Brevet FR2916442A1 — publié le 20081128

L'invention vise un procédé conjugué de synthèse d'une part de nitriles et/ou amines gras et d'autre part de carbonates de mono-alcools, à partir d'esters gras issus d'huiles naturelles. L'évolution actuelle en matière d'environnement conduit dans les domaines de l'énergie et de la chimie à privilégier l'exploitation des matières premières naturelles provenant d'une source renouvelable. Ces contraintes environnementales imposent également d'éviter le transport et le stockage de matières premières dangereuses. Un exemple de procédé industriel utilisant un acide gras comme matière io première est celui de la fabrication de nitriles et/ou d'amines gras à partir d'acides gras extraits d'huiles végétales ou animales. Ce procédé est décrit dans l'encyclopédie Kirk-Othmer Vol 2, 4 Edition, page 411. L'amine grasse est obtenue en plusieurs étapes. La première étape consiste en une méthanolyse ou une hydrolyse d'une huile végétale ou d'une graisse animale 15 produisant respectivement l'ester méthylique d'un acide gras ou un acide gras. L'ester méthylique de l'acide gras peut ensuite être hydrolysé pour former l'acide gras. Ensuite, l'acide gras est transformé en nitrile par réaction avec l'ammoniac, et finalement en amine par hydrogénation du nitrile ainsi obtenu. La préparation des amines grasses à partir des acides gras via un nitrile 20 date des années 1940. Le schéma réactionnel de la synthèse des nitriles peut se résumer de la façon suivante. NH3 [R_000 NH ] ù [RùCON H21 RùCN + H2O + H2O Il existe 2 types de procédés basés sur ce schéma réactionnel : un procédé batch en phase liquide qui est pratiqué par la société CECA et un 25 procédé continu en phase vapeur. Dans le procédé batch, on charge l'acide gras ou un mélange d'acides gras avec un catalyseur qui est généralement un oxyde métallique et le plus fréquemment l'oxyde de zinc. On porte le milieu réactionnel jusqu'à environ 150 C sous agitation, puis on commence à introduire l'ammoniac gazeux. Dans un premier temps, on forme un sel d'ammonium ou savon d'ammonium. La température du milieu réactionnel est ensuite portée aux alentours de 250 -300 C toujours sous introduction d'ammoniac. Le sel d'ammonium se transforme en amide avec libération d'une première molécule d'eau. Puis, dans un deuxième temps et avec l'aide du catalyseur, l'amide se transforme en nitrile avec formation d'une deuxième molécule d'eau. Cette eau formée est éliminée en continu du réacteur en entraînant l'ammoniac qui n'a pas réagi et un peu de chaînes grasses parmi les plus légères. Le passage par un déflegmateur rétrograde les composés gras vers le milieu réactionnel alors que les eaux io ammoniacales sont envoyées vers un système de récupération de l'ammoniac qui peut être recyclé. La réaction est terminée quand il n'y a plus de fonction acide et que la teneur en amide est conforme aux spécifications. Dans le procédé continu, la réaction a lieu en phase vapeur à des niveaux de température élevés et généralement sur un lit fixe d'alumine dopée 15 ou non. L'avantage du procédé batch est de conduire à des nitriles plus purs car ils sont généralement distillés, alors que ce n'est pas le cas en procédé continu. Par contre, le procédé en continu est plus avantageux lorsqu'il s'agit de nitriles à chaînes grasses insaturées ou poly-insaturées qui sont thermiquement plus 20 sensibles que des composés à chaînes grasses saturées. En effet, dans ce procédé le temps de séjour est faible et l'indice d'iode, traduisant le nombre d'insaturations, est mieux conservé. L'étape de synthèse des amines grasses consiste en une hydrogénation classique des nitriles gras. Les catalyseurs sont nombreux mais 25 préférentiellement, on utilise le nickel de Raney ou le cobalt de Raney. Afin de favoriser la formation de l'amine primaire, on opère avec une pression partielle d'ammoniac, alors que dans le cas où l'on souhaiterait obtenir une amine secondaire on ne met pas de pression partielle d'ammoniac et on élimine si possible l'ammoniac formé en cours de réaction. 