaméthvlènediamine. L'aminocapronitrile, après séparation, est hydrolysé et cyclisé en caprolactame soit en phase gazeuse soit en phase liquide, en présence ou non d'un solvant. Ce procédé demande une double hydrocyanation du butadiène et produit conjointement de l'hexamethylènediamine qui doit être valorisée pour l'économie du procédé. Il est également possible, à partir du butadiène, de réaliser une alkoxycarbonylation pour obtenir le penténoate d'alkyle. puis une hydrotormylation suivie d'une amination réductrice en aminocaproate d'alkyle. Ce dernier composé est ensuite cyclisé en caprolactame. Il est également proposé un procédé de synthèse de caprolactame en utilisant comme matière première du butadiène et comme composé intermédiaire des pentènenitriles (PN) obtenus par une simple hydrocyanation d'une double liaison clu butadiène. Dans ce procédé les PN sont convertis en tormylvaléronitrile dans une réaction d'hydrotormylation en présence d'hydrogène et de monoxyde de carbone. Ce to-mvlvaléronitrile est ensuite transformé. dans une seconde étape, en alkylcyanovalérate par oxydation et réaction a\ ec un alcool. Après isolation par, par exemple, distillation, l'alkylcyanovalérate est hydrogéné pour obtenir l'alkvlaminocaproate. Le caprolactame est obtenu dans une dernière étape par cyclisation de l'alkvlaminocaproate. Un tel procédé. notamment décrit dans le brevet US 6 365 770, comprend de nombreuses étapes successives nécessitant entre chaque étape une séparation du composé intermédiaire t wné. Ces différentes étapes de séparation entraînent une perte de rendement global du procédé et donc affectent fortement l'économie de celui-ci. Cet enchaînement de réactions et étapes successives est décrit dans de nombreux brevets et articles comme par exemple le brevet \VO 01196294. 1. n des buts de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé qui permet d'améliorer son rendement global et de réduire l'investissement nécessaire u pour l'exploitation industrielle de celui-ci. A cet effet, l'invention propose un procédé de synthèse de caprolactame à partir d'alkylcyanovalérate qui se caractérise en ce qu'il consiste à mettre en contact l'alkylcyanovalérate à l'état gazeux avec de l'hydrogène, en présence de catalyseurs d'hydrogénation et de cyclisation, et à récupérer le flux gazeux contenant le caprolactame formé et à traiter ledit flux. après condensation, pour récupérer le caprolactame. Le procédé de l'invention permet d'obtenir le caprolactame directement à partir de l'alkylcyanovalérate sans étape d'isolation et de récupération de l'alkylaminovalérate formé in-situ. De ce fait, l'investissement nécessaire pour l'exploitation de ce procédé est notablement réduit, ainsi que les pertes de produits générées au cours des étapes de séparation de 10 l'alkylaminovalérate ou par des réactions de polymérisation. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé s'applique plus particulièrement à la synthèse de l'c-caprolactame à partir d'un alkylcyanovalérate tel que le methvlcvanovalérate. Selon une autre caractéristique de l'invention, le traitement du flux gazeux, en sortie de réacteur, consiste, dans un premier mode de réalisation, à condenser le flux gazeux puis à extraire. par exemple par distillation, l'ammoniac s'il est présent. Après cette extraction, le flux condensé peut être traité par des résines échangeuses d'ions ou distillé en présence d'un acide 2(I après élimination de l'alcool. Le milieu obtenu comprenant le caprolactame, après traitement sur résine ou distillation en présence d'un acide, est de nouveau distillé en présence d'une base Morte. Le caprolactame est récupéré sous terme d'une fraction de distillation. lin tel procédé de traitement d'un milieu de cyclisation pour l'obtention de caprolactame pur est notamment décrit dans le brevet EP 922 027. Il est également possible sans sortir du cadre de l'inv ention, d'utiliser tous les procédés connus permettant d'extraire et purifier le caprolactame contenu dans un milieu. 