FR3122102A1 - Cascade de réacteur Gaz - Liquide – Solide et Liquide-Solide pour la réalisation de réactions chimiques en flux continu sous pression ou haute pression - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif permettant de réaliser des réactions chimiques sous pression ou haute pression en flux continu par une cascade de réacteurs Gaz – Liquide- Solide parfaitement agités et l’utilisation de ces dispositifs pour la mise en œuvre de telles réactions. Le dispositif comprend une cascade de réacteurs autoclaves reliés entre eux. Les réacteurs de la cascade sont de volumes différents et sont munis de moyens permettant de les contrôler individuellement de façon totalement indépendante. La cascade de réacteurs comprend au moins deux réacteurs de volumes différents, croissants ou en décroissants dans le sens du flux des fluides. (pas de figures)

Description

Cascade de réacteur Gaz - Liquide – Solide et Liquide-Solide pour la réalisation de réactions chimiques en flux continu sous pression ou haute pression
La présente invention concerne un dispositif permettant de réaliser des réactions chimiques sous pression ou haute pression en flux continu par une cascade de réacteurs Gaz – Liquide- Solide parfaitement agités et l’utilisation de ces dispositifs pour la mise en œuvre de telles réactions.
Etat de la technique
Les réactions chimiques sous haute pression (hydrogénations, oxydations, carbonylations...) représentent une large part des transformations mises en œuvre à l'échelle industrielle, autant dans le domaine de la chimie de base (pétrochimie) que de la chimie fine (industries pharmaceutique, cosmétique...). A elles seules, les réactions d'hydrogénation par le dihydrogène sous pression représentent environ 20% des réactions chimiques réalisées dans le monde de la chimie fine (A. van den Berg et al.Tetrahedron 2005,61, 2733–2742).
Ces mêmes transformations chimiques menées sous très haute pression (de quelques dizaines à plusieurs centaines de bar) sont extrêmement dangereuses du fait des très gros volumes des réacteurs utilisés (jusqu'à plusieurs milliers de litres) pour répondre aux besoins du marché. Le caractère hautement inflammable des gaz utilisés (hydrogène, oxygène) ou hautement toxique (ammoniac, monoxyde de carbone) imposent le respect d'un grand nombre de mesures réglementaires contraignantes préalablement à l'implantation d'une unité industrielle de réactions chimiques sous haute pression (classement Seveso seuil haut).
Il est maintenant communément admis que le passage d'un procédé batch classique (enchaînements chargement du réacteur - réaction - vidange - nettoyage) à un procédé en flux continu (alimentation et soutirage du réacteur sans interruption) permet une réduction considérable des risques et un meilleur contrôle de la dangerosité du risque, notamment du fait de la réduction considérable des volumes engagés (I. R. Baxendale et al.J. Chem. Technol. Biotechnol. 2013,88, 519–552). Une sécurité intrinsèque est ainsi obtenue.
La réduction drastique du rapport surface sur volume, conséquence du passage en continu, permet d'améliorer notablement des transferts gaz-liquide, liquide-solide et gaz-solide (matière et chaleur) qui sont toujours des paramètres clef à maîtriser pour désigner une unité industrielle de réaction sous pression compétitive (J.-C. M. Monbaliu et al.Eur. J. Org. Chem. 2018, 2301–2351). Cette caractéristique se traduit généralement par une amélioration considérable des performances d'un dispositif continu par rapport au procédé batch équivalent (rendement, sélectivité, productivité, rejet environnementaux, bilan énergétique).
La possibilité d'intégrer à une unité de production continue, un système d'analyse en ligne afin de visualiser en temps réel le niveau de performance du dispositif permet de corriger tout dysfonctionnement de manière quasi instantanée ce qui conduit à une amélioration considérable de la sécurité et de la qualité.
