FR2972725A1 - Procede de preparation d'un ester d'acide carboxylique de faible consommation energetique - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'acétate d'éthyle consistant à faire réagir de l'alcool éthylique avec de l'acide acétique en présence d'un catalyseur acide solide et à séparer simultanément les composants de la réaction par distillation dans un dispositif de distillation réactive comprenant au moins trois zones : une zone réactionnelle dans laquelle la réaction se déroule simultanément avec la séparation par distillation des composants dans une zone de séparation supérieure et dans une zone de séparation inférieure. La phase organique obtenue dans la zone de séparation supérieure étant isolée et refluée partiellement dans la zone réactionnelle. Le procédé de l'invention est amélioré d'une part en ce qui concerne les coûts énergétiques de fonctionnement tout en obtenant un taux de transformation de l'éthanol tout à fait satisfaisant, et d'autre par un flux de pied de colonne contenant une très faible proportion d'acide, ce qui simplifie l'aval du procédé et en réduit le coût énergétique.

Description

PROCEDE DE PREPARATION D'UN ESTER D'ACIDE CARBOXYLIQUE DE FAIBLE CONSOMMATION ENERGETIQUE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'acétate d'éthyle consistant à faire réagir de l'alcool éthylique avec de l'acide acétique en présence d'un catalyseur acide solide et à séparer simultanément les composants de la réaction par distillation dans un dispositif de distillation réactive comprenant au moins trois zones : une zone réactionnelle dans laquelle la réaction se déroule simultanément avec la séparation par distillation des composants dans une zone de séparation supérieure et dans une zone de séparation inférieure. La phase organique obtenue dans la zone de séparation supérieure étant isolée et refluée partiellement dans la zone réactionnelle. Le procédé de l'invention est amélioré d'une part en ce qui concerne les coûts énergétiques de fonctionnement tout en obtenant un taux de transformation de l'éthanol tout à fait satisfaisant, et d'autre par un flux de pied de colonne contenant une très faible proportion d'acide, ce qui simplifie l'aval du procédé et en réduit le coût énergétique.

Les esters de l'acide acétique, en particulier l'acétate d'éthyle, sont utilisés généralement comme solvants organiques. En particulier, l'acétate d'éthyle est utilisé notamment dans le domaine de la cosmétique, de la parfumerie, dans les colles, peintures et vernis. Selon l'application visée, une pureté plus ou moins élevée est demandée et il est courant de requérir que la quantité d'acide acétique présent dans l'acétate d'éthyle soit inférieure à 0,01 % en masse. Ainsi, les procédés de fabrication de l'acétate d'éthyle doivent conduire à un produit de qualité. Etant donné que l'acétate d'éthyle est un produit de consommation courante, à gros volume, il importe que son procédé de fabrication soit le plus performant possible, en termes de productivité et de bilan énergétique.

Il est décrit dans l'art antérieur différents procédés de préparation d'acétate d'éthyle notamment par distillation réactive dans lequel le rapport molaire entre l'acide acétique et l'alcool peut être compris entre 0,1 et 2. Toutefois, la productivité de ce procédé ainsi que la réduction des coûts énergétiques de production peuvent être améliorés.

L'objectif de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de préparation d'un ester d'acide carboxylique, en termes d'économie de procédé.

INVENTION La présente invention a donc pour objet un procédé de production d'acétate d'éthyle par réaction d'alcool éthylique avec de l'acide acétique en présence d'un catalyseur acide solide et pendant la séparation simultanée par distillation des composants réactionnels dans un système de distillation réactive, dans lequel les composants de départ sont l'acide acétique et l'alcool éthylique et sont introduits séparément ou simultanément avec un rapport molaire acide acétique sur alcool éthylique compris entre 0,85 et 0,97 (bornes incluses) dans un système dans lequel la zone de réaction est centralement placée entre une zone supérieure de séparation et une zone inférieure de séparation, la réaction se passe simultanément avec la séparation par distillation des composants ayant des points d'ébullition différents alors que la séparation des composants a lieu dans lesdites zones supérieure et inférieure de séparation, le rapport entre l'alimentation des composants de départ dans le système et l'écoulement de retour de reflux de la phase organique de la zone supérieure de réaction à l'emplacement de réaction est compris entre 1,0 et 1,5 (bornes incluses).

