BE1012946A6 - Procede de production de n-methyl pyrrolidone en utilisant de la gamma-butyrolactone et des methylamines mixtes comme materiaux de depart. - Google Patents
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Abstract
Procédé pour la production de N-méthyl pyrrolidone en utilisant de la gamma-butyrolactone et des méthylamines mixtes comme matérieaux de départ, dans un procédé continu, dans des conditions de travail telles qu'elles permettent la production de N-méthyl pyrrolidone de grande pureté avec des rendements élevés.
Description
<Desc/Clms Page number 1> Procédé de production de N-méthyl pyrrolidone en utilisant de la gamma-butyrolactone et des méthylamines mixtes comme matériaux de départ. ARRIERE-PLAN La présente invention concerne la production de N-méthyl pyrrolidone (NMP). En particulier, elle concerne l'utilisation de gamma-butyrolactone (GBL) et de méthylamines mixtes comme matériaux de départ, de telle sorte que le produit soit obtenu, par un procédé continu, à une pureté et à des rendements optimaux. A partir de la technique antérieure, on sait qu'il existe plusieurs procédés pour la synthèse de N-méthyl pyrrolidone à partir de GBL et d'une méthylamine, la monométhylamine (MMA) comme matériaux de départ. Dans J. Am. Chem. Soc., mars 1949, page 897, Elvain et Vozza ont décrit une stratégie de synthèse visant à produire la NMP à partir de GBL et de MMA comme matériaux de départ, en utilisant un procédé discontinu, et avec une quantité des deux derniers, doubles de leurs quantités stoechiométriques. Après 4 heures de réaction à 280 C, la NMP est récupérée par distillation avec un rendement de 90-93%. En 1936, Spath et Lunder (Berichte 69, page 2727) ont décrit un procédé similaire, dans lequel de la méthylamine en grand excès (4 moles par mole de GBL) est introduite dans un réacteur discontinu, avec une conversion d'environ 90% après 3 heures. La purification de la NMP produite impliquait des procédés complexes de dissolution qui doivent être conduits dans l'éther provenant de l'effluent de la réaction, et les <Desc/Clms Page number 2> distillations qui s'en suivent. Dans plusieurs brevets (JP 7 221 420 ; JP 7 400 259 ; JP 7 420 585 ; JP 7 642 107), Mitsubishi Chemical Industries Co. Ltd., Japon a décrit des procédés continus pour la synthèse de NMP à partir de GBL et de MMA comme matériaux de départ. Ces procédés sont caractérisés par des réactions présentant des rapports molaires élevés entre l'eau et la GBL (typiquement dans l'intervalle entre 3 et 4 moles d'eau pour chaque mole de GBL) et par la présence de grandes quantités de MMA (typiquement avec des rapports molaires compris entre 1,4 et 3 moles de MMA par mole de GBL). Les procédés conçus par Mitsubishi s'avèrent être désavantageux par les coûts élevés impliqués par la séparation de la MMA qui n'a pas réagi et sa récupération, et par la séparation de l'eau introduite dans la réaction, à laquelle s'ajoute l'eau de synthèse (une mole d'eau pour chaque mole de GBL ayant réagi). Pour éviter les inconvénients associés à la réaction discontinue en présence d'eau et de MMA en excès, des méthodes alternatives ont été proposées, qui sont basées sur le recours à des catalyseurs. Dans le brevet allemand nO 2 159 858 détenu par Mobil Oil, on décrit une synthèse à partir de GBL et de MMA en présence de zéolithes de type 13X. Dans le brevet allemand 4 203 527 détenu par AKZO, est décrite une synthèse impliquant de la GBL, de la MMA et de la vapeur, en phase gazeuse et à une température de 275OC, sur une zéolithe de type NaX. Les procédés ci-dessus n'ont pas réussi à être appliqués industriellement, parce que le recours à un catalyseur sujet à régénérations est désavantageux en termes d'équilibre économique du procédé, par rapport à des procédés non catalytiques. Le but de la présente invention est de proposer un procédé qui se déroule de manière continue, dans lequel on n'utilise pas de catalyseur, et les matériaux de départ sont, outre la GBL, des méthylamines mixtes. <Desc/Clms Page number 3> La caractéristique ci-dessus donne lieu à la production de NMP pour de faibles coûts d'investissement, en utilisant des matières premières moins chères et une moindre consommation de fournitures