FR2750984A1 - Preparation d'acide acetique et/ou d'acetate de methyle par une reaction de carbonylation - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'acide acétique et/ou d'acétate de méthyle par une réaction de carbonylation en présence d'iridium et éventuellement de rhodium. La réaction est mise en oeuvre dans une installation comprenant notamment une première zone avec un réacteur principal de carbonylation, une seconde dans laquelle le mélange réactionnel est vaporisé partiellement. Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on consomme le monoxyde de carbone présent dans le milieu réactionnel, en alimentant ledit mélange réactionnel dans un réacteur supplémentaire situé entre le réacteur principal de carbonylation et la zone dans laquelle le mélange réactionnel est vaporisé partiellement.
Description
PREPARATION D'ACIDE ACETIQUE ET/OU D'ACETATE DE METHYLE
PAR UNE REACTION DE CARBONYLATION
La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'acide acétique et/ou d'acétate de méthyle en mettant en oeuvre une réaction de carbonylation du méthanol, en présence de monoxyde de carbone et d'un système catalytique à base
d'iridium ou d'un mélange rhodium/iridium.
Les procédés de carbonylation sont bien connus de l'homme du métier, qu'ils soient mis en oeuvre avec des catalyseurs solubles ou non dans le mélange réactionnel. la présente invention est plus particulièrement dirigée sur les réactions mettant en
jeu un système catalytique homogène au milieu réactionnel.
Une nouvelle génération de procédés employant des systèmes catalytiques à base d'iridium, ou d'un mélange iridium/rhodium a été développée. On pourra notamment se référer aux demandes de brevets EP 618 183, EP 618 184,
WO 95/31426, WO 96/11179.
Résumés rapidement, ces procédés consistent à maintenir une composition particulière du mélange réactionnel, de façon constante, pendant le procédé de
carbonylation.
Le mélange réactionnel est constitué de 0 exclu à 10 % d'eau, de 0 exclu à 10 % de méthanol, de 0 exclu à 40 % d'acétate de méthyle, de 0 exclu à 20 % d'un promoteur halogéné, qui est plus particulièrement choisi parmi les halogénures d'alkyle et qui, de
façon préférentielle, est de l'iodure de méthyle.
Eventuellement, le mélange réactionnel comprend des iodures solubles. Par iodures solubles, on entend des espèces ioniques, organiques ou minérales, telles que les iodures de métaux alcalins ou alcalino-terreux ou des composés organo-phosphorés ou organo-azotés, par exemple. L'une des innovations de ces procédés de nouvelles générations réside dans le fait que, contrairement aux procédés ne mettant en jeu que des catalyseurs homogènes comprenant du rhodium, les teneurs en iodures solubles mises en jeu dans la réaction, lorsque ceux-ci sont présents, sont considérablement plus faibles. En effet, alors que dans le cas du rhodium, les teneurs sont de l'ordre d'une dizaine de pour-cents, dans le cas des procédés nouveaux comprenant au moins de l'iridium, ces teneurs sont telles que le rapport atomique T/Erest inférieur à 10, de
préférence inférieur à 3.
Il est rappelé que ces iodures étaient essentiels aux procédés catalysés par le rhodium afin de conserver une stabilité en milieu homogène du catalyseur; problème d'autant plus critique que la teneur en eau présente dans le milieu était de son côté
considérablement réduite.
Or, de façon tout à fait inattendue, il a été montré que les procédés de carbonylation catalysés par au moins de l'iridium, ne nécessitaient pas l'emploi de telles quantités d'iodures ioniques, et ce malgré les teneurs en eau elles aussi très faibles. Classiquement, les procédé de carbonylation sont exploités dans des installations
comprenant essentiellement trois zones.
La première est constituée par la réaction de carbonylation elle-même. Elle est mise en oeuvre dans un réacteur agité, muni de divers moyens d'alimentation des réactifs liquides et gazeux, ainsi que d'une alimentation consistant en une fraction
recyclée du mélange réactionnel. La réaction de carbonylation a lieu sous pression.
