BR112012028644B1 - processo para separação de ácido acrílico de uma composição - Google Patents
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Description
“PROCESSO PARA SEPARAÇÃO DE ÁCIDO ACRÍLICO DE UMA COMPOSIÇÃO” [001] A invenção refere-se a um processo de separação de ácido acrílico de uma composição compreendendo pelo menos um produto de acompanhamento, que tem as características a) a e) da reivindicação 1. Um processo deste tipo é conhecido tanto a partir do documento patentário US5910607 como a partir do documento patentário US7189872.
[002] Ácido acrílico (ácido prop-2-enóico) é um componente básico para a produção de superabsorventes que são usados a princípio em produtos de higiene. Ele é obtido em uma escala industrial através da reação de fase de vaporização catalítica de propeno com oxigênio. Isso forma o ácido acrílico desejado junto com produtos de acompanhamento que são uma obstrução no processamento posterior do ácido acrílico. Esses produtos de acompanhamento são essencialmente ácido acético, aldeídos e água. Uma etapa importante da preparação de ácido acrílico é correspondentemente a retirada da composição contendo ácido acrílico da reação de fase de vaporização dos produtos de acompanhamento indesejáveis de forma a separar ácido acrílico puro. A invenção refere-se a esta purificação.
[003] Como ácido acrílico tem uma forte tendência a polimerizar, um inibidor estabilizante sempre deve ser adicionado a ele. No processo genérico descrito no documento patentário US7189872, a preparação por destilação do produto de fundo que havia sido submetido à retirada de água por meio de um agente de arraste é feita por meio de três colunas de separação que são conectadas em série e que removem sucessivamente os produtos de acompanhamento de baixo e de alto ponto de ebulição do fluxo. Devido ao grande numero de colunas de destilação, uma fábrica desse tipo é relativamente cara para ser instalada e ser operada; o consumo de energia e de inibidor aumenta com o número de colunas.
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2/11 [004] O documento patentário US5910607 dirige-se meramente à remoção do ácido acético de baixo ponto de ebulição do produto de fundo submetido à retirada de água, através da destilação. Não são fornecidos detalhes com relação à remoção dos produtos de acompanhamento de alto ponto de ebulição tais como aldeídos.
[005] O documento patentário EP2085376A1 descreve um processo para purificar ácido metacrílico. Uma diferença significativa em relação à purificação de ácido acrílico é que o potencial de polimerização de ácido monomérico é significativamente mais elevado do que do ácido metacrílico e estresse térmico mais baixo e portanto temperaturas de processo mais baixas devem ser correspondentemente associadas para a preparação de ácido acrílico. Por esse motivo, a purificação de ácido metacrílico não é realmente tecnicamente comparável àquela do ácido acrílico.
[006] Na perspectiva desse estado da técnica, é objeto da presente invenção desenvolver um processo do tipo mencionado inicialmente de tal forma que se obtenha um número muito pequeno de colunas de destilação seja adequado para a purificação do produto de fundo previamente submetido à retirada de água e para uma remoção segura dos produtos de acompanhamento de alto e de baixo ponto de ebulição.
[007] Esse objeto é obtido pela destilação fracionada do produto de fundo que é feita em uma coluna de destilação provida de uma saída lateral e do fundo da qual os constituintes de alto ponto de ebulição do produto de acompanhamento são removidos e do topo da qual os constituintes de baixo ponto de ebulição do produto de acompanhamento são removidos e da saída lateral da mesma é retirado o ácido acrílico.
[008] A invenção provê correspondentemente um processo para separação de ácido acrílico de uma composição contendo ácido acrílico e pelo menos um produto de acompanhamento,
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a) no qual a composição é colocada em contato primeiramente com um fluxo líquido aquoso de tal forma que seja obtida uma solução líquida contendo ácido acrílico, produto de acompanhamento e água,
b) no qual um agente de arraste que forma um azeótropo de mínimo heterogêneo com a água da solução líquida é adicionado à solução líquida,
c) no qual a solução líquida é separada por destilação em um produto de topo contendo o azeótropo de mínimo e um produto de fundo contendo ácido acrílico e produto de acompanhamento,
d) no qual o produto de topo é separado em água e agente de arraste recirculável
e) e no qual o produto de fundo é separado por destilação em ácido acrílico e produto de acompanhamento,
f) sendo que a destilação fracionada do produto de fundo é feita em uma coluna de destilação que tem uma saída lateral e do fundo da qual constituintes de alto ponto de ebulição do produto de acompanhamento são retirados, do topo da qual constituintes de baixo ponto de ebulição são retirados, e da saída lateral da qual é retirado o ácido acrílico.
