Brevet FR2999572A1 — publié le 20140620

PROCEDE DE PRODUCTION D'ACRYLATE D'ALKYLE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne la production d'acrylate d'alkyle selon un procédé en continu par transestérification. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE La production d'ester par transestérification est une réaction largement répandue depuis des décennies dans le domaine des acryliques. Cependant le traitement du brut réactionnel et l'obtention du produit recherché sous forme purifié représente de nombreux enjeux techniques et a fait l'oauvre de nombreux développements. La réaction de transestérification met en jeu un acrylate d'alkyle à chaine « courte » dit léger en présence d'un alcool à chaine carbonée « longue » dit lourd en présence généralement de catalyseur et d'inhibiteur de polymérisation, selon la formule (1) générale suivante : H2C=CHCOOR1 + R2OH 4 H2C=CHCOOR2 RiOH (1) Afin de déplacer l'équilibre vers la formation d'acrylate d'alkyle à chaine « longue », il est nécessaire d'éliminer l'alcool « léger » produit au cours de la réaction. Cette réaction s'accompagne généralement de réactions secondaires produisant des impuretés qu'il est nécessaire d'éliminer en vue d'obtenir l'acrylate d'alkyle recherché avec une pureté élevée satisfaisant aux exigences techniques liées à son utilisation finale en tant que monomère. L'acrylate d'alkyle ainsi obtenu rentre dans la production de (co)polymères utilisables dans de nombreux domaines d'application. Par ailleurs, pour des raisons économiques évidentes, les produits valorisables présents dans le mélange brut réactionnel, notamment les réactifs non réagis et le catalyseur, sont dans la mesure du possible recyclés au sein du procédé. Parallèlement au recyclage des produits valorisables, le produit recherché requiert d'être isolé et purifié. Pour ce faire, de nombreux processus de séparation/purification comportant un ensemble de distillations, d'extractions, et/ou de décantations sont mis en oeuvre. Par exemple, le document US 6,977,310 divulgue le traitement du brut réactionnel par une première colonne de distillation qui sépare les produits légers et envoie les produits lourds dans une seconde colonne pour séparer le produit recherché du catalyseur et des inhibiteurs de polymérisation. Le document US 7,268,251 divulgue différents modes de traitement du brut réactionnel comprenant au minimum quatre colonnes de distillation ou de rectification pour purifier le produit recherché, dont un évaporateur pour séparer le catalyseur. - 2 - Il s'avère que le procédé décrit dans le document US 7,268,251 est compliqué à mettre en oeuvre à l'échelle industrielle, du fait de l'optimisation des conditions opératoires de la succession de quatre éléments de distillation/rectification, pour obtenir un produit d'une grande pureté et une productivité satisfaisante. On connait par ailleurs, le document EP 0968995 décrivant un procédé de production d'acrylates d'alkyle qui divulgue l'utilisation d'une colonne de distillation, où les réactifs et le produit recherché sont récupérés en tête sous forme gazeuse et en pied sous forme liquide respectivement. En outre, la réaction de transestérification dans ce procédé se produit directement dans la colonne de distillation. Les inconvénients majeurs d'utiliser un catalyseur homogène dans une colonne de distillation sont d'augmenter drastiquement sa consommation due aux reflux des différents effluents, et également en cas de précipitation du catalyseur d'encrasser la colonne de distillation. Dans le cas d'un catalyseur hétérogène, le catalyseur est directement situé dans la colonne de distillation et ne peut donc pas être recyclé de manière continue. De plus, le rendement de la réaction est directement impacté par l'efficacité du catalyseur qui diminue au cours du temps. Le changement de catalyseur représente un coût très élevé puisque le procédé doit être arrêté et la colonne