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EP2456746A1 - Procede de fabrication d'acide acrylique bio-ressource a partir de glycerol - Google Patents

Procede de fabrication d'acide acrylique bio-ressource a partir de glycerol

Info

Publication number
EP2456746A1
EP2456746A1 EP10745373A EP10745373A EP2456746A1 EP 2456746 A1 EP2456746 A1 EP 2456746A1 EP 10745373 A EP10745373 A EP 10745373A EP 10745373 A EP10745373 A EP 10745373A EP 2456746 A1 EP2456746 A1 EP 2456746A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acrylic acid
purification
distillation
glycerol
solvent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10745373A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Fauconet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arkema France SA
Original Assignee
Arkema France SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arkema France SA filed Critical Arkema France SA
Publication of EP2456746A1 publication Critical patent/EP2456746A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C45/00—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds
    • C07C45/51—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by pyrolysis, rearrangement or decomposition
    • C07C45/52—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by pyrolysis, rearrangement or decomposition by dehydration and rearrangement involving two hydroxy groups in the same molecule
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/16—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation
    • C07C51/21—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen
    • C07C51/23—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of oxygen-containing groups to carboxyl groups
    • C07C51/235—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of oxygen-containing groups to carboxyl groups of —CHO groups or primary alcohol groups
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/43—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/43—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation
    • C07C51/44—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation by distillation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/48—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by liquid-liquid treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C57/00—Unsaturated compounds having carboxyl groups bound to acyclic carbon atoms
    • C07C57/02—Unsaturated compounds having carboxyl groups bound to acyclic carbon atoms with only carbon-to-carbon double bonds as unsaturation
    • C07C57/03—Monocarboxylic acids
    • C07C57/04—Acrylic acid; Methacrylic acid

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing a bio-resourced acrylic acid from glycerol as raw material, the term bio-resoured acid indicating that the acrylic acid is essentially based on a source of carbon of natural origin.
  • Acrylic acid is a very important raw material that can be used directly to obtain an acrylic acid polymer or, after esterification with alcohols, to produce a polymer of the corresponding ester.
  • These polymers are used as such or as copolymers in fields as varied as hygiene (for example in the production of superabsorbents), detergents, paints, varnishes, adhesives, paper, textiles, leather , etc. ...
  • Industrialists have been developing processes for the synthesis of acrylic acid for decades.
  • a first generation used acetylenic-type triple bond compounds as raw material, which was reacted with a mixture of carbon monoxide and water in the presence of a nickel-based catalyst.
  • Methanolysis of vegetable oils or animal fats can be carried out according to various well-known methods, in particular by using homogeneous catalysis such as sodium hydroxide or sodium methylate in solution in methanol, or by using heterogeneous catalysis.
  • homogeneous catalysis such as sodium hydroxide or sodium methylate in solution in methanol
  • heterogeneous catalysis we can refer to this topic in the article by D. Ballerini et al. in the Chemical News of nov-dec 2002.
  • Patent applications EP 1.710.227, WO2006 / 136336 and WO2006 / 092272 describe such processes for synthesizing acrylic acid from glycerol comprising the step of dehydration in the gas phase in the presence of catalysts consisting of inorganic oxides (mixed or not) based on aluminum, titanium, zirconium, vanadium, etc., and the step of gas phase oxidation of acrolein thus synthesized in the presence of catalysts based on iron oxides, molybdenum, copper, alone or in combination in the form of mixed oxides.
  • catalysts consisting of inorganic oxides (mixed or not) based on aluminum, titanium, zirconium, vanadium, etc.
  • Acrylic acid is intended for the implementation by the industrialists of polymerization processes either of acrylic acid or of its ester derivatives, processes which are conducted in various forms in bulk, in solution, in suspension, in emulsion. These processes can be very sensitive to the presence in the feed of certain impurities, such as aldehydes or unsaturated compounds, which can sometimes prevent the expected use value from being obtained, for example by limiting the conversion of monomer to polymer, limiting the chain length of the polymer or interfering in the polymerization in the case of unsaturated compounds.
  • impurities such as aldehydes or unsaturated compounds
  • the reactor outlet effluent is subjected to a combination of stages which may differ by their sequence according to the process: elimination of incondensables and of the essential of the very compounds light, especially acrylic acrolein intermediate synthesis (AA crude), dehydration removing water and formaldehyde (AA dehydrated), elimination of light (especially acetic acid), elimination of heavy, possibly elimination of some residual impurities by chemical treatment.
  • the invention relates to a process for manufacturing a "standard" acrylic acid using glycerol as raw material which will be converted into two stages - dehydration and oxidation - as mentioned previously integrated into a global purification process.
  • This process has a great analogy with the synthesis process from propylene in that the intermediate product, acrolein, from the first step is the same and the second step is conducted under the same operating conditions.
  • the first-stage reaction of the process of the invention dehydration reaction, is different from the propylene oxidation reaction of the usual process.
  • the dehydration reaction conducted in the gas phase is carried out using solid catalysts different from those used for the oxidation of propylene.
  • the acrolein-rich effluent from the first dehydration stage intended to supply the second acrolein oxidation step to acrylic acid, contains a larger quantity of water, and furthermore has significant differences in terms of byproducts resulting from the reaction mechanisms involved being concretized by different selectivities in each of the two pathways.
  • Table 1 summarizes the data concerning the presence of various acids in the crude acrylic acid that is to say in the liquid phase leaving the second stage reactor.
  • the impurity / AA ratios depend on the catalysts used, their "age” (degradation of the selectivities over time) and the operating conditions.
  • the ratio 2-butenoic acid / AA is mentioned ⁇ 0.001% for the ex-propylene process; however, although the Applicant has never detected it in the AA-propylene, it deems it preferable to write " ⁇ 10 ppm" rather than 0% (result of its analyzes) in order to overcome the problem of detection threshold related to the method of analysis.
  • Table 1 illustrates some of the main differences, in terms of the constituents of the liquid effluent leaving the oxidation reactor, between the ex-propylene and ex-glycerol processes.
  • Table 1 illustrates some of the main differences, in terms of the constituents of the liquid effluent leaving the oxidation reactor, between the ex-propylene and ex-glycerol processes.
  • it is also found in crude acrylic acid, that it comes from the ex-propylene process or the ex-glycerol process a whole series of oxygenates, alcohols, aldehydes, ketones , other acids, etc., whose separation, necessary, is known to those skilled in the art.
  • the specifications for acrylic acid grades commonly used for the production of acrylic acid and acrylic ester polymers require that the levels of the impurities in Table 1 in acrylic acid be reduced to the values shown in Table 2 below. -Dessous.
  • Acetic acid and propionic acid are troublesome in particular because they are not converted during the polymerization process, they are saturated and therefore not polymerizable; depending on the polymerization process involved and the targeted applications for the polymer, these impurities can remain in the finished product and risk giving the finished product undesirable corrosive properties, or be found in the liquid or gaseous discharges generated by the polymerization process and cause organic pollution also undesirable.
  • 2-butenoic acid not synthesized by the ex-propylene process but present in its two configurations (E, also called crotonic acid, CAS No. 107-93-7) and (Z, also called isocrotonic acid, No. CAS: 503-64-0) in the ex-glycerol process, is particularly troublesome because, because of its double bond, it is likely to come into play in the polymerization process and thus to modify the characteristics and the use value of the final polymer.
  • E also called crotonic acid, CAS No. 107-93-7
  • Z also called isocrotonic acid, No. CAS: 503-64-0
  • the problem is that of obtaining an acrylic acid of a degree of purity corresponding to the needs of the users and in particular meeting the specifications given in Table 2 by implementing a process for the synthesis of acrylic acid using the glycerol as raw material which has the disadvantage, compared to the conventional propylene oxidation process, of providing at the outlet of the oxidation reactor a gaseous mixture containing a lot of water and having contents important in various impurities such as acetic acid, propionic and 2-butenoic.
  • the Applicant has discovered that it is possible to overcome the above disadvantages by implementing a process for purifying the gaseous effluent from the oxidation reactor of a process for synthesizing acrylic acid from glycerol, comprising a first step of dehydration of glycerol followed by a second step of oxidation of acrolein, conjugating a step of absorbing acrylic acid with a heavy solvent at the outlet of the oxidation reactor and a purification phase with several steps ending in a separation of acrylic acid by fractional crystallization.
  • the subject of the invention is a process for producing bio-resourced acrylic acid from glycerol comprising the following steps:
  • step (3) the liquid phase resulting from step (3) is subjected to
  • step 4 a distillation top with separation at the top of the water and residual light (step 4), the bottoms fraction being sent to step (5),
  • step 5 a distillation of the acrylic acid solution thus obtained to separate the heavy solvent at the bottom and at the top the acrylic acid fraction containing the intermediate impurities and possibly traces of solvent (step 5)
  • Glycerol is a chemical, 1,2,3-propane triol, which can be obtained either by chemical synthesis from propylene, or as a co-product formed during the methanolysis of vegetable oils or animal fats.
  • Methanolysis of vegetable oils or animal fats can be carried out according to various well-known methods, in particular by using homogeneous catalysis such as sodium hydroxide or sodium methylate in solution in methanol, or by using heterogeneous catalysis.
  • homogeneous catalysis such as sodium hydroxide or sodium methylate in solution in methanol
  • heterogeneous catalysis we can refer to this topic in the article by D. Ballerini et al. in the Chemical News of nov-dec 2002.
  • Methyl esters are used in particular as fuels or fuels in diesel and heating oil.
  • VOME methyl esters of oils vegetable
  • the production of glycerol according to this route of production increases sharply, the glycerol representing about 10% of the weight of the processed oil.
  • Glycerin the name of glycerol when it is in aqueous solution, obtained from vegetable oils or animal fats may contain salts (NaCl, Na 2 SO 4 , KCl, K 2 SO 4 ).
  • a stream feeding the reactor of step (1) containing glycerol and water is generally used, with a water / glycerol mass ratio that can vary widely, for example between 0 , 04/1 and 9/1 and preferably between 0.7 / 1 and 3/1.
  • the process is carried out in two distinct steps with two different catalysts.
  • the dehydration reaction, step (1) which is a reaction balanced but favored by a high temperature level, is generally carried out in the gas phase in the reactor in the presence of a catalyst at a temperature ranging from 150 ° C. to 500 ° C. 0 C, preferably between 250 0 C and 350 0 C, and an absolute pressure between 1 and 5 bar (100 and 500 kPa). It can also be conducted in the liquid phase. It can also be carried out in the presence of oxygen or an oxygen-containing gas as described in applications WO 06/087083 and WO 06/114506.
  • the dehydration reaction of glycerol is generally carried out on acidic solid catalysts.
  • Suitable catalysts are materials used in a gaseous or liquid reaction medium, in a heterogeneous phase, which have a Hammett acidity, denoted H 0 of less than +2.
  • H 0 Hammett acidity
  • These catalysts may be chosen from natural or synthetic siliceous materials or acidic zeolites; inorganic carriers, such as oxides, coated with inorganic acids, mono, di, tri or polyacids; oxides or mixed oxides or heteropolyacids or salts of heteropolyacids.
  • These catalysts can generally be constituted by a heteropoly acid salt in which protons of said heteropoly acid are exchanged with at least one cation selected from the elements belonging to Groups I to XVI of the Periodic Table of Elements, these heteropoly acid salts containing at least an element selected from the group consisting of W, Mo and V.
  • mixed oxides mention may be made especially of those based on iron and phosphorus and those based on cesium, phosphorus and tungsten.
  • the catalysts are chosen in particular from zeolites, Nafion® composites (based on sulphonic acid of fluorinated polymers), chlorinated aluminas, acids and salts of phosphotungstic and / or silicotungstic acids, and various solids of metal oxide type such as tantalum oxide Ta 2 Os, niobium oxide Nb 2 Os, alumina Al2O3, titanium oxide TiO 2 , zirconia ZrO 2 , tin oxide SnO 2 , silica SiO 2 or silico-aluminate SiO 2 -Al 2 Os, impregnated acidic functions such as BO3 borate, SO4 sulfate, WO3 tungstate, PO4 phosphate, SiO 2 silicate, or MOO3 molybdate, or a mixture of these compounds.
  • metal oxide type such as tantalum oxide Ta 2 Os, niobium oxide Nb 2 Os, alumina Al2O3, titanium oxide TiO 2
  • the foregoing catalysts may further comprise a promoter such as Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Sm, Ce, Yt, Sc, La, Zn, Mg, Fe, Co, Ni, or montmorillonite gold.
  • a promoter such as Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Sm, Ce, Yt, Sc, La, Zn, Mg, Fe, Co, Ni, or montmorillonite gold.
  • the preferred catalysts are zirconium phosphates, tungsten zirconias, zirconium silicates, titanium or tin oxides impregnated with tungstate or phosphotungstate, phosphated aluminas or silicas, heteropolyacids or salts. heteropolyacids, iron phosphates and iron phosphates comprising a promoter.
  • the reaction medium leaving the dehydration reactor has a significant water content due to the glycerol charge (aqueous solution) and to the reaction itself.
