DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne la production d'acide (méth)acrylique.
Elle a plus particulièrement pour objet un procédé de récupération/purification
d'acide (méth)acrylique qui n'utilise pas de solvant azéotropique et basé sur la mise en
oeuvre de deux colonnes de purification d'un mélange réactionnel comprenant de l'acide
(méth)acrylique. Le procédé selon l'invention inclut un système de condensation à
pompe à vide sèche, permettant de réduire la quantité de rejets aqueux ultimes.
L'invention a trait également à une installation adaptée pour la mise en oeuvre de
ce procédé.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE ET PROBLEME TECHNIQUE
Les industriels ont développé depuis des décennies des procédés de synthèse de
l'acide acrylique.
Le procédé, qui aujourd'hui est le plus largement exploité industriellement, met
en oeuvre une réaction d'oxydation catalytique du propylène en présence d'oxygène.
Cette réaction est conduite généralement en phase gazeuse, et le plus souvent en
deux étapes : la première étape réalise l'oxydation sensiblement quantitative du
propylène en un mélange riche en acroléine, puis, lors de la deuxième étape réalise
l'oxydation sélective de l'acroléine en acide acrylique.
Les conditions de réaction de ces deux étapes, réalisées dans deux réacteurs en
série ou dans un seul réacteur contenant les 2 étapes de réaction en série, sont
différentes et nécessitent des catalyseurs adaptés à la réaction ; il n'est cependant pas
nécessaire d'isoler l'acroléine intermédiaire au cours de ce procédé en deux étapes.
Le mélange gazeux issu de la deuxième étape est constitué, en dehors de l'acide
acrylique :
- des impuretés issues de la première étape de réaction qui n'ont pas réagi ;
- de composés légers incondensables dans les conditions de température et de pression
habituellement mises en oeuvre, non transformés dans la première étape ou formés dans
la seconde étape : azote, oxygène non converti, monoxyde et dioxyde de carbone formés
en faible quantité par oxydation ultime ou tournant en rond, par recyclage, dans le
procédé ;
- de composés légers condensables non transformés dans la première étape ou formés
dans la seconde étape : l'eau, l'acroléine non converti, des aldéhydes légers comme le
formaldéhyde et l'acétaldéhyde, l'acide formique, l'acide acétique ou l'acide
propionique ;
- de composés lourds : furfuraldéhyde, benzaldéhyde, acide et anhydride maléique,
acide benzoïque, acide 2-buténoïque, phénol, protoanémonine.
La complexité du mélange gazeux obtenu dans ce procédé nécessite de procéder
à un ensemble d'opérations pour récupérer l'acide acrylique contenu dans cet effluent
gazeux et le transformer en un grade d'acide acrylique compatible avec son utilisation
finale, par exemple la production de polymères d'acide acrylique, ou la production de
polymères d'esters acryliques.
La première étape de cette phase de récupération/purification consiste en une
extraction de l'acide acrylique par absorption à contre-courant dans un solvant,
généralement de l'eau amenée par une source extérieure et/ou provenant du procédé.
Les quantités d'eau et de mélange réactionnel gazeux sont telles que la teneur massique
en acide acrylique dans la solution aqueuse brute produite est généralement de l'ordre
de 40 à 80%.
Il se pose néanmoins un problème économique très important, principalement en
raison de l'énergie coûteuse nécessaire à l'élimination de l'eau utilisée comme solvant
d'absorption de l'acide acrylique, dans la mesure où l'élimination efficace de l'eau sans
perte exagérée d'acide (méth)acrylique est compliquée par l'existence d'interactions
(liaisons hydrogène) entre les 2 composés.
Ainsi, cette opération de séparation est généralement réalisée à l'échelle
industrielle par distillation avec un tiers solvant azéotropique, ce qui contribue à
augmenter le nombre de colonnes de distillation et leurs coûts énergétiques associés.
D'autre part, la multiplication des colonnes de distillation entraine un coût additionnel
lié à la consommation supplémentaire d'inhibiteurs de polymérisation qui doivent être
introduits sur chacune des dites colonnes, afin de réaliser la purification du produit
recherché et l'élimination des sous-produits en évitant les problèmes d'encrassement
des appareils par polymérisation du monomère.
Une alternative à ce processus qui utilise l'eau comme solvant d'absorption de
l'acide acrylique est d'utiliser un solvant lourd hydrophobe pour extraire l'acide
acrylique, mais un tel processus ne simplifie pas le procédé de purification de l'acide
acrylique.
Récemment, pour pallier ces différents inconvénients, de nouvelles technologies
« sans solvant » de récupération/purification d'acide acrylique sont apparues,
impliquant un nombre réduit d'étapes de purification et supprimant l'introduction de
solvant organique externe.
Dans le procédé de production d'acide acrylique décrit dans le brevet US
7,151,194, le mélange réactionnel gazeux est envoyé dans une colonne d'absorption et
mis en contact avec une solution aqueuse d'absorption, pour obtenir une solution
aqueuse d'acide acrylique, qui est ensuite distillée en l'absence de solvant azéotropique.
Un flux d'acide acrylique brut est obtenu en pied ou en soutirage latéral de la colonne
de distillation, qui est envoyé ensuite sur une unité de purification par cristallisation. Un
inconvénient de ce procédé est que l'introduction d'eau extérieure comme solvant
d'absorption rend difficile l'élimination de l'eau en tête de colonne d'absorption sans
perte importante d'acide acrylique, et la récupération d'une qualité d'acide acrylique
brut à faible concentration d'eau en soutirage latéral, lorsque ce procédé est mis en jeu
dans une configuration à 2 colonnes.
Le brevet EP 2 066 613 décrit un procédé de récupération d'acide acrylique sans
utiliser d'eau extérieure, ni de solvant azéotropique et ne mettant en oeuvre que deux
colonnes de purification du mélange réactionnel gazeux refroidi : a) une colonne de
déshydratation, b) et une colonne de finition (ou colonne de purification) alimentée par
une partie du flux de pied de la colonne de déshydratation.