accessoires, par rapport aux techniques de l'art antérieur. DESCRIPTION DE L'INVENTION Comme on le sait dans la technique, l'ammoniac et le méthanol, réagissant sur un catalyseur d'amination, produisent un mélange de mono, di et triméthylamines (MMA, DMA, TMA). La séparation des méthylamines implique une séquence complexe de 4 ou 5 unités de fractionnement exigeant un investissement significatif et de grandes consommations d'énergie. La conception d'une installation à méthylamine peut être tournée vers la production d'une seule méthylamine par recyclage vers le réacteur d'amination des méthylamines indésirables restantes. Cette pratique exige cependant des investissements supplémentaires et de plus grandes consommations d'énergie. A cause des contraintes ci-dessus, un producteur de NMP utilisant GEL et MMA comme matières premières ne produirait de la MMA que dans le cas où il peut écouler de manière économique des co-produits DMA et TMA. La principale innovation du procédé de l'invention est la possibilité d'utiliser des méthylamines mixtes à la place de la MMA dans la production de NMP, rendant possible l'établissement d'un lien direct entre une installation à NMP et une installation à méthylamines de conception moins coûteuse. La synthèse de NMP à partir de GBL et d'amines mixtes suit essentiellement les mêmes principes que la synthèse à partir de GBL et de MMA. Alors qu'une mole de GBL réagissant avec une môle de MMA forme une mole de NMP et une môle d'eau, la réaction d'une mole de GBL avec une mole de DMA ou une môle de TMA forme, outre une môle de NMP, respectivement une ou deux <Desc/Clms Page number 4> moles de méthanol. Par conséquent, le produit de la réaction contiendra, outre la NMP, des amines non transformées, de l'eau, du méthanol et des sous-produits lourds et légers. Le méthanol et des amines non transformés, séparés de l'effluent de la réaction, seront recyclés vers le réacteur d'amination dans lequel, en présence d'ammoniac et de méthanol additionnel, ils seront transformés en méthylamines mixtes. La production de NMP à parti de GBL et de méthylamines mixtes dans le procédé de l'invention est caractérisé en ce que la synthèse est mise en oeuvre dans un procédé continu, non catalytique, en phase liquide, en passant par des étapes de réaction distinctes, de préférence, sans y être limité, trois étapes en série. Selon la présente invention, les trois étapes de la réaction conduisant à la production de NMP sont caractérisées par ce qui suit : Etape de réaction I Rapport molaire amines : GBL = entre 1,05 et 1,5 Température (à la sortie du réacteur) = entre 150 et 2200C Temps de séjour = entre 10 et 40 minutes Etape de réaction II Température = entre 220 et 2700C Temps de séjour = entre 1 et 3 heures Etape de réaction III Température = entre 250 et 3100C Temps de séjour = entre 0,5 et 2,0 heures Dans les trois réacteurs, la pression est comprise entre 40 et 100 ATE, de manière à maintenir les réactifs en phase liquide. Tous les réacteurs sont du type adiabatique, et de préférence de forme tubulaire. Des réacteurs adéquats sont également des cuves subdivisées en compartiments au moyen de cloisons de séparation qui empêchent que les produits de la réaction se <Desc/Clms Page number 5> mélangent à nouveau au fur et à mesure que la réaction progresse. Dans le premier réacteur, la GBL réagit de manière exothermique avec les amines pour assurer la production d'hydroxybutyramide (NMH). Dans le réacteur qui suit, une réaction de cyclisation du NMH se déclenche, avec formation d'eau, de méthanol et de NMP. Dans l'étape finale, la réaction de formation de la NMP se poursuit jusqu'à son terme, à température élevée. La succession des étapes de réaction ultérieures décrites dans le présent procédé conduit à une réduction de la teneur en GBL et en NMH dans les effluents de la réaction, ce qui est une condition nécessaire pour produire de la NMP de grande pureté (99,5% en poids minimum). La GBL, dont le point d'ébullition est très proche de celui de la NMP (202 C), ne serait pas séparée de la NMP par distillation. Pendant la distillation, le NMH aurait tendance à s'échapper à nouveau, en donnant de la MMA et de la GBL qui contamineraient le produit, parce qu'ils ne sont pas