  • An additional step (1 ') of partial condensation of the water such as for example that described in the patent application WO 08/087315 in the name of the applicant, will eliminate a part, so as to bring this gas to a composition substantially identical to that of the ex-propylene process, to feed the second step of oxidation of acrolein to acrylic acid.
  • substantially identical composition is meant in particular concentrations of acrolein, water and oxygen near.
  • This condensation step (1 ') must be carried out with a cooling at a temperature which makes it possible, after removal of the condensed phase, to obtain a gas stream containing water and acrolein in a water / acrolein molar ratio of 1.5 / 1 to 7/1
  • This partial condensation of the water makes it possible to avoid a degradation of the acrolein 2 rst stage oxidation catalyst in acrylic acid and to avoid at the subsequent stages the elimination of large quantities of water which are expensive to dispose of later and may lead to loss of acrylic acid.
  • the oxidation reaction, step (2) is carried out in the presence of molecular oxygen or a mixture containing molecular oxygen, at a temperature ranging from 200 ° C. to 350 ° C., preferably 250 ° C. at 320 ° C., and at a pressure ranging from 1 to 5 bars in the presence of an oxidation catalyst.
  • oxidation catalyst all types of catalysts well known to those skilled in the art are used for this reaction.
  • Solids containing at least one element selected from the list Mo, V, W, Re, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Te, Sb, Bi, Pt, Pd, Ru, are generally used.
  • Rh present in the metallic form or in the form of oxide, sulphate or phosphate.
  • the formulations containing Mo and / or V and / or W and / or Cu and / or Sb and / or Fe are used as main constituents.
  • the gaseous mixture resulting from step (2) consists, apart from acrylic acid: - light compounds that are incondensable under the conditions of temperature and pressure usually used: nitrogen, unconverted oxygen, carbon monoxide and carbon dioxide formed in small quantities by ultimate oxidation,
  • condensable light compounds in particular water, generated by the dehydration reaction or as a diluent, unconverted acrolein, light aldehydes, such as formaldehyde and acetaldehyde, formic acid, acetic acid; and propionic acid
  • the gaseous effluent from step (2) is subjected to a countercurrent absorption stage (3) by means of a hydrophobic heavy solvent which is accompanied by a cooling of the assembly.
  • the gaseous effluent is introduced at the bottom of a column and the heavy solvent at the top of the column.
  • the flow of solvent introduced at the top of the column is 3 to 6 times by mass that of the acrylic acid in the gaseous feed mixture.
  • a heavy solvent solution having an acrylic acid content generally of between 15 and 25% by weight and containing, in addition, intermediate compounds having a boiling point between that of the heavy solvent and that of the solvent is collected at the bottom of the column. acrylic acid.
  • intermediate compounds are constituted by the heavy products of the reaction: furfuraldehyde, benzaldehyde, maleic acid and anhydride, 2-butenoic acid, benzoic acid, phenol, protoanemonin and the stabilizing products introduced into the medium to inhibit the polymerization reactions.
  • the light fraction, emerging at the top, consists of incondensable light compounds under the conditions of temperature and pressure usually used: nitrogen, unconverted oxygen, carbon monoxide and carbon dioxide formed in small quantities by ultimate oxidation, and light compounds.
  • condensables in particular water, generated by the dehydration reaction or as a diluent, unconverted acrolein, light aldehydes, such as formaldehyde and acetaldehyde, formic acid, acetic acid.
  • This hydrophobic heavy solvent extraction operation is well known and has even been described for the treatment of acrylic acid synthesized by oxidation of propylene;
  • the following patents may be mentioned in this regard: French Patent No. 1,588,432, French Patent No. 2,146,386, German Patent No. 4,308,087, European Patent No. 0 706 986 and French Patent No. 2,756,280 which describe such solvents.
  • French Patent No. 1,588,432 describes the use of acid esters. aliphatic or aromatic at high boiling point. They are most often constituted by binary mixtures capable of forming eutectics, such as, for example, diphenyl (DP) and diphenyl ether (DPO) which form a eutectic in a proportion of 26.5-76.5 (BF No. 2 146,386 and EP0706,986) or even ternary, DP-DPO-dimethylphthalate (DMP) (DE No. 4,308,087).
  • DP diphenyl
  • DPO diphenyl ether
  • DMP ternary, DP-DPO-dimethylphthalate
  • 2,756,280 recommends the use of aromatic solvents having a boiling point greater than 260 ° C. and comprising one or two aromatic rings substituted with at least one alkyl radical having from 1 to 4 atoms. carbon, or cycloalkyl, especially ditolyl ether alone or in the form of a mixture of its isomers or ditolyl ether mixture (DTE) and dimethylphthalate.
  • aromatic solvents having a boiling point greater than 260 ° C. and comprising one or two aromatic rings substituted with at least one alkyl radical having from 1 to 4 atoms. carbon, or cycloalkyl, especially ditolyl ether alone or in the form of a mixture of its isomers or ditolyl ether mixture (DTE) and dimethylphthalate.
  • DTE ditolyl ether mixture
  • the process of the invention can be conducted with these various solvents.
  • the preferred solvents are those described in this French patent No. 2,756,280 which, in addition to improving the separation of the impurities contained in the reaction mixture, reduce the phenomenon of entrainment of traces of solvent in the flow of compounds. incondensables recycled to the reaction section and allow efficient recovery of polymerization inhibitors.
  • the liquid solution of acrylic acid in the heavy solvent is then sent to a topping zone, step (4), to eliminate in the head traces of water and light compounds. condensables that remain at the foot of the previous absorption zone. This heading zone is fed at the top by the foot flow of the absorption zone.
  • the head stream enriched with light compounds is returned to the absorption zone, in order to eliminate these light compounds in its head flow.
  • the liquid acrylic acid solution obtained at the bottom of this zone is then sent to the distillation zone for the separation of the heavy solvent and the acrylic acid (step 5); the heavy solvent is extracted at the bottom of said zone to be recycled, after treatment, in the first stage.
  • the acrylic acid solution containing most of the intermediate compounds comes out of the said zone.
  • This stream may optionally also contain some traces of solvent.
  • the acrylic acid solution is then sent to a separation zone, on the one hand intermediate compounds and, on the other hand, purified acrylic acid (technical acrylic acid) (step 6).
  • the intermediate compounds are extracted at the tail of the zone and the technical acrylic acid extracted at the top of said zone.
  • the technical acrylic acid produced is then fed to the fractional crystallization zone.
  • the different stages of separation by absorption or distillation require, due to the thermodynamic conditions used, to add polymerization inhibitors to the treated streams in order to avoid the formation of heavy compounds detrimental to the proper functioning of the assembly.
  • the polymerization inhibitors generally used for the acrylic acid purification steps are phenolic products, such as hydroquinone or methyl ether of hydroquinone, phenothiazine derivatives, compounds of the family of thiocarbamates, such as copper n-butyl dithiocarbamate, amine derivatives, such as hydroxy-lamines, hydroxydiphenylamine, or phenylenediamine family, nitroxide derivatives of 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1 oxyl-piperidine (TEMPO), such as 4-hydroxy-TEMPO or 4-oxo-TEMPO, or metal salts, such as manganese acetate.
  • TEMPO 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1 oxyl-piperidine
  • metal salts such as manganese acetate.
  • These polymerization inhibitors are generally heavy compounds, whose volatility is lower than that of acrylic acid, but may in some cases be lighter than the solvent. They are eliminated at the bottom of the columns when the inhibitors are heavier than the solvent, or are divided between the head flow and the foot flow for inhibitors that are lighter or close to the solvent. In most columns, their concentration in the vapor phase inside the distillation columns is low and insufficient to prevent the initiation of polymers. To prevent the appearance and accumulation of polymers, these additives are usually introduced into the liquid feeds to equipment, but also to the head and at different points of the columns and equipment, so as to ensure a constant and homogeneous reflux of rich solution in polymerization inhibitors on all parts of the equipment. In general, they are sent in solution in a liquid, for example in acrylic acid or in the solvent if the purification step concerns flows containing the solvent.
  • the last step of the process of purification of bio-recycled acrylic acid is a separation by fractional crystallization thus associated with the previous purification steps.
  • Fractional crystallization is a well-known separation technique. It can be implemented in various forms, dynamic crystallization, static crystallization or suspension crystallization. Mention may be made in this regard of French Patent 77 04510 of 17/02/1977 (BASF) and US Pat. No. 5,504,247 (Sulzer) and 5,831,124 (BASF) and 6,482,981 (Nippon Shokubai), some of which are directed to the purification of synthesized acrylic acid. by oxidation of propylene.
  • the most widely used technique is fractional crystallization in falling film, dynamic crystallization, possibly associated with static crystallization in a molten medium.
  • Falling film crystallization is generally carried out in a tubular exchanger, multitubular in practice, each tube being fed continuously (at the head), by:
  • a coolant flow for example ethylene glycol-water or methanol-water, falling film, preferably along the outer wall of the tube, also recirculated throughout the crystallization within the tube and which will bring the cold or the heat necessary for the operation of the steps of each of the stages.
  • é is a combination of successive stages, which each include 3 stages:
  • Crystallization the temperature of the coolant is lowered according to a negative temperature gradient from a temperature slightly above the crystallization temperature of the acrylic acid in the medium, of the order of 14 ° C. form an increasingly thick layer on the surface of the tubes.
  • a temperature slightly above the crystallization temperature of the acrylic acid in the medium of the order of 14 ° C. form an increasingly thick layer on the surface of the tubes.
  • the temperature of the coolant is heated to a positive temperature gradient to melt out the impurities trapped as inclusions in the crystal layer of acrylic acid in formation, these are mainly located at the level of the the outermost layer that is in contact with a recirculated stream increasingly rich in impurities.
  • the first molecules to be melted are eutectic mixtures of impurities and AA, impurities located in the crystal layer migrate to the outer layer that which was in contact with the recirculated flow. A small portion of this crystal layer is thus melted and transferred to a receptor, preferably the same receptor as that of mother liquors recovered during the crystallization step.
  • melting the temperature of the coolant is rapidly increased beyond the melting point of AA (14 ° C) and should preferably remain below a maximum temperature beyond which there is a fear of (explosive) polymerization of medium: this maximum temperature is of the order of 35-40 0 C to remain safe to do melt the layer of purified AA crystals.
  • the recovered purified liquid is placed in a second receiver.
  • the purified liquid at the end of this first stage can again undergo a succession of the 3 steps described in a 2nd purification stage (purification phase).
  • the mother liquors from this 2nd stage are purer than those of the previous stage and can thus be used in mixture with a new charge of AA to be purified in the stage 1.
  • the same operation can be carried out in a third stage of purification, the mother liquors from this third stage can be recycled in the load of the 2nd floor, the pure product is recovered by melting the crystals.
  • the mother liquors of the purification stage "n" can be recycled by mixing them with the feed stream of the "n-1" purification stage.
  • the polymerization inhibitors contained in the mixtures to be purified are treated as impurities and are therefore eliminated in the mother liquors.
  • an inhibitor which is compatible in nature and concentration is preferably added with the final use of the monomer. This addition will be implemented in particular during the last step of melting a stage fed by a stream free of polymerization inhibitor, such as for example the last purification stage "n" fed only with a purified stream of the floor "n-1".
  • the mother liquors collected following the first purification stage can be treated in a "-1" stage according to the same three-stage process.
  • the recovered crystallizate can be used as a supplement to the feedstock of the first stage.
  • the mother liquors of the stage “-1” are then treated according to the same process for a new separation whose crystallizate will enter as the charge of the next higher stage and the mother-waters subjected again to the process in a lower stage " - 2 ".
  • the stages "-1", “-2”, etc. constitute the concentration stages (the successive stages make it possible to concentrate the impurities in the flows of mother liquors).
  • the mother liquors of the concentration stages "n" are treated according to the same 3-step process in the subsequent stage "n-1".
  • concentration phase will allow impurities to be concentrated in a mother liquor stream that is increasingly rich in impurities. fractions of pure acrylic acid will be brought back to the initial stage. Thus, the acrylic acid entrained in the initial mother liquors can be recovered to improve the recovery yield and moreover obtain an "enriched" mixture of impurities.
  • the successive concentration stages are characterized by mother liquor streams increasingly concentrated in impurities, as these stages are accumulated. In doing so, the crystallization temperature of these mixtures is becoming lower, which has the effect of increasing the energy cost of cooling. Furthermore, the time required to crystallize the same amount of acrylic acid is longer and longer, which has the effect of reducing the productivity of purification for the same crystallization surface. Therefore, the number of concentration steps will generally be preferably stopped before the total concentration of impurities in the mother liquors exceeds 50% by weight of the flux.
  • “Technical” comprises at least 2 purification stages, preferably between 2 and 4 purification stages, and between 1 and 4 stages for the concentration of impurities.
  • a last recovery stage in a static crystallizer.
  • the mixture to be crystallized is placed in contact with a cooled wall.
  • a cooled wall It may be for example an exchanger consisting of metal plates circulated by a heat transfer fluid, immersed in a vessel containing the mother liquors of crystallization of the previous stages.
  • the AA forms a crystal layer on the wall of the plates, then the mother liquors are removed and the crystallized layer is melted for further processing in a falling film dynamic crystallization upper stage.