La seconde zone consiste à séparer du mélange réactionnel, l'acide et/ou l'ester produits. Ceci est effectué en détendant le mélange réactionnel, ce qui a pour
conséquence d'entraîner sa vaporisation partielle (zone de flash).
La partie restée liquide et comprenant, entre autres, le catalyseur, est recyclée au réacteur. Celle qui a été vaporisée et qui contient l'acide et/ou l'ester produits, est dirigée vers une troisième zone de l'installation, comprenant diverses colonnes de distillation,
afin de séparer les produits fabriqués du reste du mélange.
Le procédé selon l'invention a pour objet une amélioration des procédés décrits ci-
dessus, ayant plus particulièrement trait à la limitation des pertes en monoxyde de carbone. En effet, il est important de limiter celles-ci au maximum, d'une part, parce qu'il s'agit d'un réactif, et d'autre part, parce qu'il représente un coût non négligeable dans
les installations de carbonylation.
Ce gaz est perdu de diverses façons dans le procédé.
Tout d'abord, il est consommé avec la réaction secondaire, dite réaction de gaz à l'eau, qui correspond à la réaction du monoxyde de carbone avec l'eau présente dans le
milieu, pour donner un mélange d'hydrogène et de dioxyde de carbone.
Malheureusement, il semble que ce type de perte soit inévitable.
La limitation de la teneur en eau a certes apporté une bonne contribution à la baisse de ce type de perte en monoxyde de carbone. Il n'en reste pas moins que malgré l'augmentation de la sélectivité du procédé, il se forme toujours du dioxyde de carbone et de l'hydrogène qui s'accumulent dans le ciel du réacteur et qu'il est nécessaire de purger régulièrement. Or, dans le ciel du réacteur se trouve aussi du monoxyde de carbone qui est entraîné avec les gaz purgés, et se trouve dès lors, perdu dans l'opération.. Une autre origine des pertes en monoxyde de carbone, se trouve située dans la zone de vaporisation partielle du mélange réactionnel. En effet, ce dernier comprend une quantité non négligeable de monoxyde de carbone dissous. Lors de la détente du mélange, le monoxyde de carbone est vaporisé et se trouve écarté de la réaction de carbonylation proprement dite. Le procédé de l'invention propose une solution à la perte en monoxyde de
carbone dans la zone de vaporisation partielle.
Ainsi, la présente invention consiste en un procédé de préparation d'acide acétique et/ou d'acétate de méthyle par une réaction de carbonylation de méthanol, en présence de monoxyde de carbone et d'un système catalytique comprenant un promoteur halogéné et au moins un composé de l'iridium, éventuellement en combinaison avec au moins un composé du rhodium. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on consomme le monoxyde de carbone présent dans le milieu réactionnel, en alimentant ce dernier dans un réacteur supplémentaire situé entre le réacteur principal de carbonylation et la zone dans laquelle le mélange réactionnel est
vaporisé partiellement.
Il a été trouvé d'une façon totalement inattendue que la consommation du monoxyde de carbone présent dans le milieu ne déstabilisait pas le catalyseur engagé,
malgré des conditions a priori très défavorables.
En effet, il existe un préjugé très fort dans le domaine de la carbonylation en phase liquide, préjugé fondé sur des observations de comportement du catalyseur, tant à l'échelle du laboratoire qu'à l'échelle industrielle. Ce préjugé consiste à dire que le catalyseur rhodié ou iridié, engagé sous la forme de complexe soluble n'est plus stable
dans le milieu réactionnel sous cette forme, si la teneur en eau dans le milieu est faible.
Ce point négatif peut être compensé en ajoutant au milieu réactionnel une teneur très forte en iodures solubles, type iodure de lithium, solution adoptée et qui fait l'objet
d'exploitation à l'échelle industrielle.
En outre, il est connu que le monoxyde de carbone est l'un des ligands du complexe du métal mis en oeuvre et que la diminution de la quantité de ce gaz dissous
dans le milieu peut provoquer une déstabilisation supplémentaire dudit complexe.