30 De nombreuses demandes de brevets décrivent les conditions pour effectuer la synthèse de nitriles d'acides gras ou d'amines grasses à partir d'acides gras ou d'esters d'acides gras. On peut citer par exemple le document JP 2000-16977 qui décrit la synthèse de nitriles à partir d'acides gras en utilisant une catalyse à l'oxyde de niobium à une température de 260 C dans le cas de l'acide stéarique. Le document JP 2000-7637 décrit la synthèse de nitriles à partir d'esters méthyliques d'acides gras linéaires ou ramifiés insaturés ou non, comportant de 6 à 22 atomes de carbone, et d'ammoniac à une température allant de 180 à 350 C en présence d'un catalyseur de type oxyde de niobium. Le brevet US 6,005,134, décrit un procédé de synthèse de nitriles aliphatiques à partir d'acides carboxyliques en C6-C22, d'alkyl esters d'acides carboxyliques en C6-C22 ou à partir de triglycérides, la réaction avec l'ammoniac io étant réalisée en présence d'un catalyseur comprenant au moins du titane. Les résultats obtenus indiquent cependant des rendements inférieurs en partant d'esters ou de triglycérides, comparativement aux acides. Dans le brevet JP 10-195035, une catalyse à l'oxyde de zirconium dopé au fer conduit à des rendements excellents en nitrile, mais les auteurs mentionnent la présence 15 d'amines légères liées à la formation de méthanol dans le cas des esters méthyliques. Le procédé de synthèse des nitriles et/ou amines gras, opéré de manière industrielle à partir d'acides gras depuis plusieurs décennies donne globalement satisfaction. Cependant, il présente un certain nombre 20 d'inconvénients. Le principal inconvénient est que sa mise en oeuvre est en pratique asservie à l'accès à une matière première spécifique, l'ammoniac en particulier, qui nécessite des précautions de stockage et d'utilisation coûteuses. Lorsqu'un ester méthylique d'acide gras est utilisé comme source d'acide gras pour le procédé de synthèse des nitriles et/ou amines gras, le procédé 25 produit des sous-produits qu'il faut valoriser séparément, notamment du méthanol lors de l'étape d'hydrolyse de l'ester. Ce méthanol est généralement traité pour être recyclé afin d'effectuer l'étape de méthanolyse d'une huile naturelle conduisant à l'ester méthylique d'acide gras. Il existe plusieurs voies connues de synthèse du carbonate de mono-30 alcools tels que le diméthylcarbonate de formule CH3O-CO-OCH3 (DMC) ou le diéthylcarbonate (C2H5O-CO-OC2H5). Les procédés industriels les plus anciens utilisent le phosgène comme matière première qui réagit avec l'alcool en milieu concentré de soude et cela en deux étapes successives, formation tout d'abord d'un chlorocarbonate puis du carbonate neutre. Ces procédés présentent des problèmes de sécurité en raison de la haute toxicité du phosgène ainsi que des déchets formés au cours du processus. Les industriels se sont tournés alors vers des procédés de carbonylation oxydante ou des procédés de transestérification du carbonate d'éthylène. Les procédés de carbonylation oxydante avec le couple oxydant CO + 02 io ont été développés soit en phase liquide, soit en phase gazeuse. Pour la phase liquide, on peut citer le procédé Enichem, brevets EP 534 545 et US 5,210,269, conduit en deux étapes en présence de chlorure de cuivre comme catalyseur. Pour la phase gazeuse, on peut citer le procédé UBE, brevet US 5,885,917, qui utilise