Brevet FR3047004A1 — publié le 20170728

PROCEDE DE PURIFICATION D'ESTERS (METH)ACRYLIQUES DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne la production d'esters (méth)acryliques en Ci-C4 par estérification directe d'acide (méth)acrylique avec l'alcool correspondant. L'invention a plus particulièrement pour objet un procédé de récupération/purification d'un ester (méth)acrylique en Ci-C4 à partir d'un mélange réactionnel brut comprenant ledit ester, le procédé étant réalisé à l'aide d'un système de purification comprenant une colonne à partition et un décanteur, conduisant à une simplification du procédé et à une productivité élevée de l'ester produit répondant aux normes en matière de pureté. L'invention a trait également à un procédé de production d'ester (méth)acrylique en Ci-C4 comprenant ce procédé de récupération/purification. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE ET PROBLEME TECHNIQUE Il est connu de produire des esters (méth) acryliques, notamment les esters en Ci-C4 généralement connus sous la dénomination esters (méth)acryliques légers ou (méth)acrylates légers, tels que l'acrylate ou le méthacrylate de méthyle, et l'acrylate ou le méthacrylate d'éthyle, par estérification directe de l'acide (méth) acrylique par l'alcool correspondant, catalysée par exemple par l'acide sulfurique ou une résine échangeuse d'ions. La réaction d'estérification génère de l'eau et s'accompagne généralement de réactions secondaires produisant des impuretés, en particulier des composés lourds, c'est-à-dire présentant une température d'ébullition élevée, supérieure à celle de l'ester 25 recherché. Dans de tels procédés, on recherche un produit fini de haute pureté, tout en optimisant le bilan des matières premières. A ces fins, les composés légers de température d'ébullition inférieure à celle de l'ester - principalement les réactifs non réagis - sont isolés pour être recyclés à la réaction, 3047004 2 et les produits lourds générés au cours du procédé sont séparés avant d'être valorisés par traitement par exemple sur évaporateur à film et/ou craquage thermique. En conséquence, on procède généralement à un ensemble de traitement du mélange réactionnel brut résultant de la réaction d'estérification, à l'aide de distillations 5 et/ou d'extractions, décantations, ensemble qui est à la fois relativement complexe à mettre en oeuvre, et coûteux sur le plan énergétique. Schématiquement, la purification du mélange brut réactionnel comprend généralement au moins les étapes suivantes : - on soumet le mélange brut réactionnel à une distillation dans une première 10 colonne dite colonne d'étêtage permettant d'obtenir : o en tête un flux composé essentiellement de composés légers ; o en pied un flux comprenant l'ester recherché, et des sous-produits lourds ; - on soumet le flux de pied de la colonne d'étêtage à une seconde colonne dite 15 colonne de rectification permettant de séparer : o en tête l'ester recherché purifié ; o en pied un flux contenant essentiellement les sous-produits lourds ; - on recycle à la réaction au moins en partie les composés légers du flux de tête de la première colonne, après séparation éventuelle ; 20 - on soumet le flux de pied de la seconde colonne à différents traitements en vue de valoriser les sous-produits lourds. L'utilisation de ces deux colonnes en série présente l'inconvénient que les flux sont soumis à des températures élevées et à des temps de séjour élevés, notamment dans le rebouilleur associé à la première colonne, ou en pied de la première colonne, avant l'obtention finale de l'ester par distillation à l'aide de la deuxième colonne et élimination des sous-produits lourds. Cette exposition thermique entraîne la formation supplémentaire de sous-produits lourds par dégradation thermique, par exemple sous forme d' adduits de Michael, réduisant ainsi le rendement de récupération de l'ester purifié et augmentant la quantité finale d'impuretés lourdes à éliminer. Par ailleurs, le traitement de purification nécessite d'être maîtrisé à l'aide de stabilisants pour limiter les réactions de polymérisation pouvant se produire dans les conditions de fonctionnement des deux colonnes. A