La colonne de déshydratation fonctionne généralement à la pression
atmosphérique ou légèrement supérieure.
Dans la colonne de déshydratation, le flux gazeux distillé en tête est condensé et
renvoyé en partie à la colonne de déshydratation sous forme de reflux pour absorber
l'acide acrylique.
La colonne de finition fonctionne généralement à une pression inférieure à la
pression atmosphérique, permettant d'opérer à des températures relativement faibles,
pour éviter ainsi la polymérisation des produits insaturés présents, et minimiser la
formation de sous-produits lourds.
Dans la colonne de finition, le distillât de tête comprenant de l'eau et des sousproduits
légers est condensé puis recyclé en pied de la première colonne, et un flux
comprenant de l'acide acrylique enrichi en sous-produits lourds est éliminé en pied pour
être utilisé éventuellement pour la production d'esters acryliques.
Un flux d'acide acrylique purifié correspondant à un grade technique est
récupéré par soutirage latéral sous forme de liquide ou de vapeur. L'acide acrylique
technique obtenu est généralement de pureté supérieure à 98,5% massique et contient
moins de 0,5%> massique d'eau.
Dans ce procédé, une partie des flux (du pied de la colonne de déshydratation ou
de tête de la colonne de finition) est renvoyée avantageusement aux dispositifs de
chauffage/rebouilleur de la colonne de déshydratation et/ou utilisée pour refroidir le
mélange réactionnel gazeux, ce qui permet d'optimiser les besoins énergétiques du
procédé. Malgré les avantages que procure le procédé décrit dans le document EP
2 066 613, il subsiste encore des inconvénients liés à sa mise en oeuvre.
En particulier, en tête de la colonne de finition qui fonctionne sous vide, le
condenseur libère des vapeurs résiduelles comprenant des impuretés organiques qu'il
faut éliminer, par exemple par incinération, ce qui est néfaste pour l'environnement.
Les systèmes générateurs de vide disponibles pour réduire la pression de
fonctionnement des colonnes de distillation sont nombreux (voir par exemple
Techniques de l'Ingénieur, Pompes à vide, B4030, 10/1 1/1983). On distingue
généralement des pompes dites « volumétriques » qui génèrent la dépression en utilisant
des joints liquides (huiles, produits organiques ou eau), comme par exemple les pompes
à palettes et pompes à anneau liquide, et des pompes dites « à entraînement », dans
lesquelles c'est l'écoulement d'un fluide qui crée la dépression (pompes à éjecteurs, à
jet de vapeur,. ..). Les systèmes les plus communément utilisés mettent en jeu des
éjecteurs à jet d'eau ou de vapeur d'eau ou des pompes à anneau liquide, principalement
à anneau d'eau.
Ces systèmes, ne sont pas adaptés à la réduction de la pression de
fonctionnement de la colonne de finition d'un procédé de purification d'acide
(méth)acrylique sans solvant, tel que celui décrit dans le document EP 2 066 613.
De tels systèmes, par exemple décrits dans les documents US 6,677,482 ou US
7,288,169, utilisent de la vapeur d'eau et génèrent en quantité importante des effluents
aqueux contenant de l'acide acrylique et des impuretés organiques, qui ne peuvent pas
être économiquement recyclées dans la boucle de purification formée par la colonne de
déshydratation et la colonne de finition. En effet, il a été constaté que le recyclage d'une
trop grande quantité d'eau au niveau de la colonne de déshydratation entraine des pertes
conséquentes en acide acrylique en tête de cette colonne, à moins d'utiliser une colonne
surdimensionnée mais entraînant un investissement coûteux. Ces effluents aqueux
nécessitent donc d'être envoyés dans une station de traitement d'eau ou directement
dans un oxydeur thermique, occasionnant ainsi d'une part une perte de produit noble et
d'autre part un rejet nocif pour l'environnement. Les évents issus de ces systèmes sous
vide, riches en composés incondensables, incinérés ou envoyés directement dans
l'atmosphère, libèrent dans le premier cas des produits d'oxydation et dans le second
cas des composés organiques polluants pour l'environnement.
Il subsiste donc un besoin d'éliminer et/ou réduire la génération de rejets aqueux
dans un procédé de récupération/purification sans solvant permettant le fonctionnement
sous vide de la colonne de finition.
Les inventeurs ont maintenant découvert que l'utilisation d'une pompe à vide
sèche liée au fonctionnement de la colonne de finition dans un procédé de
récupération/purification d'acide acrylique sans solvant permet de répondre à ce besoin,
avec les avantages économiques et environnementaux en résultant.
Il est par ailleurs apparu aux inventeurs que cette invention pouvait s'appliquer à
l'acide acrylique produit à partir d'autres sources que le propylène, à l'acide
méthacrylique, ainsi qu'à ces acides dérivés de matières premières renouvelables, qui
sont susceptibles de poser les mêmes problèmes de purification.
RESUME DE L'INVENTION
La présente invention concerne en premier lieu un procédé de récupération
d'acide (méth)acrylique sans utiliser de solvant azéotropique, à partir d'un mélange
réactionnel gazeux comprenant de l'acide (méth)acrylique obtenu par oxydation en
phase gazeuse d'un précurseur de l'acide (méth)acrylique, comprenant au moins les
étapes suivantes :
i) on soumet le mélange réactionnel gazeux à une déshydratation sans utiliser
de solvant azéotropique dans une première colonne dite colonne de
déshydratation, conduisant à un flux de tête dont une partie au moins est
condensée et renvoyée à la colonne de déshydratation sous forme de reflux,
et à un flux de pied ;
ii) on soumet au moins en partie le flux de pied de colonne de déshydratation à
une distillation à une pression inférieure à la pression atmosphérique dans
une seconde colonne dite colonne de finition, conduisant à un flux de tête, et
à un flux de pied contenant des composés lourds ;
iii) on récupère un flux d'acide (méth)acrylique par soutirage latéral de la
colonne de finition, et/ou en pied de la colonne de finition ;
ledit procédé étant caractérisé en ce que le flux de tête de la colonne de finition est au
moins en partie soumis à un système de condensation à pompe à vide sèche, formant un
condensât qui est renvoyé dans la colonne de déshydratation, et un effluent gazeux
ultime.