Or, les conditions de carbonylation de la présente invention peuvent être considérées comme très défavorables à la stabilité du catalyseur. En effet, non seulement, la teneur en eau est faible, mais aussi les iodures ne sont pas présents ou le sont, mais dans des quantités considérablement plus réduites que celles des procédés
mettant en oeuvre un catalyseur uniquement à base de rhodium.
Par conséquent, rien ne laissait supposer que consommer la majeure partie du monoxyde de carbone dissous n'aurait pas pour conséquence directe d'entraîner une précipitation irrémédiable du catalyseur, et plus particulièrement des métaux catalytiques. Les connaissances de l'homme du métier le conduisaient bien au contraire à ne pas procéder de la sorte, ou en tout cas le conduisaient à ne consommer le monoxyde de carbone qu'avec des compensations comme l'augmentation de la teneur
en eau ou bien l'utilisation de quantités élevées d'iodures ioniques.
D'une manière totalement inattendue, aucune précipitation substantielle du catalyseur n'a été constatée, et ceci sans aucune compensation extérieure, telles que
celles qui viennent d'être explicitées.
Par ailleurs, le procédé selon l'invention reste particulièrement productif et sélectif.
Mais d'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus
clairement à la lecture de la description et des exemples qui vont suivre.
Ainsi que cela a été mentionné auparavant, la présente invention a pour objet un procédé de préparation d'acide acétique et/ou d'acétate de méthyle en mettant en oeuvre une réaction de carbonylation du méthanol, en présence de monoxyde de carbone et d'un système catalytique comprenant un promoteur halogéné et au moins un composé de l'iridium, éventuellement en combinaison avec au moins un composé du rhodium, ladite réaction étant mise en oeuvre dans une installation comprenant une première zone comprenant un réacteur principal de carbonylation, une seconde dans laquelle le mélange réactionnel est vaporisé partiellement, et une troisième zone dans laquelle l'acide et/ou l'ester produits sont purifiés, procédé caractérisé par le fait que l'on consomme le monoxyde de carbone présent dans le milieu réactionnel, en introduisant ledit mélange réactionnel dans un réacteur supplémentaire situé entre le réacteur principal de carbonylation et la zone dans laquelle le mélange réactionnel est vaporisé partiellement. En d'autres termes, la présente invention consiste à intercaler entre le réacteur principal et la zone de vaporisation partielle, plus particulièrement en amont de la vanne de détente du mélange réactionnel, un réacteur supplémentaire dans lequel le
monoxyde de carbone présent à l'état dissous et/ou entraîné sera consommé.
D'une manière avantageuse, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre en continu. Une caractéristique de la réaction de carbonylation mise en oeuvre dans le procédé de l'invention, est que pendant la réaction, la composition du mélange
réactionnel est maintenue constamment.
Ledit mélange réactionnel comprend d'une part, un système catalytique à base
d'un composé de l'iridium et éventuellement du rhodium, et d'un promoteur halogéné.
Par ailleurs, le mélange réactionnel comprend en outre de l'eau, le réactif, qui comme indiqué auparavant est le méthanol, de l'acétate de méthyle, éventuellement
des iodures solubles et l'acide produit.
Dans tout ce qui va suivre, et sauf indication contraire, les pourcentages indiqués
sont exprimés en poids, rapportés au poids total du mélange réactionnel.
Ainsi, la composition du mélange réactionnel maintenue est la suivante: de 0 exclu à 10 % d'eau, de 0 exclu à 40 % d'acétate de méthyle, de 0 à 10 % de méthanol, de 0 exclu à 20 % de promoteur halogéné, des iodures solubles dans une quantité telle que le rapport atomique iodures solubles/iridium (exprimé en mole/mole), est maintenu
compris entre 0 exclu et 10.
D'une manière générale, pour ce qui a trait à la composition du mélange réactionnel et aux conditions de mise en oeuvre de la réaction de carbonylation, on pourra se reporter aux demandes européennes précitées ainsi qu'à la demande de
brevet international WO 95/31426.