complètement nettoyée entre chaque chargement de catalyseur. Le traitement du brut réactionnel dérivé de la réaction de transestérification dans le domaine des acryliques a fait l'objet de nombreux développements. Cependant ces procédés ne sont toujours pas satisfaisants. Il existe donc un besoin important de pouvoir disposer d'un procédé de fabrication d'acrylate d'alkyle plus simple, plus performant et ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur à l'échelle industrielle, répondant aux exigences de pureté du produit fabriqué liées à son utilisation finale par exemple en tant que monomère pour la fabrication de latex à faible teneur en composés organiques volatiles. De façon surprenante, la demanderesse a découvert, après diverses expériences et manipulations, un procédé de production d'acrylate d'alkyle comprenant le traitement du brut réactionnel à l'aide d'une unique colonne de distillation. Ce procédé permet à la fois une simplification et une amélioration du traitement des effluents par rapport à ceux de l'art antérieur pour atteindre un produit d'une grande pureté et une haute productivité. De par l'utilisation d'une unique colonne de distillation pour le traitement du brut réactionnel, le procédé selon l'invention permet une - 3 - réduction importante des coûts de purification par rapport à ceux générés dans les procédés actuels. RESUME DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un procédé de production en continu d'acrylate d'alkyle par réaction de transestérification entre un acrylate d'alkyle léger et un alcool lourd en présence d'au moins un catalyseur acide et d'au moins un inhibiteur de polymérisation, représenté par la réaction suivante : H2C=CH000R1 + R2OH - H2C=CH000R2 + RiOH dans laquelle R1 représente un groupement méthyle ou éthyle, R2 représente un groupement alkyle linéaire ou ramifié entre 4 et 9 atomes de carbone, la dite réaction étant réalisée dans un réacteur couplé à une colonne de distillation dans laquelle le mélange azéotropique composé d'acrylate d'alkyle léger et d'alcool léger généré par la réaction de transestérification est soutiré en continu, caractérisé en ce que le brut réactionnel comprenant les réactifs non réagis, les produits de réactions formés, le(s) catalyseur(s) et I'/les inhibiteur(s) de polymérisation est envoyé dans une unique colonne de distillation sous pression réduite dans laquelle la distillation permet d'obtenir: - en tête, un flux de produits légers constitué essentiellement des alcools R2OH et RiOH résiduels ainsi que du réactif non réagi H2C=CH000R1, qui est recyclé au réacteur, - en partie basse, le produit recherché H2C=CH000R2 qui est soutiré latéralement en phase gazeuse, - en pied, un flux de produits de réaction lourds comprenant le(s) catalyseur(s), le(s) inhibiteur(s) de polymérisation et du H2C=CH000R2, qui est recyclé en partie au réacteur. Selon un mode de réalisation, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le catalyseur acide de transestérification est un titanate d'alkyle, préférentiellement le titane d'éthyle en solution dans le 2-octanol, et/ou le titanate de 2-octyle. Selon une possibilité préférée offerte par l'invention, le procédé est caractérisé en ce que R2 représente un groupement alkyle linéaire ou ramifié à 8 atomes de carbone, de préférence de 2-octyle. Selon un mode de réalisation, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que R1 représente un groupement éthyle. Selon un mode de réalisation préféré, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le catalyseur est présent à raison de 5.10-4 à 5.10-2 mole par mole de R2OH, de préférence à raison de 10-3 à 10-2 mole par mole de R2OH. - 4 - Selon une possibilité tout particulièrement préférée offerte par l'invention, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est adapté à la fabrication de l'acrylate de 2-octyle pour laquelle on utilisera comme catalyseur le titane d'éthyle dans