Dans la présente invention, le terme « (méth)acrylique » signifie « acrylique »
ou « méthacrylique ».
Le terme « solvant azéotropique » désigne tout solvant organique présentant la propriété
de former un mélange azéotropique avec l'eau.
Le terme « léger » qualifiant les composés sous-produits désigne les composés dont le
point d'ébullition est inférieur à celui de l'acide (méth)acrylique, et par analogie, le
terme « lourd » désigne les composés dont le point d'ébullition est supérieur à celui de
l'acide (méth)acrylique.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre d'autres étapes visant à
poursuivre la purification du flux d'acide (méth)acrylique récupéré à l'étape iii).
Selon certains modes de réalisation particuliers, l'invention présente également
une ou, de préférence, plusieurs des caractéristiques avantageuses énumérées cidessous
:
- le système de condensation à pompe à vide sèche comprend au moins un
condenseur et une pompe à vide sèche (pouvant être dénommée aussi pompe à vide
sèche primaire) ;
- le système de condensation à pompe à vide sèche peut comprendre de façon
optionnelle, en plus de la pompe à vide sèche primaire, un séparateur de liquide, un ou
plusieurs pare-flamme, un ou plusieurs filtres, des systèmes d'étanchéité et d'isolement,
une pompe ou une combinaison de pompes sèches d'appoint, comme par exemple des
pompes de type « Roots » (pompes volumétriques utilisant deux rotors synchronisés
tournant en sens inverse) ;
- au moins une partie du flux d'acide (méth)acrylique soutiré latéralement est
soumis à un système de condensation à pompe à vide sèche, identique ou différent de
celui utilisé pour le flux de tête de la colonne de finition.
Selon un mode réalisation de l'invention, le précurseur de l'acide
(méth)acrylique est l'acroléine.
Selon un mode réalisation de l'invention, l'acroléine est obtenue par oxydation
de propylène ou par oxydéshydrogénation de propane.
Selon un mode réalisation de l'invention, le précurseur de l'acide
(méth)acrylique est la méthacroléine.
Selon un mode réalisation de l'invention, la méthacroléine est obtenue par
oxydation d'isobutylène et/ou de tert-butanol.
Selon un mode réalisation de l'invention, la méthacroléine est obtenue à partir
d'oxydéshydrogénation de butane et/ou isobutane.
Selon un mode réalisation de l'invention, le mélange réactionnel gazeux
comprenant de l'acide (méth)acrylique obtenu par oxydation en phase gazeuse d'un
précurseur de l'acide (méth)acrylique comprend du carbone d'origine renouvelable.
Selon un mode réalisation de l'invention, le précurseur de l'acide
(méth)acrylique est dérivé du glycérol, de l'acide 3-hydroxypropionique ou de l'acide
2-hydroxypropanoïque (acide lactique).
Selon un mode réalisation préféré de l'invention, le mélange réactionnel gazeux
comprend de l'acide acrylique dérivé de propylène obtenu selon un procédé d'oxydation
en deux étapes.
Le procédé selon l'invention produit un flux d'acide (méth)acrylique sans
produire de rejets aqueux, et ne nécessite pas l'utilisation d'un solvant azéotropique
pour éliminer l'eau du procédé. Le procédé selon l'invention contribue également à
limiter les pertes en acide (méth)acrylique en tête de la colonne de déshydratation.
La présente invention a également pour objet une installation pour récupérer de
l'acide (méth)acrylique, adaptée pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention.
L'installation selon l'invention comprend au moins :
a) une colonne de déshydratation ;
b) une colonne de finition connectée fluidiquement en pied de ladite colonne de
déshydratation ;
c) au moins un système de condensation à pompe à vide sèche connecté
fluidiquement en tête de ladite colonne de finition.
d) de façon optionnelle un système de condensation à pompe à vide sèche
E230/300 connecté fluidiquement latéralement à ladite colonne de finition.
Par « connexion fluidique » ou « connecté fluidiquement », on veut indiquer
qu'il y a connexion par un système de conduites aptes à transporter un flux de matière.
Ce système de connexion peut comprendre des vannes, des dérivations, des échangeurs
de chaleur ou des compresseurs.
Selon certains modes de réalisation particuliers, l'invention présente également
une ou, de préférence, plusieurs des caractéristiques avantageuses énumérées cidessous
:
- le système de condensation à pompe à vide sèche comprend au moins un
condenseur connecté fluidiquement à une pompe à vide sèche ;
- le système de condensation à pompe à vide sèche comprend plusieurs
condenseurs ;
- le système de condensation à pompe à vide sèche peut comprendre de façon
optionnelle, un séparateur de liquide, un ou plusieurs pare-flamme, un ou plusieurs
filtres, des systèmes d'étanchéité et d'isolement, une pompe ou une combinaison de
pompes sèches d'appoint, comme par exemple des pompes dites Roots ;
- La colonne de finition est connectée fluidiquement à un système de condensation à
pompe à vide sèche, en tête de colonne, ou en tête de colonne et latéralement à la
colonne.
- le système de condensation à pompe à vide sèche est connecté fluidiquement à la
colonne de finition pour condenser un flux distillé en tête de la colonne de finition, ou
pour condenser un flux soutiré latéralement de la colonne de finition, ou un mélange de
ces deux flux.
