Brevet FR3135979A1 — publié le 20231201

La présente invention concerne un procédé de séparation d’acide lévulinique à partir d'une composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines dans lequel on soumet ladite composition à une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique de manière à obtenir une fraction légère contenant l’acide lévulinique et une fraction lourde contenant les humines et ledit fluxant. La présence d’un fluxant permet de réduire la viscosité des humines et d’augmenter le taux de récupération de l’acide lévulinique. PROCEDE DE SEPARATION DE L’ACIDE LEVULINIQUE PAR SEPARATION THERMIQUE EN PRESENCE D’UN FLUXANT La présente invention concerne un procédé de séparation de l’acide lévulinique contenu dans un milieu réactionnel issu de la synthèse de l’acide lévulinique. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de séparation de l’acide lévulinique impliquant une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant. L'acide lévulinique (également appelé acide 4-oxopentanoïque ou acide γ-cétovalérique) est un produit organique répondant à la formule : L’acide lévulinique est un produit ou un intermédiaire chimique pouvant être utilisé dans l’industrie pétrochimique, le raffinage des produits pétroliers, l’industrie agricole, l’industrie pharmaceutique, l’industrie alimentaire, l’industrie de l’hygiène et des cosmétiques ou encore dans l’industrie des polymères et des additifs. L'acide lévulinique est généralement produit de deux manières. La première voie est l’hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un catalyseur acide homogène ou hétérogène. Cette synthèse est par exemple décrite dans FR2640263, US3752849 et US2780588. La deuxième voie, la voie sucre/biomasse est la production d’acide lévulinique par hydrolyse acide à partir de sucres C6 ou C5 qui peuvent être issus eux-mêmes de biomasse lignocellulosique par hydrolyse acide, tel que décrit par exemple dans Biofuels, Bioproducts and Biorefining 5 198-214 (2011). En plus de l'acide lévulinique, les hydrolysats de biomasse ou de sucres contiennent généralement également des composés à bas point d'ébullition tels que l'acide formique, l'acide acétique et l'acide propionique. Cependant, le rendement de tels procédés que ça soit par la voie hydratation d’alcool furfurylique ou la voie sucre/biomasse est en fait plutôt faible, principalement en raison de la formation de nombreux sous-produits de réaction à partir desquels l'acide lévulinique doit être séparé par des procédés complexes de séparation et de purification. Outre divers sous-produits de bas poids moléculaire, le traitement thermique à pH acide en conditions poussées conduit à la formation d'humines, qui sont des composés polymériques de haut poids moléculaire issus de réactions de condensation. Les humines se séparent généralement sous forme de solides, généralement de couleur foncée, qui posent de nombreux problèmes lors du processus de récupération de l'acide lévulinique, notamment par un encrassement des équipements pouvant mener à un bouchage total. Un autre problème est la viscosité des humines qui augmente en fonction du temps de chauffage lors une étape de séparation thermique ce qui contribue à un encrassement significatif des équipements de séparation et/ou à dégrader la capacité à récupérer l’acide lévulinique. Un autre problème est la thermosensibilité de l’acide lévulinique lui-même qui se transforme dans une étape de séparation thermique telle qu’une distillation en sous-produits non souhaités, par exemple par déshydratation de l'acide lévulinique en lactone angélique. De telles transformations font baisser le taux de récupération de l’acide lévulinique. Le verrou principal dans l’obtention de l’acide lévulinique semble donc moins être la synthèse que sa séparation du milieu réactionnel et sa purification. Les méthodes de séparation et de purification couramment utilisées pour séparer l’acide lévulinique du milieu réactionnel comprennent l'extraction par solvant, la distillation sous vide, la cristallisation, l'échange d'ions, la séparation par membrane, etc. De telles méthodes de séparation sont par exemple décrites dans WO2012/065115, WO2012/162028, WO2015/007602 ou encore CN107867996. De telles méthodes de séparation présentent le désavantage d’être compliquées à mettre en œuvre et sont généralement coûteuses. Il existe également des procédés de séparation se basant uniquement sur des étapes de séparation thermiques, telles que la distillation ou l’évaporation. Le document WO2018/235012 décrit par exemple une méthode de séparation et de purification impliquant deux étapes de distillation. La présente invention vise à séparer l’acide lévulinique des humines formées lors de la synthèse de l’acide lévulinique, notamment par une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de séparation d’acide lévulinique à partir d'une composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines et optionnellement des composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique dans lequel on soumet ladite composition à une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique de manière à obtenir une fraction légère contenant l’acide lévulinique et une fraction lourde contenant les humines et ledit fluxant. La présente invention porte notamment sur le fait d’utiliser un fluxant lors de l’étape de séparation thermique qui permet de séparer l’acide lévulinique des humines formées notamment lors de la synthèse de l’acide lévulinique. L’utilisation d’un fluxant permet d’améliorer significativement le taux de récupération (rendement) de l’acide lévulinique par rapport à des conditions où le fluxant n’est pas utilisé. De plus, l’utilisation d’un fluxant permet également de maîtriser la viscosité des humines, notamment en réduisant leur viscosité. En effet, en absence de fluxant, les humines sont souvent récupérées comme solide à température ambiante. La présence de fluxant permet de récupérer une fraction lourde contenant les humines sous forme liquide et visqueuse à température ambiante, facilitant ainsi son évacuation dans l’unité de séparation et limitant donc l’encrassement du ou des équipements. La présente invention porte donc sur un procédé de séparation d’acide lévulinique à partir d'une composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines permettant simultanément d’augmenter le taux de récupération de l’acide lévulinique tout en maîtrisant la viscosité du résidu formé. Selon une variante, le fluxant est mélangé avec ladite composition et la quantité de fluxant introduite