NO comme agent actif avec un catalyseur au palladium, procédé 15 comportant deux étapes avec le nitrite de méthyle comme produit intermédiaire. Les dialkylcarbonates peuvent également être préparés par transestérification des carbonates d'alkylène avec l'alcool correspondant. De nombreuses sociétés ont travaillé sur ce type de réaction. On peut citer les brevets US 3,642,858 et US 3,803,201 de la société Dow qui décrivent un 20 procédé de transestérification de carbonates d'alkylène avec des composés hydroxyles non tertiaires en présence de catalyseurs alcalins. La société Bayer a développé un procédé similaire en utilisant un catalyseur au thallium (brevet US 4,307,032). Texaco propose pour sa part des catalyseurs solubles à base de sels de zirconium, titane et/ou étain (brevet US 4,661,609) ou à base de 25 composés trivalents soufre ou sélénium (brevet US 4,734,518). Enfin plus récemment la société Nippon Shokubai décrit l'utilisation de catalyseurs supportés d'oxydes de terres rares (US 5,430,170). Dans la demande WO 2004/091778, Mitsubishi décrit une synthèse de dialkylcarbonates utilisant du CO2 supercritique et un catalyseur solide acide 30 hétérogène, pour faire réagir le CO2 sur l'acétone diméthylacétal. Parmi les méthodes de synthèse des dialkylcarbonates on relève les réactions de l'urée sur les mono-alcools. Les réactions de carbonatation utilisant de l'urée ont déjà été décrites pour des mono-alcools par exemple par Shaikh et Sivaram, Organic Carbonates, Chem rev. 1996, 96, 951 , Bali et al., Synthesis of carbonates and polycarbonates by reaction with urea with hydroxy compounds, Mol. Chem. 1984, vol.- 1, p. 95-108 . M. Wang, et al. dans Catalysis Communication 7 (2006) 6-10 décrivent la synthèse de diméthylcarbonate à partir de méthanol et d'urée sur des solides basiques. Cette réaction comporte deux étapes avec la formation intermédiaire du méthylcarbamate lui-même transformé en diméthylcarbonate. Malheureusement, si la première étape permet l'obtention de bons résultats la seconde est beaucoup plus délicate avec des réactions secondaires, et dans ce cas les sélectivités de la réaction globale restent faibles. Dans un brevet US 5,902,894, Catalytic Distillation Technologies décrit un procédé de synthèse du DMC utilisant des solvants organiques à haut point d'ébullition et donneurs d'électron ; par exemple le diméthyléther du triéthylèneglycol, associé à un catalyseur à l'étain permettait d'obtenir de bons rendements et de bonnes sélectivités en DMC en pratiquant une extraction par distillation en continu du DMC formé. De manière analogue, Exxon, dans la demande de brevet WO 95/17369, minimise la formation des sous-produits par une distillation extractive du dialkylcarbonate. Enfin, plus récemment, la demande de brevet chinois CN 1431190 (Shanxi Institute) décrit un procédé de synthèse de DMC à partir de méthanol et d'urée, utilisant des catalyseurs à base d'étain et d'un co-catalyseur. Dans le procédé de synthèse des nitriles et/ou amines gras, il est nécessaire d'importer et de stocker des quantités importantes d'ammoniac, ce qui représente outre le problème du transport, un risque majeur en cas de fuite, non seulement pour le personnel mais aussi pour le voisinage. Ce stockage impose par conséquent des contraintes importantes au site exploitant ce type de procédé. Le problème à résoudre est de limiter ces risques environnementaux tout en maintenant les performances du procédé ou même mieux en les améliorant. L'invention vise donc un procédé conjugué de production de nitriles et/ou amines gras et de carbonates de mono-alcools à partir d'un ester d'acide gras saturé ou insaturé issu d'huiles naturelles, dans lequel le même ester d'acide gras