le 2-octanol et/ou le titanate de 2-octyle. De préférence, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le rapport molaire du composé H2C=CH000R1 et du composé R2OH est compris entre 1 et 3, de préférence entre 1,3 et 1,8. Selon un mode de réalisation tout particulièrement préféré, le procédé selon la présente invention est caractérisé en ce que la réaction de transestérification est effectuée à une pression comprise entre 350 mmHg et la pression atmosphérique (760 mmHg), et à une température comprise entre 90 °C et 150 °C, de préférence de 100 °C et 130 °C. L'invention va maintenant être décrite plus en détails dans la description qui suit, et au regard de la figure unique annexée qui représente de façon schématique une installation pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE En général, le réactif acrylate d'alkyle léger est choisi parmi l'acrylate de méthyle ou l'acrylate d'éthyle, plus préférentiellement l'acrylate d'éthyle. Selon un mode de réalisation tout particulièrement intéressant du procédé de l'invention, les matières premières sont d'origine naturelle et renouvelable, c'est-à-dire biosourcées. Par exemple, le 2-octanol peut-être obtenu par traitement alcalin de l'acide ricinoléique dérivé de l'huile de ricin. Plus particulièrement, l'acrylate d'alkyle léger peut-être dérivé d'acide acrylique d'origine renouvelable, pouvant être en particulier obtenu à partir de glycérol, selon un procédé comportant une première étape de déshydratation du glycérol en acroléine suivie d'une étape d'oxydation en phase gaz de l'acroléine ainsi obtenue ; ou obtenu par déshydratation des acides 2-hydroxypropionique (acide lactique) ou 3- hydroxypropionique et de leurs esters. En général, le réactif R2OH peut-être choisi, sans que cette liste soit limitative, parmi le butan-1-ol, le butan-2-ol, l'iso-butanol, le pentan-1-ol (alcool amylique), le 2,2- méthylpropan-1-ol (l'alcool isoamylique), l'hexan-l-ol, l'alcool benzylique, le 1-octanol, le 2-octanol, le 2-éthylhexanol, le 1-nonanol. Plus préférentiellement, le réactif R2OH est le 2-octanol. Le catalyseur est choisi parmi tous catalyseurs ayant la capacité de catalyser la réaction de transestérification entre un acrylate d'alkyle léger et un alcool léger, par exemples des acides tels que l'acide sulfurique et l'acide p-toluènesulfonique ; des - 5 - composés basiques tels que des alcoolates, des hydroxydes, des carbonates, des phosphates, des oxydes ou des complexes de métaux alcalins ou alcalino-terreux ; des complexes d'alcoolate de métaux tels que l'alcoolate d'aluminium ou de magnésium ; des composés à base de titane tels que des alcoolates de titane, des phénoxydes de titane ou des titanates d'alkyles ; des composés à base de plomb, de zinc ou d'étain ; des complexes de cuivre, de fer ou de zirconium. Plus particulièrement, le catalyseur selon le procédé de l'invention est préférentiellement choisi parmi un titanate d'alkyle tels que le titane d'éthyle dans un alcool R2OH, par exemple une solution de 80 à 90 % de titane d'éthyle dans un alcool R2OH, et/ou le titanate de R2OH. Il est entendu que l'alcool utilisé pour mettre en solution le catalyseur est le même que celui utilisé dans la réaction de transestérification. Plus préférentiellement, le titanate de 2-octyle en solution dans le 2-octanol, obtenu préalablement par réaction à 100 °C du titanate d'éthyle ou du titanate d'isopropyle avec le 2-octanol est utilisé. La réaction est effectuée en présence d'un ou plusieurs inhibiteurs de polymérisation qui sont introduits dans le réacteur, à raison de 1000 à 5000 ppm par rapport au mélange brut réactionnel. Comme inhibiteurs de polymérisation utilisables, on peut citer par exemple la phénothiazine, l'hydroquinone, l'éther monométhylique d'hydroquinone, le diterbutyl para-crésol (BHT), le TEMPO (2,2,6,6-tétraméthy1-1- piperidinyloxy), le di-tertiobutylcatéchol, ou les dérivés du TEMPO, tel que le 4-hydroxy (OH)-TEMPO, seuls ou leurs mélanges en toutes proportions. Un ajout supplémentaire d'inhibiteur de polymérisation est généralement effectué au niveau du traitement ultérieur de purification, en particulier au niveau de la colonne de distillation. En référence à la figure annexée, l'alcool léger formé (R10H) par la réaction de transestérification dans le réacteur entre un acrylate d'alkyle léger (3) et un alcool lourd (1) en présence de catalyseur (2), est entraîné (4) en continu dans une colonne de distillation (CX1) surmontant le réacteur (A) sous forme d'un mélange azéotropique avec l'acrylate d'alkyle léger (3). Le mélange azéotropique peut-être utilisé dans une unité de synthèse d'ester léger (6). Après réaction, selon un temps de séjour dans le réacteur généralement compris entre 3 et 6 heures, le mélange brut réactionnel (5) contient l'acrylate d'alkyle recherché avec, comme produits légers, l'alcool lourd (R2OH) et l'acrylate d'alkyle léger n'ayant pas réagi, et comme composés lourds, le catalyseur, le ou les inhibiteurs de polymérisation ainsi que des sous-produits de réaction lourds. - 6 - Le mélange brut réactionnel (5) est soumis à un traitement de purification dans une unique colonne de distillation (0X2) afin d'obtenir d'une part l'acrylate d'alkyle (9) recherché pur qui est soutiré latéralement, d'autre part en tête de colonne les alcools résiduels (RiOH et R2OH) et l'acrylate d'alkyle léger non réagis (7) destinés à être recyclés (11), et en pied de colonne le catalyseur, inhibiteur de polymérisation, sous- produits de réaction lourds et l'ester lourd (8) destinés à être recyclés en partie (12) au réacteur (A), l'autre partie étant envoyée (10): soit vers un évaporateur à film non représenté sur le schéma, pour récupérer un flux de tête contenant l'acrylate recherché et un flux de pied qui est envoyé vers une installation de destruction, soit vers une installation de destruction. L'unique colonne de distillation traitant le brut réactionnel selon le procédé de l'invention correspond de préférence à une colonne à garnissage ordonné ou à plateaux comprenant entre 15 et 20 plateaux théoriques, préférentiellement 18 plateaux théoriques opérant sous pression réduite. De préférence, la colonne de distillation traitant le brut réactionnel fonctionne à une pression comprise entre 20 et 150 mmHg, préférentiellement entre 20 et 75 mmHg. De préférence, l'acrylate d'alkyle recherché est soutiré latéralement en phase gazeuse en partie basse de la colonne de distillation, entre les plateaux théoriques 12 et 14 pour une colonne à 18 plateaux théoriques. Le procédé selon l'invention permet de produire le produit recherché, i.e., acrylate d'alkyle, avec une pureté supérieure à 99,8 %. Les exemples concrets mais non limitatifs suivants sont donnés afin d'illustrer et de mieux comprendre l'invention. PARTIE EXPERIMENTALE Dans les exemples, les pourcentages sont indiqués en poids sauf indication contraire et les abréviations suivantes ont été utilisées : AE : acrylate d'éthyle A200T : acrylate de 2-octyle PTZ : phénothiazine EMHQ : ester méthylique d'hydroquinone Exemple 1 - 7 - Dans un réacteur A parfaitement agité, chauffé par un échangeur externe et surmonté d'une colonne à distiller (0X1) de 12 plateaux théoriques, on charge de l'acrylate d'éthyle (3), du 2-octanol (1), un mélange de titanate d'éthyle (2) en solution dans 2-octanol (mélange à 90 % de titanate d'éthyle dans le 2-octanol) avec de l'inhibiteur phénothiazine, dans les proportions massiques 50,1/49,7/0,2. On met le réacteur en chauffe, sous bullage d'air et dès que la température atteint 125°C sous 640 millibars, on introduit en continu l'AE (3) stabilisé avec 2000 ppm de PTZ, le 2-octanol (1) et le titanate d'éthyle en solution dans le 2-octanol (2), dans des proportions massiques 50,1/49,7/0,2. En tête de colonne (0X1), on soutire en continu l'azéotrope AE/Ethanol (4) avec une composition massique 