Conformément au procédé de l'invention, il a été trouvé selon l'invention, que dès lors que le rapport molaire acide acétique sur alcool éthylique est compris entre 0,85 et 0,97 dans un procédé de distillation réactive ; ledit procédé est amélioré en ce qui concerne les coûts énergétiques de fonctionnement tout en obtenant un taux de transformation de l'éthanol tout a fait satisfaisant. Il apparait ainsi que la plage de fonctionnement du procédé de la présente invention est fondamentalement différent en matière de consommation énergétique et donc en coûts énergétiques de fonctionnement, par rapports aux procédés de fabrication d'acétate d'éthyle par distillation réactive connus de l'art antérieur comme illustré dans la partie expérimentale. Le procédé de l'invention aux coûts opératoires plus faibles est donc plus économique.

Il apparait enfin que le procédé selon la présente invention a également pour avantage de ne pas ou pratiquement pas générer d'acide acétique en pied de colonne de distillation réactive. Ce qui évite ainsi des étapes de traitement ou de recyclage ulterieures sans perte de matière premiere ; rendant ainsi le procédé encore plus économique.

Le rapport molaire acide acétique sur alcool éthylique est préférentiellement compris entre 0,90 et 0,95 (bornes incluses).

Le rapport entre l'alimentation des composants de départ dans le système et l'écoulement de retour de reflux de la phase organique de la zone supérieure de réaction à l'emplacement de réaction est préférentiellement compris entre 1,1 et 1,4.

Le catalyseur intervenant dans le procédé de l'invention est un catalyseur acide solide, dit hétérogène. Les catalyseurs acides hétérogènes de l'invention sont préférentiellement des résines sulfoniques ou des zéolithes. Les zéolithes qui peuvent être utilisés sont par exemple celles citées dans la demande W02007/099071. Les résines qui conviennent à la présente invention peuvent être constituées d'un squelette polystyrénique ou polyacrylique qui porte des groupes fonctionnels sulfoniques. Ainsi, on peut mettre en oeuvre les résines sulfoniques existant sur le marché, résines commercialisées sous différentes dénominations commerciales. On peut citer, entre autres, les résines d'estérification suivantes : AmberlystO 15 et 36 de Rhom Haas, Amberlite0 IR-120 H de Rhom Haas, Lewatit0 2631 de Bayer et K1431 de Bayer. L'acidité de ces résines est par exemple comprise entre 1 et 10 eq/kg (H+). Ces résines sont notamment mises en oeuvre en lit fixe ou fluidisé, de préférence en lit fixe.

La quantité de catalyseur introduite est telle que la quantité présente dans le réacteur est de préférence comprise entre 0,1 et 2 % en masse par rapport au milieu réactionnel.

La zone réactionnelle de la colonne de distillation réactive comprend généralement au moins un lit catalytique d'estérification. Le catalyseur peut être enfermé dans au moins une enveloppe perméable, enveloppe constituée par exemple par une toile en tissu, en matériau synthétique par exemple en polypropylène, ou en tissu métallique. Le catalyseur peut également être disposé en vrac, c'est-à-dire librement, à l'intérieur de chaque lit catalytique de la zone catalytique. Dans ce cas, pour maintenir le catalyseur en place et pour éviter qu'il soit entraîné par le courant de liquide qui le traverse, on prévoit généralement que tout lit catalytique compris dans la zone catalytique repose sur tout dispositif permettant le passage du liquide mais imperméable aux particules catalytiques, telles que par exemple une grille de type Johnson ou des busettes de type Johnson réparties régulièrement sur une surface imperméable aux flux gazeux, liquides ou solides. Lorsque le catalyseur est disposé en vrac, on peut prévoir de l'utiliser sous forme de lit fixe, de lit expansé ou de lit fluidisé.

Les catalyseurs peuvent être immobilisés à la surface de supports inertes telles que des grilles métalliques ou des éléments en silice qui forment une structure fixe, dite lit fixe, ou une structure mouvante, dite lit fluidisé, placé dans le réacteur. Un des garnissage les plus utilisé est le Katapak de Sulzer qui est formé par un empilement de plaques métalliques ondulées entre lesquelles sont disposées les particules de catalyseur

Il est possible d'introduire d'autres composés dans la réaction, par exemple des inhibiteurs de corrosion.