sert de matière première pour la synthèse de nitriles et/ou amines d'une part et de carbonates de mono-alcools d'autre part. La synthèse des carbonates de mono-alcool est réalisée par action de l'urée sur le mono-alcool, l'ammoniac produit par cette réaction est utilisé comme réactif pour l'étape d'ammoniation lors de la synthèse des nitriles et/ou amines gras. L'invention vise un procédé conjugué de production de nitriles et/ou io amines gras et de carbonates de mono-alcool de type dialkylcarbonates de formule R1 O-CO-OR1 dans laquelle R1 comporte de 1 à 4 atomes de carbone, à partir d'un ester d'un acide gras insaturé ou non issu d'huiles naturelles comportant les zones suivantes : I) zone de synthèse d'un nitrile/amine comportant les étapes suivantes : 15 a) transformation optionnelle tout d'abord par hydrolyse de l'ester de l'acide gras issu d'une huile d'origine naturelle, de formule R-COOR1 dans laquelle R est un radical alkyle saturé ou insaturé comportant de 7 à 21 atomes de carbone, de préférence de 11 à 17 atomes de carbone, R1 un radical alkyle comprenant de 1 à 4 atomes de 20 carbone, en acide gras de formule R-COOH et produisant simultanément l'alcool R1OH qui est récupéré et adressé à la zone III, suivie en b) d'une ammoniation avec de l'ammoniac de l'acide gras issu de l'étape a) et/ou de l'ester de l'acide gras de formule R-0OOR1 en nitrile produisant respectivement un mélange ammoniac/eau et/ou 25 un mélange alcool/ammoniac/eau qui sont envoyés à la zone IV, puis suivie en c) d'une hydrogénation du nitrile issu de l'étape b), éventuellement en présence d'ammoniac, transformant le nitrile en amine correspondante, Il) zone de synthèse d'un carbonate de mono-alcool par réaction de 30 l'urée sur l'alcool R1 OH, la réaction dudit alcool avec l'urée produisant également de l'ammoniac, III) zone de récupération et de purification de l'alcool R1 OH qui sert d'alimentation pour la zone Il, IV) zone de récupération de l'ammoniac issue de la zone Il ainsi que celle issue de la zone lb où la réaction est réalisée avec un excès d'ammoniac, et éventuellement celle issue de la zone Ic, pour servir d'alimentation pour l'ammoniation de l'étape lb et éventuellement l'hydrogénation de l'étape le de la zone I. Le procédé de l'invention est décrit en référence au schéma simplifié annexé en figure 1 en prenant pour exemple la synthèse du DMC à partir de l'ester méthylique d'un acide gras qui peut être obtenu directement par io méthanolyse d'une huile végétale. Il va de soi qu'exactement le même processus peut être mis en oeuvre avec des esters d'acide gras tels que les esters éthylique, propylique, isopropylique ou butylique permettant la synthèse à côté du nitrile / amine, de diéthylcarbonate, dipropylcarbonate, di(iso)propylcarbonate, diterbutylcarbonate ou di(iso)butylcarbonate. Dans le 15 cas où l'ester à traiter n'est pas disponible sur le marché, il est naturellement possible de procéder au préalable à l'estérification de l'acide gras issu de l'huile naturelle. La zone I est alimentée par la ligne 1 en un ester d'acide gras, acide provenant d'une huile naturelle, de formule PrCOOR1 dans laquelle R1 est un 20 radical méthyle, éthyle, propyle, butyle ou isopropyle, et R est un radical alkyle saturé ou insaturé comportant de 7 à 21 atomes de carbone, de préférence de 11 à 17 atomes de carbone. Dans la zone la, l'ester d'acide gras est transformé en acide gras R-COOH par hydrolyse avec de l'eau introduite par la ligne 2, produisant simultanément l'alcool R1 OH qui est récupéré et adressé à la zone 25 III par la ligne 14. L'acide gras issu de la zone la, et/ou l'ester d'acide gras introduit par la ligne 1 sont introduits dans la zone lb où ils sont soumis à une