  • FIGS. 1 to 4 schematically illustrate the different embodiments.
  • the symbols of the main heat exchangers have been symbolized on the diagrams by a down arrow for the cooling stages, a rising arrow for the warming stages Figure 1 :
  • the reaction gas stream (1) is introduced at the bottom of the absorption column C1, which countercurrently receives a heavy solvent or a mixture of hydrophobic heavy solvents.
  • the liquid stream (2) still contains water and light (especially acetic acid). It is sent to a distillation column C2 which makes it possible to recover the water and the light ones (acetic acid) at the top, in the stream (3) which is recycled towards the column C1.
  • the gas stream (14) contains all incondensable compounds (nitrogen, oxygen, CO, CO 2 ) and light compounds (acetaldehyde, acrolein, acetic acid, water, ). This stream (14) can be partially recycled to the reaction (15) and partially or completely purged (16).
  • the liquid mixture contains AA (15-25%) in solution in the solvent, and the intermediate heavy compounds (with a boiling point between that of the AA and that of the solvent, as maleic anhydride, furfural, benzaldehyde, protoanemonin, 2-butenoic acid, etc.) and any compounds present which would be heavier than the solvent.
  • the flow (9) is recycled at the top of the absorption column C 1, possibly after purging (10 and 11) in all or part of the stream (9) of the compounds heavier than the solvent in an evaporator, the flow of evaporator containing the recoverable solvent (12).
  • the stream (17) is then sent to a distillation column C4 which separates the technical grade AA at the top (6) and the "heavy" at the bottom (5), composed of the solvent and the intermediates.
  • This stream (5) can then be purified in an additional column (not shown in the diagram) in order to eliminate the intermediate heavy compounds at the top and recover the foot solvent and inhibitors, the latter foot stream can then be recycled to upstream of the process.
  • column C2 does not remove all of this impurity.
  • the flow of technical AA (6) still contains acetic acid, as well as propionic acid and 2-butenoic acid.
  • This stream (6) is purified by fractional crystallization which makes it possible to eliminate both acetic acid, propionic acid and 2-butenoic acid.
  • liquid phase resulting from step (3) is subjected to
  • step 5 a distillation top with separation at the top of the water and residual light (step 4), the bottoms fraction being sent to a step 5,
  • the stream (4) feeds a column C3 comprising 3 sections, from bottom to top, Sl, S2 and S3.
  • This single column fulfills the functions of columns C3 and C4 of FIG. 1.
  • Feeding by stream 4 takes place at the tail of section S1.
  • a stream (5) rich in intermediate heavy impurities and containing a little solvent and optionally stabilizers is recovered.
  • This stream may be treated as described above to recover the solvent and the stabilizer for recycling upstream of the process.
  • the tail of S3, the solvent 9 and the heavy compounds which are recycled to the absorption column after preliminary treatment via 10, 11, 12 and 13 are recovered in stream 9.
  • liquid phase resulting from step (3) is subjected to
  • step 4 the bottoms fraction being addressed to a step 5
  • liquid phase resulting from step (3) is subjected to
  • step 4 a fractionation by distillation in an area comprising two sections with separation at the top of the water and residual light, at the tail of the heavy solvent and by side withdrawal, at the border of the two sections, of the acrylic acid (step 4), - A purification of the acrylic acid from the side withdrawal of step (4) by fractional crystallization.
  • This stream (6) is purified by crystallization.
  • the flow (4) at the bottom of the column C2 is sent to a column C3 to remove at the top (5) a stream containing the bulk of the intermediate heavy compounds, with a little solvent.
  • This stream (5) can then be treated as described above to recover the solvent and optionally stabilizers which will be recycled upstream of the process.
  • the invention also relates to the use of the bio-resourced acrylic acid obtained according to the process of the invention for the manufacture of homopolymers and copolymers produced by polymerization of acrylic acid and optionally other unsaturated monomers, by example the manufacture of superabsorbent polymers obtained by polymerization of said partially neutralized acid, or the polymerization of said acid followed by a partial neutralization of the polyacrylic acid obtained.
  • the invention also relates to polymers and copolymers obtained by polymerization of bio-resourced acrylic acid and possibly other bio-recycled monomers or from fossil raw materials.
  • the invention also relates to the superabsorbents obtained by polymerization of bio-resourced acrylic acid.
  • the invention also relates to the use of bio-resourced acrylic acid for the manufacture of polymers or copolymers by polymerization of derivatives of said acid in ester or amide form. It also relates to polymers or copolymers obtained by polymerization of the derivatives in ester or amide form of bio-resourced acrylic acid.
  • the preliminary step is to purify the crude glycerol obtained from vegetable oil, removing the salts.
  • the crude glycerol solution consists of 89.7% glycerol, 3.9% water and 5.1% sodium chloride.
  • This stream (6,400 g) is continuously fed to a stirred reactor of 2 liters heated by an external electric reactor heater.
  • the glycerol and water vapors are condensed in a refrigerant and recovered in a receiver.
  • This purification operation is carried out under a pressure of 670 Pa (5 mm Hg). 5 710 g of a solution of glycerol free of sodium chloride are obtained.
  • step (1) of the process the dehydration reaction of glycerol to acrolein and the condensation (1 ') of part of the water is carried out.
  • the dehydration reaction is carried out in the gas phase in a fixed bed reactor in the presence of a solid catalyst consisting of a ZrO 2 -WO 5 tungsten zirconia at a temperature of 320 ° C. under atmospheric pressure.
  • a mixture of glycerol (20% by mass) and water (80% by mass) is sent into a vaporizer, in the presence of air, in an O 2 / glycerol molar ratio of 0.6 / 1.
  • the gaseous medium leaving the vaporizer at 290 0 C is introduced in the reactor, consisting of a 30 mm diameter tube loaded with 390 ml of catalyst, immersed in a salt bath (eutectic mixture KNO3, NaNO 3 , NaNO 2 ) maintained at a temperature of 320 ° C.
  • a salt bath eutectic mixture KNO3, NaNO 3 , NaNO 2
  • the gaseous reaction mixture is sent at the bottom of a condensation column.
  • This column consists of a lower section filled with raschig rings, surmounted by a condenser circulated by a cold heat transfer fluid.
  • the cooling temperature in the exchangers is adapted so as to obtain at the top of the column a vapor temperature of 72 ° C. under atmospheric pressure. Under these conditions, the loss of acrolein at the bottom of the condensation column is less than 5%.
  • the gaseous mixture is introduced, after addition of air (molar ratio O 2 / acrolein of 0.8 / 1) and nitrogen in the amount necessary to obtain an acrolein concentration of 6. , 5 mol%, for feeding the acrolein oxidation reactor with acrylic acid.
  • This oxidation reactor consists of a 30 mm diameter tube charged with 480 ml of a commercial acrolein oxidation catalyst made of acrylic acid based on mixed oxides of aluminum, molybdenum, silicon, vanadium and copper immersed in a bath of salt identical to that described above, maintained at a temperature of 250 ° C. Before introduction on the catalyst bed, the gaseous mixture is preheated in a tube also immersed in the salt bath.
  • the gaseous mixture (1) is introduced at the bottom of an absorption column C1, step (3) operating at atmospheric pressure.
  • This column is filled with ProPak stainless steel bulk packing.
  • the column is equipped with a condensing section, at the top of which is recycled a portion of the condensed mixture recovered at the bottom of the column, after cooling to 70 0 C in a heat exchanger external.
  • a stream (14) consisting of DTE (ditolyl ether) is fed at a temperature of 54 ° C., with a mass ratio of solvent / acrylic acid contained in the reaction gas of 4/1, in which it has previously been dissolved 0.5% EMHQ as a polymerization inhibitor.
  • the temperature of the vapors at the top of the column is 52 ° C., that of the acrylic acid solution obtained at the bottom of the column is 84 ° C.
  • the product (2) obtained at the bottom is cooled to a temperature of 35 ° C, and is sent using a pump at the head of a column C2 equipped with 15 perforated trays spillways.
  • the distillation is carried out in this column at a pressure of 187 hPa.
  • the temperature measured at the bottom of the column is 113 ° C. and the temperature at the top of the column is 88 ° C. All condensed vapors at the top (3) are returned to the external cooling loop of column Cl.
  • the flow (4) extracted at the bottom of this column is crude acrylic acid, which has a title of 20.2% of acrylic acid.
  • concentrations of impurities in the flow are 0.72% acetic acid, 0.81% propionic acid, 0.01% furfural, 0.02% protoanemonin, , 03% benzaldehyde, 0.04% 2-butenoic acid, 0.41% maleic anhydride.
  • the flow of crude acrylic acid obtained in the preceding step is fed to a column C3 operating under a pressure of 117 hPa equipped with 4 perforated trays each provided with a weir, fed between the 2nd and 3rd tray.
  • the technical acrylic acid obtained at the top of the column is titled 98% AA.
  • the impurities present in this flow are acetic acid (0.68%), propionic acid (0.76%), furfural (0.005%), protoanemonin (0.009%), benzaldehyde (0.012%), 2-butenoic acid (0.016%), maleic anhydride (0.12%), water (0.21%) ) and the DTE (0.005%).
  • the technical grade acrylic acid stream obtained in Example 1 is subjected to a series of fractional crystallization purification and concentration stages as described herein.
  • the assembly used is a drop-flow crystallizer consisting of a vertical stainless steel tube filled with heat transfer fluid (ethylene glycol-water mixture) circulating in a closed circuit, via a pump, through an external heat exchanger programmable in a temperature ramp (bath cryostat Lauda).
  • This tube is fed at the top in the form of a liquid film flowing uniformly on its outer wall.
  • Crystallization the coolant is rapidly cooled so as to lower the temperature of the falling film of acrylic acid to the crystallization temperature of the acrylic acid in the mixture, determined beforehand from a sample of the mixture to be purified; then a negative temperature gradient is imposed on the coolant, 0.1 to 0.5 ° C / min.
  • the volume of crystallized acrylic acid measured by difference by evaluating the liquid level in the collector at the bottom of the crystallizer, reaches 70% of the starting mixture, the recirculation of the falling film of the mixture to be purified is stopped, and the tube is drained.
  • the liquid mixture of mother liquors thus obtained is separated and stored in a recipe.
  • the melt purified product in the last stage of the first purification stage is sent to the second purification stage, where it will be subjected to a new series of 3 purification steps under the same operating conditions.
  • the mother liquors of the second purification stage are then mixed with a new feed of the technical AA feed stream in stage 1. This process is repeated thus until obtaining the desired quality in the purified melt product.
  • the last crystallization stage is realized static mode.
  • the stream to be purified is placed in a double-walled stainless steel vessel circulated by a cold fluid maintained at the crystallization temperature of the medium, previously determined by a crystallization temperature measurement.
  • a vertical stainless steel tube filled with heat transfer fluid ethylene glycol-water mixture circulating in a closed circuit, via a pump, is immersed through an external heat exchanger programmable in a temperature ramp.
  • a first step the temperature of the coolant in the tube is rapidly lowered to the temperature of crystallization of the medium, then a negative temperature gradient of 0.1 to 0.5 ° C./min.
  • the crystallized volume reaches approximately 50% of the starting material, the mother liquors are removed, then a bleeding step is carried out and finally the melting step, as in the upper stages of crystallization in dynamic mode.
  • the concentration of acrylic acid in the residual mother liquors of the final concentration stage is 71%.
  • the recovery yield of AA in this purification step is 97.2%.
  • the AA concentration in the ultimate mother liquors is 54.3% and the overall purification efficiency is 99.3%.
  • the residue has the following composition by weight: AA: 54.3%; water: 7.3%; maleic anhydride: 8.9%; protoanemonin: 1%; benzaldehyde: 2%; acetic acid: 4.3%; propionic acid: 16.7%; acrolein: 1.6%; furfural: 0.8%; 2-butenoic acid: 2%.
  • the acrylic acid produced according to the invention is a bio-resourced acid made from non-fossil natural raw materials.
  • non-fossil natural carbonaceous raw materials can be detected by the carbon atoms used in the composition of the final product.
  • materials composed of renewable raw materials contain the 14 C radioactive isotope. All carbon samples taken from living organisms (animals or plants) are in fact a mixture of 3 isotopes: 12 C (representing 98.892%), 13 C ( ⁇ 1.108%) and 14 C (traces: 1, 2.10 "10 %) The 14 C / 12 C ratio of the living tissues is identical to that of the CO 2 of the atmosphere .
  • the constancy of the 14 C / 12 C ratio in a living organism is related to its metabolism with continuous exchange with the atmosphere.
  • the decay constant of 14 C is such that the 14 C content is practically constant from the harvesting of plant raw materials to the production of the final product.
  • the bio-resourced acrylic acid obtained by the process of the invention has a mass content of 14 C such that the ratio 14 C / 12 C is greater than 0.8.10 "12 and preferably greater than 1.10 12 .
  • Measurement of the 14 C content of the materials is precisely described in ASTM D6866 (including D6866-06) and ASTM D7026 (including 7026-04).