Un autre objet de l'invention est un procédé de production d'acide
(méth)acrylique comprenant au moins les étapes suivantes :
A) on soumet à une oxydation en phase gazeuse au moins un précurseur
d'acide (méth)acrylique pour former un mélange réactionnel gazeux
comprenant de l'acide (méth)acrylique ;
B) on refroidit le mélange réactionnel gazeux ;
C) on soumet le mélange réactionnel gazeux refroidi au procédé de
récupération de l'acide (méth)acrylique tel que défini précédemment.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la
technique liés à la mise en oeuvre d'un procédé de récupération/purification sans solvant
que nécessite l'obtention d'un acide (méth)acrylique purifié.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la
lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures 1 à 4 annexées qui
représentent :
- Figure 1 : schéma d'un procédé de production d'acide acrylique illustrant le procédé
de récupération/purification sans solvant selon l'invention.
- Figure 2 : installation adaptée à la mise en oeuvre du procédé de récupération illustrant
un mode de réalisation de l'invention.
- Figure 3 : installation de l'art antérieur incluant un système de condensation à pompe à
anneau liquide.
- Figure 4 : installation de l'art antérieur avec un système de condensation intégrant des
éjecteurs de vapeur.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention est basée sur l'intégration d'une pompe à vide sèche connectée
fluidiquement à un condenseur formant un système de condensation à pompe à vide
sèche dans un procédé pour produire de l'acide (méth)acrylique.
Sur la Figure 1, on voit un réacteur R produisant un mélange réactionnel gazeux
10 comprenant de l'acide (méth)acrylique obtenu par oxydation en phase gazeuse d'un
précurseur de l'acide (méth)acrylique. Le mélange réactionnel gazeux comportant un
rapport massique eau/acide (méth)acrylique généralement compris entre 0,3 et 2 peut
être préalablement refroidi avant d'être soumis à une déshydratation selon l'étape i) du
procédé selon l'invention dans une première colonne Cl 00 dite colonne de
déshydratation. La colonne de déshydratation conduit à un flux de tête 14 dont une
partie est condensée et renvoyée à la colonne de déshydratation sous forme de reflux 13
pour absorber l'acide (méth)acrylique, l'autre partie 19 comprenant les composés légers
incondensables étant généralement envoyée partiellement ou totalement à un dispositif
d'épuration ou recyclée en partie vers d'autres étapes du procédé de production d'acide
(méth)acrylique, de préférence dans une étape située en amont du réacteur R.
Selon un mode de réalisation, le réacteur R est un ensemble de 2 réacteurs en
série ou comprend au moins 2 zones réactionnelles en série, le premier réacteur ou la
première zone de réaction étant utilisée pour la synthèse du précurseur de l'acide
(méth)acrylique.
Selon un mode de réalisation, la totalité du flux de tête 14 de la colonne de
déshydratation est envoyée dans le condenseur de tête.
Le but de l'étape i) est d'éliminer dans un flux de tête l'essentiel de l'eau
présente dans le mélange réactionnel, mais aussi les composés légers incondensables et
les composés légers condensables. La colonne de déshydratation fonctionne, au moins
partiellement, comme une colonne de distillation. Elle est alimentée dans sa partie
inférieure par le mélange réactionnel 10. Elle génère un flux de tête 14 comprenant
l'essentiel de l'eau et des composés légers, ce flux de tête étant appauvri en acide
(méth)acrylique, et un flux de pied 11 comprenant l'essentiel de l'acide (méth)acrylique
avec des sous-produits lourds.
Avantageusement, la colonne de déshydratation fonctionne à la pression
atmosphérique ou légèrement supérieure, jusque 1,5 105 Pa.
Avantageusement, la température dans la partie supérieure de la colonne de
déshydratation est d'au moins 40°C, de préférence est comprise entre 40°C et 80°C. La
température du flux de pied de la colonne de déshydratation ne dépasse pas de
préférence 120°C.
Selon l'invention, l'essentiel de l'eau présente dans le mélange réactionnel
gazeux comprenant l'acide (méth)acrylique est éliminé au cours de l'étape i) sans qu'il
n'y ait de perte excessive d'acide acrylique dans le flux de tête 19.
Aucun solvant azéotropique n'est ajouté dans la colonne de déshydratation.
La teneur massique en eau dans le flux de pied de la colonne de déshydratation
est généralement inférieure à 10%, de préférence inférieure à 7%.
Selon l'étape ii) du procédé selon l'invention, le flux de pied 11 de la colonne de
déshydratation est envoyé au moins en partie (flux 15), en tête d'une seconde colonne
de distillation, dite colonne de finition, ou colonne de purification, C200, dans laquelle
sont séparés un flux de tête 1 et un flux de pied 20.
En alternative, le flux de pied de la colonne de déshydratation est envoyé au
moins en partie entre la tête et le soutirage latéral de la colonne de purification.
Le flux de pied de la colonne de déshydratation peut passer en partie dans un bac
intermédiaire avant de pénétrer dans la colonne de purification.
Selon un mode de réalisation, une partie 12 du flux liquide 11 de pied de la
colonne de déshydratation est envoyée par une pompe PI 10 dans un échangeur de
chaleur El 10, qui peut être un réchauffeur ou un refroidisseur et réinjectée dans la
colonne de déshydratation, de façon à constituer une boucle de pied. De préférence, la
partie 12 du flux de pied est réinjectée entre l'alimentation du mélange gazeux
réactionnel et la tête de colonne de déshydratation. Le reste (flux 15) du flux liquide 11
est envoyée par la même pompe PI 10 en alimentation de la colonne de finition (ou
purification) C200.
La colonne de déshydratation et la colonne de finition peuvent être de
configurations diverses, par exemple de type colonne à garnissage vrac ou structuré ou
colonnes à plateaux.
