BRPI0908994B1 - Metacrilic acid preparation by metacrylamide reaction with water and system for its performance - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA PREPARAÇÃO DE ÁCIDO METACRÍLICO POR MEIO DE REAÇÃO DE METACRILAMIDA COM ÁGUA E SISTEMA PARA SUA REALIZAÇÃO". A presente invenção refere-se a um processo para preparação de ácido metacrílico e a um sistema para realização desse processo.

Processos para preparação de ácido metacrílico são conhecidos há algum tempo. Um procedimento usual consiste na oxidação controlada de gases de hidrocarboneto, por exemplo, propileno ou butileno. Desvantagens desse processo são os rendimentos obtidos, que são bastante baixos quando vistos de modo geral.

Adicionalmente, ácido metacrílico pode ser obtido pela reação de metacrilamida com água. Esse processo é descrito especialmente na US 7.253.307. De acordo com essa publicação, a reação da metacrilamida com água pode ser efetuada em um reator de tanque agitado ou um reator tubular. Dá-se preferência à realização da reação sob uma pressão na faixa de 0,36 a 0,77 MPa e uma temperatura na faixa de 50 a 21013. Não há referência a diferenças de pressão ou temperatura no reator nesse documento.

Os processos descritos na US 7.253.307 para preparação de ácido metacrílico já levam a bons rendimentos juntamente com uma alta pureza. Entretanto, ácido metacrílico é um importante produto na indústria química que serve como material de partida para muitos produtos importantes. Portanto, um rendimento máximo, uma pureza particularmente alta juntamente com baixos custos de preparação, é essencial para o sucesso econômico de um processo de preparação desse importante produto. Mesmo com aperfeiçoamentos relativamente pequenos com relação aos rendimentos, as vidas úteis dos sistemas ou características de processos similares levam a um significativo avanço com relação aos volumes de resíduos e aos custos de preparação.

Em vista do estado da técnica, é assim um objetivo da presente invenção proporcionar um processo para preparação de ácido metacrílico que pode ser realizado de uma maneira particularmente simples e econômica. Nesse processo, especialmente o rendimento, a pureza e a vida útil do sistema para preparação de ácido metacrílico serão elevados. Além disso, formação de subprodutos indesejados será minimizada. Foi, portanto, um objetivo ainda da presente invenção proporcionar um sistema para preparação de ácido metacrílico que permite produção muito barata de ácido metacrílico.

Esses objetivos e objetivos adicionais que não são estabelecidos explicitamente, mas que são imediatamente evidentes ou discemíveis das relações discutidas aqui à guisa de introdução, são atingidos por meio de um processo que apresenta todas as características da reivindicação 1. Modificações apropriadas no processo de acordo com a invenção são protegidas em reivindicações dependentes. Com relação ao sistema para realização do processo, a reivindicação 19 oferece uma solução para o problema de interesse. A presente invenção consequentemente proporciona um processo para preparação de ácido metacrílico que reage metacrilamida com água, a conversão sendo efetuada continuamente em um reator tubular, processo este que se caracteriza pelo fato de que há uma diferença de pressão no reator tubular na direção do escoamento da mistura reacional.

Como resultado dessas medidas, é surpreendentemente possível proporcionar um processo para preparação de ácido metacrílico que apresenta um perfil de propriedades particularmente notável. É surpreendentemente possível pelo processo de acordo com a invenção preparar ácido metacrílico de uma maneira particularmente simples, segura e econômica. No processo, é possível, entre outras coisas, aumentar o rendimento, a pureza e a vida útil do sistema para preparação de ácido metacrílico. Adicionalmente, a formação de subprodutos indesejados pode ser minimizada pelo processo da presente invenção. Sistemas preferidos para realizar o processo da presente invenção podem dar uma contribuição para as vantagens mencionadas de um modo não imediatamente previsível.

De acordo com o presente processo, ácido metacrílico é obtido mediante reação de metacrilamida com água. Essa reação pode ser referida como hidrólise ou saponificação.

De acordo com a invenção, a conversão é efetuada continuamente em um reator tubular. Os termos "contínuo" e "reator tubular" são conhecidos no campo técnico. Reações contínuas são entendidas especialmente significar reações em que reagentes são adicionados e produtos são removidos da mistura reacional por um período prolongado. Reatores tubulares compreendem pelo menos uma região tubular em que a reação pode se processar. Esses reatores normalmente apresentam uma construção relativamente simples, e, assim, os custos de capital são comparativa-mente baixos. É essencial para o sucesso da invenção que haja uma diferença de pressão no reator tubular na direção do escoamento da mistura reacional. Essa diferença de pressão pode, a propósito, ser atingida através de diferentes subregiões no reator tubular que são delimitadas umas das outras, por exemplo, por válvulas. Em uma modalidade preferida da presente invenção, essa característica pode ser gerada por pressão hidrostática, em cujo caso a mistura reacional atravessa uma diferença de altura na direção do escoamento. A diferença de pressão entre a entrada dos reagentes e a saída dos produtos do reator tubular não é crítica por si só, embora as vantagens da invenção se apresentem claramente no caso de uma alta diferença de pressão. Entretanto, uma alta diferença de pressão é em muitos casos associada a elevados custos de capital. Vantagens inesperada podem ser obtidas especialmente se a diferença de pressão é de pelo menos 50 kPa, mais preferencialmente de pelo menos 0,1 MPa e ainda mais preferencialmente de pelo menos 0,15 MPa. O gradiente de pressão aqui poderá assumir qualquer forma, por exemplo, uma forma escalonada. No entanto, dá-se particular preferência a processos em que a pressão é continuamente alterada. Isso pode ser produzido especialmente por meio de reatores tubulares cujo eixo, que é definido pela direção de escoamento da mistura reacional, é inclinado com relação à superfície da terra. O ângulo de inclinação é preferencialmente de cerca de 90°, isto é, o reator tubular é alinhado essencialmente de modo vertical em relação à superfície da terra, embora desvios relativamente pequenos, por exemplo, menores que 10°, preferencialmente menores que 5o, possam em muitos casos ser tolerados.