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Abstract

La présente invention a pour but de produire, à partir de glycérol, un acide acrylique bio-ressourcé, c'est-à-dire essentiellement basé sur une source de carbone d'origine naturelle, répondant à un degré de pureté correspondant aux besoins des utilisateurs. Le procédé selon l'invention comprend une étape finale de purification de l'acide acrylique par cristallisation fractionnée appliquée à l'une des fractions d'acide acrylique issues de la chaîne de purification mise en œuvre après avoir extrait l'acide acrylique obtenu à partir de glycérol par absorption par contre-courant avec un solvant lourd hydrophobe.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'ACIDE ACRYLIQUE BIO-RESSOURCE A
PARTIR DE GLYCEROL
La présente invention vise un procédé de fabrication d'un acide acrylique bio-ressourcé à partir de glycérol comme matière première, le terme acide bio-ressourcé indiquant que l'acide acrylique est essentiellement fondé sur une source de carbone d'origine naturelle.
L'acide acrylique est une matière première très importante qui peut être utilisée directement pour obtenir un polymère d'acide acrylique ou, après estérifïcation avec des alcools, pour produire un polymère de l'ester correspondant. Ces polymères sont utilisés tels quels ou en tant que copolymères dans des domaines aussi variés que l'hygiène (par exemple dans la production de superabsorbants), les détergents, les peintures, les vernis, les adhésifs, le papier, les textiles, le cuir, etc... Les industriels ont développé depuis des décennies des procédés de synthèse de l'acide acrylique.
Une première génération utilisait comme matière première des composés à triple liaison, de type acétylénique, que l'on faisait réagir avec un mélange de monoxyde de carbone et d'eau en présence d'un catalyseur à base de nickel.
La deuxième génération de procédés, aujourd'hui principal procédé de production d'acide acrylique, est basée sur l'oxydation de propylène et/ou de propane. Ces matières premières sont issues du pétrole, et par conséquent l'acide acrylique est constitué à partir d'une matière première carbonée fossile non renouvelable. En outre, les procédés d'extraction, purification et synthèse des matières premières ainsi que les processus de destruction en fin de cycle des produits finis fabriqués à base de ces matières premières fossiles génèrent du dioxyde de carbone, ce dernier étant un sous-produit direct des réactions d'oxydation du propylène en acroléine puis d'acroléine en acide acrylique. Tout ceci contribue à l'accroissement de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Dans le cadre des engagements de la plupart des pays industrialisés à réduire les émissions de gaz à effet de serre, il apparaît particulièrement important de fabriquer de nouveaux produits à base de matière première renouvelable contribuant à réduire ces effets environnementaux. Depuis quelques années, les industriels ont orienté leurs travaux de recherche et de développement sur des procédés de synthèse dits « bio -ressourcés » utilisant des matières premières naturelles renouvelables. En effet, pour limiter l'impact écologique des procédés de production classiques, des procédés alternatifs à partir de matières premières végétales non fossiles ont été développés récemment. Il s'agit par exemple de procédés utilisant comme matière première l'acide 2-hydroxypropionique (acide lactique), obtenu par fermentation de glucose ou de mélasse provenant de la biomasse. Il s'agit également de procédés à partir de glycérol (appelé aussi glycérine), issu de la méthanolyse des huiles végétales en même temps que les esters méthyliques qui sont, eux, employés notamment comme carburants ou combustibles dans le gazole et le fioul domestique. Ce glycérol est un produit naturel qui jouit d'une aura "verte", il est disponible en grande quantité et peut être stocké et transporté sans difficulté.
La méthanolyse des huiles végétales ou des graisses animales peut s'effectuer selon différents procédés bien connus , notamment en utilisant une catalyse homogène telle que la soude ou le méthylate de sodium en solution dans le méthanol, ou en utilisant une catalyse hétérogène. On pourra se reporter sur ce sujet à l'article de D. Ballerini et al. dans l'Actualité Chimique de nov-déc 2002.
Les procédés utilisant l'acide hydroxypropionique comme matière première ont un inconvénient majeur du point de vue économique. Ils mettent en jeu une réaction de fermentation qui est réalisée nécessairement en condition très diluée dans l'eau. Pour obtenir l'acide acrylique, une quantité très importante d'eau doit être éliminée par distillation, au prix d'un coût énergétique très important. Par ailleurs, l'énergie dépensée pour séparer l'eau, énergie produite à partir de matière fossile, vient dégrader fortement l'avantage initial de produire l'acide acrylique à partir de cette matière première bio- ressourcée. On peut citer dans ce domaine la demande WO2006/092271 qui décrit un procédé de production de polymères à partir d'acide acrylique préparé par voie enzymatique, notamment à partir de carbohydrate.
En ce qui concerne la transformation du glycérol par voie chimique, on peut citer la synthèse de l'acide acrylique en deux étapes à savoir l'obtention de l'acroléine par déshydratation de glycérol, qui est notamment décrite dans le brevet US 5,387,720, suivie d'une oxydation « classique » de l'acroléine pour obtenir l'acide acrylique. La première étape de la fabrication d'acide acrylique à partir de glycérol conduit au même composé intermédiaire que le procédé de fabrication conventionnel à partir de propylène, à savoir l'acroléine selon la réaction :
CH2OH-CHOH-CH2OH•*• CH2=CH-CHO + 2H2O
qui est suivie de la deuxième étape d'oxydation selon la réaction
CH2=CH-CHO + V2 O2 * CH2=CH-COOH
Les demandes de brevet EP 1.710.227, WO2006/136336 et WO2006/092272 décrivent de tels procédés de synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol comportant l'étape de déshydratation en phase gaz en présence de catalyseurs constitués par des oxydes minéraux (mixtes ou non) à base d'aluminium, titane, zirconium, vanadium , etc., et l'étape d'oxydation en phase gaz de l'acroléine ainsi synthétisé en présence de catalyseurs à base d'oxydes de fer, molybdène, cuivre, seuls ou en combinaison sous forme d'oxydes mixtes. L'acide acrylique est destiné à la mise en œuvre par les industriels de procédés de polymérisation soit de l'acide acrylique, soit de ses dérivés esters, procédés qui sont conduits sous différentes formes en masse, en solution, en suspension, en émulsion. Ces procédés peuvent être très sensibles à la présence dans la charge de certaines impuretés, comme les aldéhydes ou les composés insaturés, qui peuvent parfois empêcher d'obtenir la valeur d'usage attendue, par exemple en limitant la conversion du monomère en polymère, en limitant la longueur de chaîne du polymère ou en interférant dans la polymérisation dans le cas de composés insaturés. D'autres impuretés, comme les composés saturés non polymérisables, peuvent être particulièrement gênants dans l'application finale, en modifiant les propriétés du produit fini, en conférant des propriétés toxiques ou corrosives au produit fini, ou encore en augmentant les rejets organiques polluants lors des étapes de fabrication du polymère et/ou du produit fini.
Les exploitants se montrent exigeants en matière de spécifications de qualité de l'acide acrylique (ou de son ester). Celui-ci doit répondre à des seuils sévères en matière d'impuretés. En effet, les utilisateurs d'acide acrylique ou d'esters acryliques qui produisent des polymères mettent en œuvre des recettes adaptées pour la production de leurs polymères à partir d'une qualité « standard » d'acide acrylique ou d'esters fabriquée aujourd'hui uniquement à partir de propylène. Une modification des recettes utilisées par ces utilisateurs, en vue de les adapter à une qualité différente d'acide acrylique ou d'esters produits par une autre voie que celle des procédés conventionnels ex-propylène présenterait des inconvénients importants pour ces sociétés utilisatrices. Hormis des coûts de recherche et développement supplémentaires, la production d'un type de polymères sur une même unité à partir de qualités différentes d'acide acrylique ou d'esters selon leur origine, fossiles ou bio-ressourcées (comme le glycérol), occasionnerait des coûts d'adaptation importants et une infrastructure de production plus compliquée.
La qualité de l'acide acrylique, c'est-à-dire sa teneur en différentes impuretés, jouant un grand rôle dans les processus de polymérisation ultérieurs, les industriels fabriquant cet acide acrylique ont été conduits à mettre en jeu toute une série d'étapes de purification afin d'obtenir cet acide acrylique « standard » qu'on appelle habituellement l'acide acrylique glacial (AAg). Cet AAg ne répond pas à des spécifications reconnues officiellement et ayant un caractère universel, mais signifie pour chaque industriel le niveau de pureté à atteindre pour pouvoir conduire avec succès ses transformations ultérieures. A titre d'exemple, pour un acide acrylique ex-propylène, l'effluent de sortie de réacteur est soumis à une combinaison d'étapes qui peuvent différer par leur enchaînement selon le procédé : élimination des incondensables et de l'essentiel des composés très légers, en particulier l'acroléine intermédiaire de synthèse de l'acide acrylique (AA brut), déshydratation éliminant l'eau et le formol (AA déshydraté), élimination des légers (en particulier l'acide acétique), élimination des lourds, éventuellement élimination de certaines impuretés résiduelles par traitement chimique. L'invention vise un procédé de fabrication d'un acide acrylique « standard » en utilisant le glycérol comme matière première qui sera transformé en deux étapes - déshydratation et oxydation - telles que mentionnées précédemment intégrées dans un processus global de purification.
Ce procédé présente avec le procédé de synthèse à partir du propylène une grande analogie dans la mesure où le produit intermédiaire, l'acroléine, issu de la première étape est le même et que la seconde étape est conduite dans les mêmes conditions opératoires. Cependant, la réaction de première étape du procédé de l'invention, réaction de déshydratation, est différente de la réaction d'oxydation du propylène du procédé habituel. La réaction de déshydratation menée en phase gaz est conduite au moyen de catalyseurs solides différents de ceux utilisés pour l'oxydation du propylène. L'effluent riche en acroléine issu de la première étape de déshydratation, destiné à alimenter la seconde étape d'oxydation de l'acroléine en acide acrylique, contient une quantité plus importante d'eau, et présente en outre des différences sensibles en matière de sous-produits découlant des mécanismes réactionnels mis en jeu se concrétisant par des sélectivités différentes dans chacune des deux voies.
Pour illustrer ces différences, le tableau 1 ci-dessous rassemble les données concernant la présence de divers acides dans l'acide acrylique brut c'est-à-dire dans la phase liquide sortant du réacteur de seconde étape.
Tableau 1
Les ratios impuretés / AA dépendent des catalyseurs utilisés, de leur "âge" (dégradation des sélectivités au cours du temps) et des conditions opératoires. Dans le tableau 1, le ratio Acide 2-butènoïque / AA est mentionné < 0.001% pour le procédé ex-propylène ; cependant bien que la demanderesse n'en ait jamais détecté dans l'AA ex-propylène, elle juge préférable d'écrire "< lOppm" plutôt que 0% (résultat de ses analyses) afin de s'affranchir du problème de seuil de détection lié à la méthode d'analyse.
Le tableau 1 illustre certaines des principales différences, en terme de constituants de l'effluent liquide sortant du réacteur d'oxydation, entre les procédés ex-propylène et ex- glycérol. Naturellement, bien que cela ne soit pas mentionné dans le tableau, on trouve également dans l'acide acrylique brut, qu'il provienne du procédé ex-propylène ou du procédé ex-glycérol toute une série de composés oxygénés, alcools, aldéhydes, cétones, autres acides, etc, dont la séparation, nécessaire, est connue de l'homme de l'art. Les spécifications pour les qualités d'acide acrylique couramment utilisées pour la production de polymères d'acide acrylique et d'esters acryliques nécessitent de réduire les teneurs des impuretés du tableau 1 dans l'acide acrylique jusqu'aux valeurs figurant dans le tableau 2 ci-dessous.
Tableau 2
L'acide acétique et l'acide propionique sont gênants en particulier parce qu'il ne sont pas transformés lors du processus de polymérisation, ils sont saturés et donc non polymérisables ; selon le procédé de polymérisation mis enjeu et les applications visées pour le polymère, ces impuretés peuvent rester dans le produit fini et risquer de conférer au produit fini des propriétés corrosives indésirables, ou se retrouver dans les rejets liquides ou gazeux générés par le procédé de polymérisation, et occasionner une pollution organique également non souhaitable.
L'acide 2-butènoïque, non synthétisé par le procédé ex-propylène mais présent sous ses 2 configurations (E, encore appelé acide crotonique, n° CAS : 107-93-7) et (Z, encore appelé acide isocrotonique, n° CAS : 503-64-0) dans le procédé ex-glycérol, est quant à lui particulièrement gênant car du fait de sa double liaison, il est susceptible d'entrer en jeu dans le processus de polymérisation et donc de modifier les caractéristiques et la valeur d'usage du polymère final.
Le problème posé est celui de l'obtention d'un acide acrylique d'un degré de pureté correspondant aux besoins des utilisateurs et répondant notamment aux spécifications données dans le tableau 2 en mettant en œuvre un procédé de synthèse de l'acide acrylique utilisant le glycérol comme matière première qui présente l'inconvénient, comparé au procédé classique d'oxydation du propylène, de fournir en sortie du réacteur d'oxydation un mélange gazeux contenant beaucoup d'eau et présentant des teneurs importantes en diverses impuretés telles que les acides acétique, propionique et 2- butènoïque.