3U Ainsi, cette extraction et ou purification peut Comprendre des étapes de cristallisation, hydrogénation, oxydation, par exemple L'alkylcyanovalérate utilisé comme matière première dans le procédé de l'invention peut être obtenu, par exemple, à partir de pentènenitriles par une réaction d'hydroformylation puis oxydation et réaction avec un alcool tel que décrit, à titre indicatif dans les brevets US 6 365 770. US 5 986 126 et WO 00 56451. L'alkylcyanovalérate peut également être obtenu par alcoxycarboxylation des pentènenitriles par réaction avec le monoxyde de carbone et un alcool tel que le méthanol. De tels procédés sont décrits dans les brevets WO 0172697, WO 03 0401 59 et WO 00/14055. D'autres procédés de fabrication sont décrits, par exemple, dans l'article de Reppe publié dans Lieb. Ann. Client 596 (1995)127, les brevets BE 8501 13. EP 576976. De manière générale, tout procédé connu de synthèse d'un alkylcyanovalérate est convenable pour l'invention, comme le procédé utilisant l'hydrolyse enzymatique de l'adiponitrile décrit notamment, dans le brevet WO 9744318. Selon l'invention, la transformation de l'alkylcyanovalérate en caprolactame est mise en oeuvre dans un réacteur unique contenant un système catalytique présentant d'une part une activité catalytique pour l'hydrogénation et d'autre part. une activité catalytique pour la réaction de cyclisation. Selon un mode de réalisation de l'invention, les catalyseurs d'hydrogénation et de cyclisation sont des composants distincts qui sont présents dans le réacteur sous forme de mélange de poudres ou granulés solides, ou sous ferme de lits catalytiques notamment quand le réacteur est tubulaire ou sous tbrme de colonne. Dans ce dernier mode de réalisation, les deux lits catalytiques sont avantageusement disposés de manière successive et adjacente dans le réacteur, le lit de catalyseur d'hydrogénation étant disposé en amont du lit de catalyseur de cyclisation dans le sens du déplacement des gaz ou vapeurs constituant le flux réactionnel. Le réacteur peut également contenir un seul lit catalytique comprenant un mélange des deux catalyseurs. 3o Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le système catalytique unique est constitué par un catalyseur supporté, le support étant avantageusement un catalyseur de cyclisation, les métaux catalysant l'hydrogénation étant déposés ou absorbés sur le dit support. I() A titre d'exemple de catalyseurs d'hydrogénation pouvant être utilisés sous Norme de mélange ou sous tonne de lit catalytique, on peut citer les catalyseurs comprenant comme élément métallique actif le fer, le ruthénium, le rhodium. l'iridium, le palladium, le cobalt, le nickel, le chrome, l'osmium et le platine ou un mélange de ceux-ci. Ces métaux peuvent être utilisés sous terme de catalyseurs supportés, ou sous terme massique. De tels catalyseurs sont notamment décrits dans les brevets US200 3015374') et LIS 6 365 770. De manière générale. tous les supports de catalyseurs sont convenables pour réaliser ces catalyseurs d'hydrogénation. Lin ou plusieurs métaux sont déposés à la surface de ces supports, u notamment sous fiwme d'oxyde. La quantité de métal sur le support n'est pas critique mais est généralement comprise entre 0,1 00 et 50 "o en poids par rapport au poids de catalyseur supporté. Concernant la réaction de cyclisation. les catalyseurs convenables sont des catalyseurs 15 hétérogènes solides tels que ceux décrits, par exemple, dans la demande de brevet européen 1 456 177. Pan-ni les catalyseurs décrits dans ce document les oxydes métalliques tels que les alumines; la silice, ainsi que les zéolithes. les phosphates métalliques tels que, par exemple, les phosphates d'aluminium, phosphates de titane, phosphate de zirconium sont particulièrement convenables pour l'invention. Comme catalyseurs préférés de cyclisation de l'invention, on citera les alumines poreuses, notamment celles décrites dans les brevets européens n 0805801 et 1098875. Selon un mode de réalisation de l'invention, le système catalytique est avantageusement un catalyseur unique qui comprend une activité de catalyse pour la réaction d'hydrogénation et une activité catalytique pour la réaction de cyclisation. Les catalyseurs préférés de l'invention présentant ces activités sont des catalyseurs obtenus par dépôt d'un ou plusieurs éléments 3U métalliques présentant une activité catalytique en hydrogénation et décrits ci-dessus, sur un composé solide correspond aux catalyseurs (le cyclisation décrits ci-dessus. Ainsi, les catalyseurs préférés de l'invention sont les catalyseurs comprenant un oxyde métallique tel que les alumines poreuses décrites ci-dessus sur lequel est déposé au moins un élément métallique catalvtiquement actif. Ces catalyseurs peuvent être obtenus par tous les procédés classiques de fabrication des catalyseurs supportés. Selon l'invention, il est possible de mettre en oeuvre les réactions d'hydrogénation et de cyclisation en présence d'ammoniac et ou d'eau. Avantageusement, la concentration pondérale en ammoniac et'ou eau dans le milieu réactionnel est comprise entre 5 et 40 / Ces réactions sont réalisées à une température comprise entre 200 C et 450 C et avantageusement sous une pression partielle d'hydrogène