[009] A presente invenção baseia-se, inter alia, na recognição em que tanto produtos de acompanhamento de baixo ponto de ebulição como produtos de acompanhamento de alto ponto de ebulição podem ser removidos do produto de fundo submetido à retirada de água e uma coluna de destilação simples quando esta destilação é provida de uma saída lateral da qual o ácido acrílico purificado é retirado.
[010] Comparado com o documento patentário US7189872, os custos em termos de equipamentos necessários para a purificação de ácido acrílico podem ser minimizados mantendo-se a pureza obtida neste estado da
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4/11 técnica graças ao uso da coluna de destilação que tem uma saída lateral. Isso reduz não apenas os custos de capital mas também os custos operacionais.
[011] De acordo com a invenção, o ácido acrílico pode ser retirado da saída lateral seja na forma líquida seja na forma gasosa.
[012] A retirada do ácido acrílico na forma gasosa é preferida uma vez que isso reduz também a proporção de componentes de elevado ponto de ebulição no produto alvo. A retirada de ácido acrílico que tem uma baixa proporção de componentes de elevado ponto de ebulição da lateral da coluna de destilação é possível quando a coluna de destilação é configurada como uma coluna de parede divisória. Uma coluna de parede divisória é uma coluna de destilação que tem uma parede divisória que se estende basicamente verticalmente através da coluna. Uma coluna de parede divisória desse tipo é descrita no documento patentário US2471134.
[013] Diferentes variantes estruturais de uma coluna de parede divisória são adequadas; essas diferem em termos de arranjo da parede divisória:
[014] Primeiramente, é possível para a parede divisória não se estender sobre toda a altura da coluna de destilação mas, ao invés disso, se estender apenas desde uma região de topo livre de parede divisória a uma região de fundo livre de parede divisória. Correspondentemente, é possível uma livre transferência do ponto de alimentação por toda a seção transversal da coluna para uma região próxima ao topo e para uma região próxima ao fundo. A região de topo livre de parede divisória se estende preferivelmente sobre até 10% das placas da coluna, e das placas na coluna, e a região de fundo livre de parede divisória se estende preferivelmente por 10-20% inferior das placas da coluna. A finalidade desta configuração é que componentes de baixo e de alto ponto de ebulição podem ser removidos pelo uso de condensadores e um vaporizador.
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5/11 [015] A coluna que está livre de uma parede divisória na região de topo e na região de fundo pode ser vantajosamente modificada de forma que a parte da coluna de destilação localizada no lado da saída lateral seja separada da região de topo livre de parede divisória por uma parede barreira. Esta tem a vantagem de impurezas que estão presentes no lado de alimentação acima da posição de alimentação na coluna não poderem entrar na região superior o lado do fluxo lateral e reduzir a pureza do produto no fluxo lateral.
[016] Em uma outra concretização, uma região de fundo livre de parede divisória é omitida de tal forma que a parede divisória se estenda desde a região de topo livre de parede divisória até o chão do fundo. Esta variante tem a vantagem de componentes que estão presentes no lado de alimentação abaixo do ponto de alimentação não poderem entrar na região inferior no lado de fluxo lateral. Uma pureza de produto mais elevada é assim obtida.
[017] No dimensionamento das paredes divisórias de todas as concretizações da coluna de parede divisória é necessário observar a norma da construção em que a parede divisória deve se estender desde um nível de altura acima da saída lateral até um nível de altura abaixo do nível do produto de fundo introduzido na coluna de destilação. Consequentemente, a entrada para o produto de fundo a ser separado na coluna de parede divisória é resguardada pela parede divisória desde a saída lateral, i.e. a saída para o ácido acrílico, de forma que seja evitado um fluxo direto de material desde a entrada para o produto de fundo até a saída. Essa medida é o pré-requisito para um bom desempenho de separação.
[018] O processo da invenção é particularmente adequado para purificação de uma composição que compreende ácido acético e/ou água e/ou aldeídos como produtos de acompanhamento adicionalmente ao
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6/11 ácido acrílico. Ácido acético é um produto de acompanhamento de baixo ponto de ebulição, o qual é retirado do topo da coluna de destilação, enquanto os aldeídos são componentes de alto ponto de ebulição que são retirado do fundo da coluna de destilação provida de uma saída lateral.