La demanderesse a découvert qu'il était possible de pallier les inconvénients précédents en mettant en œuvre un processus de purification de l'effluent gazeux issu du réacteur d'oxydation d'un procédé de synthèse de l'acide acrylique à partir du glycérol, comportant une première étape de déshydratation du glycérol suivie d'une deuxième étape d'oxydation de l'acroléine, conjuguant une étape d'absorption de l'acide acrylique par un solvant lourd en sortie de réacteur d'oxydation et une phase de purification à plusieurs étapes s'achevant par une séparation de l'acide acrylique par cristallisation fractionnée.
La mise en œuvre d'une étape d'absorption de l'acide acrylique par un solvant lourd permet de résoudre en amont l'essentiel des problèmes posés par la présence d'eau et des impuretés légères so lubies dans la phase aqueuse, et la purification par cristallisation fractionnée d'éliminer tout à la fois les traces d'impuretés lourdes, d'impuretés intermédiaires c'est-à-dire celles ayant une température d'ébullition comprise entre celle de l'acide acrylique et celle du solvant lourd, essentiellement constituées par les composés « lourds » provenant des réactions de déshydratation et d'oxydation et éventuellement certains stabilisants inhibiteurs de polymérisation et des impuretés légères subsistantes et notamment l'acide propionique.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'acide acrylique bio-ressourcé à partir de glycérol comportant les étapes suivantes :
déshydratation catalytique en phase gaz du glycérol en acroléine, (1)
condensation partielle par refroidissement et extraction d'une partie de l'eau et des composés lourds contenus dans le milieu réactionnel de (1), (V)
oxydation catalytique en phase gaz de l'acroléine en acide acrylique, (2)
extraction de l'acide acrylique contenu dans l'effluent de l'oxydation par absorption par contre-courant avec un solvant lourd hydrophobe avec refroidissement et élimination en tête de la fraction légère constituée des composés gazeux dits incondensables et des composés légers condensables tels que l'eau, l'acétaldéhyde, l'acroléine non transformée, l'acide formique, l'acide acétique, (3) séparation de la fraction légère résiduelle et du solvant lourd contenu dans la phase liquide issue de l'étape (3) par au moins une étape de distillation (4), (5) et/ou (6) et récupération de la fraction d'acide acrylique ainsi séparé, et
purification de l'acide acrylique contenu dans la fraction d'acide acrylique issu de ou des étape(s) précédente(s) par cristallisation fractionnée.
Dans une première variante préférée du procédé de l'invention la phase liquide issue de l'étape (3) est soumise à
un étêtage par distillation avec séparation en tête de l'eau et des légers résiduels (étape 4), la fraction de queue étant adressée à l'étape (5),
une distillation de la solution d'acide acrylique ainsi obtenue pour séparer en queue le solvant lourd et en tête la fraction d'acide acrylique contenant les impuretés intermédiaires et éventuellement des traces de solvant (étape 5)
une distillation de la solution d'acide acrylique issue de l'étape précédente (5) pour éliminer en queue les composés les plus lourds dits intermédiaires et les traces de solvants éventuellement entraînées et en tête l'acide acrylique (étape 6),
une purification de l'acide acrylique issu de l'étape (6) par cristallisation fractionnée. Le glycérol est un produit chimique, le 1,2,3-propane triol, qui peut être obtenu soit par synthèse chimique à partir de propylène, soit comme co-produit formé lors de la méthanolyse des huiles végétales ou des graisses animales.
La méthanolyse des huiles végétales ou des graisses animales peut s'effectuer selon différents procédés bien connus , notamment en utilisant une catalyse homogène telle que la soude ou le méthylate de sodium en solution dans le méthanol, ou en utilisant une catalyse hétérogène. On pourra se reporter sur ce sujet à l'article de D. Ballerini et al. dans l'Actualité Chimique de nov-déc 2002.
La méthanolyse des huiles végétales conduit, d'une part à des esters méthyliques, d'autre part à du glycérol. Les esters méthyliques sont employés notamment comme carburants ou combustibles dans le gazole et le fioul domestique. Avec le développement des carburants d'origines renouvelables, et notamment des esters méthyliques d'huiles végétales (EMHV), la production de glycérol selon cette voie d'obtention augmente fortement, le glycérol représentant de l'ordre de 10 % du poids de l'huile transformée. La glycérine, dénomination du glycérol lorsqu'il est en solution aqueuse, obtenue à partir des huiles végétales ou des graisses animales peut contenir des sels (NaCl, Na2SO4, KCl, K2SO4). Dans ce cas, on aura généralement une étape préliminaire d'élimination des sels par exemple par distillation, par utilisation de résines échangeuses d'ions ou par utilisation d'un lit fluidisé tel que décrit dans la demande française FR 2 913 974. Parmi les méthodes utilisées ou étudiées pour la purification et l'évaporation du glycérol, on citera notamment celles qui sont décrites par G. B. D'Souza, dans J. Am. OiI Chemists' Soc. November 1979 (Vol 56) 812A, par Steinberner U et al, dans Fat. Sci. Technol. (1987), 89 Jahrgang Nr.8, pp 297-303, et par Anderson D. D. et al. dans Soaps and Détergents : A theoretical and Practical Review, Miami Beach Fia., Oct 12-14 1994, chapter 6 ppl72-206. Ed: L Spitz, AOCS Press, Champaign.
Pour la mise en œuvre du procédé, on utilise généralement un flux alimentant le réacteur de l'étape (1) contenant le glycérol et de l'eau, avec un ratio massique eau / glycérol pouvant varier dans de larges mesures, par exemple entre 0,04 / 1 et 9 / 1 et de préférence entre 0,7 / 1 et 3 / 1.
Le principe du procédé d'obtention d'acide acrylique à partir de glycérol est basé sur les 2 réactions consécutives de déshydratation et d'oxydation :
CH2OH-CHOH-CH2OH ^ CH2=CH-CHO + 2H2O
CH2=CH-CHO + V2 O2→ CH2=CH-COOH
Le procédé est mis en œuvre en deux étapes distinctes avec deux catalyseurs différents.
La réaction de déshydratation, étape (1), qui est une réaction équilibrée mais favorisée par un niveau de température élevée, est effectuée en général en phase gaz dans le réacteur en présence d'un catalyseur à une température allant de 1500C à 5000C, de préférence comprise entre 2500C et 3500C, et une pression absolue comprise entre 1 et 5 bars (100 et 500 kPa). Elle peut également être conduite en phase liquide. On peut aussi l'effectuer en présence d'oxygène ou d'un gaz contenant de l'oxygène comme décrit dans les demandes WO 06/087083 et WO 06/114506. La réaction de déshydratation du glycérol est généralement effectuée, sur des catalyseurs solides acides. Les catalyseurs qui conviennent sont des matériaux utilisés dans un milieu réactionnel gazeux ou liquide, en phase hétérogène, qui ont une acidité de Hammett, notée H0 inférieure à +2. Comme indiqué dans le brevet US 5,387,720 qui fait référence à l'article de K. Tanabe et al dans "Studies in Surface Science and Catalysis", Vol 51, 1989, chap 1 et 2, l'acidité de Hammett est déterminée par titration aminé à l'aide d'indicateurs ou par adsorption d'une base en phase gazeuse.
Ces catalyseurs peuvent être choisis parmi des matériaux siliceux naturels ou de synthèse ou les zéolithes acides ; des supports minéraux, tels que des oxydes, recouverts par des acides inorganiques, mono, di, tri ou polyacides ; des oxydes ou oxydes mixtes ou encore des hétéropolyacides ou sels d'hétéropolyacides.
Ces catalyseurs pourront généralement être constitués par un sel d'hétéropolyacide dans lequel des protons dudit hétéropolyacide sont échangés avec au moins un cation choisi parmi les éléments appartenant aux Groupes I à XVI de la Classification Périodique des Eléments, ces sels d'hétéropolyacide contenant au moins un élément choisi parmi le groupe comprenant W, Mo et V.
Parmi les oxydes mixtes, on peut citer particulièrement ceux à base de fer et de phosphore et ceux à base de césium, phosphore et tungstène.
Les catalyseurs sont notamment choisis parmi les zéolithes, les composites Nafïon® (à base d'acide sulfonique de polymères fluorés), les alumines chlorées, les acides et sels d'acides phosphotungstiques et/ou silicotungstiques, et différents solides de type oxydes métalliques tels que oxyde de tantale Ta2Os, oxyde de niobium Nb2Os, alumine AI2O3, oxyde de titane TiO2, zircone ZrO2, oxyde d'étain SnO2, silice SiO2 ou silico-aluminate SiO2-Al2Os, imprégnés de fonctions acides telles que borate BO3, sulfate SO4, tungstate WO3, phosphate PO4, silicate SiO2, ou molybdate MOO3, ou un mélange de ces composés.
Les catalyseurs précédents peuvent comprendre en plus un promoteur tel que Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Sm, Ce, Yt, Sc, La, Zn, Mg, Fe, Co, Ni, or montmorillonite.
Les catalyseurs préférés sont les zircones phosphatées, les zircones tungstées, les zircones silicées, les oxydes de titane ou d'étain imprégnés de tungstate ou phosphotungstate, les alumines ou silices phosphatées, les hétéropolyacides ou sels d'hétéropolyacides, les phosphates de fer et les phosphates de fer comprenant un promoteur.
Le milieu réactionnel sortant du réacteur de déshydratation a une teneur en eau importante due à la charge de glycérol (solution aqueuse) et à la réaction elle-même. Une étape supplémentaire (1 ') de condensation partielle de l'eau telle que par exemple celle décrite dans la demande de brevet WO 08/087315 au nom de la déposante, permettra d'en éliminer une partie, de façon à amener ce gaz à une composition sensiblement identique à celle du procédé ex-propylène, pour alimenter la deuxième étape d'oxydation de l'acroléine en acide acrylique. Par composition sensiblement identique, on entend en particulier des concentrations en acroléine, eau et oxygène proches. Cette étape de condensation (1 ') doit être conduite avec un refroidissement à une température permettant d'obtenir, après élimination de la phase condensée, un flux gazeux contenant de l'eau et de l'acroléine dans un ratio molaire eau / acroléine de 1,5 / 1 à 7 / 1 Cette condensation partielle de l'eau permet d'éviter une dégradation du catalyseur de 2eme étage d'oxydation de l'acroléine en acide acrylique et d'éviter lors des étapes ultérieures l'élimination de grandes quantités d'eau dont l'élimination ultérieure est coûteuse et qui risque d'entraîner des pertes en acide acrylique. En outre elle permet d'éliminer une partie des impuretés « lourdes » formées lors de la déshydratation.
La réaction d'oxydation, étape (2) s'effectue en présence d'oxygène moléculaire ou d'un mélange contenant de l'oxygène moléculaire, à une température allant de 2000C à 3500C, de préférence de 2500C à 3200C, et sous une pression allant de 1 à 5 bars en présence d'un catalyseur d'oxydation.
Comme catalyseur d'oxydation, on utilise tous types de catalyseurs bien connus de l'homme de l'art pour cette réaction. Généralement sont utilisés des solides contenant au moins un élément choisi dans la liste Mo, V, W, Re, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Te, Sb, Bi, Pt, Pd, Ru, Rh, présent sous la forme métallique ou sous forme d'oxyde, de sulfate ou de phosphate. En particulier, sont utilisées les formulations contenant Mo et/ou V et/ou W et/ou Cu et/ou Sb et/ou Fe comme constituants principaux.
Le mélange gazeux issu de l'étape (2) est constitué, en dehors de l'acide acrylique : - de composés légers incondensables dans les conditions de températures et de pression habituellement mises en œuvre : azote, oxygène non converti, monoxyde et dioxyde de carbone formés en faible quantité par oxydation ultime,
- de composés légers condensables : en particulier l'eau, générée par la réaction de déshydratation ou présente comme diluant, l'acroléine non convertie, des aldéhydes légers, comme le formaldéhyde et l'acétaldéhyde, l'acide formique, l'acide acétique et l'acide propionique
de composés lourds : furfuraldéhyde, benzaldéhyde, acide et anhydride maléique, acide 2-butenoïque, acide benzoïque, phénol, protoanémonine.