La colonne de déshydratation comprend généralement de 5 à 50 plateaux
théoriques, de préférence de 20 à 30 plateaux théoriques ; la colonne de finition
comprend généralement de 5 à 30 plateaux théoriques, de préférence de 8 à 20 plateaux
théoriques. Le choix du type d'internes dans les colonnes et le choix des équipements
annexes tels que échangeurs de chaleur, condenseurs, pompes, entrée et sorties des
fluides seront facilement déterminés selon les considérations connues de l'homme de
l'art.
La colonne de finition (ou purification) est une colonne de distillation associée à
un rebouilleur et un condenseur.
La température et la pression dans la colonne de purification ne sont pas
critiques, et peuvent être déterminées conformément aux méthodes de distillation
connues de l'état de l'art. Cependant, de préférence, la colonne de purification
fonctionne à une pression inférieure à la pression atmosphérique, permettant de
fonctionner à des températures relativement faibles, évitant ainsi la polymérisation des
produits insaturés présents, et minimisant la formation de sous-produits lourds.
Avantageusement, la colonne de purification fonctionne sous une pression allant
de 5 kPa à environ 60 kPa, la température du flux de tête étant avantageusement
comprise entre 40°C et environ 90°C, et la température du flux de pied étant comprise
ente 60°C et 120°C.
Selon le procédé de récupération de l'invention, le flux gazeux de tête 1 de la
colonne de finition C200 est envoyé au moins en partie, de préférence en totalité, dans
un système SI de condensation à pompe à vide sèche, représenté sur la Figure 1 par
l'ensemble constitué par le condenseur E220 et la pompe à vide sèche 300. Le liquide
condensé 18 contenant principalement des composés légers, en particulier eau et acide
acétique, ainsi que de l'acide (méth)acrylique, est avantageusement recyclé via une
pompe P220, dans la colonne de déshydratation C100. L'évent 22 non condensé en
sortie du condenseur E220 est introduit dans la pompe sèche 300, avant d'être éliminé
sous la forme d'un effluent gazeux ultime 25.
L'utilisation d'un tel système SI intégrant une pompe à vide sèche fournit une
pression en-dessous de la pression atmosphérique dans la colonne de finition,
permettant ainsi d'éliminer à température réduite les composés légers résiduels issus de
l'étape antérieure de déshydratation du mélange réactionnel comprenant l'acide
(méth)acrylique.
Aucun effluent aqueux n'est produit par le système de condensation à pompe à
vide sèche.
Des exemples de pompes à vide sèches à piston sont décrits par exemple dans
les documents US 2005/260085 ou US 5,921,755. Les pompes à vide sèches peuvent
également être composées par exemple d'un corps cylindrique dans lequel tourne un
rotor en position excentrique, doté d'entailles dans lesquelles sont insérées des palettes
permettant d'aspirer un flux gazeux. Tout autre type de configuration peut être utilisé
comme pompe à vide sèche. Le terme « sèche » indique qu'aucun flux liquide, tel
qu'une huile lubrifiante ou de l'eau, n'est en contact avec le flux gazeux alimentant la
pompe.
Comme exemples de pompe à vide sèche, on peut citer, sans que cette liste soit
limitative, des pompes mécaniques sèches à vis, à soufflets d'étanchéité, à spirales
(pompes scroll), à piston rotatif, à lobe rotatif, à membrane sans huile, par exemple les
pompes à vide sèches à vis commercialisées par la société Edwards, ou les pompes à
rotors, commercialisées par la société Sihi. Ces pompes créent un vide primaire qui peut
si nécessaire être complété par d'autres pompes à vide sèches, comme par exemple des
pompes sèches d'appoint de type « Roots ».
Avantageusement, le vide obtenu dans la colonne de finition peut être modulé
en fonction de la vitesse de fonctionnement de la pompe à vide sèche.
Un flux d'acide (méth)acrylique 16 est récupéré par soutirage latéral à partir de
la colonne de finition (étape iii), à un niveau latéral situé de préférence en-dessous de
l'alimentation de ladite colonne. Le flux de produit 16 soutiré peut être un flux liquide
ou un flux gazeux.
Le flux 16 soutiré latéralement correspond à un grade d'acide (méth)acrylique
technique. Il est en général constitué d'acide (méth)acrylique de pureté supérieure à
98%, de préférence supérieure à 99%. De préférence, il contient moins de 1,5%, de
préférence moins de 0,5%, plus particulièrement moins de 0,2% en poids d'acide
acétique, et moins de 1%, de préférence moins de 0,5%, plus particulièrement, moins de
0,3% en poids d'eau.
Le flux 16 peut encore être soumis à une purification par distillation, éventuellement
couplée avec un traitement de cristallisation.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, au moins une partie du flux
d'acide (méth)acrylique purifié 16 soutiré latéralement est soumis à un système de
condensation à pompe à vide sèche qui peut comprendre la pompe à vide sèche 300
utilisée en tête de la colonne de finition.
Selon un mode de réalisation, le flux 16 est soumis à une condensation dans un
condenseur E230 et le flux gazeux 23 est envoyé dans la pompe à vide 300.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, comme représenté à la
Figure 2, le flux gazeux 22, éventuellement mélangé avec le flux 23, alimentant la
pompe à vide sèche, passe préalablement dans un dispositif 310 séparateur de liquide,
permettant de séparer les traces de liquide résiduel, riche en composés légers, en
particulier eau et acide acétique, ainsi que de l'acide (méth)acrylique résiduel. De
manière préférentielle, ce flux liquide sera recyclé dans la colonne de déshydratation,
par exemple en mélange avec le flux 18 alimentant la pompe P220.
Selon d'autres modes de réalisation, le gaz 25 en sortie de la pompe à vide sèche
passe par différents éléments, tels que ceux décrits précédemment, en particulier au
moins un pare-flamme 320, et une pompe sèche d'appoint 330, avant d'être envoyé
finalement dans un incinérateur.