réaction d'ammoniation avec de l'ammoniac en excès introduit par la ligne 3, produisant respectivement un mélange ammoniac/eau et/ou un mélange alcool/ammoniac/eau qui sont envoyés à la zone IV par la ligne 8 pour 30 purification, selon les processus réactionnels suivants : R-COOH + NH3 4 R-CN + 2H2O R-0OOR1 + NH3 4 R-CN + H2O + R1OH Le nitrile gras formé en zone lb est ensuite transféré en zone le où il est soumis à une hydrogénation avec de l'hydrogène introduit par la ligne 4, et éventuellement en présence d'ammoniac introduit par la ligne 9, afin d'obtenir l'amine grasse primaire selon le processus réactionnel suivant : R-CN + 2H2 (NH3) 4 R-CH2-NH2 L'ammoniac est recyclé par la ligne 12 et envoyé à la section IV pour purification et l'amine grasse est extraite de la zone I par la ligne 6. L'alcool R1OH issu de la zone la est adressé par la ligne 14 à la zone III ainsi que l'alcool issu de la zone IV de purification est adressé par la ligne 5 à la io zone III. Une ligne d'appoint 13 peut en outre amener de l'alcool directement dans la zone III. Cet alcool, après purification, sert d'alimentation par la ligne 17 de la zone Il pour la réaction avec l'urée introduit par la ligne 7 pour former le carbonate de l'alcool R1OH selon le processus réactionnel suivant : 2 R1OH + NH2-CO-NH2 4 R1O-CO-OR1 + 2 NH3 15 Le carbonate de l'alcool R1 OH synthétisé est extrait de la zone Il par la ligne 10 et l'ammoniac formé est adressé à la zone IV par la ligne 11. La zone IV comporte outre les lignes d'alimentation d'ammoniac 11 et 12 et la ligne d'alimentation d'un mélange alcool/ammoniac/eau et/ou ammoniac/eau 8, une ligne d'appoint 16 permettant notamment de fournir l'ammoniac nécessaire 20 au démarrage de l'unité et à sa régulation en cas de variation de la production d'ammoniac au niveau de la zone Il. L'ammoniac issu de la zone lb est dirigé vers la zone IV par la ligne 8, l'alcool éventuellement présent dans ce flux est séparé et envoyé avec l'eau produite en zone lb vers la section III par la ligne 5. Le procédé est particulièrement bien adapté à la synthèse d'amine 25 grasse et de diméthylcarbonate à partir d'ester méthylique produit par méthanolyse du triglycéride. Les différentes réactions seront les suivantes : Zone la : R-COOCH3 + H2O 4 R-COOH + CH3OH Zone lb : R-COOH + NH3 4 R-CN + 2 H2O Zone le : R-CN + 2 H2 (NH3) 4 R-CH2-NH2 30 Zone II : 2 CH3OH + NH2-CO-NH2 4 CH3O-CO-OCH3 + 2 NH3 9 Les conditions de mise en oeuvre des différentes étapes des zones I et Il, sont connues de l'homme de l'art. On peut cependant préciser que : la réaction d'hydrolyse de l'étape a) de la zone I est réalisée par exemple à la température ambiante, ou à une température plus élevée. -l'ammoniation de l'étape b) de la zone I conduisant au nitrile est réalisée à une température de 150 à 400 C, et de préférence à une température voisine de 300 C. - l'hydrogénation de l'étape c) dans la zone I conduisant à une amine est réalisée à une température allant de 80 à 170 C, de préférence en io présence d'ammoniac pour former l'amine primaire. - la conversion de l'alcool R1OH en dialkylcarbonate réalisée au niveau de la zone Il est comme cela a été indiqué précédemment une réaction connue depuis plusieurs années. Pour la conduite du procédé, la solution retenue est la réaction généralement nommée transestérification de l'alcool R1 OH 15 par l'urée. Cette réaction est conduite en présence de catalyseurs connus en soi, par exemple ceux décrits dans les brevets US 6,495,703, oxyde de zinc, ou EP 0 955 298, sulfates métalliques ou organométalliques, et de préférence des catalyseurs à base d'étain tels que ceux décrits dans les brevets US 5,902,894, WO Application 95/17369 ou CN 1431190. 