cet effet, un premier inhibiteur de 3047004 3 polymérisation, généralement de l'hydroquinone (HQ), est injecté sur la première colonne, et un second inhibiteur de polymérisation, généralement de l'éther méthylique d'hydroquinone (EMHQ) est injecté sur la seconde colonne, conduisant à un ester (méth)acrylique purifié stabilisé par l'éther méthylique d'hydroquinone qui peut être 5 stocké et transporté avant utilisation. Un récent développement dans le domaine de la distillation a pris jour sous la dénomination DWC (Divided wall column) ou en français « colonne à partition ». Cette technologie utilise une seule colonne, comprenant une paroi interne de séparation ce qui permet de combiner le fonctionnement de deux colonnes traditionnellement en série dans 10 un seul appareillage, en mettant en oeuvre un rebouilleur et un condenseur unique. A titre d'exemple, la demande de brevet EP 2 659 943 décrit une configuration d'une colonne à partition et son fonctionnement dans un procédé de production d' acrylate de 2-éthylhexyle de haute pureté. Bien que cette colonne soit complexe à fabriquer et à opérer, elle présente l'avantage de réduire le coût d'équipement et la consommation 15 d'énergie du processus de purification, comparativement à une installation conventionnelle comprenant deux colonnes de distillation. La question de la stabilisation nécessaire à son bon fonctionnement n'est cependant pas abordée. Le procédé de purification décrit dans ce document ne s'applique pas à la production d'acrylates légers par estérification directe. En effet, dans le cas par exemple de la synthèse de l'acrylate 20 d'éthyle, le milieu réactionnel brut comprend outre l'acrylate d'éthyle recherché, mais aussi de l'eau produite par la réaction, L'acrylate d'éthyle et l'eau ayant des températures d'ébullition très proches, la séparation de l'eau dans une unique colonne reste une problématique. La demande de brevet JP 2005-239564 décrit également l'utilisation d'une 25 colonne à partition dans un procédé de synthèse d'esters (méth)acryliques, exemplifiée dans le cas de la synthèse de méthacrylate de butyle par réaction de transestérification entre le méthacrylate de méthyle et le butanol. Dans les documents de l'art antérieur, la problématique supplémentaire de la séparation de l'eau dans une colonne à partition pour un procédé de production d' acrylates 30 légers par estérification directe n'est pas posée. Par ailleurs, la présence d'eau dans le milieu à traiter nécessite une stabilisation plus complexe pour limiter les réactions de polymérisation. Il est nécessaire, d'une part d'utiliser un stabilisant pour le milieu 3047004 4 organique et le milieu aqueux présents en tête de colonne, et d'autre part de stabiliser l'ester purifié pour obtenir une qualité dite commerciale. A la connaissance des inventeurs, une technologie de purification combinant une colonne à partition et un décanteur n'a jamais utilisée pour purifier des esters 5 (méth)acryliques légers en particulier l'acrylate d'éthyle, et la question de la stabilisation nécessaire à son bon fonctionnement n'a pas été traitée dans l'art antérieur. L'objectif de la présente invention est donc de fournir un procédé de récupération d'un ester (méth)acrylique en Ci-C4 purifié à l'aide d'un système de purification comprenant une colonne à partition et un décanteur. 10 La présente invention fournit ainsi une solution technico-économique au problème de la purification d'un mélange réactionnel brut résultant de la réaction d'estérification d'acide (méth)acrylique par un alcool en Ci-C4. RESUME DE l'INVENTION L'invention a pour objet un procédé de récupération d'un ester (méth)acrylique 15 en Ci-C4 purifié, à partir d'un mélange réactionnel brut obtenu par estérification directe de l'acide (méth)acrylique par l'alcool correspondant, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à l'aide d'un système de purification comprenant une colonne à partition équipée d'une cloison partielle interne créant des zones de séparation dans la colonne, et un décanteur. 