L'effluent gazeux issu de l'étape (2) est soumis à une étape (3) d'absorption à contre- courant au moyen d'un solvant lourd hydrophobe qui s'accompagne d'un refroidissement de l'ensemble. L'effluent gazeux est introduit en queue d'une colonne et le solvant lourd en tête de colonne. Le débit de solvant introduit en tête de colonne est de 3 à 6 fois en masse celui de l'acide acrylique dans le mélange gazeux d'alimentation. On recueille en queue de colonne une solution de solvant lourd ayant une teneur en acide acrylique généralement comprise entre 15 et 25 % poids et contenant en outre des composés dits intermédiaires, ayant un point d'ébullition compris entre celui du solvant lourd et celui de l'acide acrylique. Ces composés intermédiaires sont constitués par les produits lourds de la réaction : furfuraldéhyde, benzaldéhyde, acide et anhydride maléique, acide 2-butènoïque, acide benzoïque, phénol, protoanémonine et par les produits stabilisants introduits dans le milieu pour inhiber les réactions de polymérisation. La fraction légère, sortant en tête, est constituée des composés légers incondensables dans les conditions de températures et de pression habituellement mises en œuvre : azote, oxygène non converti, monoxyde et dioxyde de carbone formés en faible quantité par oxydation ultime, et de composés légers condensables : en particulier l'eau, générée par la réaction de déshydratation ou présente comme diluant, l'acroléine non convertie, des aldéhydes légers, comme le formaldéhyde et l'acétaldéhyde, l'acide formique, l'acide acétique . Cette opération d'extraction par solvant lourd hydrophobe est bien connue et a même été décrite pour le traitement de l'acide acrylique synthétisé par oxydation du propylène ; On peut citer à ce sujet les brevets suivants : brevet français n° 1 588 432, brevet français n° 2 146 386, brevet allemand n° 4 308 087, brevet européen n° 0 706 986 et brevet français n° 2 756 280 qui décrivent de tels solvants. Ces solvants ont un point d'ébullition supérieur à 170 0C par exemple compris entre 200 et 380 0C et de préférence entre 270 et 320 0C. Le brevet français n° 1 588 432 décrit l'utilisation d'esters d'acides aliphatiques ou aromatiques à température d'ébullition élevée. Ils sont le plus souvent constitués de mélanges binaires susceptibles de former des eutectiques, tels que par exemple le diphényle (DP) et le diphényl éther (DPO) qui forment un eutectique dans une proportion 26,5-76,5 (BF n° 2 146 386 et EP0706 986 ) ou même ternaire, DP - DPO - diméthylphtalate (DMP) (DE n° 4 308 087). Le brevet français n° 2 756 280 préconise l'utilisation des solvants aromatiques présentant une température d'ébullition supérieure à 260 0C et comportant un ou deux noyaux aromatiques substitué(s) par au moins un radical alkyle, ayant de 1 à 4 atomes de carbone, ou cycloalkyle, notamment le ditolyl éther seul ou sous forme d'un mélange de ses isomères ou le mélange ditolyléther (DTE) et diméthylphtalate.
Le procédé de l'invention peut être conduit avec ces différents solvants. Cependant, les solvants préférés sont ceux décrits dans ce brevet français n° 2 756 280 qui outre le fait qu'ils améliorent la séparation des impuretés contenues dans le mélange réactionnel, réduisent le phénomène d'entraînement de traces de solvant dans le flux de composés incondensables recyclés à la section réaction et permettent une récupération efficace des inhibiteurs de polymérisation. Selon la variante préférée du procédé de l'invention, la solution liquide d'acide acrylique dans le solvant lourd est ensuite adressée à une zone d'étêtage, étape (4), pour éliminer en tête les traces d'eau et de composés légers condensables qui restent en pied de la zone précédente d'absorption. Cette zone d'étêtage est alimentée en tête par le flux de pied de la zone d'absorption. Le flux de tête enrichi en composés légers est renvoyé dans la zone d'absorption, en vue d'éliminer ces composés légers dans son flux de tête. La solution liquide d'acide acrylique étêtée obtenue en pied de cette zone est ensuite adressée dans la zone de distillation pour la séparation du solvant lourd et de l'acide acrylique (étape 5) ; le solvant lourd est extrait en queue de ladite zone pour être recyclé, après traitement, en première étape. La solution d'acide acrylique contenant l'essentiel des composés intermédiaires sort en tête de la dite zone. Ce flux peut éventuellement contenir également quelques traces de solvant.
La solution d'acide acrylique est ensuite adressée à une zone de séparation, d'une part des composés intermédiaires et, d'autre part de l'acide acrylique purifié (acide acrylique technique) ( étape 6). Les composés intermédiaires sont extraits en queue de la zone et l'acide acrylique technique extrait en tête de ladite zone.
L'acide acrylique technique produit est ensuite adressé à la zone de cristallisation fractionnée. Les différentes étapes de séparation par absorption ou distillation imposent en raison des conditions thermodynamiques mises en œuvre d'ajouter aux flux traités des inhibiteurs de polymérisation afin d'éviter la formation de composés lourds préjudiciables au bon fonctionnement de l'ensemble. Les inhibiteurs de polymérisation généralement utilisés pour les étapes de purification de l'acide acrylique sont les produits phénoliques, comme l'hydroquinone ou l'éther méthylique de l'hydroquinone, les dérivés de la phénothiazine, des composés de la famille des thiocarbamates, comme le di n-butyl dithiocarbamate de cuivre, des dérivés aminés, comme les hydroxy lamines, l'hydroxydiphénylamine, ou de la famille des phénylène diamines, des dérivés nitroxydes de la 4-hydroxy 2,2,6,6-tetraméthyl-l-oxyl-pipéridine (TEMPO), comme le 4-hydroxy-TEMPO ou le 4-oxo-TEMPO, ou encore des sels métalliques, comme l'acétate de manganèse. Ces inhibiteurs peuvent être utilisés seuls ou en combinaison, et sont en outre préférentiellement introduits en association avec un gaz contenant de l'oxygène.
Ces inhibiteurs de polymérisation sont généralement des composés lourds, dont la volatilité est plus faible que celle de l'acide acrylique, mais peuvent dans certains cas être plus légers que le solvant. Ils sont éliminés en fond des colonnes lorsqu'il s'agit d'inhibiteurs plus lourds que le solvant, ou se partagent entre le flux de tête et le flux de pied pour les inhibiteurs plus légers ou proches du solvant. Dans la plupart des colonnes, leur concentration dans la phase vapeur à l'intérieur des colonnes de distillation est faible et insuffisante pour éviter l'initiation de polymères. Pour éviter l'apparition et l'accumulation de polymères, ces additifs sont habituellement introduits dans les flux liquides alimentant les équipements, mais aussi en tête et en différents points des colonnes et équipements, de façon à assurer un reflux constant et homogène de solution riche en inhibiteurs de polymérisation sur toutes les parties des équipements. En général, ils sont envoyés en solution dans un liquide, par exemple dans l'acide acrylique ou dans le solvant si l'étape de purification concerne des flux contenant le solvant.
Dans le procédé de l'invention la dernière étape du processus de purification de l'acide acrylique bio -ressourcée est une séparation par cristallisation fractionnée ainsi associée aux étapes précédentes de purification.
La cristallisation fractionnée est une technique de séparation bien connue. Elle peut être mise en œuvre sous différentes formes, cristallisation dynamique, cristallisation statique ou cristallisation en suspension. On peut citer à ce sujet le brevet français 77 04510 du 17/02/1977 (BASF) et les brevets US 5,504,247 (Sulzer) et 5,831,124 (BASF) et 6,482,981 (Nippon Shokubai) dont certains visent la purification de l'acide acrylique synthétisé par oxydation du propylène.
La technique la plus utilisée est la cristallisation fractionnée en film tombant, cristallisation dynamique, éventuellement associée à une cristallisation statique en milieu fondu.
Le cristallisation à film tombant est généralement opérée dans un échangeur tubulaire, multitubulaire en pratique, chaque tube étant alimenté en continu (en tête), par :
• un flux liquide (solution ou fondu), du composé à purifier, l'acide acrylique (AA) dans le procédé, tombant en film de préférence le long de la paroi interne du tube, réceptionné en pied de tube et recyclé en tête (boucle fermée) pendant le temps nécessaire à la cristallisation de la quantité de composé (AA) décidée par l'opérateur,
« un flux de fluide caloporteur, par exemple éthylèneglycol - eau ou méthanol -eau, tombant en film, de préférence le long de la paroi externe du tube, également recirculé tout au long de la cristallisation au sein du tube et qui apportera le froid ou la chaleur nécessaire à l'opération des étapes de chacun des étages.
é est une combinaison d'étages successifs, qui comprennent chacun 3 étapes :
• cristallisation : la température du fluide caloporteur est abaissée selon un gradient de température négatif à partir d'une température légèrement supérieure à la température de cristallisation de l'acide acrylique dans le milieu, de l'ordre de 14 0C. Des cristaux se forment en couche de plus en plus épaisse à la surface des tubes. Lorsque environ 30 à 80% d'AA mis en circulation est cristallisé, après égouttage, on transfert la fraction liquide restante (eaux-mères riches en impuretés) dans un récepteur.
• ressuage : la température du fluide caloporteur est réchauffée selon un gradient de température positif pour éliminer par fusion les impuretés emprisonnées sous forme d'inclusions dans la couche de cristaux d'acide acrylique en formation, celles-ci sont principalement localisées au niveau de la couche la plus externe qui est en contact avec un flux recirculé de plus en plus riche en impuretés. Lors du ressuage, les premières molécules à fondre sont des mélanges eutectiques d'impuretés et d'AA, les impuretés localisées au sein de la couche de cristaux migrent vers la couche externe celle qui était en contact avec le flux recirculé. Une faible partie de cette couche de cristal est ainsi fondue et transférée dans un récepteur, de préférence le même récepteur que celui des eaux-mères récupérées lors de l'étape de cristallisation. A cette étape de ressuage, on peut substituer une technique de lavage qui consiste à éliminer les impuretés présentes à la surface par lavage avec de l'AA pur, introduit préférentiellement à température légèrement plus élevée que la température de fusion de la couche d'AA. Cette technique est cependant à priori moins efficace.
• fusion : la température du fluide caloporteur est rapidement augmentée au- delà du point de fusion de l'AA (14°C) et doit de préférence rester inférieure à une température maximum au delà de laquelle on peut craindre une polymérisation (explosive) du milieu : cette température maximum est de l'ordre de 35-400C pour rester en sécurité pour faire fondre la couche de cristaux d'AA purifié. Le liquide purifié récupéré est placé dans un deuxième récepteur.
A partir du flux à purifier, l'ensemble des 3 étapes décrites représente un premier étage de purification. Le liquide purifié à l'issue de ce premier étage peut à nouveau subir une succession des 3 étapes décrites dans un 2ème étage de purification (phase de purification). Les eaux-mères issues de ce 2ème étage sont plus pures que celles de l'étage précédent et peuvent donc être utilisées en mélange avec une nouvelle charge d'AA à purifier dans l'étage n° 1. La même opération peut être réalisée dans un troisième étage de purification, les eaux-mères de ce troisième étage pouvant être recyclées dans la charge du 2eme étage, le produit pur étant récupéré par fusion des cristaux. D'une manière générale, les eaux-mères de l'étage de purification "n" peuvent être recyclées en les mélangeant avec le flux d'alimentation de l'étage de purification "n-1".
Lors des phases de purification, les inhibiteurs de polymérisation contenus dans les mélanges à purifier sont traités comme des impuretés et sont donc éliminés dans les eaux-mères. Pour éviter la formation de polymère dans le cristallisât fondu, on ajoute préférentiellement un inhibiteur compatible en nature et concentration avec l'usage final du monomère. Cet ajout sera en particulier mis en œuvre lors de la dernière étape de fusion d'un étage alimenté par un flux exempt d'inhibiteur de polymérisation, comme par exemple le dernier étage de purification "n" alimenté uniquement avec un flux purifié de l'étage "n-1".
Les eaux-mères collectées à la suite du premier étage de purification peuvent être traitées dans un étage "-1" selon le même processus à trois étapes. Le cristallisât récupéré peut être utilisé comme complément de charge d'alimentation du premier étage. Les eaux-mères de l'étage "-1" sont alors traitées selon le même processus pour une nouvelle séparation dont le cristallisât entrera comme charge de l'étage juste supérieur et les eaux-mères soumises à nouveau au processus dans un étage inférieur "- 2". Les étages "-1", "-2", etc .. constituent les étages de concentration (les étages successifs permettent de concentrer les impuretés dans les flux d'eaux-mères). De manière générale, les eaux-mères des étages de concentration "n" sont traitées selon le même processus à 3 étapes dans l'étage ultérieur "n-1".
La répétition de ces opérations (phase de concentration) permettra de concentrer les impuretés dans un flux d'eaux-mères de plus en plus riche en impuretés tandis que les fractions d'acide acrylique pur seront remontées vers l'étage initial. Ainsi on peut récupérer l'acide acrylique entraîné dans les eaux-mères initiales pour améliorer le rendement de récupération et par ailleurs obtenir un mélange « enrichi » en impuretés. Les étages de concentration successifs sont caractérisés par des flux d'eaux-mères de plus en plus concentrées en impuretés, au fur et à mesure qu'on accumule ces étages. Ce faisant, la température de cristallisation de ces mélanges est de plus en plus basse, ce qui a pour effet d'augmenter le coût énergétique de refroidissement. Par ailleurs, le temps nécessaire pour cristalliser une même quantité d'acide acrylique est de plus en plus long, ce qui a pour conséquence de diminuer la productivité de la purification pour une même surface de cristallisation. Par conséquent, on arrêtera en général de préférence le nombre des étapes de concentration avant que la concentration totale des impuretés dans les eaux-mères ne dépasse 50% poids du flux.
Selon la pureté du produit de départ, du produit purifié attendu et le rendement de récupération d'AA souhaité, le procédé complet pour une qualité initiale d'AA de type
« technique » comprend au moins 2 étages de purification, de préférence entre 2 et 4 étages de purification, et entre 1 et 4 étages pour la concentration des impuretés.