[019] Um agente de arraste adequado é um solvente orgânico que tem um ponto de ebulição na faixa de 80 a 130°C, por exemplo tolueno ou heptano ou ciclohexano ou metilciclohexano.
[020] A destilação fracionada da solução líquida em uma coluna de desidratação é preferivelmente realizada pelo ajuste da energia de aquecimento e quantidade de agente de arraste de tal maneira que o produto de fundo seja virtualmente livre de água e a concentração do agente de arraste no produto de fundo seja de 1 a 15% em peso, preferivelmente de 8 a 12% em peso. Neste contexto, “virtualmente livre de água” significa menos do que 0,5% em peso, preferivelmente de 0,05 a 0,3% em peso. Esta faixa de concentração é caracterizada por operação particularmente vantajosa. Primeiramente, os baixos graus de polimerização são observados devido às temperaturas relativamente baixas no fundo. Em segundo lugar, verificou-se que sob esses parâmetros, polímero indesejado é obtido na região de fundo prontamente acessível da coluna. Tendo em vista a excelente acessibilidade, a coluna pode ser liberada do polímero e outros depósitos com pouco gasto de tempo e a baixo custo no evento de uma parada para limpeza e obtenção de uma disponibilidade de planta ideal. A invenção será a seguir ilustrada através de exemplos, onde:
a figura 1 mostra esquematicamente uma planta para realização do processo;
a figura 2 mostra uma concretização de uma coluna de destilação com saída lateral e sem parede divisória;
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7/11 a figura 3 mostra uma concretização de uma coluna de destilação com saída lateral e uma parede divisória entre região de topo livre de parede divisória e região de fundo;
a figura 4 mostra uma concretização de uma coluna de destilação com saída lateral e uma parede divisória desde a região de topo livre de parede divisória até o chão do fundo;
a figura 5 mostra uma concretização de uma coluna de destilação com saída lateral e uma parede divisória entre região de topo livre de parede divisória e região de fundo, adicionalmente com uma placa barreira no lado da saída lateral.
[021] Uma planta para realização do processo da invenção é mostrada esquematicamente na figura 1. O material de partida é uma composição gasosa 1 vinda de um reator que não aparece ilustrado e que contém ácido acrílico e produto de acompanhamento compreendendo, principalmente, ácido acético, água e aldeídos. Em uma coluna de resfriamento rápido 2, a composição 1 fica em contato com um fluxo líquido aquoso 3 para formar uma solução líquida 4 composta de água (de 20 a 80% em peso), ácido acrílico (40-80% em peso) e vários produtos de acompanhamento condensáveis tais como ácido acético (de 1 a 5% em peso) e aldeídos. Constituintes não condensáveis da composição 1 deixam a coluna de resfriamento rápido 2 no topo como fluxo de gás 5.
[022] Na etapa de processo seguinte, o fluxo de líquido aquoso é conduzido a uma coluna de desidratação 6. Com adição de um agente de arraste 7 que forma um azeótropo de mínimo heterogêneo com a água, o azeótropo água/agente de arraste 8 é removido como vapor no topo da coluna de desidratação 6. A coluna de desidratação 6 tem preferivelmente de 5 a 20 placas teóricas. A pressão no topo da coluna de desidratação 6 situa-se na faixa de 133 a 400 hPa, e a temperatura no fundo é inferior a 100°C. As
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8/11 variáveis de processo energia de aquecimento e quantidade de agente de arraste são ajustadas de tal forma que se obtenha um produto de fundo virtualmente livre de água 9 (conteúdo de água inferior a 0,5% em peso, preferivelmente de 0,05 a 0,3% em peso) tendo uma concentração de agente de arraste de 1 a 15% em peso, preferivelmente de 8 a 12% em peso. As vantagens dessa faixa de concentração foi acima destacada.
[023] O azeótropo água gasosa/agente de arraste 8 é condensado para formar duas fases líquidas (não ilustradas) e segue para um decantador 10 no qual as duas fases agente de arraste 7 e água são separadas. O agente de arraste 7 é recirculado até a coluna de desidratação 6, e a água retoma parcialmente como fluxo líquido aquoso 3 para a coluna de resfriamento rápido 2 e um excesso é descarregado como água residual 11.