Em uma configuração particularmente apropriada, os reagen-tes podem ser convertidos sob uma alta pressão no começo da reação e sob uma pressão menor no final da reação. Essa modificação pode preferencialmente ser configurada em virtude do escoamento através de um reator tubular, que é inclinado com relação à superfície da terra, de baixo para cima, tal que a direção de escoamento tenha um componente direcional que seja alinhado em ângulos retos com a superfície da terra. A reação pode ser efetuada a pressão elevada ou reduzida. Surpreendentes vantagens com relação ao rendimento e à pureza do produto, e também às vidas úteis do sistema, podem ser obtidas especialmente ao realizar a reação sob uma pressão na faixa de 0,1 MPa a 0,8 MPa, preferencialmente de 0,15 MPa a 0,6 MPa e mais preferencialmente na faixa de 0,2 a 0,5 MPa.

Apropriadamente, a conversão pode ser realizada no início da reação a uma pressão na faixa de 0,15 a 0,6 MPa, especialmente de 0,2 a 0,45 MPa e mais preferencialmente de 0,25 a 0,35 MPa, e no fim da reação a uma pressão na faixa de 0,1 a 0,5 MPa, mais preferencialmente de 0,15 a 0,4 e ainda mais preferencialmente de 0,2 a 0,3 MPa. A temperatura de reação poderá também estar dentro de uma ampla faixa. Vantagens que não são previsíveis por si só podem, contudo, por exemplo, em relação ao rendimento, à taxa de reação e à vida útil da planta, ser obtidas em virtude da reação, uma vez sendo realizada a uma temperatura na faixa de 90°C a 150°C, preferencialmente de 100°C a 140°C.

Os aperfeiçoamentos pormenorizados acima podem surpreendentemente ser adicionalmente elevados convertendo os reagentes no começo da reação sob uma temperatura menor do que no final da reação. Apropriadamente, a temperatura no fim da reação poderá ser pelo menos 5°C maior, preferencialmente pelo menos 10°C maior, do que no início da reação. A temperatura no fim da reação é preferencialmente no máximo 25°C maior, preferencialmente no máximo 20°C maior, do que no início da reação. Por exemplo, a conversão no início da reação poderá se dar a uma temperatura na faixa de 100°C a 130°C, preferencialmente na faixa de 105°C a 125°C e ainda mais preferencialmente na faixa de 110°C a 120°C. No final da reação, temperaturas na faixa de 110°C a 150°C são particularmente preferidas. Em uma configuração particular, a temperatura máxima atingida poderá ser de no máximo 160°C, mais preferencialmente de no máximo 150°C e ainda mais preferencialmente de no máximo 135°C. Apropriadamente, a temperatura pode ser medida e controlada em pelo menos duas regiões do reator.

Assim como os reagentes, a mistura reacional poderá compreender aditivos que são conhecidos no campo da técnica. Estes incluem especialmente catalisadores, por exemplo, ácidos, e estabilizantes que impedem polimerização dos compostos insaturados. A reação pode preferencialmente ser catalisada com ácido, em cujo caso ácido sulfúrico pode ser usado com particular preferência. O ácido sulfúrico pode adicionalmente ser adicionado à mistura reacional. Adicionalmente, o ácido sulfúrico poderá já estar presente em um dos reagentes, por exemplo, na metacrilamida e/ou água. O pH da mistura usada poderá preferencialmente estar na faixa de 1 a 7, mais preferencialmente na faixa de 1 a 2. A fim de impedir polimerização indesejada dos compostos insaturados, é possível usar inibidores de polimerização na reação. Esses compostos, por exemplo, hidroquinonas, éteres hidroquinônicos, tal como éter hidroquinono monometílico ou di-terc-butilpirocatecol, fenotiazina, N,N’-(difenil)-p-fenilenodiamina, 4-hidróxi-2,2,6,6-tetrametilpiperidino-1-oxila, p-fenilenodiamina, azul de metileno ou fenóis estericamente bloqueados, são amplamente conhecidos no campo técnico. Esses compostos podem ser usados individualmente ou na forma de misturas e são em geral comercialmente disponíveis. A reação dos estabilizantes usualmente consiste em estes atuarem como sequestrantes de radicais livres que ocorrem no curso de polimerização. Para pormenores adicionais, faz-se referência à literatura técnica comum, especialmente Rômpp-Lexikon Chemie] editores: J. Falbe, M. Regitz; Stuttgart, Nova Iorque; 10a Edição (1996); sob "antioxidantes", e as referências citadas aqui.