Le condensât 18, formé par le système de condensation à pompe à vide sèche,
est avantageusement renvoyé en partie ou en totalité vers la colonne de déshydratation,
entre le pied et la tête de la colonne et de préférence au-dessus de l'alimentation du
mélange gazeux réactionnel. Selon un mode de réalisation il est mélangé au flux 12 de
la boucle de pied de la colonne de déshydratation, comme représenté sur la Figure 1.
Optionnellement, le flux 18 peut transiter dans un bac de stockage intermédiaire
avant recyclage dans la boucle de pied de colonne de déshydratation.
Un flux d'acide (méth)acrylique 20 comprenant l'essentiel des sous-produits
lourds, notamment des produits d'addition de Michael ainsi que des inhibiteurs de
polymérisation, est récupéré en pied de la colonne de finition (étape iii).
Le flux de pied 20 de la colonne de finition correspond à un grade d'acide
(méth)acrylique brut qui peut être utilisé directement comme matière première dans une
unité de production d'esters acryliques par estérification directe, ou éventuellement
après une étape de décomposition thermique des dérivés d'addition de Michael libérant
de l'acide (meth)acrylique. Alternativement, le flux de pied 20 peut être purifié dans
une troisième colonne de distillation pour obtenir un acide (méth)acrylique de grade
technique.
Avantageusement, le flux 16 de produit soutiré latéralement et le flux 20 de pied
de la colonne de finition sont récupérés selon un rapport massique allant de 99 : 1 à 25 :
75, de préférence de 98 : 2 à 50 : 50.
Des inhibiteurs de polymérisation peuvent être introduits à différents endroits
dans l'installation de mise en oeuvre du procédé de l'invention, notamment dans le flux
de tête de la colonne de déshydratation au niveau du condenseur, ou dans le flux de tête
de la colonne de purification au niveau du condenseur associé à ladite colonne, ou dans
le flux de produit purifié soutiré latéralement de la colonne de purification,
éventuellement après condensation dans le cas où le flux soutiré est sous forme gazeuse.
Les inhibiteurs de polymérisation sont choisis parmi les composés qui inhibent
la réaction de polymérisation de l'acide (méth)acrylique et sont ajoutés en quantité
suffisante connue de l'homme de l'art pour éviter ou réduire la polymérisation de l'acide
(méth)acrylique. Comme exemples de composés utilisables, on peut citer la
phénothiazine, l'hydroquinone, le 2,2,6,6-tétraméthyl-l-pipéridinyloxy (Tempo) ou l'un
de ses dérivés tel que le 4-hydroxy Tempo, les sels de cuivre solubles, les sels de
manganèse solubles, seuls ou en mélange, éventuellement en solution dans l'eau, dans
l'acide (méth)acrylique ou dans un mélange d'eau et d'acide (méth)acrylique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la nature de l'inhibiteur varie selon
l'endroit où il est injecté.
Selon un mode de réalisation de l'invention, de l'air ou un gaz comprenant de
l'oxygène est introduit, par exemple dans les pieds des colonnes de déshydratation et de
purification, dans les rebouilleurs des colonnes, dans la boucle de recirculation en pied
de colonne de déshydratation ou au niveau du soutirage latéral de la colonne de
purification ou dans les condenseurs.
Le procédé de l'invention fournit directement en soutirage latéral de la colonne
de finition, une qualité d'acide (méth)acrylique qui correspond à un grade d'acide
(méth)acrylique technique, qui peut être envoyé ensuite sur une unité de purification,
par exemple par cristallisation, pour obtenir une qualité d'acide (méth)acrylique dite
« glaciale ». Il fournit également en pied de la colonne de finition, une qualité d'acide
(méth)acrylique brut qui peut ensuite être purifié ou traité thermiquement pour obtenir
un grade d'acide (méth)acrylique technique.
L'installation selon l'invention adaptée pour mettre en oeuvre le procédé de
récupération/purification de l'acide (méth)acrylique tel que décrit, comprend au moins :
a) une colonne de déshydratation Cl 00 ;
b) une colonne de finition C200 connectée fluidiquement en pied de ladite
colonne de déshydratation ;
c) au moins un système SI de condensation à pompe à vide sèche E220/300,
connecté fluidiquement en tête de ladite colonne de finition.
d) de façon optionnelle un système de condensation à pompe à vide sèche
E230/300 connecté fluidiquement latéralement à ladite colonne de finition.
Un autre objet de l'invention porte sur un procédé de production d'acide
(méth)acrylique comprenant au moins les étapes suivantes :
A) on soumet à une oxydation en phase gazeuse au moins un précurseur
d'acide (méth)acrylique pour former un mélange réactionnel gazeux
comprenant de l'acide (méth)acrylique ;
B) on refroidit le mélange réactionnel gazeux ;
C) on soumet le mélange réactionnel gazeux refroidi au procédé de
récupération de l'acide (méth)acrylique tel que défini précédemment.
Le précurseur de l'acide (méth)acrylique peut être l'acroléine ou la
méthacroléine, et peut être dérivé de matière première renouvelable produisant ainsi de
l'acide (méth)acrylique biosourcé.
De préférence, l'acide (méth)acrylique est l'acide acrylique et le précurseur de
l'acide acrylique est l'acroléine obtenu par oxydation catalytique de propylène.
La réaction d'oxydation de l'étape A), effectuée selon les connaissances de l'art,
fournit généralement un mélange réactionnel gazeux, surchauffé à une température
supérieure à 280°C.
Ce mélange est avantageusement refroidi selon une étape B), notamment jusqu'à
une température inférieure à 250°C, de préférence inférieure à 190°C, pour être soumis
selon l'étape C) au procédé de récupération de l'acide (méth)acrylique sans utiliser de
solvant azéotropique incluant un système de condensation à pompe à vide sèche. Il peut
être refroidi directement dans la colonne de déshydratation, ou peut être refroidi à l'aide
d'un échangeur de chaleur situé en amont de la colonne de déshydratation.