Néanmoins, les composés à base de rhodium et d'iridium utilisés habituellement
dans les réactions de carbonylation conviennent à la mise en oeuvre de l'invention.
A ce titre, les demandes de brevets européens EP 618 183, EP 618 184 et les
brevets américains US 3 769 329 et US 3 772 380 en donnent de nombreux exemples.
Dans le cadre de la présente invention le rapport atomique rhodium/iridium varie
entre 0 et 99.
Le second constituant du système catalytique est un promoteur halogéné. Celui-ci peut se présenter sous la forme d'un halogène seul, ou en combinaison avec d'autres éléments comme par exemple l'hydrogène ou encore le radical méthyle. L'halogène est
de préférence l'iode.
De préférence, ce mode de réalisation est effectué en présence d'un promoteur halogéné dont le radical correspond à celui de l'alcool utilisé comme réactif lors de la
réaction selon l'invention. Ainsi, le promoteur préféré est l'iodure de méthyle.
La teneur en promoteur halogéné dans le milieu est comprise entre 0 exclu et %. Selon une variante de l'invention, la teneur en promoteur halogéné dans le milieu réactionnel est comprise entre 0 exclu et 10 %, plus particulièrement entre 0,5 et 8 % et
de préférence entre 1 et 6 %.
En ce qui concerne le méthanol, il est à noter que celui-ci peut se trouver sous cette forme mais aussi sous une forme masquée, telle que notamment l'acétate de
méthyle ou l'iodure de méthyle.
C'est pourquoi, la teneur en ce réactif dans le milieu réactionnel peut varier dans de larges limites, du fait des différentes espèces sous lesquelles le réactif peut se présenter. Ainsi, la teneur en méthanol en tant que tel, dans le milieu réactionnel peut être comprise entre 0 et 10 %. De préférence, le milieu comprend une teneur en
méthanol comprise entre 0,1 et 8 %.
La teneur en eau varie entre 0 exclu et 10 %. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la teneur en eau dans le milieu est comprise entre 0,5 et 8 % et
de préférence entre 2 et 8 %.
Plus particulièrement, la teneur en ester dans ledit milieu est comprise entre 0 exclu et 40%. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la teneur en ester
est comprise entre 2 et 40 % et de préférence entre 5 et 30%.
Les pourcentages sont exprimés en poids par rapport au poids du mélange réactionnel. En ce qui concerne les iodures solubles, on désigne par ce terme des espèces ioniques, c'est-à-dire ne comprenant pas les iodures covalents (tels que notamment le
promoteur halogéné) ni l'acide iodhydrique.
Ainsi, les iodures introduits dans ledit mélange, en tant que tels, sont choisis parmi les iodures minéraux ou organiques. A titre d'iodures minéraux, on peut citer principalement les iodures de métal alcalinoterreux ou alcalin, ces derniers étant préférés. On peut citer parmi ceux-ci l'iodure de potassium, l'iodure de lithium, l'iodure de sodium. A titre d'iodures organiques, on peut citer les composés organiques,
comprenant au moins un groupe organo-phosphoré et/ou au moins un groupe organo-
azoté, réagissant avec des composés à base d'iode, pour donner des espèces ioniques renfermant cet halogène. A titre d'exemple, on peut mentionner l'iodure de triphényle phosphonium, l'iodure de N- méthyltriéthyle ammonium. A titre de composés susceptibles de former des iodures solubles dans le milieu réactionnel, on peut citer sans intention de se limiter les carboxylates, les hydroxydes de métaux alcalins ou
alcalino-terreux, tels que l'acétate de lithium, la potasse, la soude notamment.