Em princípio, o reator tubular pode ser carregado com água alimentando-a ao reator a partir de qualquer fonte desejada, contanto que essa água não apresente ingredientes que poderíam afetar adversamente a reação de hidrólise ou os estágios de processo subsequentes. Por exemplo, água desmineralizada ou água de nascente pode ser alimentada ao reator. Contudo, é também possível alimentar uma mistura de água e compostos orgânicos ao reator, como obtida, por exemplo, na purificação de ácido metacrílico. Em uma modalidade preferida do processo apresentado aqui, o reator é carregado pelo menos parcialmente com uma mistura de água e esses compostos orgânicos. A razão molar de água para metacrilamida na mistura reacional usada poderá, por exemplo, situar-se na faixa de 7:1 a 1:1, mais preferencialmente de 5,5:1 a 4:1.

Preferencialmente, pode ser usada uma mistura que compreende 10 a 40% em peso, mais preferencialmente 20 a 30% em peso, de metacrilamida, 20 a 50% em peso, mais preferencialmente 26 a 32% em peso, de água, 30 a 65% em peso, mais preferencialmente 40 a 52% em peso, de ácido sulfúrico, e 0 a 5% em peso, mais preferencialmente 0,1 a 4% em peso, de aditivos adicionais.

Surpreendentes vantagens podem ser obtidas especialmente no caso de um tempo de residência na faixa de 10 minutos a 2 horas, mais preferencialmente de 20 minutos a 1 hora. A mistura reacional obtida pela conversão pode, por exemplo, ser resfriada por um trocador de calor e, em seguida, separada em uma fase aquosa e uma fase orgânica. Vantagens inesperadas podem ser obtidas resfriando a mistura reacional por meio de mistura com um meio aquoso e, em seguida, passando-a para um separador de fases. É, assim, surpreendentemente possível aumentar a vida útil do sistema, ao mesmo tempo em que vantagens adicionais são também obtidas. Mais particularmente, essa configuração permite que o rendimento de ácido metacrílico seja elevado e a formação de subprodutos, especialmente constituintes sólidos, na mistura reacional seja minimizada. O meio aquoso pelo qual a mistura reacional resultante é resfriada preferencialmente tem uma temperatura na faixa de 20°C a 80°C, mais preferencialmente de 40 a 75°C. A razão volumétrica da mistura reacional obtida pela reação relativamente a meio aquoso poderá estar na faixa de 2:1 a 1:5, mais preferencialmente 1:1 a 1:3. O meio aquoso a ser usado para resfriamento pode ser alimentado fresco ao processo de produção. O meio aquoso poderá, por exemplo, consistir em água ou compreender constituintes adicionais que, contudo, não devem exercer um efeito adverso sobre a mistura reacional. É particularmente apropriado usar um meio aquoso que é obtido por separação da mistura reacional obtida pela reação. Essa medida permite que os custos sejam baixados consideravelmente. De uma maneira técnica e particularmente favorável, o meio aquoso pode ser descarregado do separador de fases. Essa configuração é possível como resultado da surpreendente verificação de que a fase aquosa obtenível em uma separação em muitos casos compreende proporções relativamente baixas de constituintes orgânicos, especialmente de subprodutos sólidos, e essas proporções podem ser minimizadas adicionalmente por purificação ou por meio de um volume adequado de um primeiro separador de fases e da razão de refluxo associada.

Para a eficácia dessa modalidade preferida, um sistema poderá apresentar exatamente um separador de fases em que a mistura reacional resultante é separada em uma fase orgânica e uma fase aquosa. Um sistema preferencialmente apresenta dois ou mais separadores de fases, tal que a mistura reacional seja introduzida de um primeiro separador de fases a um segundo separador de fases.

Essa configuração do processo permite que o resfriamento do circuito seja dissociado da descarga da fase inorgânica de uma maneira particularmente simples e, portanto, de baixa manutenção. Entre outras razões, a descarga da fase inorgânica presente no segundo separador de fases pode ser controlada a fim de obter aperfeiçoamentos adicionais na vida útil do sistema. O controle da descarga da fase inorgânica pode ser efetuado por meio de uma medição de diferença de pressão e/ou uma medição capacitiva. A corrente de descarga pode ser passada através de uma tela, tal que partículas relativamente grossas sejam retidas. As partículas relativamente grossas inicialmente retidas podem preferencialmente ser mecanicamente trituradas. Essa trituração pode ser efetuada, por exemplo, por meio de escoamentos turbulentos. Essa configuração contribui para um aperfeiçoamento adicional em operação sem problemas do sistema, essa modalidade sendo especialmente habilitada pelo resfriamento específico da mistura reacional, uma vez que isso permite que a formação de subprodutos seja minimizada de tal forma significativa que somente pequenas quantidades de partículas relativamente grossas tenham de ser trituradas.