20 Les zones III et IV sont des zones de stockage et de purification de l'alcool R1 OH d'une part, et de l'ammoniac d'autre part, qui sont réalisées selon des techniques bien connues de l'homme de l'art. L'alcool est par exemple séparé de l'eau par distillation et par séchage sur des tamis moléculaires. L'ammoniac est utilisé sous forme gazeuse. 25 On peut observer que le procédé peut être considéré comme quasi autonome en bilan matière ce qui est exceptionnel. En effet, l'étape lb produit une quantité de mono-alcool qui est transférée, après purification, dans la zone Il pour réagir avec l'urée dans le rapport de 2 moles d'alcool pour une mole d'urée. Cette réaction de synthèse du dialkylcarbonate produit elle-même deux 30 moles d'ammoniac, quantité juste nécessaire à l'ammoniation de l'étape lb de la zone I. Outre l'économie entraînée, la limitation du stockage d'ammoniac sur le site est bénéfique sur le plan environnemental. REVENDICATIONS 1) Procédé conjugué de production de nitriles et/ou amines gras et de carbonates de mono-alcool de type dialkylcarbonates de formule R1O-COOR1 dans laquelle R1 comporte de 1 à 4 atomes de carbone, à partir d'un ester d'un acide gras insaturé ou non issu d'huiles naturelles comportant les zones suivantes : I) zone de synthèse d'un nitrile/amine comportant les étapes suivantes : a) io transformation optionnelle tout d'abord par hydrolyse de l'ester de l'acide gras issu d'une huile d'origine naturelle, de formule R-COOR1 dans laquelle R est un radical alkyle saturé ou insaturé comportant de 7 à 21 atomes de carbone, R, un radical alkyle comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, introduit par la ligne 1, en acide gras de formule R-COOH, l'eau étant 15 introduite par la ligne 2, et produisant simultanément l'alcool R1 OH qui est récupéré et adressé à la zone III par la ligne 14, suivie en b) d'une ammoniation avec de l'ammoniac introduit par la ligne 3 de l'acide gras issu de l'étape a) et/ou de l'ester de l'acide gras de formule R-COOR1 introduit par la ligne 1 en nitrile produisant respectivement un mélange 20 ammoniac/eau et/ou un mélange alcool/ammoniac/eau qui sont envoyés à la zone IV par la ligne 8, puis suivie en c) d'une hydrogénation du nitrile issu de l'étape b), à l'aide d'hydrogène introduit par la ligne 4, éventuellement en présence d'ammoniac introduit par la ligne 9, transformant le nitrile en amine correspondante extraite par la ligne 6, avec recyclage éventuel de 25 l'ammoniac à la zone IV par la ligne 12, Il) zone de synthèse d'un carbonate de mono-alcool par réaction de l'urée introduit par la ligne 7 sur l'alcool R1 OH amené par la ligne 17, la réaction dudit l'alcool avec l'urée produisant également de l'ammoniac, le carbonate de mono-alcool étant extrait par la ligne 10 et l'ammoniac formé adressé à 30 la zone IV par la ligne 11, III) zone de récupération et de purification de l'alcool R1 OH issu de la zone la par la ligne 14 ou issu de la zone IV par la ligne 5, qui sert d'alimentation pour la zone Il par la ligne 17,IV) zone de récupération de l'ammoniac issue de la zone Il par la ligne 11 ainsi que celle par la ligne 8 issue de la zone lb où la réaction est réalisée avec un excès d'ammoniac, et éventuellement celle par la ligne 12 issue de la zone Ic, pour servir d'alimentation par la ligne 3 pour l'ammoniation de l'étape lb, et éventuellement par la ligne 9 pour l'hydrogénation de l'étape le de la zone I. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ester de la charge répond à la formule R COOCH3 qui est soumis lors de l'étape la à io une hydrolyse pour former à la sortie des étapes de la zone I une amine grasse de formule R-CH2-NH2, et le diméthylcarbonate à la sortie de la zone Il.