comprise entre 0, 1 et 20 bar l) La fabrication du lactame selon le procédé de l'invention peut être mise en oeuvre dans tout réacteur permettant la réaction entre des gaz par passage sur un catalyseur avantageusement à l'état solide. Ainsi, les réacteurs préférés sont les réacteurs tubulaires ou les réacteurs colonnes qui peuvent comprendre des lits fixes ou fluidisés de catalyseurs. Le flux de gaz en sortie de réacteur est avantageusement refroidi rapidement pour éviter la formation d'oligomeres par polymérisation du lactame. Le lactame récupéré est ensuite séparé et purifié selon les procédés de purifications connues comme celui décrit dans le brevet européen n 0 922 027 et notamment selon les étapes décrites précédemment. Ainsi, dans un mode de réalisation de l'invention, le flux gazeux sortant du réacteur est condensé et refroidi à une température intérieure à 150 C rapidement. Cette étape de condensation et refroidissement est réalisée en un temps compris entre quelques secondes et quelques minutes. l'ammoniac éventuellement présent est ensuite éliminé par distillation. Le milieu résultant comprenant le caprolactame en solution dans l'alcool formé (le méthanol dans le cas du méthylcyanovalérate) ou en milieu hydrométhanolique. est ensuite traité selon le procédé décrit dans le brevet EP 0922027 et le mode opératoire décrit dans les exemples de ce brevet. Le caprolactame récupéré présente un degré de pureté comparable à celui obtenu par le procédé d'hydrolyse cyclisante de l'aminocapronitrile, par exemple. Revendications 1. Procédé de synthèse de lactames à partir alkylcyanovalérate caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en contact l'alkylcyanovalérate à l'état gazeux avec de l'hydrogène en présence de catalyseurs d'hydrogénation et de cyclisation et à traiter, après condensation, le flux gazeux contenant le lactame formé. ?. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que le catalyseur d'hydrogénation Il) comprend un élément ou un mélange d'éléments métalliques choisi dans le groupe comprenant comme élément métallique actif le fer, le ruthénium, le rhodium, l'iridium, le palladium, le cobalt. le nickel. le chrome. 1'osmiuni et le platine ou un mélange de ceux-ci. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le catalyseur de cyclisation est 15 choisi dans le groupe comprenant les oxydes métalliques, les zéolithes, les phosphates métalliques. 4. Procédé selon la revendication 3. caractérisé en ce que le catalyseur de cyclisation est choisi dans le groupe comprenant les alumines, la silice, les phosphates d'aluminium, les Zoo phosphates de zirconium, les phosphates de titane 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les catalyseurs d'hydrogénation et de cyclisation sont mélangés. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le catalyseur d'hydrogénation et le catalyseur de cyclisation sont disposés de manière séparée dans le réacteur pour former deux lits catalytiques successifs. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la réaction est réalisée o en présence d'un catalyseur mixte d'hydrogénation et cyclisation comprenant un composé tùrmant le catalyseur de cyclisation et des éléments métalliques catalytiquement actifs pour la réaction d'hydrogénation déposés ou imprégnés dans le dit composé. I5 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le catalyseur mixte comprends un support constitué par une alumine et formant le catalyseur de cyclisation dans laquelle sont déposés ou imprégnés un ou des éléments métalliques choisi dans le groupe comprenant le fer, le ruthénium. le rhodium l'iridium, le palladium. le cobalt, le nickel, le chrome, I'osmium et le platine ou un mélange de ceux-ci 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alkvlcvanovalérate est le méthvlcvanovalérate. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la réaction est mise en oeuvre a une température comprise entre 200 C et 450 C 1 1. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réaction est mise en oeuvre sous une pression d'hydrogène comprise entre 0,1 et 20 bar. 12. Procédé selon l'une de revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement du flux galeux sortant du réacteur. après condensation, comprend une étape de traitement sur résine échangeuses d'ions ou une distillation en présence d'un acide fort, et une étape de distillation du caprolactamc en présence d'une base forte. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'ammoniac, s'il est présent, est extrait du flux gazeux condensé avant l'étape de traitement sur résine échangeuse d'ions ou distillation en présence d'un acide.