Compostos orgânicos que estão presentes na fase aquosa removida podem ser isolados em uma modificação especial do processo de acordo com a invenção. Com essa finalidade, a fase aquosa removida pode primeiro ser introduzida em um tanque carregado com corrente a fim de expulsar os constituintes orgânicos ainda presentes na fase aquosa. Os constituintes orgânicos expulsos, que apresentam uma alta proporção de ácido metacrílico, podem ser purificados e recuperados.

Em uma configuração particular, a fase orgânica da mistura reacional separada pode ser purificada por meio de uma destilação em dois estágios. Dá-se preferência a remover primeiro da fase orgânica subprodutos de baixo ponto de ebulição, tal que ácido metacrílico bruto possa ser transferido do fundo do primeiro aparelho de destilação para um segundo aparelho de destilação.

Para remover constituintes de baixo ponto de ebulição da fase orgânica, o ácido metacrílico bruto é preferencialmente alimentado na metade superior de uma coluna de destilação. O fundo da coluna é preferencialmente aquecido de modo a atingir uma temperatura de parede de cerca de 50 a cerca de 120°C. A purificação é normalmente efetuada sob pressão reduzida. A pressão na coluna é preferencialmente de cerca de 4 a cerca de 30 kPa.

No topo da coluna, os constituintes de baixo ponto de ebulição são removidos. Em particular, estes poderão, por exemplo, ser éteres, acetona e formato de metila. Os vapores são subsequentemente condensados por meio de um ou mais por meio de um ou mais trocadores de calor. Tem-se verificado ser útil em alguns casos, por exemplo, realizar primeiro uma condensação por meio de dois trocadores de calor ligados em série resfriados a água. Contudo, é igualmente possível também usar somente um trocador de calor nesse ponto. Os trocadores de calor são preferencialmente operados em um estado vertical para aumentar a vazão e alcançar molhamento total da superfície. Conectado a jusante do trocador de calor resfriado a água ou dos trocadores de calor resfriados a água poderá estar um trocador de calor resfriado a salmoura, mas é também possível ligar a jusante uma cascata de dois ou mais trocadores de calor resfriados a salmoura. Em uma configuração adicional do aparelho, constituintes de baixo ponto de ebulição podem também ser descarregados via uma saída para produtos com baixo ponto de ebulição. Na cascata de trocadores de calor, os vapores são condensados, dotados de estabilizante e, por exemplo, enviados a um separador de fases. Uma vez que os vapores poderão também compreender água, qualquer fase aquosa obtida é eliminada ou enviada para uma utilização adicional. Um exemplo de possível utilização adicional é aquele de reciclagem em uma reação de hidrólise. A fase orgânica removida poderá ser alimentada parcialmente como refluxo no topo da coluna. Uma porção da fase orgânica pode, por sua vez, ser utilizada para pulverizar o topo dos trocadores de calor e o topo da coluna. Uma vez que a fase orgânica removida é uma fase misturada com estabilizante, é assim possível impedir eficazmente primeiro a formação de zonas calmas. Em segundo lugar, a presença do estabilizante leva a uma supressão adicional da tendência à polimerização dos vapores removidos. A corrente condensada obtida dos trocadores de calor é adicional e preferencialmente misturada com água desmineralizada de tal maneira que uma ação de separação suficiente possa ser alcançada no separador de fases.

Os compostos gasosos que permanecem após a condensação na cascata de trocadores de calor poderão, preferencialmente por meio de ejetores de vapor como geradores de pressão reduzida, mais uma vez ser submetidos a uma condensação por meio de um ou mais trocadores de calor adicionais. Tem-se verificado ser isso vantajoso por razões econômicas quando tal pós-condensação condensa não só as substâncias gasosas da pré-purificação. Por exemplo, é possível alimentar substâncias gasosas adicionais, à medida que se originam da purificação principal de ácido metacrílico, a essa pós-condensação. A vantagem de tal procedimento reside, por exemplo, em ser assim capaz de transferir uma proporção de ácido metacrílico, que não foi condensada no estágio de purificação principal mais uma vez via o separador de fases, à coluna de purificação para fins de pré-purificação. Assegura-se, desse modo, por exemplo, que uma maximização de rendimento possa ocorrer e perdas mínimas de ácido metacrílico se deem. Adicionalmente, a seleção adequada do projeto e da operação desses trocadores de calor adicionais permite que a composição do gás de escape que deixa esses trocadores de calor, especialmente o teor de produtos com baixo ponto de ebulição, seja ajustada.

Para purificação excelente do ácido metacrílico, o ácido metacrílico bruto pré-purificado é submetido a outra destilação. Essa operação liberta o ácido metacrílico bruto dos constituintes de alto ponto de ebulição com a ajuda de uma coluna de destilação para obter ácido metacrílico glacial. A coluna de destilação pode em princípio corresponder a qualquer projeto que pareça adequado àqueles versados na técnica.