Même si l'utilisation du système de condensation à pompe à vide sèche est décrit
dans la présente invention dans un procédé de production d'acide (méth)acrylique
incluant un processus de purification sans solvant avec deux colonnes de distillation, le
système de condensation à pompe à vide sèche peut être utilisé également dans d'autres
procédés qui produisent un mélange réactionnel gazeux, afin de réduire la quantité
d'eau et de vapeur utilisée, et réduire ainsi la quantité d'effluents aqueux rejetés.
L'invention sera maintenant illustrée par les exemples suivants, qui n'ont pas
pour but de limiter la portée de l'invention, définie par les revendications annexées.
PARTIE EXPERIMENTALE
Exemple 1(selon l'invention)
Des simulations à l'aide du logiciel ASPEN ont été utilisées pour illustrer le
procédé selon l'invention.
En référence à la Figure 1, dans un procédé de production en continu d'acide
acrylique à partir de propylène, un mélange réactionnel 10 a été soumis au procédé de
récupération/purification selon l'invention.
Dans ce procédé, 11 000 kg/h d'acide acrylique technique sont produits (flux
16), ayant une pureté de 99,8%. Les principales impuretés sont l'acide acétique
(0,05%), l'acide propionique, (0,021%), le furfural (0,014%), le benzaldéhyde
(0,008%), l'anhydride maléique (0,037%).
Le flux gazeux 22 (67,6 kg/h) provenant du condenseur E220 en tête de la
colonne de finition C200 a été soumis à une pompe à vide sèche 300. Cette pompe
assure une pression de 12 kPa en tête de la colonne C200. Un flux 23 (7,3 kg/h)
provenant du condenseur E230 placé à la sortie latérale du flux d'acide acrylique
technique a été envoyé en même temps à la pompe à vide sèche 300.
Les principaux constituants des flux 22 et 23 entrants, ainsi que la composition
du flux gazeux 25 sortant, exprimée en débit massique horaire (kg/h), sont rassemblés
dans le tableau 1.
Aucun effluent aqueux n'est produit selon ce système.
A la sortie de la pompe à vide sèche, seul un effluent gazeux ultime 25 (74,9
kg/h) est émis, qui est facile à éliminer par les méthodes connues de l'homme de l'art,
par exemple par oxydation thermique ou catalytique.
La perte d'acide acrylique dans le flux 19 refroidi à 57°C est de 0,69%, soit un
rendement de récupération d'acide acrylique de 99,31%.
Tableau 1
Exemples 2 et 3 (comparatifs)
A titre de comparaison, les mêmes flux 22 et 23 ont été soumis respectivement à
une pompe à anneau liquide (exemple 2, Figure 3) en remplacement de la pompe à vide
sèche, et à un système intégrant des éjecteurs de vapeur (exemple 3, Figure 4).
En particulier, l'exemple 3 met en jeu une technologie de générateur de vide par
éjecteur de vapeur décrite dans les documents US 6,677,482 ou US 7,288,169.
Sur la Figure 3, est représenté un système S2 intégrant une pompe à anneau
liquide P240, alimentée par un flux d'eau 24. Le débit du flux 24 introduit dans la
pompe pour assurer une pression de 12 kPa est 1000 kg/h. Ce système S2 comprend une
pompe P240, un échangeur E240 et un récipient de collecte des condensais R.
La pompe P240 est alimentée d'une part par les flux gazeux 22 et 23 provenant
de la colonne C200 et d'autre part par le flux aqueux 27. Le rôle principal de ce flux
aqueux est de constituer un joint liquide nécessaire à la génération de la dépression dans
la pompe et d'assurer le renouvellement du liquide en le purgeant des impuretés
condensées. La chaleur dégagée par la pompe est éliminée grâce au refroidissement du
flux condensé à travers échangeur.
Le flux sortant de la pompe est en partie liquide et en partie gazeux. Les 2
phases sont séparées dans le récipient R et une partie de la phase liquide
(essentiellement aqueuse) est recirculée vers la pompe P240 après refroidissement dans
l'échangeur E240.
Ce système S2 produit donc en sortie un flux gazeux 25 (43,2 kg/h), mais aussi
un effluent liquide 26 en quantité importante (1031,7 kg/h). Ce flux 26, essentiellement
aqueux, contient des composés organiques en solution, à des concentrations importantes
(principalement 1,8% d'acide acrylique, 0,5% d'acide acétique), qui le rendent
impropre au rejet sans traitement complémentaire de purification.
Sur la Figure 4, est représenté un système S3 intégrant deux éjecteurs en série
P240 et P250, alimentés en respectivement par 400 kg/h de vapeur d'eau (flux 27) et
600kg/h de vapeur d'eau (flux 28), de façon à assurer une pression de 12 kPa en tête de
la colonne C200.
Ce système S3 comprend les 2 pompes (éjecteurs) montées en série qui sont
alimentées par de la vapeur à pression de 1500 kPa et 3 condenseurs.
Le premier éjecteur P240 est alimenté d'une part par les flux gazeux 22 et 23
provenant de la colonne C200 et d'autre part par le flux de vapeur d'eau sous pression.
Le flux gazeux sortant à température de 144°C est refroidi à température de 42°C dans
un premier condenseur E240. Le condensât liquide 29 est envoyé à un récipient de
collecte des condensais R et les évents gazeux non condensés 30 sont envoyés à
l'alimentation du 2 éjecteur P250. En sortie de cet éjecteur, le flux gazeux à 162°C
est refroidi à température de 42°C dans le condenseur E250. Le flux liquide condensé
3 1 est envoyé dans le récepteur R. Les évents 32 non condensés dans ce 2
condenseur sont refroidis à 15°C dans le 3 condenseur E260, produisant un 3
condensât liquide recueilli dans le réservoir R. Le flux gazeux 25 non condensé dans ce
3 condenseur est éliminé.