Pour améliorer encore le rendement de récupération, on peut aussi ajouter un dernier étage de récupération dans un cristalliseur statique. Dans ce cas, le mélange à cristalliser est placé en contact avec une paroi refroidie. Il peut s'agir par exemple d'un échangeur constitué de plaques métalliques circulées par un fluide caloporteur, plongées dans une cuve contenant les eaux-mères de cristallisation des étages précédents. L'AA forme une couche de cristal sur la paroi des plaques, puis on élimine les eaux-mères et la couche cristallisée est fondue pour être traitée ensuite dans un étage supérieur de cristallisation dynamique en film tombant.
Le procédé de l'invention sera mieux compris à la lecture de la description ci-après faite en référence aux figures 1 à 4 qui illustrent de façon schématique les différentes variantes de réalisation. Les symboles figurant les principaux échangeurs de chaleur ont été symbolisés sur les schémas par une flèche descendante pour les étapes de refroidissement, une flèche montante pour les étapes de réchauffement Figure 1 :
Cette figure illustre la variante préférée du procédé de l'invention. Le flux gazeux réactionnel (1) est introduit en pied de la colonne d'absorption Cl qui reçoit à contre- courant un solvant lourd ou un mélange de solvants lourds hydrophobes. En pied de colonne, le flux liquide (2) contient encore de l'eau et des légers (acide acétique en particulier). Il est envoyé dans une colonne de distillation C2 qui permet de récupérer l'eau et les légers (acide acétique) en tête, dans le flux (3) qui est recyclé vers la colonne Cl. En tête de la colonne Cl, le flux gazeux (14) contient tous les composés incondensables (azote, oxygène, CO, CO2) et des composés légers (acétaldéhyde, acroléine, acide acétique, eau,...). Ce flux (14) peut être partiellement recyclé à la réaction (15) et partiellement ou totalement purgé (16).
En pied de colonne C2, le mélange liquide contient l'AA (15-25%) en solution dans le solvant, et les composés lourds intermédiaires (à température d'ébullition compris entre celui de l'AA et celui du solvant, comme l'anhydride maléique, le furfural, le benzaldéhyde, la protoanémonine, l'acide 2-butènoique,...) et les composés éventuellement présents qui seraient plus lourds que le solvant.
Ce flux (4) alimente la colonne C3 en tête. Cette colonne permet de récupérer :
- en pied, le solvant + des traces de composés lourds (9), avec le minimum d'acide acrylique,
- en tête, un flux (17) qui contient l'essentiel de l'AA et des composés intermédiaires, et de faibles concentrations de solvant (environ 1%).
Le flux (9) est recyclé en tête de colonne d'absorption C 1 , éventuellement après purge (10 et 11) dans toute ou partie du flux (9) des composés plus lourds que le solvant dans un évaporateur, le flux de tête d'évaporateur contenant le solvant pouvant être récupéré (12).
Le flux (17) est ensuite envoyé à une colonne de distillation C4 qui permet de séparer l'AA de qualité technique en tête (6) et les « lourds » en pied (5), composés du solvant et des intermédiaires. Ce flux (5) pourra ensuite être purifié dans une colonne supplémentaire (non représentée sur le schéma) afin d'éliminer les composés lourds intermédiaires en tête et récupérer en pied le solvant et les inhibiteurs, ce dernier flux de pied pouvant ensuite être recyclé en amont du procédé. Du fait de la forte teneur en acide acétique dans le flux (1) réactionnel produit ex- glycérol, la colonne C2 ne permet pas d'éliminer la totalité de cette impureté. Le flux d'AA technique (6) contient encore de l'acide acétique, ainsi que l'acide propionique et de l'acide 2-butènoique.
Ce flux (6) est purifié par cristallisation fractionnée qui permet d'éliminer à la fois l'acide acétique, l'acide propionique et l'acide 2-butènoique
Figure 2 :
Dans cette variante, la phase liquide issue de l'étape (3) est soumise à
- un étêtage par distillation avec séparation en tête de l'eau et des légers résiduels (étape 4), la fraction de queue étant adressée à une étape 5,
un fractionnement par distillation dans une colonne alimentée au niveau d'un plateau intermédiaire entre le fond et la tête de colonne, équipée d'un soutirage latéral de flux pour les composés intermédiaires, de préférence en phase gazeuse et en position plus basse que le niveau d'alimentation (situé entre le plateau d'alimentation et le fond de colonne), d'un soutirage en tête pour l'acide acrylique, en queue pour le solvant (étape 5),
- une purification de l'acide acrylique issu de l'effluent de tête de l'étape (5) par cristallisation fractionnée.
Dans cette variante, le flux (4) alimente une colonne C3 comprenant 3 sections, de bas en haut, Sl, S2 et S3. Cette colonne unique remplit les fonctions des colonnes C3 et C4 de la figure 1. L'alimentation par le flux 4 s'effectue en queue de la section Sl. En soutirage latéral de la colonne, entre la section S2 et la section S3, on récupère un flux (5) riche en impuretés lourdes intermédiaires et contenant un peu de solvant et éventuellement de stabilisants. Ce flux pourra être traité comme décrit précédemment pour récupérer le solvant et le stabilisant en vue d'un recyclage en amont du procédé. En queue de colonne, queue de S3, on récupère dans le flux 9 le solvant et les composés lourds qui sont recyclés vers la colonne d'absorption après traitement préalable via 10, 11, 12 et 13.
Le flux (6) obtenu en tête de colonne C3 est l'AA technique, qui peut être purifié par cristallisation fractionnée. Figure 3 :
Dans cette variante la phase liquide issue de l'étape (3) est soumise à
- un étêtage par distillation avec séparation en tête de l'eau et des légers résiduels
(étape 4), la fraction de queue étant adressée à une étape 5,
- au cours de laquelle est réalisé un fractionnement par distillation d'une part de l'acide acrylique en tête et du solvant lourd en queue (étape 5),
une purification de l'acide acrylique issu de l'effluent de tête de l'étape (5) par cristallisation fractionnée.
Cette figure illustre une variante simplifiée du procédé qui permet de s'affranchir de la colonne C4 de la Figure 1. Le flux 6 à purifier est plus riche en impuretés lourdes. Dans ce cas, il n'est plus possible de récupérer le solvant entraîné avec l'AA en tête de C3, car ce solvant va se retrouver dans les eaux-mères qui contiennent toutes les autres impuretés. Figure 4 :
Dans cette variante, la phase liquide issue de l'étape (3) est soumise à
un fractionnement par distillation dans une zone comportant deux sections avec séparation en tête de l'eau et des légers résiduels, en queue du solvant lourd et par soutirage latéral, à la frontière des deux sections, de l'acide acrylique (étape 4), - une purification de l'acide acrylique issu du soutirage latéral de l'étape (4) par cristallisation fractionnée.
Il s'agit d'une autre variante où l'acide acrylique est récupéré par soutirage latéral en phase vapeur dans la colonne C2. Ce flux (6) est purifié par cristallisation. Le flux (4) en pied de colonne C2 est envoyé sur une colonne C3 pour éliminer en tête (5) un flux contenant l'essentiel des composés lourds intermédiaires, avec un peu de solvant. Ce flux (5) peut ensuite être traité comme décrit précédemment pour récupérer le solvant et éventuellement des stabilisants qui seront recyclés en amont du procédé.
L'invention porte aussi sur l'utilisation de l'acide acrylique bio-ressourcé obtenu selon le procédé de l'invention pour la fabrication d'homopolymères et copolymères produits par polymérisation de l'acide acrylique et éventuellement d'autres monomères insaturés, par exemple la fabrication de polymères superabsorbants obtenus par polymérisation dudit acide partiellement neutralisé, ou la polymérisation dudit acide suivie d'une neutralisation partielle de l'acide polyacrylique obtenu.
L'invention porte aussi sur les polymères et copolymères obtenus par polymérisation de l'acide acrylique bio-ressourcé et éventuellement d'autres monomères bio -ressourcés ou issus de matières premières fossiles
L'invention porte aussi sur les superabsorbants obtenus par polymérisation de l'acide acrylique bio-ressourcé.
L'invention vise également l'utilisation de l'acide acrylique bio-ressourcé pour la fabrication de polymères ou de copolymères par polymérisation des dérivés dudit acide sous forme ester ou amide. Elle vise également les polymères ou les copolymères obtenus par polymérisation des dérivés sous forme ester ou amide de l'acide acrylique bio-ressourcé.
Le procédé de l'invention est illustré par les exemples ci-après.
Exemple 1 : Fabrication d'acide acrylique brut à partir de glycérol
L'étape préliminaire consiste à purifier le glycérol brut obtenu à partir d'huile végétale, en éliminant les sels. La solution de glycérol brut est constituée en poids de 89,7% de glycérol, 3,9% d'eau, 5,1% de chlorure de sodium. Ce flux (6 400g) est envoyé en continu en alimentation d'un réacteur agité de 2 litres chauffé par un chauffe réacteur électrique extérieur. Les vapeurs de glycérol et d'eau sont condensées dans un réfrigérant et récupérées dans un récepteur. Cette opération de purification est réalisée sous pression de 670Pa (5mm Hg). On obtient 5 710g d'une solution de glycérol exempte de chlorure de sodium.
Passant à l'étape (1) du procédé, on réalise la réaction de déshydratation du glycérol en acroléine et la condensation (1 ') d'une partie de l'eau. La réaction de déshydratation est effectuée en phase gaz dans un réacteur en lit fixe en présence d'un catalyseur solide constitué par une zircone tungstée ZrO2-WOs à une température de 3200C, sous pression atmosphérique. Un mélange de glycérol (20% massique) et eau (80% massique) est envoyé dans un vaporiseur, en présence d'air, dans un ratio molaire O2 / glycérol de 0,6 / 1. Le milieu gazeux sortant du vaporiseur à 2900C est introduit dans le réacteur, constitué d'un tube de diamètre 30mm chargé de 390ml de catalyseur, plongé dans un bain de sel (mélange eutectique KNO3, NaNO3, NaNO2) maintenu à la température de 3200C.
En sortie du réacteur, le mélange réactionnel gazeux est envoyé en pied d'une colonne de condensation. Cette colonne est constituée d'une section inférieure remplie d'anneaux raschig, surmontée d'un condenseur circulé par un fluide caloporteur froid. La température de refroidissement dans les échangeurs est adaptée de façon à obtenir en tête de colonne une température des vapeurs de 72°C sous pression atmosphérique. Dans ces conditions, la perte d'acroléine en pied de colonne de condensation est inférieure à 5%.
Dans l'étape suivante (2), le mélange gazeux est introduit, après addition d'air (ratio molaire O2 / acroléine de 0,8 / 1) et d'azote en quantité nécessaire pour obtenir une concentration d'acroléine de 6,5% molaire, en alimentation du réacteur d'oxydation de l'acroléine en acide acrylique. Ce réacteur d'oxydation est constitué d'un tube de diamètre 30mm chargé de 480ml d'un catalyseur commercial d'oxydation d'acroléine en acide acrylique à base d'oxydes mixtes d'aluminium, molybdène, silicium, vanadium et cuivre plongé dans un bain de sel identique à celui décrit ci-avant, maintenu à une température de 2500C. Avant introduction sur le lit catalytique, le mélange gazeux est préchauffé dans un tube plongeant également dans le bain de sel.
La description des étapes complémentaires de récupération et purification se rapporte au schéma de la Figure 1.
En sortie du réacteur d'oxydation, le mélange gazeux (1) est introduit en pied d'une colonne d'absorption Cl, étape (3) fonctionnant sous pression atmosphérique. Cette colonne est remplie de garnissage vrac en inox du type ProPak. En partie inférieure, sur 1/3 de sa hauteur totale, la colonne est équipée d'une section de condensation, en tête de laquelle on recycle une partie du mélange condensé récupéré en pied de colonne, après refroidissement à 700C dans un échangeur externe. En tête de colonne, on alimente à une température de 54°C un flux (14) constitué de DTE (ditolyléther), avec un ratio massique solvant / acide acrylique contenu dans le gaz de réaction de 4 / 1, dans lequel on a préalablement dissous 0,5% d'EMHQ en tant qu'inhibiteur de polymérisation. La température des vapeurs en tête de colonne est de 52°C, celle de la solution d'acide acrylique obtenue en pied de colonne est de 84°C. Le produit (2) obtenu en pied est refroidi jusqu'à une température de 35°C, puis est envoyé à l'aide d'une pompe en tête d'une colonne C2 équipée de 15 plateaux perforés à déversoirs. On opère la distillation dans cette colonne à une pression de 187 hPa . La température mesurée en fond de colonne est de 113°C, celle de tête de colonne de 88°C. La totalité des vapeurs condensées en tête (3) est renvoyée dans la boucle de refroidissement externe de la colonne Cl.
Le flux (4) extrait en pied de cette colonne est l'acide acrylique brut, qui titre 20,2% d'acide acrylique. Rapportées à l'acide acrylique, les concentrations d'impuretés dans le flux sont de 0,72% d'acide acétique, 0,81% d'acide propionique, 0,01% de furfural, 0,02% de protoanémonine, 0,03% de benzaldéhyde, 0,04% d'acide 2-butènoïque, 0,41% d'anhydride maléique.