Conformément au procédé de l'invention, la réaction d'estérification est tout préférentiellement conduite selon un mode continu.

Comme dispositif de distillation réactive convenable pour la mise en oeuvre du procédé on peut notamment citer celui mentionné dans le brevet EP1220829 et comprenant une zone réactionnelle placée centralement entre une zone supérieure de séparation et une zone inférieure de séparation.

L'acide acétique est préférentiellement introduit dans la zone réactionnelle ou au-dessus de cette zone en un emplacement situé au-dessus de l'emplacement de la fourniture d'alcool éthylique. L'alcool éthylique fourni est préférentiellement introduit dans la zone réactionnelle ou sous cette zone. L'acide acétique ainsi introduit peut également comprendre au moins un autre composé, notamment un des composés choisis dans le groupe constitué par : l'acétate d'éthyle, de l'eau, et de l'alcool éthylique.

De façon avantageuse, la température de la réaction est comprise entre 50 et 15 150°C, de préférence entre 80 et 100°C.

La réaction est préférentiellement conduite à pression atmosphérique. Une pression légèrement supérieure ou inférieure à la pression atmosphérique peut également convenir. La réaction est avantageusement conduite à une pression 20 telle que le mélange réactionnel est partiellement à l'état liquide. Ainsi, le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre, par exemple, à une pression absolue comprise entre 0,5 et 5 bar absolu, et encore plus préférentiellement entre 0,5 et 1,5 bar.

25 Dans le procédé de l'invention, le milieu sortant de la zone inférieure de séparation du système, également appelé milieu en pied du système de distillation réactive, comprendre préférentiellement moins de 1 % en masse d'acide acétique.

30 Dans le procédé de l'invention, le milieu sortant de la zone inférieure de séparation du système, également appelé milieu en pied du système de distillation réactive, peut comprendre notamment : - 0 à 1 % en masse d'acide acétique, et - 99 à 100 % en masse d'eau.

Ce milieu comprend préférentiellement moins de 0,5 % en masse d'acide acétique.

Le milieu sortant de la zone supérieur de séparation du système, également appelé milieu en tête du système de distillation réactive, peut comprendre notamment : - moins de 0.010/0 en masse d'acide acétique, - 90 à 95 % en masse d'ester de l'acide acétique, - 1 à 5 % en masse d'eau, et - 1 à 5 % en masse d'alcool éthylique.

Dans la zone de séparation supérieure de la colonne de distillation réactive, le mélange volatil est ensuite séparé, refroidi à une température notamment comprise entre 5 et 70 °C, puis séparé en phase aqueuse et en phase organique. Cette phase organique est isolée et refluée partiellement dans le système. Le rapport entre les composants de départ et le reflux de la phase organique est compris entre 1,0 et 1,5.

Selon un autre aspect plus spécifique, la présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. L'homme du métier est parfaitement en mesure de choisir les moyens à mettre en oeuvre en fonction de la séparation à effectuer. On rappellera simplement ce qui suit. La taille et notamment le diamètre des colonnes de distillation réactive dépend du flux circulant et de la pression interne. Leur dimensionnement se fera donc principalement suivant le débit de mélange à traiter. Le paramètre interne qu'est le nombre d'étages théoriques est déterminé notamment par la pureté du composé de départ et les puretés des produits devant être obtenues en tête et en pied de distillation. On précisera que la colonne peut être garnie indifféremment de plateaux ou de garnissage ordonné ou tissé, comme cela est parfaitement connu de l'homme du métier. L'installation étant déterminée, l'homme du métier ajuste les paramètres de fonctionnement de la colonne. 6 Un langage spécifique est utilisé dans la description de manière à faciliter la compréhension du principe de l'invention. Il doit néanmoins être compris qu'aucune limitation de la portée de l'invention n'est envisagée par l'utilisation de ce langage spécifique. Des modifications, améliorations et perfectionnements peuvent notamment être envisagés par une personne au fait du domaine technique concerné sur la base de ses propres connaissances générales.

Le terme et/ou inclut les significations et, ou, ainsi que toutes les autres 10 combinaisons possibles des éléments connectés à ce terme.

D'autres détails ou avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au vu des exemples donnés ci-dessous uniquement à titre indicatif.