Ce système S3 produit ainsi en sortie un flux gazeux 25 (42,8 kg/h), mais aussi
un effluent aqueux 26 en quantité importante (1032,1 kg/h). Ce flux aqueux 26 contient
des composés organiques en solution, à des concentrations importantes (principalement
1,8% d'acide acrylique, 0,5% d'acide acétique), qui le rendent impropre au rejet sans
traitement complémentaire de purification.
Les principaux constituants du flux gazeux 25 et du flux aqueux 26 en sortie
des systèmes S2 et S3 sont indiqués dans le tableau 2.
Tableau 2
Les systèmes classiques sous vide mettant en jeu une pompe à anneau liquide, ou des
éjecteurs à jet de vapeur génèrent une quantité importante d'effluent aqueux. Cet
effluent contient des impuretés organiques et doit donc être traité.
Exemple 4
Pour éviter le traitement coûteux du flux aqueux issu de la pompe à anneau
liquide (exemple 2) ou du système à éjecteurs (exemple 3), et récupérer une partie de
l'acide acrylique contenu dans ces flux, il peut être envisagé de recycler ces flux dans le
procédé de purification sans solvant.
Une simulation du procédé de purification sans solvant a été réalisée à l'aide du
logiciel ASPEN, intégrant un recyclage du flux aqueux 26 condensé dans l'exemple 3
(éjecteurs en série), en mélange dans le flux 18 renvoyé vers la colonne de
déshydratation C100 (voir Figure 1).
Dans ces conditions, contrairement à l'objectif recherché, on observe que le
recyclage de ce flux aqueux (1032 kg/h) occasionne une perte significative d'acide
acrylique en tête de colonne Cl 00 de condensation.
La perte d'acide acrylique dans le flux 19 refroidi à 61°C est de 1,74%, soit un
rendement de récupération d'acide acrylique de 98,26%.
REVENDICATIONS
1. Procédé de récupération d'acide (méth)acrylique sans utiliser de solvant
azéotropique, à partir d'un mélange réactionnel gazeux comprenant de l'acide
(méth)acrylique obtenu par oxydation en phase gazeuse d'un précurseur de l'acide
(méth)acrylique, comprenant au moins les étapes suivantes :
i) on soumet le mélange réactionnel gazeux à une déshydratation sans utiliser de
solvant azéotropique dans une première colonne dite colonne de déshydratation,
conduisant à un flux de tête dont une partie au moins est condensée et renvoyée
à la colonne de déshydratation sous forme de reflux, et à un flux de pied ;
ii) on soumet au moins en partie le flux de pied de colonne de déshydratation à une
distillation à une pression inférieure à la pression atmosphérique dans une
seconde colonne dite colonne de finition, conduisant à un flux de tête, et à un
flux de pied contenant des composés lourds ;
iii) on récupère un flux d'acide (méth)acrylique par soutirage latéral de la colonne
de finition, et/ou en pied de la colonne de finition ;
ledit procédé étant caractérisé en ce que le flux de tête de la colonne de finition est au
moins en partie soumis à un système de condensation à pompe à vide sèche, formant un
condensât qui est renvoyé dans la colonne de déshydratation, et un effluent gazeux
ultime.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de
condensation à pompe à vide sèche comprend au moins un condenseur et une pompe à
vide sèche.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le système de
condensation à pompe à vide sèche comprend en outre un séparateur de liquide, ou un
ou plusieurs pare-flamme, ou un ou plusieurs filtres, ou des systèmes d'étanchéité et
d'isolement, ou une pompe ou une combinaison de pompes sèches d'appoint.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce
qu'au moins une partie du flux d'acide (méth)acrylique soutiré latéralement est soumis
à un système de condensation à pompe à vide sèche, identique ou différent de celui
utilisé pour le flux de tête de la colonne de finition.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce
que le précurseur de l'acide (méth)acrylique est l'acroléine, obtenue par oxydation de
propylène ou par oxydéshydrogénation de propane.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le
précurseur de l'acide (méth)acrylique est la méthacroléine obtenue par oxydation
d'isobutylène et/ou de tert-butanol ou à partir d'oxydéshydrogénation de butane et/ou
isobutane.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le
précurseur de l'acide (méth)acrylique comprend du carbone d'origine renouvelable.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le précurseur de l'acide
(méth)acrylique est dérivé du glycérol, de l'acide 3-hydroxypropionique ou de l'acide
2-hydroxypropanoïque.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce
qu'il comprend en outre au moins une étape de purification du flux d'acide
(méth)acrylique récupéré à l'étape iii).
10. Procédé de production d'acide (méth)acrylique comprenant au moins les
étapes suivantes :
A) on soumet à une oxydation en phase gazeuse au moins un précurseur
d'acide (méth)acrylique pour former un mélange réactionnel gazeux
comprenant de l'acide (méth)acrylique ;
B) on refroidit le mélange réactionnel gazeux ;
C) on soumet le mélange réactionnel gazeux refroidi au procédé de
récupération de l'acide (méth)acrylique tel que défini à l'une
quelconque des revendications 1 à 9.
11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'acide (méth)acrylique
est l'acide acrylique et le précurseur de l'acide acrylique est l'acroléine obtenu par
oxydation catalytique de propylène.
12. Installation pour récupérer de l'acide (méth)acrylique sans utiliser de solvant
azéotropique comprenant au moins :
a) une colonne de déshydratation Cl 00 ;
b) une colonne de finition C200 connectée fluidiquement en pied de ladite colonne
de déshydratation ;
c) au moins un système de condensation à pompe à vide sèche E220/300, connecté
fluidiquement en tête de ladite colonne de finition.
d) de façon optionnelle un système de condensation à pompe à vide sèche
E230/300 connecté fluidiquement latéralement à ladite colonne de finition.