Le flux d'acide acrylique brut obtenu dans l'étape précédente est envoyé en alimentation d'une colonne C3 fonctionnant sous une pression de 117 hPa équipée de 4 plateaux perforés munis chacun d'un déversoir, alimentée entre le 2ème et le 3ème plateau.
En tête de colonne C3, une partie du flux condensé est renvoyée au niveau du plateau supérieur, avec un taux de reflux (débit de liquide reflué / débit de liquide soutiré) de 0,2/1. La température mesurée au niveau du bouilleur est de 1800C, et la température de tête atteint 119°C. Le flux (9) obtenu en pied de colonne titre 0,082% d'AA, soit un taux de récupération du monomère en tête de colonne de 99,7%.
Le flux (17) d'AA soutiré en tête de colonne C3, contenant comme impuretés majoritairement 0,67% d'acide acétique, 0,78% d'acide propionique, 0,01% de furfural, 0,02% de protoanémonine, 0,03% de benzaldéhyde, 0,04% d'acide 2-butènoïque, 0,4% d'anhydride maléique, 1,1% de Ditolyléther, est envoyé au niveau du 4ème plateau (compté à partir du fond) d'une deuxième colonne C4, équipée de 16 plateaux perforés munis de déversoirs. Cette colonne C4 fonctionne sous une pression de 226 hPa (170mm Hg) et reçoit en tête un mélange de stabilisant (EMHQ à 5% dans l'AA). Le taux de reflux appliqué en tête (débit de liquide reflué / débit de liquide soutiré) est de 1,5/1. La température de fond est de 187°C, celle de tête de 93°C.
L'acide acrylique technique obtenu en tête de colonne titre 98% d'AA. Les impuretés présentes dans ce flux sont l'acide acétique (0,68%), l'acide propionique (0,76%), le furfural (0,005%), la protoanémonine (0,009%), la benzaldéhyde (0,012%), l'acide 2- butènoïque (0,016%), l'anhydride maléique (0,12%), l'eau (0,21%) et le DTE (0,005%).
Ex.emple 2 : purification de I1AA technique ex-glycérol par cristallisation
Le flux d'acide acrylique de qualité technique obtenu dans l'exemple 1 est soumis à une série d'étages de purification et de concentration par cristallisation fractionnée, telles que décrits dans la présente demande. Le montage utilisé est un cristalliseur à flux tombant constitué d'un tube vertical en inox rempli de fluide caloporteur (mélange éthylèneglycol - eau) circulant en circuit fermé, via une pompe, à travers un échangeur de chaleur externe programmable en rampe de température (bain cryostatique Lauda). Ce tube est alimenté en tête sous forme d'un film liquide coulant uniformément sur sa paroi externe. Le liquide constitué du mélange à cristalliser, récupéré dans un bac récepteur en pied, recircule en boucle dans un circuit calorifuge pour alimenter à nouveau le tube en tête, via une pompe.
Le flux d'acide acrylique technique est soumis à une série de plusieurs étages successifs de purification, chaque étage comprenant les étapes suivantes :
• cristallisation : le fluide caloporteur est refroidi rapidement de façon à abaisser la température du film tombant d'acide acrylique jusqu'à la température de cristallisation de l'acide acrylique dans le mélange, déterminée préalablement à partir d'un échantillon du mélange à purifier, puis un gradient négatif de température est imposé au fluide caloporteur, de 0,1 à 0,5°C/min. Lorsque le volume d'acide acrylique cristallisé, mesuré par différence en évaluant le niveau de liquide dans le récipient collecteur en pied de cristalliseur, atteint 70% du mélange de départ, la recirculation du film tombant de mélange à purifier est stoppée, et le tube est égoutté. Le mélange liquide des eaux-mères obtenues ainsi est séparé et stocké dans une recette.
• ressuage : le fluide caloporteur est réchauffé de façon à provoquer la fusion d'une partie (5%) de la couche d'acide acrylique cristallisée à la surface du tube. Les eaux de cette étape de ressuage sont collectées et stockées dans la même recette que les eaux-mères de l'étape précédente • fusion : le fluide caloporteur est rapidement réchauffé jusqu'à une température de 300C jusqu'à fusion totale de la couche cristallisée. Le flux liquide purifié est placé dans une recette différente.
Le produit purifié par fusion dans la dernière étape du premier étage de purification est envoyé au deuxième étage de purification, où il sera soumis à une nouvelle série des 3 étapes de purification dans les mêmes conditions opératoires. Les eaux-mères du deuxième étage de purification sont ensuite mélangées avec une nouvelle charge du flux d'alimentation d'AA technique dans l'étage 1. Ce processus est répété ainsi jusqu'à obtenir la qualité désirée dans le produit purifié fondu.
Pour limiter les pertes d'acide acrylique concentrées dans les eaux-mères de premier étage de purification, on réalise une série d'étages successifs de concentration, présentant les mêmes étapes que les étages de purification, dans lesquels le cristallisât de l'étage "n-1" est envoyé en alimentation de l'étage "n" et les eaux-mères de cet étage "n-1" sont envoyées en alimentation de l'étage "n-2".Ces étages sont réalisés dans les mêmes conditions opératoires que les étages de purification, hormis le volume d'acide acrylique cristallisé visé, avant de passer de l'étape de cristallisation à l'étape de ressuage, qui est de 60% du produit alimenté.
Le dernier étage de cristallisation est réalisé mode statique. Le flux à purifier est placé dans un récipient en inox à double paroi circulé par un fluide froid maintenu à la température de cristallisation du milieu, déterminée auparavant par une mesure de température de cristallisation. Dans ce récipient, on immerge un tube vertical en inox rempli de fluide caloporteur (mélange éthylèneglycol - eau) circulant en circuit fermé, via une pompe, à travers un échangeur de chaleur externe programmable en rampe de température.
Dans une première étape, on abaisse rapidement la température du fluide caloporteur dans le tube jusqu'à la température de cristallisation du milieu, puis on impose un gradient de température négatif de 0.1 à 0.5°C/mn. Lorsque le volume cristallisé atteint environ 50% du produit de départ, on élimine les eaux-mères, puis on procède à une étape de ressuage et enfin à l'étape de fusion, comme dans les étages supérieurs de cristallisation en mode dynamique.
Appliqué à l'acide acrylique technique obtenu à partir de glycérol au terme des étapes de purification de l'exemple 1 , une succession de 4 étages de purification et 3 étages de concentration a permis d'obtenir de l'acide acrylique de qualité "glacial" contenant 50 ppm d'acide acétique, 410 ppm d'acide propionique, moins de 1 ppm d'anhydride maléique, moins de 80 ppm d'eau, moins de 1 ppm d'acide 2-butènoïque, moins de 1 ppm de furfural, moins de 1 ppm de benzaldéhyde, moins de 1 ppm de protoanémonine, moins de 1 ppm d'acroléine.
La concentration d'acide acrylique dans les eaux-mères résiduelles de l'étage ultime de concentration est de 71% .Le rendement de récupération d'AA dans cette étape de purification est de 97,2%.
Avec un étage de concentration supplémentaire en mode statique, la concentration d'AA dans les eaux-mères ultimes est de 54,3 % et le rendement global de purification est de 99,3 %. Le résidu a la composition suivante en poids : AA : 54,3% ; eau : 7,3% ; anhydride maléique : 8,9% ; protoanémonine : 1% ; benzaldéhyde : 2% ; acide acétique : 4,3% ; acide propionique : 16,7% ; acroléine : 1,6% ; furfural : 0,8% ; acide 2-butènoïque : 2%.
L'acide acrylique produit selon de l'invention est un acide bio-ressourcé fabriqué à partir de matières premières naturelles non fossiles.
L'utilisation de matières premières carbonées d'origine naturelle non fossiles peut se détecter grâce aux atomes de carbone entrant dans la composition du produit final. En effet, à la différence des matières fossiles, les matériaux composés de matières premières renouvelables contiennent l'isotope radioactif 14C. Tous les échantillons de carbone tirés d'organismes vivants (animaux ou végétaux) sont en fait un mélange de 3 isotopes : 12C (représentant ~ 98,892 %), 13C (~ 1,108 %) et 14C (traces: l,2.10"10 %). Le rapport 14C /12C des tissus vivants est identique à celui du CO2 de l'atmosphère.
La constance du rapport 14C /12C dans un organisme vivant est lié à son métabolisme avec un continuel échange avec l'atmosphère.
La constante de désintégration du 14C est telle que la teneur en 14C est pratiquement constante depuis la récolte des matières premières végétales jusqu'à la fabrication du produit final..
L'acide acrylique bio-ressourcé obtenu par le procédé de l'invention a une teneur en masse de 14C telle que le ratio 14C /12C est supérieur à 0,8.10"12 et de préférence supérieur à 1.10 12 . La mesure de la teneur en 14C des matériaux est décrite précisément dans les normes ASTM D6866 (notamment D6866-06) et dans les normes ASTM D7026 (notamment 7026-04).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'acide acrylique bio-ressourcé à partir de glycérol comportant les étapes suivantes :
- déshydratation catalytique en phase gaz du glycérol en acroléine, (1)
condensation partielle par refroidissement et extraction d'une partie de l'eau et des composés lourds contenus dans le milieu réactionnel de (1), (V)
oxydation catalytique en phase gaz de l' acroléine en acide acrylique, (2)
extraction de l'acide acrylique contenu dans l'effluent de l'oxydation par absorption par contre-courant avec un solvant lourd hydrophobe avec refroidissement et élimination en tête de la fraction légère constituée des composés gazeux dits incondensables et des composés légers condensables tels que l'eau, l'acétaldéhyde, l'acroléine non transformée, l'acide formique, l'acide acétique, (3)
séparation de la fraction de la fraction légère résiduelle et du solvant lourd contenu dans la phase liquide issue de l'étape (3) par au moins une étape de distillation (4),
(5) et/ou (6) et récupération de la fraction d'acide acrylique ainsi séparé, et purification de l'acide acrylique contenu dans la fraction d'acide acrylique issu de ou des étape(s) précédente(s) par cristallisation fractionnée.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la phase liquide issue de l'étape (3) est soumise à
un étêtage par distillation avec séparation en tête de l'eau et des légers résiduels
(étape 4), la fraction de queue étant adressée à l'étape (5),
une distillation de la solution d'acide acrylique ainsi obtenue pour séparer en queue le solvant lourd et en tête la fraction d'acide acrylique contenant les impuretés intermédiaires (étape 5),
- une distillation de la solution d'acide acrylique issue de l'étape précédente (5) pour éliminer en queue les composés les plus lourds dits intermédiaires et en tête l'acide acrylique (étape 6),
- une purification de l'acide acrylique issu de l'étape (6) par cristallisation fractionnée.
3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la phase liquide issue de l'étape (3) est soumise à
- un étêtage par distillation avec séparation en tête de l'eau et des légers résiduels (étape 4), la fraction de queue étant adressée à une étape (5),
- un fractionnement par distillation dans une colonne alimentée au niveau d'un plateau intermédiaire entre le fond et la tête de colonne, équipée d'un soutirage latéral de flux pour les composés intermédiaires, de préférence en phase gazeuse et en position plus basse que le niveau d'alimentation (situé entre le plateau d'alimentation et le fond de colonne), d'un soutirage en tête pour l'acide acrylique, en queue pour le solvant (étape 5),
- une purification de l'acide acrylique issu de l'effluent de tête de l'étape (5) par cristallisation fractionnée.
4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la phase liquide issue de l'étape (3) est soumise à
un étêtage par distillation avec séparation en tête de l'eau et des légers résiduels (étape 4), la fraction de queue étant adressée à une étape (5),
un fractionnement par distillation d'une part de l'acide acrylique en tête et du solvant lourd en queue (étape 5),
- une purification de l'acide acrylique issu de l'effluent de tête de l'étape (5) par cristallisation fractionnée.
5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la phase liquide issue de l'étape (3) est soumise à
- un fractionnement par distillation dans une zone comportant deux sections avec séparation en tête de l'eau et des légers résiduels, en queue du solvant lourd et par soutirage latéral à la frontière des deux sections de l'acide acrylique (étape 4),
- une purification de l'acide acrylique issu du soutirage latéral de l'étape (4) par cristallisation fractionnée.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape de cristallisation fractionnée est effectuée selon la technique de la cristallisation fractionnée à film tombant.
7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'étape de cristallisation fractionnée comprend au moins 2 étages de purification et entre 1 et 4 étages pour la concentration des impuretés.
8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que l'étape de cristallisation fractionnée est complétée par un étage de concentration par cristallisation statique.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le solvant lourd hydrophobe est choisi parmi les solvants aromatiques présentant une température d'ébullition supérieure à 260 0C et comportant un ou deux noyaux aromatiques substitué(s) par au moins un radical alkyle, ayant de 1 à 4 atomes de carbone, ou cycloalkyle.
10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que le solvant est le ditolyl éther seul ou sous forme d'un mélange de ses isomères ou le mélange ditolyléther et diméthy lphtalate .
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