dans ledit mélange est telle que la teneur massique du fluxant dans ledit mélange est comprise entre 0,5 et 85 % poids par rapport au poids du mélange. Selon une variante, la température de séparation thermique est comprise entre 80 et 200°C et la pression est comprise entre 0,0001 et 0,1 MPa. Selon une variante, le fluxant a une plage d’ébullition comprise entre 250 et 620°C et est d’origine pétrolière et/ou d’origine végétale et/ou à base de polymères ou leur mélange. Selon une variante, le fluxant est choisi parmi une coupe pétrolière choisi parmi un gazole sous vide, une huile lourde issue d’un craquage catalytique en lit fluidisé, une huile de décantation, une huile non convertie provenant d’un hydrocraqueur, ou un polyéthylène-glycol ayant une masse molaire moyenne supérieure ou égale à 600 g/mol. Selon une variante, l’étape de séparation est effectuée dans au moins une colonne de distillation et/ou dans au moins un évaporateur. Selon une variante, l’évaporateur est un évaporateur à couche mince. Selon une variante, lorsque la composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines comprend des composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique, ladite composition est soumise à une étape de séparation thermique préliminaire de manière à séparer les composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique. Selon cette variante, la température de séparation thermique est comprise entre 25 et 200°C et la pression est comprise entre 0,0001 et 0,2 MPa. Selon cette variante, l’étape de séparation est effectuée dans au moins une colonne de distillation et/ou dans au moins un évaporateur. Selon une variante, la composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines est issue de la synthèse d’acide lévulinique par l’hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un catalyseur acide et d’un solvant. Selon une variante, le catalyseur acide est l’acide chlorhydrique et le solvant est la méthyléthylcétone et/ou du 1,4-dioxane et/ou du 1,2-diméthoxyéthane. Selon une variante, la composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines est issue de la synthèse d’acide lévulinique par l’hydrolyse acide de sucre et/ou de biomasse. Dans la présente description, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments qui ne seraient pas mentionnés. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut le terme exclusif et fermé « consister ». Dans la présente description, l’expression « compris entre … et … » signifie que les valeurs limites de l’intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite, sauf spécifié autrement. Dans la présente invention, les différentes plages de valeurs de paramètres donnés peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, une plage préférée de valeurs de pression peut être combinée avec une plage plus préférée de valeurs de température, ou une plage préférée de valeurs d’un composé ou élément chimique peut être combinée avec une plage plus préférée de valeurs d’un autre composé ou élément chimique. Dans la suite, des modes de réalisation particuliers et/ou préférés de l’invention peuvent être décrits. Ils pourront être mis en œuvre séparément ou combinés entre eux, sans limitation de combinaison lorsque c’est techniquement réalisable. Dans la présente invention, la température d'ébullition est mesurée dans des conditions standard, à savoir à 1 atmosphère, soit 760,00 mm Hg. A cette pression, la température d'ébullition de l'eau pure est de 100°C et le point d'ébullition de l'acide lévulinique est de 245°C. Procédé de séparation d’acide lévulinique à partir d'une composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines et optionnellement des composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique dans lequel on soumet ladite composition à une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique de manière à obtenir une fraction légère contenant l’acide lévulinique et une fraction lourde contenant les humines et ledit fluxant. Procédé de séparation selon la revendication précédente, dans lequel le fluxant est mélangé avec ladite composition et la quantité de fluxant introduite dans ledit mélange est telle que la teneur massique du fluxant dans ledit mélange est comprise entre 0,5 et 85 % poids par rapport au poids du mélange. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la température de séparation thermique est comprise entre 80 et 200°C et la pression est comprise entre 0,0001 et 0,1 MPa. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le fluxant a une plage d’ébullition comprise entre 250 et 620°C et est d’origine pétrolière et/ou d’origine végétale et/ou à base de polymères ou leur mélange. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le fluxant est choisi parmi une coupe pétrolière choisi parmi un gazole sous vide, une huile lourde issue d’un craquage catalytique en lit fluidisé, une huile de décantation, une huile non convertie provenant d’un hydrocraqueur, ou un polyéthylène-glycol ayant une masse molaire moyenne supérieure ou égale à 600 g/mol. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de séparation est effectuée dans au moins une colonne de distillation et/ou dans au moins un évaporateur. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’évaporateur est un évaporateur à couche mince. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lorsque la composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines comprend des composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique, ladite composition est soumise à une étape de séparation thermique préliminaire de manière à séparer les composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la température de séparation thermique est comprise entre 25 et 200°C et la pression est comprise entre 0,0001 et 0,2 MPa. Procédé selon l’une des revendications 8 à 9, dans lequel l’étape de séparation est effectuée dans au moins une colonne de distillation et/ou dans au moins un évaporateur. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines est issue de la synthèse d’acide lévulinique par l’hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un catalyseur acide et d’un solvant. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le catalyseur acide est l’acide chlorhydrique et le solvant est la méthyléthylcétone et/ou 1,4-dioxane et/ou du 1,2-diméthoxyéthane. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la composition comprenant de l'acide lévulinique et des humines est issue de la synthèse d’acide lévulinique par l’hydrolyse acide de sucre et/ou de biomasse.