Entretanto, tem-se verificado ser vantajoso em muitos casos para a pureza do produto resultante quando a coluna de destilação é operada com um ou mais recheios que correspondem aproximadamente às seguintes exigências: Primeiramente, assim como nas outras linhas através das quais flui ácido metacrílico, um nível mínimo de chamados "*espaços mortos" deve se formar nas colunas. Os espaços mortos levam a um tempo de residência comparativamente longo do ácido metacrílico, o que promove sua polimerização. Além disso, tem-se verificado que, surpreendentemente, espaços mortos não são em muitos casos alcançados em um grau suficiente por estabilizantes ou misturas de estabilizantes opcionalmente usados. A polimerização de ácido metacrílico leva por sua vez a caras paradas de produção e limpeza das partes apropriadas bloqueadas com polímero. Uma maneira de neutralizar a formação de espaços mortos é, tanto por meio do projeto quanto de um modo de operação adequado das colunas, sempre carregá-los com uma quantidade suficiente de líquido, tal que seja obtida uma descarga constante das colunas e especialmente das partes internas da coluna tais como recheios. Por exemplo, as colunas poderão apresentar dispositivos de pulverização que são projetados para a pulverização das partes internas da coluna. Adicionalmente, as partes internas da coluna poderão ser conectadas umas às outras tal que nenhum espaço morto tenha origem. Obtém-se isso por meio de orifícios de saída ou costuras de adesão interrompidas, conforme descrito abaixo. Tais costuras de adesão apresentam pelo menos 2, preferencialmente pelo menos 5 e mais preferencialmente pelo menos 10, interrupções por 1 m de comprimento de costura de adesão. O comprimento dessas interrupções poderá ser selecionado tal que estas constituam pelo menos cerca de 10%, preferencialmente pelo menos cerca de 20% e mais preferencialmente pelo menos cerca de 50%, mas geralmente não mais de 95%, do comprimento da costura de adesão. Outra medida de projeto poderá ser aquela em que, nas regiões internas da coluna, especialmente aquelas que entram em contato com o ácido metacrílico, menos de cerca de 50%, preferencialmente menos de cerca de 25% e mais preferencialmente menos de cerca de 10%, de todas as superfícies, especialmente de regiões internas da coluna, operam horizontalmente. Por exemplo, as extremidades que se abrem para o interior da coluna poderão ser configuradas conicamente ou com superfícies oblíquas. Uma medida poderá consistir em manter o mais baixo possível a quantidade de ácido metacrílico líquido presente no fundo da coluna durante a operação da coluna, e outra, na prevenção de superaquecimento dessa quantidade, apesar de temperaturas moderadas e grandes áreas de evaporação durante a evaporação. Poderá ser vantajoso neste contexto que a quantidade de líquido no fundo da coluna corresponda à faixa de cerca de 0,1 a 15%, e preferencialmente de cerca de 1 a 10%, da quantidade total de ácido metacrílico na coluna.

Na purificação do ácido metacrílico, constituintes de alto ponto de ebulição são separados do produto por destilação. A temperatura do fundo é preferencialmente de cerca de 50 a cerca de 80°C, especialmente de cerca de 60 a cerca de 75°C, sob uma temperatura da parede menor que cerca de 120°C. O material obtido no fundo da coluna é preferencialmente removido continuamente e resfriado por meio de um trocador de calor ou uma cascata de múltiplos trocadores de calor até uma temperatura em uma faixa de cerca de 40 a cerca de 80°C, preferencialmente de cerca de 40 a cerca de 60°C, e mais preferencialmente em uma faixa de cerca de 50 a 60°C.

Para aperfeiçoar o rendimento, os produtos de fundo do segundo aparelho de destilação podem mais uma vez ser evaporados. Esses produtos de fundo do segundo aparelho de destilação podem preferencialmente ser evaporados com um evaporador de circulação e introduzidos no segundo aparelho de destilação. Essa configuração é preferida à de um evaporador de película delgada por razões de custo. Entretanto, evaporadores de circulação exigem manutenção mais intensa se produtos sólidos estão presentes na mistura a ser evaporada. Surpreendentemente, no entanto, de maneira eficaz, resfriamento da mistura reacional, que leva a formação inesperadamente baixa de subprodutos e minimização eficaz dos constituintes sólidos, torna possível utilizar evaporadores de circulação.

No topo da coluna, o ácido metacrílico purificado por destilação é extraído e resfriado por meio de um trocador de calor ou uma cascata de dois ou mais trocadores de calor. Nesse caso, o calor dos vapores pode ser removido por trocadores de calor resfriados a água ou por trocadores de calor resfriados com salmoura ou por uma combinação dos dois. Tem-se verificado ser útil em alguns casos quando os vapores da coluna de destilação são transferidos para dois ou mais trocadores de calor conectados em paralelo, que são operados por meio de resfriamento a água. As frações não-condensadas dos trocadores de calor resfriados a água podem, por exemplo, ser introduzidas em um trocador de calor resfriado com salmoura ou uma cascata de dois ou mais trocadores de calor resfriados com salmoura que poderão ser dispostos em série ou em paralelo. Em uma configuração adicional do aparelho, constituintes de baixo ponto de ebulição podem também ser removidos via uma saída para produtos com baixo ponto de ebulição. Os condensados obteníveis dos trocadores de calor são introduzidos em um recipiente de coleta e enviados a um reservatório de compensação ou tanque tampão por meio de uma bomba via um trocador de calor adicional ou uma cascata de dois ou mais trocadores de calor adicionais. A corrente de condensado é resfriada, por exemplo, por meio de uma cascata de um ou dois trocadores de calor resfriados a água e um ou dois trocadores de calor resfriados com salmoura a uma temperatura em uma faixa de cerca de 18 a cerca de 50°C, preferencialmente de cerca de 18 a cerca de 40°C, e mais preferencialmente em uma faixa de cerca de 18 a 30°C.