20 Plus particulièrement, le système de purification comprend : une colonne à partition équipée d'une cloison partielle interne créant des zones de séparation dans la colonne, et associée en pied à un bouilleur unique et en tête à un condenseur unique, ladite colonne à partition comprenant une section commune de rectification au-dessus de la cloison, une section de préfractionnement comportant 25 l'alimentation de la colonne, une section de soutirage séparée de la section de préfractionnement par la cloison comprenant le soutirage de l'ester purifié, et une section commune de rebouillage au-dessous de la cloison ; et un décanteur placé en sortie du condenseur de tête. 3047004 5 Selon un mode de réalisation, la stabilisation du système de purification est réalisée à l'aide d'un inhibiteur de polymérisation unique, l'ester (méth)acrylique purifié étant soutiré latéralement de la colonne à partition sous forme d'un flux liquide ou gazeux déjà stabilisé. 5 Selon un mode de réalisation, la stabilisation du système de purification est réalisée à l'aide d'un premier inhibiteur de polymérisation, l'ester (méth)acrylique purifié étant soutiré latéralement de la colonne à partition sous forme d'un flux gazeux qui, après condensation, est ensuite stabilisé avec un inhibiteur de polymérisation différent de celui introduit dans le condenseur. 10 Le procédé selon l'invention s'applique à la synthèse de (méth)acrylates d'alkyle légers, l'alcool estérifiant étant un alcool aliphatique primaire ou secondaire, comportant une chaine alkyle linéaire ou ramifiée comportant de 1 à 4 atomes de carbone. Comme exemples d'alcools, on peut citer le méthanol, l'éthanol, le propanol, l'isopropanol, le nbutanol, le butanol secondaire. 15 De préférence, l'alcool est l'éthanol. De préférence, on utilise l'acide acrylique. Le procédé de récupération selon l'invention conduit à un (méth)acrylate en Ci-C4 de pureté au moins équivalente à celle obtenue dans une installation conventionnelle comprenant deux colonnes de distillation, et cela dans des conditions de fonctionnement 20 qui minimisent la dégradation thermique des composés thermosensibles, et dans des conditions énergétiques plus économiques. De plus, les inventeurs ont découvert que la stabilisation du système de purification combinant une colonne à partition et un décanteur est plus avantageuse que la stabilisation d'une installation conventionnelle comprenant deux colonnes en série. En 25 effet, l'inhibiteur de polymérisation utilisé pour stabiliser l'ester recherché peut être introduit dans le système de purification comme inhibiteur de polymérisation unique, il s'ensuit une simplification et une constance de la stabilisation. En alternative, un inhibiteur de polymérisation moins onéreux peut être utilisé pour stabiliser la colonne à partition, et l'ester purifié est ensuite stabilisé avec un autre composé plus adapté pour 30 stabiliser le produit fini en vue de son stockage et utilisation ultérieure. Dans ce cas, le coût lié aux inhibiteurs de polymérisation peut être fortement réduit. 3047004 6 Un autre objet de l'invention est un procédé de production d'un ester (méth)acrylique en Ci-C4 purifié, par estérification directe d'acide (méth)acrylique avec l'alcool correspondant, caractérisé en ce que le mélange réactionnel brut est soumis au procédé de récupération à l'aide du système de purification tel que défini ci-dessus. 5 Ainsi, l'invention permet d'atteindre les spécifications souhaitées en terme de pureté des esters (méth)acryliques légers dans des conditions économiques. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La Figure 1 représente un exemple de configuration d'un système de purification comprenant une colonne à partition et un décanteur utilisable dans le procédé selon 10 l'invention. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit. En référence à la Figure 1, la colonne à partition comporte une cloison (ou paroi) 15 verticale partielle P, placée à l'intérieur de la colonne définissant ainsi quatre zones distinctes : une zone supérieure, une zone centrale comprenant deux zones de part de d'autre de la cloison, et une zone inférieure. Selon un mode de réalisation, la cloison peut être en partie diagonale. La cloison peut être plane ou cylindrique de sorte que les espaces séparés par la cloison peuvent être disposés sous forme concentrique. 