En outre, il est à noter que les iodures peuvent avoir d'autres origines que celles indiquées ci-dessus. Ainsi, ces composés peuvent provenir d'impuretés comme les métaux alcalins ou alcalino-terreux, impuretés présentes dans les matières premières employées pour préparer la solution catalytique ou bien encore provenir des métaux de corrosion apparaissant pendant la réaction de carbonylation. Il est préférable de maintenir le seuil de concentration de ces métaux relativement faible, de l'ordre de quelques centaines de parties par millions, car ils ont notamment pour effet de favoriser la réaction de gaz à l'eau et contribuent à augmenter le rapport atomique iodures / iridium. La réaction de carbonylation est donc conduite en présence d'iodures solubles tels que définis dans une quantité telle que le rapport atomique iodures solubles/iridium (exprimé en mole/mole), est maintenu compris entre 0 exclu et 10, de préférence entre 0 exclu et 3. De manière particulièrement avantageuse, ce rapport est compris entre 0
exclu et 1,5.
Le complément à 100 % en poids du mélange réactionnel est assuré par l'acide
carboxylique précité, qui constitue le solvant de la réaction.
L'autre réactif nécessaire à l'obtention d'acide acétique est bien sûr le monoxyde
de carbone. Celui-ci peut être utilisé sous forme pure ou diluée.
La pression partielle en monoxyde de carbone est habituellement comprise entre 5 et 200 bar absolus, plus particulièrement entre 5 et 100 bar absolus. De préférence, la
pression partielle en monoxyde de carbone est comprise entre 10 et 50 bar absolus.
Selon une caractéristique essentielle du procédé selon l'invention, le mélange
réactionnel en sortie du réacteur est donc alimenté dans un réacteur supplémentaire.
La température dans ce réacteur est du même ordre que celle du réacteur
principal. Elle est donc généralement comprise entre 150 et 250 C.
Il est à noter que ledit réacteur peut être muni des moyens classiques pour y maintenir la température dans la gamme précitée, notamment calorifugeage, chauffage
ou refroidissement.
La pression totale régnant dans l'enceinte du réacteur supplémentaire est la même que celle du réacteur principal, soit habituellement de 5 à 200 bar absolus, de
préférence de 5 à 100 bar absolus.
Le temps de séjour dans le réacteur supplémentaire est inférieur à 200 secondes.
Le réacteur en question, selon un mode de réalisation avantageux, peut consister en un réacteur tubulaire, qui est, de préférence, dépourvu de moyens d'agitation ou
d'obstacles internes. Il est à noter que d'autres formes de réacteur sont possibles.
Le mélange réactionnel ainsi traité est détendu, en sortie du réacteur supplémentaire, selon les méthodes classiques, la fraction non vaporisée étant recyclée
au réacteur principal.
La pression totale dans cette zone est plus faible que celle des réacteurs principal
et supplémentaire. Habituellement, elle est comprise entre 1 et 20 bar absolus.
Cette opération de détente peut avoir lieu avec ou sans apport de chaleur. La
dernière possibilité (conditions adiabatiques) est préférée.
Selon une variante particulièrement avantageuse de l'invention, on met en contact la fraction non vaporisée avec un flux comprenant majoritairement du monoxyde de carbone de telle sorte que ce flux ne retourne pas dans la zone de vaporisation. En d'autres termes, on met en oeuvre des moyens adéquats pour éviter le dégazage du
monoxyde de carbone, qui constitue le composé essentiel, vers la zone de flash.
Il est à noter que le monoxyde de carbone peut être employé sous une forme pure
ou bien comprendre d'autres gaz comme de l'hydrogène, du méthane, de l'azote.
Selon une première variante, le monoxyde de carbone est introduit sous la forme
d'un gaz.
Afin de ne pas avoir de retour dudit composé vers le flash, I'introduction a lieu en aval de la pompe grâce à laquelle la fraction liquide non vaporisée est recyclée au
réacteur principal.
La pression partielle en gaz introduit, comprenant en majeure partie du monoxyde de carbone, varie dans de larges limites. Elle est plus particulièrement comprise entre 1
et 100 bar absolus.
La fraction non vaporisée peut par ailleurs avoir subi, au préalable, tout type de traitement, dans le but notamment de purifier celle-ci, tel que par exemple un traitement pour éliminer les métaux de corrosion, par exemple en utilisant une résine échangeuse
d'ions.