Uma subcorrente é extraída da corrente de condensado e é reciclada à coluna de destilação via topo da coluna. A corrente de condensado pode em princípio ser alimentada ao topo da coluna de qualquer maneira desejada, por exemplo, via distribuidores. No entanto, poderá ser vantajoso quando uma porção da corrente de condensado é alimentada à linha de vapor acima do topo da coluna, por exemplo, pulverizada. É também preferido que essa alimentação introduza estabilizante no topo da coluna.

Uma subcorrente adicional do condensado destinado a reciclagem na coluna pode, por exemplo, ser ramificada antes de introdução na linha de vapor e ser introduzida diretamente no topo da coluna. Aqui, também, prefere-se que essa introdução introduza estabilizante no topo da coluna. A introdução no topo da coluna pode ser feita, por exemplo, de tal maneira que o interior do topo da coluna seja pulverizado com um condensado tal que nenhuma zona calma possa se formar no topo da coluna, na qual o ácido metacrílico possa polimerizar. Poderá adicionalmente ser vantajoso adicionar estabilizante para impedir polimerização em uma subcorrente de condensado que é reciclada à coluna. Isso pode ser realizado, por exemplo, adicionando uma quantidade apropriada de inibidor de polimerização como estabilizante à subcorrente de condensado destinada a pulverização do topo da coluna. Tem-se verificado ser vantajoso em alguns casos quando a subcorrente de condensado, após a adição do estabilizante, mas antes de entrada no topo da coluna, atravessa um aparelho de mistura adequado, preferencialmente um misturador estático, a fim de alcançar distribuição substancialmente muito uniforme do estabilizante na subcorrente de condensado.

As substâncias gasosas não-condensáveis que são obtidas no processo de purificação são, por exemplo, enviadas a eliminação.

Um sistema preferido para realizar o processo de acordo com a presente invenção apresenta pelo menos um reator tubular essencial e verticalmente alinhado. Tal sistema também constitui parte do assunto da presente invenção. O reator tubular preferencialmente possui pelo menos dois, mais preferencialmente pelo menos três, trocadores de calor, por meio do quais a temperatura de reação pode ser ajustada em um perfil desejado.

Os reagentes podem ser introduzidos no reator tubular via uma bomba. Para evitar paradas de operação relacionadas com manutenção, é também possível proporcionar duas ou mais bombas que podem ser conectadas em paralelo. Observados na direção de escoamento, os reagentes podem apropriadamente ser misturados a montante das bombas, em cujo caso o sistema mais preferencialmente não apresenta nenhuma parte interna adicional para mistura na região entre as bombas e o reator tubular. Essas medidas permitem que vantagens surpreendentes sejam obtidas com relação a confiabilidade operacional e à vida útil do sistema, e em relação ao rendimento e à pureza do produto.

Um sistema preferido para realizar o processo de acordo com a presente invenção apresenta pelo menos um separador de fases, esse separador de fases sendo ligado por uma linha de reciclagem à linha de alimentação, através da qual a mistura reacional é passada para o separador de fases. A linha de reciclagem por meio da qual o separador de fases poderá preferencialmente ser conectado à linha de alimentação, pela qual a mistura reacional poderá preferencialmente ser passada para o separador de fases, poderá preferencialmente ser equipado com um trocador de calor. Isso permite que a temperatura da fase reciclada seja controlada. O sistema poderá apresentar um, dois ou mais separadores de fases, sendo dada preferência a sistemas com pelo menos dois separadores de fases. Apropriadamente, o primeiro separador de fases poderá ser conectado por uma linha de reciclagem à linha de alimentação pela qual a mistura reacional é passada para o separador de fases. O segundo separador de fases preferencialmente compreende um aparelho para controlar a descarga inorgânica. O segundo separador de fases preferencialmente possui um volume maior que o do primeiro separador de fases. O segundo separador de fases poderá compreender pelo menos um ponto de extração em que pelo menos uma tela que retém partículas relativamente grossas é proporcionada. Nesse caso, o ponto de extração é preferencialmente modificado de tal maneira que partículas relativamente grossas retidas pela tela sejam mecanicamente trituradas. A trituração mecânica pode em particular ser realizada por escoamento turbulento, em cujo caso o atrito sobre as partículas obtidas como resultado na tela as leva a trituração. Por exemplo, a tela pode ser configurada na forma de um tubo introduzido dotado de furos.