20 La cloison telle que mise en place ne sépare pas forcément la zone centrale en deux zones égales, il peut en effet être avantageux dans certains modes de réalisation d'avoir des zones inégales afin de minimiser la perte de charge ou la tendance à l'engorgement selon la nature ou l'intensité des flux circulant dans la colonne. La zone centrale est constituée de deux zones de part de d'autre de la cloison, dont 25 l'une représente une section dite de préfractionnement et l'autre une section de soutirage du produit pur. La section de préfractionnement comporte l'alimentation F de la colonne, séparant ainsi une section 51 au-dessus de l'alimentation et une section S2 au-dessous de l'alimentation. La section de préfractionnement a pour effet de concentrer les produits les 3047004 7 plus volatils dit composés légers, ainsi que l'eau, en tête de la colonne, et de concentrer les produits les moins volatils dits composés lourds en pied de la colonne. La section de soutirage comporte une sortie latérale afin de soutirer l'ester purifié S, la sortie latérale divisant la section de soutirage en deux sections S4 et S5. Le soutirage 5 de l'ester purifié peut être réalisé sous forme d'un flux liquide ou d'un flux gazeux, de préférence on soutire un flux gazeux. Dans cette section, les composés légers ainsi que l'eau sont envoyés en tête de la colonne et les composés lourds sont envoyés en pied de la colonne. Au-dessus de la cloison en tête de la colonne à partition se trouve une zone 10 commune, dite section de rectification S3 qui permet de séparer les composés légers qui sont condensés dans le condenseur C associé à la colonne. Le décanteur D, placé en sortie du condenseur C est utilisé pour séparer de façon continue ou discontinue une phase aqueuse A et assurer un reflux d'une partie de la phase organique L comprenant les composés légers au niveau de la section de rectification S3, 15 l'autre partie de la phase organique L étant soutirée. La phase aqueuse A peut être envoyée en continu ou en discontinu vers une station biologique. Le reflux liquide sur les sections de préfractionnement et de soutirage (non représenté) est assuré par un moyen de collecte permettant de répartir de façon contrôlée le liquide issu du bas de la section de rectification vers les sections de préfractionnement et de soutirage. 20 Le pied de la colonne à partition constitue une section de rebouillage S6 (« stripping ») commune permettant de distribuer la vapeur issue du bouilleur B placé en pied de la colonne dans les sections de préfractionnement et de soutirage. En pied de la colonne est soutiré un flux constitué essentiellement des composés lourds H. Un certain nombre de paramètres caractérisent le design et le fonctionnement de 25 la colonne à partition. Il s'agit principalement du nombre d'étages théoriques dans chaque section de la colonne à partition, en particulier les nombres N1, N2, N3, N4, N5 et N6 correspondant respectivement au nombre d'étages de chacune des sections S1 à S6 décrites précédemment, du taux de reflux de la colonne, du rapport de flux liquide provenant de la section de rectification de chaque côté de la cloison, du rapport de flux 30 gazeux provenant de la section de rebouillage de chaque côté de la cloison, du positionnement du point d'alimentation F ou du point de soutirage latéral S du produit pur. 3047004 8 Ces différents paramètres peuvent être déterminés à partir de méthodes connues par l'homme de l'art de façon à ce que l'ester (méth)acrylique soit produit avec une pureté répondant aux spécifications désirées. La colonne à partition et les internes présents sont choisis pour obtenir le nombre 5 d'étages théoriques nécessaires dans chaque section. On pourra utiliser comme internes des plateaux, du garnissage ordonné comme du garnissage structuré ou du garnissage en vrac. Selon un mode de réalisation, le nombre d'étages théoriques de la section de préfractionnement S 1+S2 est compris entre 1 et 10, et l'alimentation de la colonne est de 10 préférence placée au premier tiers environ de cette section. Selon un mode de réalisation, le nombre d'étages théoriques de la section