Selon une seconde variante du présent procédé, la fraction non vaporisée du mélange réactionnel, issue du flash, est mise en contact avec un flux liquide comprenant du monoxyde de carbone à l'état dissous, avant d'être retournée au réacteur. Cette variante est avantageuse en ce sens qu'introduire un liquide dans lequel du
monoxyde de carbone est dissous permet de rendre instantanément actif ce composé.
La quantité de monoxyde de carbone introduite est au plus égale à la limite de la solubilité de ce gaz dans le liquide employé, selon les conditions de température et de pression. Plus particulièrement la quantité de monoxyde de carbone dissous est comprise entre 0 exclu et 10 %, cette teneur étant liée à la température et la pression du liquide. Pour plus de précision, on pourra se reporter à ce sujet à la demande de brevet
WO 96/14286.
Un exemple concret de l'invention va maintenant être présenté.
EXEMPLE
On effectue une réaction de carbonylation du méthanol, avec du monoxyde de carbone, en mettant en oeuvre un mélange réactionnel de composition suivante: iridium 1800 ppm méthanol 0,05 % poids iodure de méthyle 10 % poids acétate de méthyle 15 % poids eau 4,5 % poids acide acétique qsp 100 %
La température est de 190 C.
La pression en monoxyde de carbone est de 16 bara, et la pression totale est de
barg.
La vitesse de la carbonylation est de 13 mol/h.l. L'appareillage comprend successivement, un réacteur principal, un réacteur
tubulaire supplémentaire et un séparateur flash.
Le mélange réactionnel, en sortie du réacteur principal, est introduit dans le
réacteur tubulaire. Le temps de séjour y est inférieur à 3 minutes.
On constate que si l'on porte la température du réacteur tubulaire de 160 à 190 C, la quantité de monoxyde de carbone dissous et/ou entraîné, mesurée en sortie du flash,
est abaissée de 80 %.
On ne remarque par ailleurs pas de précipitation du catalyseur dans cette zone ni
celle de vaporisation partielle qui la suit.
Claims (6)
1. Procédé de préparation d'acide acétique et/ou d'acétate de méthyle par une réaction de carbonylation du méthanol, en présence de monoxyde de carbone et d'un système catalytique comprenant au moins un promoteur halogéné et au moins un composé de l'iridium éventuellement en combinaison avec au moins un composé du rhodium, ladite réaction étant mise en oeuvre dans une installation comprenant une première zone comprenant un réacteur principal de carbonylation, une seconde dans laquelle le mélange réactionnel est vaporisé partiellement, et une troisième zone dans laquelle la fraction vaporisée du mélange réactionnel est purifiée, la fraction non vaporisée étant recyclée au réacteur principal de carbonylation, caractérisé en ce que l'on consomme le monoxyde de carbone présent dans le milieu réactionnel, en alimentant ledit mélange réactionnel dans un réacteur supplémentaire situé entre le réacteur principal de carbonylation et la zone dans laquelle le mélange réactionnel est
vaporisé partiellement.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'on alimente dans le réacteur supplémentaire, un mélange réactionnel présentant la composition suivante: de 0 exclu à 10 % d'eau, de 0 exclu à 40 % d'acétate de méthyle, de 0 à 10 % de méthanol, de 0 exclu à 20 % de promoteur halogéné, des iodures solubles dans une quantité telle que le rapport atomique iodures solubles/iridium (exprimé en
mole/mole), est maintenu compris entre 0 exclu et 10.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en
ce que le temps de séjour dans le réacteur supplémentaire est inférieur à 200 secondes.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en
ce que la pression dans le réacteur supplémentaire est comprise entre 5 et 200 bar
absolus.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en
ce que l'on met en contact la fraction non vaporisée précitée avec du monoxyde de
carbone de telle sorte que le gaz ne retourne pas dans la zone de vaporisation.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en
ce que la température dans le réacteur supplémentaire est comprise entre 150 et
250 C0.
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| GB2315069B (en) | 2000-05-10 |
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