Os componentes do sistema que entra em contato com ácido, especialmente o reator tubular, as bombas e o separador de fases, são preferencialmente construídos a partir de um metal resistente a ácido, por exemplo, zircônio, tântalo, titânio ou aço inoxidável, ou um metal revestido que apresenta, por exemplo, uma camada de esmalte ou uma camada de zircônio. Além disso, é também possível utilizar plástico, por exemplo, componentes revestidos com PTFE, componentes grafitizados ou materiais compostos de grafita, especialmente em bombas. A metacrilamida usada para preparar ácido metacrílico pode preferencialmente ser obtida pelo chamado processo ACH. Partindo de cianeto de hidrogênio e acetona, acetona cianidrina é preparada em uma primeira etapa e é, então, convertida em metacrilamida. Essas etapas são descritas, entre outras coisas, na US 7.253.307 , EP-A-1 666 451 e DE 102006058251.9. A descrição acima será agora ilustrada por meio de exemplo com referência a desenhos não-limitativos. O sistema descrito nas figuras refere-se no presente contexto a um sistema para preparação de ácido metacrílico. As figuras mostram: Figura. 1: uma representação esquemática de um sistema para reagir metacrilamida com água, Figura. 2: uma representação esquemática de um sistema para pré-purificar ácido metacrílico, Figura. 3: uma representação esquemática de um sistema de purificação delicada para ácido metacrílico e Figura. 4: uma representação esquemática de um sistema para remover do sistema por hidrólise de metacrilamida a fase aquosa que é obtida. A figura 1 mostra uma modalidade preferida de um sistema 10 em que a metacrilamida é reagida com água. Através das linhas 100, a amida, transportada por bombas 101 e 102, é passada para o reator tubular 103. A água requerida para a reação pode ser alimentada à linha 100 via uma fonte externa, que é conectada à linha 100 via linha 104 na figura 1. Adicionalmente, pelo menos uma porção da água proveniente de um separador de fases 116 que será descrito depois pode ser introduzida na linha 100 via linha 118. Nesse caso, a alimentação, observada na direção de escoamento, pode ser efetuada a montante das bombas 101 e 102. As bombas 101 e 102 são ligadas em paralelo. Uma conexão em paralelo das bombas 101 e 102 permite que se aumente a confiabilidade operacional. Para estabilizar a mistura reacional, estabilizantes podem ser adicionados através da linha 105. A temperatura do reator tubular 103 pode preferencialmente ser controlada por dois, mais preferencialmente por três, trocadores de calor 106, 107 e 108 que, no presente caso, são configurados como constituintes integrais do reator tubular. Com essa finalidade, é possível usar fluidos de resfriamento que são passados através de camisas que são proporcionadas em vários segmentos do reator tubular. A mistura reacional convertida é descarregada via linha 109, que leva a um primeiro separador de fases 110. No primeiro separador de fases, uma porção da fase aquosa é removida. Essa porção da fase aquosa é reciclada à linha 109 via linha 111. Esse circuito é mantido pelas bombas 112,113 ligadas em paralelo. Para aperfeiçoar a eficácia de resfriamento da fase aquosa reciclada via linha 111, a modalidade mostrada no presente caso possui um trocador de calor 114. A mistura reacional resfriada é passada via linha 115 do primeiro separador de fases 110 para o segundo separador de fases 116. O segundo separador de fases 116 poderá especialmente apresentar um dispositivo para controlar a descarga, que não é mostrado na presente figura. A fase aquosa é descarregada via linha 117, e uma porção da fase aquosa pode ser introduzida na linha 100 que conduz amida, especialmente através da linha 118. A porção da fase aquosa que não é reciclada pode ser proces- sada. Um sistema adequado para esse fim é mostrado esquematicamente na figura 4. A fase orgânica é descarregada dessa parte da planta via linha 119. A fase orgânica é preferencialmente purificada por meio de um processo de dois estágios. O sistema mostrado na figura 1 poderá apresentar separadores de gases, que não são mostrados, em vários pontos. Vantajosamente, um separador de gases poderá ser proporcionado especialmente a jusante do segundo separador de fases 116 e a montante do sistema de destilação. A figura 2 mostra um sistema de destilação 20 preferido, por meio do qual são removidos os constituintes de baixo ponto de ebulição da fase orgânica que pode ser obtida da mistura reacional.

Uma fase orgânica que pode ser obtida, por exemplo, por uma descarga do sistema 10 mostrado na figura 1 é introduzida via linha 200 na coluna de destilação 201. A introdução pode ser efetuada, por exemplo, na região do topo da coluna. Os constituintes de baixo ponto de ebulição podem ser transferidos da região de topo da coluna de destilação 201 via linha 202 para um trocador de calor 203. No trocador de calor 203, os vapores são resfriados e descarregados via linha 204, e a porção das substâncias condensadas pode ser reciclada à coluna 201 através da linha 205. Para estabilização, uma composição estabilizante pode ser introduzida na coluna. Isso pode ser realizado, por exemplo, via alimentação 206, por meio da qual uma mistura estabilizante pode ser introduzida na linha 205.

Uma porção dos produtos de fundo da coluna pode ser evaporada em um evaporador de produtos de fundo 208 via linha 207 e ser devolvida à coluna. Os produtos de fundo da coluna podem ser descarregados do sistema pela bomba 210 via linha 209. A figura 3 mostra uma modalidade preferida de um sistema de destilação 30, com o qual o ácido metacrílico obtido nos produtos de fundo do sistema de destilação descrito acima pode ser purificado adicionalmente.