de soutirage S4+S5 est compris entre 2 et 15, et le point de soutirage de l'ester purifié est de préférence placé au 3/4 environ de cette section. Selon un mode de réalisation, le nombre d'étages théoriques de la section de 15 rectification S3 est compris entre 5 et 15. Selon un mode de réalisation, le nombre d'étages théoriques de la section de rebouillage S6 est compris entre 2 et 10. La colonne peut opérer sous vide, afin de minimiser l'exposition thermique des composés thermosensibles au sein de la colonne. Avantageusement, la colonne 20 fonctionne sous un vide allant de 100 à 500 mm de Hg (ou 130 mbar à 755 mbar). Avantageusement la température de fonctionnement est comprise entre 50°C et 120 °C. Les internes utilisés pour la colonne peuvent être soit des plateaux à clapets ou des plateaux perforés à déversoir, ou du garnissage ordonné comme du garnissage 25 structuré tel le Mellapack 250X de Sulzer. Le décanteur placé en sortie du condenseur peut être un décanteur horizontal avec un réglage d'interface qui permet un soutirage constant de la phase aqueuse et de la phase organique qui est partiellement renvoyée dans la colonne. 3047004 9 Ce décanteur peut aussi être dans le cas d'un fonctionnement discontinu, une cuve équipée d'une surverse pour redistribuer la phase organique et d'un système de vidange en fond de cuve qui permettra d'éliminer l'eau par intermittence. Par souci de simplicité de la suite de l'exposé, et de façon non limitative, le 5 procédé de l'invention est décrit en référence à un procédé de production d'ester acrylique en Ci-C4, et en particulier à la production d' acrylate d'éthyle à partir d'acide acrylique et d' éthanol. Au titre des réactions secondaires conduisant à la formation de sous-produits lourds au cours de la fabrication de l'acrylate d'éthyle, il s'agit essentiellement de la 10 formation d'oligomères de l'acide acrylique n'ayant pas réagi, sous forme d'acide acrylique dimère (acide 3-acryloxypropionique, n=1) et dans une moindre mesure d' acide acrylique trimère (acide 3-acryloxy, 3-propioxy propionique, n=2), mais aussi de réactions d'addition de Michael (adduits de Michael), en particulier entre l'acrylate d'éthyle déjà formé et l'éthanol n'ayant pas réagi conduisant à l'éthoxy propionate 15 d'éthyle, ou la formation de 2-éthoxy éthanol. Les composés légers présents dans le milieu réactionnel sont généralement les réactifs résiduels - l'acide acrylique et l'éthanol - l'acétate d'éthyle et l'eau générée par la réaction. Hormis des conditions opératoires adaptées pour la réaction d'estérification 20 minimisant la formation des composés lourds et optimisant le rendement de la réaction, il est nécessaire d'introduire des inhibiteurs de polymérisation (dénommés aussi stabilisants) non seulement au cours de la réaction, mais également au cours de la purification du mélange réactionnel brut sortant du réacteur d'estérification. Comme inhibiteurs de polymérisation utilisables, on peut citer par exemple la 25 phénothiazine, l'hydroquinone (HQ), l'éther mono méthylique d'hydroquinone (EMHQ), le diterbutyl para-crésol (BHT), la paraphénylène diamine, le TEMPO (2,2,6,6- tétraméthy1-1-piperidinyloxy), le di-tertiobutylcatéchol, ou les dérivés du TEMPO, tel que le OH-TEMPO, seuls ou leurs mélanges en toutes proportions. Avantageusement, on introduit de 500 à 5000 ppm d'inhibiteur de polymérisation 30 lors de la purification du mélange réactionnel dans le système de purification selon le procédé de l'invention. 3047004 10 Selon un premier mode de réalisation, on utilise un stabilisant unique, injecté au niveau du condenseur de tête, l'acrylate d'éthyle purifié étant soutiré latéralement de la section de soutirage sous forme d'un flux liquide ou d'un flux gazeux. L'acrylate d'éthyle purifié est alors directement stabilisé et apte à être stocké pour une utilisation ultérieure. 