15 PARTIE EXPERIMENTALE Une colonne de distillation réactive selon le brevet EP1220829 est mise en oeuvre pour une production finale de 100 kg/h d'acétate d'éthyle avec différents rapports molaires de substrat et divers reflux. Le catalyseur solide acide utilisé est l'Amberlyst 36wet. Cette colonne comprend 25 plateaux théoriques. Elle 20 fonctionne à une pression de 1,013 bar absolu et à une température en pied de colonne de 100°C.

Les résultats sont mentionnés dans le Tableau 1 suivant : Tableau 1 ESSAIS RAPPORT CUS RATIO DE TT ACIDE EN FLUX MOLAIRE VAPEUR REFLUX ETHANOL DE PIED (%) 1 0,90 0,75 1,15 89.8 0,1 2 0,95 0,65 1,40 94,9 0,1 Cl 2,00 17,8 0,05 79.2 >99 C2 1,35 1,60 0,78 94,3 >99 C3 1,05 0,67 1,29 96,6 25,7 Le rapport molaire correspond au rapport molaire acide acétique / éthanol. La Consommation Unitaire Spécifique de vapeur est exprimée en tonne de vapeur d'eau de chauffe sur la tonne d'ester produit. Le ratio de reflux correspond au rapport entre le débit total d'alimentation des composants de départ et le débit de reflux de la phase organique. Le taux de transformation (TT) d'éthanol est mesuré en continu et en régime permanent. Ils se calcul par le rapport du nombre de moles d'éthanol consommé à la réaction (transformé en ester) sur le nombre de moles d'éthanol alimenté.

On observe ainsi une forte diminution de la consommation énergétique finale évaluée en CUS vapeur de la colonne de distillation et donc de la consommation globale de l'unité lorsque le rapport molaire acide acétique / éthanol est compris entre 0,9 et 0,95 par rapport aux autres rapports molaires comparatifs des exemples Cl et C2 ; tout en obtennant une bonne transformation des réactifs permettant d'obtenir une quantité suffisante d'acétate d'éthyle. Il est noter que dans le cas de l'exemple C3 on observe 25,7 % en masse d'acide acétique en pieds de colonne de la distillation réactive, alors que dans les exemples 1 et 2 on observe une quantité d'acide acétique aux alentours de 0,1 % en masse en pieds de colonne de la distillation réactive.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'acétate d'éthyle par réaction d'alcool éthylique avec de l'acide acétique en présence d'un catalyseur acide solide et pendant la séparation simultanée par distillation des composants réactionnels dans un système de distillation réactive, dans lequel les composants de départ sont l'acide acétique et l'alcool éthylique et sont introduits séparément ou simultanément avec un rapport molaire acide acétique sur alcool éthylique compris entre 0,85 et 0,97 dans un système dans lequel la zone de réaction est centralement placée entre une zone supérieure de séparation et une zone inférieure de séparation, la réaction se passe simultanément avec la séparation par distillation des composants ayant des points d'ébullition différents alors que la séparation des composants a lieu dans lesdites zones supérieure et inférieure de séparation, le rapport entre l'alimentation des composants de départ dans le système et l'écoulement de retour de reflux de la phase organique de la zone supérieure de réaction à l'emplacement de réaction est compris entre 1,0 et 1,5.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que rapport molaire acide acétique sur alcool éthylique est compris entre 0,90 et 0,95.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'acide acétique est introduit dans la zone réactionnelle ou au-dessus de cette zone en un emplacement situé au-dessus de l'emplacement de la fourniture d'alcool éthylique et l'alcool éthylique fourni est introduit dans la zone réactionnelle ou sous cette zone.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température de la réaction est comprise entre 50 et 150°C.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu sortant de la zone inférieure de séparation du système comprend moins de 1 % en masse d'acide acétique.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le milieu sortant de la zone inférieure de séparation du système comprend : - 0 à 1 % en masse d'acide acétique, et - 99 à 100 % en masse d'eau.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le milieu sortant de la zone supérieure de séparation du système comprend : - moins de 0,010/0 en masse d'acide acétique, - 90 à 95 % en masse d'ester de l'acide acétique, - 1 à 5 % en masse d'eau, et - 1 à 5 % en masse d'alcool éthylique.