Uma composição que contém ácido metacrílico pode ser introduzida via linha 300 na coluna de destilação 301. Constituintes de alto ponto de ebulição dessa composição são descarregados da coluna por meio dos produtos de fundo via linha 302. Uma porção dessa descarga pode ser evaporada em um evaporador de produtos de fundo 304, que é preferencialmente configurado como um evaporador de circulação, através da linha 303, e ser introduzida no fundo da coluna 301.

Os vapores que contêm ácido metacrílico são extraídos da coluna via linha 305 e condensados no trocador de calor 306. O ácido metacrílico condensado é extraído do sistema de destilação 30 através da linha 307.Uma porção da fase condensada no trocador de calor 306 pode ser introduzida pela linha 308 em um segundo trocador de calor 309 e ser resfriada aí. Por meio da bomba 310, a fase assim resfriada pode ser introduzida no topo da coluna de destilação 301. Para estabilizar a composição presente na coluna de destilação 301, podem ser usados estabili-zantes. Estabilizantes podem ser alimentados, por exemplo, através da linha 311, por meio da qual estabilizantes podem ser introduzidos no trocador de calor 309. A figura 4 mostra uma representação esquemática de um sistema preferido para remover do sistema 10 por hidrólise da metacrilamida a fase aquosa que é obtida. A fase aquosa pode ser introduzida via linha 400 em um recipiente de ácido 401 que é carregado com vapor via alimentação 402. As substâncias gasosas liberadas como resultado são descarregadas via linha 403 em um condensador 404. A fase aquosa é transferida via linha 405 para uma coluna 406, que é também carregada com vapor via uma alimentação 407. A descarga aquosa pode ser realizada através da linha 408. A fase de vapor é introduzida via linha 409 em um condensador 404. A fase condensada é extraída do sistema via linha 410 e pode, entre outras coisas, ser enviada ao processo de hidrólise mostrado na figura 1, uma vez que essa fase apresenta uma alta proporção de água e constituintes orgânicos voláteis, especialmente de ácido metacrílico e metacrilamida. A presente invenção será ilustrada, a seguir, usando um exemplo, sem a intenção de que isso deverá impor uma restrição.

Exemplo 1 Ácido metacrílico (AM) é preparado em um sistema mostrado na figurai. Nesse sistema, com reator tubular 103 (reator; H = 19,7m, D = 0,78 m, pressão máx. perm.: 0,6 MPa, temperatura máx. perm.: 200°C), assegura-se operação virtualmente sem problemas do sistema por mais de seis meses. No curso desse tempo, a carga do sistema pode ser variada dentro de amplas faixas. São obtidas cargas de até 20.000 toneladas de AM por ano com uma pureza de pelo menos 99,5% (CLAE ou HPLC em inglês).

REIVINDICAÇÕES

Claims (21)

1. Processo para preparação de ácido metacrílico por meio de reação de metacrilamida com água, sendo a conversão efetuada continuamente em um reator tubular (103), o dito processo sendo caracterizado pelo fato de que há uma diferença de pressão no reator tubular (103) na direção de escoamento da mistura reacional.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a diferença de pressão entre a entrada dos reagentes e a saída dos produtos do reator tubular (103) é de pelo menos 0,1 MPa.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os reagentes são convertidos sob uma alta pressão no início da reação e sob uma pressão menor no final da reação.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a temperatura é medida e regulada em pelo menos duas regiões.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a reação é efetuada a uma temperatura na faixa de 90Ό a 150Ό.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a reação é efetuada a uma temperatura na faixa de 90 a 130Ό no início da reação e na faixa de 110 a 150Ό no fim da reação.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os reagentes são convertidos sob uma pressão no início da reação menor que a pressão no fim reação.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura no fim da reação é pelo menos 5Ό maior que no início da reação.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a temperatura no final da reação é no máximo 25Ό maior que no início da reação.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a reação é efetuada a uma pressão na faixa de 0,15 MPa a 0,6 MPa.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a conversão é efetuada a uma pressão na faixa de 0,2 a 0,6 MPa no início da reação e a uma pressão na faixa de 0,15 a 0,5 MPa no fim da reação.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o reator tubular (103) tem seu fluxo de baixo para cima.

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a reação é catalisada com ácido.

14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a mistura reacional compreende pelo menos um estabilizante.

15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que a razão molar de água para metacrilamida na mistura reacional usada situa-se na faixa de 1:1 a 7:1.

16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que é usada uma mistura que compreende 10 a 40% em peso de metacrilamida, 20 a 50% em peso de água, 30 a 65% em peso de ácido sulfúrico e 0 a 5% em peso de aditivos adicionais.

17. Processo, de acordo com qualquer menos uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que o pH da mistura usada situa-se na faixa de 1 a 2.

18. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado pelo fato de que o tempo de residência situa-se na faixa de 10 minutos a 2 horas.

19. Sistema para realização de um processo, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um reator tubular (103) essencial e verticalmente alinhado.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o reator tubular é construído a partir de um metal resistente a ácido ou um metal revestido.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 19 ou 20, caracterizado pelo fato de que o reator tubular apresenta pelo menos dois trocadores de calor (106, 107, 108).