5 Selon ce mode de réalisation, on préfère utiliser l'éther mono méthylique d'hydroquinone comme stabilisant. Selon un second mode de réalisation, on utilise un premier inhibiteur de polymérisation, injecté au niveau du condenseur de tête, pour limiter les réactions secondaires de polymérisation dans la colonne à partition, et on soutire l'acrylate d'éthyle 10 purifié sous forme d'un flux gazeux qui, après condensation, est stabilisé avec un inhibiteur de polymérisation différent du précédent. Selon ce mode de réalisation, il est possible d'utiliser un premier inhibiteur nettement moins cher et s'affranchir de sa présence dans le produit purifié en effectuant un soutirage en phase gazeuse, le premier inhibiteur de polymérisation restant dans le flux de sous-produits lourds séparé en pied 15 de colonne. L'hydroquinone convient comme premier inhibiteur de polymérisation car il permet également de stabiliser la phase aqueuse provenant de la présence d'eau en tête de colonne. L'acrylate d'éthyle soutiré est alors stabilisé selon la pratique conventionnelle, par exemple à l'aide d'éther méthylique d'hydroquinone. Par ester (méth)acrylique purifié, on entend un produit ayant une teneur en ester 20 (méth)acrylique > 99,9 % en poids, et généralement des teneurs en impuretés suivantes : acétate d'alkyle REVENDICATIONS1. Procédé de récupération d'un ester (méth)acrylique en Ci-C4 purifié, à partir d'un mélange réactionnel brut obtenu par estérification directe de l'acide (méth)acrylique par l'alcool correspondant, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à l'aide d'un système de purification comprenant une colonne à partition équipée d'une cloison partielle interne créant des zones de séparation dans la colonne, et un décanteur. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de purification comprend - une colonne à partition équipée d'une cloison partielle interne créant des zones de séparation dans la colonne, et associée en pied à un bouilleur unique et en tête à un condenseur unique, ladite colonne à partition comprenant une section commune de rectification au-dessus de la cloison, une section de préfractionnement comportant l'alimentation de la colonne, une section de soutirage séparée de la section de préfractionnement par la cloison comprenant le soutirage de l'ester purifié, et une section commune de rebouillage au-dessous de la cloison ; et un décanteur placé en sortie du condenseur de tête. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le nombre d'étages théoriques de la section de rectification est compris entre 5 et 15. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le nombre d'étages théoriques de la section de préfractionnement est compris entre 1 et 10. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le nombre d'étages théoriques de la section de soutirage est compris entre 2 et 15. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le nombre d'étages théoriques de la section de rebouillage est compris entre 2 et 10. 3047004 15 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la stabilisation du système de purification est réalisée à l'aide d'un inhibiteur de polymérisation unique, l'ester (méth)acrylique purifié étant soutiré latéralement de la colonne à partition sous forme d'un flux liquide ou gazeux déjà stabilisé. 5 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'on utilise l'éther méthylique d'hydroquinone comme inhibiteur de polymérisation. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la 10 stabilisation du système de purification est réalisée à l'aide d'un premier inhibiteur de polymérisation, l'ester (méth)acrylique purifié étant soutiré latéralement de la colonne à partition sous forme d'un flux gazeux qui, après condensation, est ensuite stabilisé avec un inhibiteur de polymérisation différent de celui introduit dans le condenseur. 15 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que le premier inhibiteur est l'hydroquinone, et l'ester (méth)acrylique purifié est stabilisé avec l'éther méthylique d'hydroquinone. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce 20 que l'ester (méth)acrylique en Ci-C4 est l'acrylate d'éthyle. 12. Procédé de production d'un ester (méth)acrylique en Ci-C4 purifié, par estérification directe d'acide (méth)acrylique avec l'alcool correspondant, caractérisé en ce que le mélange réactionnel brut est soumis au procédé de récupération à l'aide du 25 système de purification tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.