séparables. DESCRIPTION DU PROCEDE Les caractéristiques du procédé de l'invention apparaîtront plus clairement de la description qui suit des modes de réalisation préférés de l'invention, en liaison avec les dessins annexés présentant les schémas du procédé. Dans les dessins : La figure 1 est une représentation schématique d'un procédé objet de l'invention pour produire de la NMP à partir de GBL et de méthylamines mixtes. La figure 2 est une représentation schématique d'un procédé pour produire des méthylamines mixtes, intégré au procédé à NMP objet de l'invention. En se reportant à la figure 1, des amines mélangées (ligne 1) se mélangent à l'eau (ligne 2) et à la GBL (ligne 3) dans un mélangeur statique 4 avec un rapport molaire <Desc/Clms Page number 6> d'environ 1,2 : 1 entre les méthylamines et la GBL. Le mélange active la réaction d'addition avec formation de NMH. Cette réaction est exothermique et, une fois qu'elle s'est achevée, elle amène la température de la masse jusqu'à environ 190 C. Les réactions d'addition s'achèvent dans le réacteur 5, en 20 minutes environ. Le courant de liquide provenant du réacteur (ligne 6) est réchauffé encore dans l'échangeur 7 à l'aide d'huile chaude, et sa température est amenée à 250 C. Après préchauffage, le liquide (ligne 8) alimente le réacteur 9 dans lequel le NMH commence à se cycliser, tandis que de l'eau et du méthanol se forment en même temps. La durée de séjour dans le réacteur 9 est d'environ 2 heures. Le réacteur est du type tubulaire, ou encore est une cuve subdivisée en compartiments par des cloisons de séparation qui ont pour rôle d'empêcher que les produits de la réaction se mélangent à nouveau. Les effluents du réacteur 9 (ligne 10) alimentent le réchauffeur 11 dans lequel la température monte à 2800C par échange thermique avec de l'huile chaude. Après le deuxième préchauffage, le liquide (ligne 12) alimente le réacteur 13 dans lequel la conversion du NMH en NMP s'achève en un temps de séjour d'environ 1,5 heure. Par la soupape 15, la pression de l'effluent est réduite en fournissant dans le séparateur 16 une phase liquide (ligne 17) et une phase vapeur (ligne 18) qui alimentent toutes deux la colonne de fractionnement 19 dans laquelle les méthylamines et le méthanol non transformés se séparent en tête et sont recyclés vers le réacteur d'amination dans l'installation à méthylamine (ligne 100). Le produit de fond de la colonne 19 alimente (ligne 20) une colonne 21 qui suit, au sommet de laquelle l'eau de réaction se sépare (ligne 22) tandis que l'on obtient <Desc/Clms Page number 7> (ligne 23) également des sous-produits organiques légers. Le produit du fond de la colonne 21 alimente (ligne 24) la colonne de fractionnement 25 au fond de laquelle les sous-produits lourds sont évacués (ligne 26), tandis que la NMP purifiée se sépare au sommet (ligne 27). Après analyse par chromatographie en phase gazeuse, il s'avère que la pureté de la NMP obtenue n'est pas inférieure à 99,5% en poids, avec une teneur en eau inférieure à 0,05% en poids. La figure 2 est une représentation schématique d'un procédé de production de méthylamines mixtes intégré au procédé à NMP objet de l'invention. Le courant d'amines et de méthanol non transformés provenant de l'installation à NMP (ligne 100) rejoint l'apport d'ammoniac (ligne 101), l'apport de méthanol (ligne 102) et un courant riche en ammoniac, de recyclage (ligne 116). Le mélange (ligne 104) passe (ligne 106) dans le réacteur d'amination 107 après préchauffage (105). L'effluent du réacteur (ligne 108) préchauffe l'alimentation du réacteur en 105 et, à la suite du préchauffeur (ligne 109) est condensé dans le refroidisseur 110. Le produit de condensation va dans le séparateur 112 (ligne 111) dans lequel des gaz contenant de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène sont séparés (ligne 113) Le produit de condensation passe (ligne 114) à la colonne 115 qui sépare en tête (ligne 116) un courant d'ammoniac-triméthylamine qui est recyclé (ligne 116). Les produits de queue de la colonne 115 passent (ligne 117) à la colonne 118 qui sépare, dans le fond, de l'eau à évacuer (ligne 119) et en tête un courant de méthylamines mixtes qui passe à l'installation à NMP (ligne 1).