[024] O produto de fundo 9 da coluna de desidratação 6, que compreender principalmente ácido acrílico, ácido acético e aldeídos de alto ponto de ebulição é conduzido para fins de posterior purificação até uma coluna de destilação 12, na qual outros componentes de baixo ponto de ebulição são removidos no topo e componente de alto ponto de ebulição são removidos no fundo. Para tal finalidade, a coluna de destilação 12 é provida de uma saída lateral 13 da qual o ácido acrílico purificado 14 é retirado na forma em vapor ou líquida. Parâmetros operacionais e construções da coluna de destilação 12 serão a seguir abordados. Os constituintes de alto ponto de ebulição 15 do produto de acompanhamento tais como ácido acético que foram removidos no topo da coluna de destilação 15 são recirculados até a coluna de desidratação 6. Os constituintes de alto ponto de ebulição 16 do produto de acompanhamento são descarregados do fundo da coluna de destilação 12.
[025] Diferentemente do estado da técnica descrito, o número de etapas de processo para o isolamento de ácido acrílico puro 14 é minimizado no processo de invenção. Além dos baixos custos de capital,
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9/11 obtém-se baixo consumo de energia e também uma menor necessidade de inibidores de polimerização 17 que devem ser introduzidos em toda etapa de destilação devido ao número menor de etapas de processo. Adicionalmente, o ácido acrílico monomérico é submetido a menos estresse térmico. Isso reduz a polimerização do ácido acrílico e a formação de dímeros de ácido acrílico que por sua vez aumenta o rendimento de produto.
[026] Além disso, a divisão da remoção de componentes de baixo ponto de ebulição na coluna de desidratação 6 com uma concentração residual remanescente de agente de arraste e da remoção de componentes de alto/baixo ponto de ebulição combinados na coluna de destilação 12, provida de uma saída lateral, produz os resíduos poliméricos que são inevitavelmente formados, sendo obtidos no fundo prontamente acessível da coluna de desidratação 6. Remoção do polímero e limpeza da coluna pode ser feita com certa facilidade nesta região, e tempos de manutenção da planta são assim minimizados.
[027] Parâmetros de configuração e operacionais da coluna de destilação 12 que tem uma saída lateral 13 não serão esclarecidos:
[028] A coluna de destilação 12 deve ter de 30 a 45 placas práticas. A saída lateral 13 deve ficar em um nível de altura que corresponde a 70 a 80% do número total de placas (contadas desde o topo). A pressão no topo deve ser de 40 a 50 hPa, e a temperatura no topo deve situar-se na faixa de 35 a 50°C. Vaporização no fundo da coluna de destilação 12 é realizada por meio de um vaporizador de circulação (temperatura de produto inferior a 90°C) e um evaporador de película fina subsequente (temperatura de produto inferior a 125°C, preferivelmente 115°C).
[029] Se o ácido acrílico 14 for tirada na forma gasosa, uma coluna livre de parede divisória conforme apresentada na figura 2 poderá ser
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10/11 usada. O fluxo de fundo 9 é então conduzido para a coluna de destilação 12 em um nível de altura acima da saída lateral 13.
[030] A tomada do ácido acrílico 14 no estado líquido exige uma coluna de destilação 12 equipada com uma parede divisória 18; cf. figuras 3, 4 e 5. Em uma coluna de parede divisória, o fluxo de fundo 9 é conduzido até a coluna de destilação 12 em um nível de altura abaixo do nível de altura da saída lateral 13. A parede divisória 18 sempre deve ser dimensionada de tal forma que ela se estenda desde um nível de altura acima do nível da saída lateral até um nível de altura abaixo do nível do produto de fundo 9 introduzido na coluna de destilação 12. Os 10% superiores das placas formam uma região de topo livre de parede divisória 19, abaixo da qual a parede divisória 18 inicia.
[031] A parede divisória 18 termina, no exemplo mostrado na figura 3, em uma região de fundo livre de parede divisória 20 que corresponde a aproximadamente aos 10-20% de fundo das placas.
[032] Como uma alternativa, a parede divisória 18 também pode se estender para baixo até o piso do fundo; cf. exemplo na figura 4.
[033] No exemplo da figura 5, a coluna de destilação 12 é adicionalmente provida de uma parede barreira 21 que bloqueia a parte da coluna de destilação 12 localizada no lado da saída lateral 13 a partir da região de topo livre de parede divisória 19.