40/60. Ce mélange (4) est recyclé sur l'atelier d'ester léger Le brut réactionnel (5), obtenu par réaction en continu, contient l'A200T, l'AE non réagi, le 2-octanol non-réagi et un mélange comprenant le catalyseur avec les inhibiteurs de polymérisation et des dérivés lourds. Le flux (5) est envoyé en continu vers une unique colonne de distillation (0X2) de 18 plateaux théoriques opérant sous pression réduite et chauffée par un échangeur externe à une température de 140°C. En tête de colonne (0X2), on introduit un mélange à 2500 ppm de PTZ dans l'AE (non représenté sur la figure). La colonne 0X2 sépare, en tête un mélange (7) AE/2-Octanol/A200T de composition 52,4/34,2/4,6 qui est recyclé (11) au réacteur (A), et en pied un mélange (8) comprenant un mélange de produits lourds, inhibiteurs de polymérisation et catalyseur, avec une fraction de A200T d'une proportion massique 15,9/84,1, qui est recyclé en partie à la réaction (12), l'autre partie est envoyée vers la section de traitement des lourds (10). L'acrylate de 2-octyle (9) est obtenu pur par soutirage latéral en phase gazeuse en partie inférieure de la colonne au niveau du plateau N°13. La pureté de l'acrylate de 2-octyle est de 99,89 %. REVENDICATIONS1. Procédé de production en continu d'acrylate d'alkyle par réaction de transestérification entre un acrylate d'alkyle léger et un alcool lourd en présence d'au moins un catalyseur acide et d'au moins un inhibiteur de polymérisation, représenté par la réaction suivante : H2C=CHCOOR1 R2OH 1=35- H2C=CHCOOR2 RICH dans laquelle R1 représente un groupement méthyle ou éthyle, R2 représente un groupement alkyle linéaire ou ramifié entre 4 et 9 atomes de carbone, la dite réaction étant réalisée dans un réacteur couplé à une colonne de distillation dans laquelle le mélange azéotropique composé d'acrylate d'alkyle léger et d'alcool léger généré par la réaction de transéstérification est soutiré, caractérisé en ce que le brut réactionnel comprenant les réactifs non réagis, les produits de réaction formés, le(s) catalyseur(s) et l'iles inhibiteur(s) de polymérisation est envoyé dans une unique colonne de distillation sous pression réduite dans laquelle la distillation permet d'obtenir: en tête, un flux de produits légers constitué essentiellement des alcools R2OH et RION résiduels ainsi que du réactif non réagi H2C=CHCOORI, qui est recyclé au réacteur, en partie basse, le produit recherché H2C=CHCOOR2 qui est soutiré latéralement en phase gazeuse, - en pied, un flux de produits de réaction lourds comprenant le(s) catalyseur(s), le(s) inhibiteur(s) de polymérisation et du H2C=CHCOOR2 qui, est recyclé en partie au réacteur. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que R2 représente un groupement alkyle linéaire ou ramifié à 8 atomes de carbone, de préférence le 2- octyle. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le catalyseur acide de transestérification est un titanate d'alkyle, préférentiellement le titane d'éthyle et/ou le titanate de 2-octyle. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que R1 représente un groupement éthyle. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le catalyseur est présent à raison de 5.10-4 à 5.10-2 mole par mole de R2OH, de préférence à raison de 10-3 à 10-2 mole par mole de R2OH. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport molaire du composé H2C=CH000R1 et du composé R2OH est compris entre 1 et 3, de préférence entre 1,3 et 1,8. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce 10 que la réaction de transestérification est effectuée à une pression comprise entre 350 mmHg et la pression atmosphérique (760 mmHg), et à une température comprise entre 90 °C et 150 °C, de préférence de 100 °C et 130 °C. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce 15 qu'il est adapté à la fabrication de l'acrylate de 2-octyle avec comme catalyseur le titane d'éthyle dans le 2-octanol et/ou le titanate de 2-octyle.