Claims (13)
- Revendications 1. Procédé pour la production de N-méthyl pyrrolidone obtenue par réaction de gamma-butyrolactone et de méthylamines mixtes, consistant en un mélange de mono, di et triméthylamine ou de toute combinaison des méthylamines susmentionnées, caractérisé en ce que la synthèse est conduite par un procédé non catalytique, continu, en phase liquide, par des étapes de réaction reliées en série.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes de réaction sont au nombre de trois, avec les caractéristiques qui suivent : a) la première étape de la réaction est conduite à une température comprise entre 150 et 2200C à la sortie du réacteur, avec un temps de séjour compris entre 10 et 40 minutes ; b) la deuxième étape de la réaction est conduite à une température comprise entre 220 et 2700C à l'entrée du réacteur, avec un temps de séjour compris entre 1 et 3 heures ; c) la troisième étape de la réaction est conduite à une température comprise entre 250 et 310 C à l'entrée du réacteur, avec un temps de séjour compris entre 0,5 et 2,0 heures.
- 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première étape de la réaction est conduite à une température comprise entre 170 et 2000C à la sortie du réacteur.
- 4. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première étape de la réaction est conduite avec des temps de séjour compris entre 15 et 25 minutes.
- 5. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, dans la deuxième étape de la réaction, le temps de séjour est compris entre 1,5 et 2,5 heures.
- 6. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, dans la troisième étape de la réaction, le temps de séjour est compris entre 1,0 et 1,5 heure.
- 7. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé <Desc/Clms Page number 9> en ce que, dans le système de réaction, le rapport molaire entre les méthylamines mixtes et la gamma-butyrolactone est compris entre 1, 05 et 1, 5.
- 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, dans le système de réaction, le rapport molaire entre les méthylamines mixtes et la gamma-butyrolactone est compris entre 1, 1 et 1, 3.
- 9. Procédé selon les revendications 1, 2, 3 et 7, caractérisé en ce que les réactifs sont maintenus dans la phase liquide en conduisant le système réactionnel sous une pression comprise entre 40 et 100 ATE.
- 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le système réactionnel est conduit à une pression comprise entre 60 et 80 ATE.
- 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les réacteurs de chacune des étapes de réaction sont constitués de cuves, caractérisé par la présence de cloisons ayant pour fonction la création d'un écoulement de réactifs du type à piston à travers des compartiments de réaction séparés, qui empêchent que les produits se re-mélangent.
- 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel les réacteurs de chacune des trois étapes de réaction sont constitués de cuves qui sont caractérisées en ce qu'elles sont du type tubulaire.
- 13. Procédé pour la production de N-méthyl pyrrolidone selon toutes les revendications précédentes, dans lequel le dit procédé est intégré à un procédé de production de méthylamines, l'intégration étant caractérisée par le fait que les méthylamines et le méthanol non transformés, récupérés à partir de l'effluent de la synthèse de la Nméthyl pyrrolidone, sont recyclés vers le réacteur d'amination dans lequel, en présence d'ammoniac et de méthanol supplémentaire, ils seront transformés en méthylamines mixtes.
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