[034] Em todas as concretizações das colunas de parede divisória (figuras 3 a 5), a parede divisória 18 passa essencialmente verticalmente pela coluna de destilação 12 e não centralmente de forma que a razão da área no lado da saída lateral até a área no lado do ponto de alimentação para o produto de fundo é de 0,5. Porém, outras razões de área também podem ser estabelecidas através da posição da parede divisória por exemplo na faixa de 0,1 a 0,9, preferivelmente de 0,25 a 0,75 e muito particularmente preferivelmente de 0,4 a 0,6.
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11/11 [035] Na região de topo livre de parede divisória 19, o líquido é dividido em uma razão de 0,5 a 1, preferivelmente de 0,5 a 0,8, entre o lado da saída lateral 13 e o lado do produto de fundo afluente 9.
Lista dos números de referência
Composição
Coluna de resfriamento rápido
Fluxo líquido aquoso
Solução líquida
Fluxo gasoso
Coluna de desidratação
Agente de arraste
Azeótropo água/agente de arraste
Produto de fundo
Decantador água residual coluna de destilação
Saída lateral
Ácido acrílico componentes de baixo ponto de ebulição (ácido acético) componentes de alto ponto de ebulição (aldeído)
Inhibidor
Parede divisória
Região de topo livre de parede divisória
Região de fundo livre de parede divisória
Parede barreira
Claims (10)
1. PROCESSO PARA SEPARAÇÃO DE ÁCIDO ACRÍLICO (14) DE UMA COMPOSIÇÃO (1), contendo ácido acrílico e pelo menos um produto de acompanhamento,
a) em que a composição (1) é primeiramente colocada em contato com um fluxo líquido aquoso (3) de forma que uma solução líquida (4) contendo ácido acrílico, produto de acompanhamento e água seja obtida,
b) em que um agente de arraste (7) que forma um azeótropo de mínimo heterogêneo (8) com a água da solução líquida (4) é adicionado à solução líquida,
c) em que a solução líquida (4) é separada por destilação em um produto de topo contendo o azeótropo de mínimo (8) e um produto de fundo (9) contendo ácido acrílico e produto de acompanhamento,
d) em que o produto de topo é separado em água (3, 11) e agente de arraste recirculável (7)
e) e em que o produto de fundo (9) é separado por destilação em ácido acrílico e produto de acompanhamento, caracterizado por
f) a destilação fracionada do produto de fundo é realizada em uma coluna de destilação (12) que tem uma saída lateral (13) e do fundo da qual constituintes de alto ponto de ebulição (16) do produto de acompanhamento são retirados, do topo da qual constituintes de baixo ponto de ebulição (15) do produto de acompanhamento são retirados e da saída lateral (13) da qual o ácido acrílico (14) é retirado.
2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo ácido acrílico (14) ser retirado na forma gasosa da saída lateral (13).
3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo ácido acrílico (14) ser retirado na forma líquida da saída
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2/3 lateral (13) e a coluna de destilação (12) ser configurada como uma coluna de parede divisória que tem uma parede divisória (18) que se estende essencialmente verticalmente através da coluna.
4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela parede divisória (18) se estender desde uma região de topo livre de parede divisória (19) a uma região de fundo livre de parede divisória (20).
5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por uma parede barreira (21) que bloqueia a parte da coluna de destilação (12) localizada no lado da saída lateral (13) da região de topo livre de parede divisória (19).
6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela parede divisória (18) se estender desde uma região de topo livre de parede divisória (19) até o piso do fundo.
7. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, caracterizado pela parede divisória (18) se estender desde um nível de altura acima do nível da saída lateral (13) até um nível de altura abaixo do nível do produto de fundo (9) introduzido na coluna de destilação (12).
8. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo produto de acompanhamento conter pelo menos uma das seguintes substâncias: ácido acético, água, um composto químico a partir do grupo consistindo em aldeídos.
9. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo agente de arraste ser um solvente orgânico que tem um ponto de ebulição na faixa de 80 a 130°C, particularmente tolueno ou heptano ou ciclohexano ou metilciclohexano.
10. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das
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3/3 reivindicações 1 a 9, caracterizado pela destilação fracionada da solução líquida (4) em uma coluna de desidratação (6) ser realizada de tal forma que o produto de fundo (9) é virtualmente livre de água e a concentração do agente de arraste (7) no produto de fundo (9) é de 1 a 15% em peso, preferivelmente de 8 a 12% em peso.
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