Cependant, la réalisation d'une réaction chimique sous haute pression présente une difficulté majeure en ce que ce type de transformation est quasi systématiquement mené en milieu triphasique (gaz, liquide, catalyseur solide) et qu'il est généralement impossible de véhiculer une phase solide dans un réacteur continu de type piston sans l'altérer (C. O. Kappe et al.ChemSusChem 2011,4, 300–316).
Pour pallier ce problème, plusieurs dispositifs innovants ont été conçus dans le milieu académique comme dans le milieu industriel permettant la réalisation de réactions chimiques sous haute pression en flux continu.
L'utilisation de réacteurs monolithiques macroporeux ou mésoporeux permet de convoyer directement le substrat à transformer à travers les pores des matériaux supportant le catalyseur solide (Chem. Eng. Sci. 2001,56, 6015-6023).
L'utilisation de réacteurs pré-emballés en cartouches catalytiques, de réacteurs tubulaires tapissés de catalyseur ou de lits catalytiques fixes constituent également une solution de choix pour la mise en œuvre de ces réactions (Duprat F. et al.,Org. Proc. Res. Dev. 2020,24, 686-694 ;J. Comb. Chem. 2008,10, 88-93 ; Brevet US 7988919;Demande internationale WO 2017106916).
L'utilisation de réacteurs dits en "slurry" permet de réaliser un flux continu triphasique assurant une bonne mise en contact des réactifs avec les sites actifs du catalyseur (Brevet US 8534909, Chemical Engineering Journal 2011,167(2-3), 718-726., Demande Internationale WO2007/112945).
Cependant, ces dispositifs sont souvent peu flexibles et souffrent d'inconvénients pratiques majeurs tels que des problèmes de bouchage, d'encrassement, de lixiviation("leaching") ou encore des difficultés techniques de maintenance (changement du catalyseur). Plus limitante encore est la faible compatibilité de ces dispositifs avec les catalyseurs industriels, qui sont généralement utilisés dans les réacteurs batch classiques, à la fois en termes de taille de particules, (présence de petites et grandes particules solides entre 5µm et 350µm) de nature cristalline ou de propriétés physico-chimiques.
Exposé de l’invention.
Les inventeurs ont conçu un nouveau dispositif permettant la réalisation de réactions chimiques sous pression ou haute pression et/ou sous haute température en flux continu sur la base d'une cascade de N (N entier naturel supérieur à 1) réacteurs autoclaves gaz - liquide – solide ou liquide-solide parfaitement agités et interconnectés.
Le dispositif est parfaitement flexible et peut tolérer une pression de gaz réactif de 10 à 500 bars, une température de - 30 à 300 °C et est compatible avec tous type de catalyseur hétérogène (taille de particule de 2 µm à 500 µm) avec des charges catalytiques pouvant être importantes (de 0.1% à 5% w/w voire 10%) ainsi qu'une vaste gamme de temps de résidence, de quelques minutes à plusieurs heures.
Les dispositifs Gaz-Liquide-Solide (GLS) et Liquide-Solide (LS) de l’invention permettent de travailler dans des conditions optimisées en fonction de la cinétique de la réaction.
Comme cela sera montré dans la partie expérimentale les dispositifs de l’invention font preuve d’une grande souplesse contrairement aux systèmes existants qui opèrent en continu sur les phases solide et liquide donc avec des concentrations constantes de catalyseurs et dont on ne peut pas faire varier les paramètres.
Les dispositifs Gaz-Liquide-Solide (GLS) de l’invention permettent de faire varier la charge de catalyseur en adéquation avec la cinétique de la réaction et du transfert gaz liquide ce qui procure une très grande flexibilité à ces dispositifs.
L’invention a donc pour objet un dispositif de réactions chimiques sous pression ou haute pression en flux continu comprenant une cascade de N réacteurs autoclaves reliés entre eux caractérisé en ce que les N réacteurs de la cascade ont des volumes différents et sont munis de moyens permettant de les contrôler individuellement de façon totalement indépendante, étant entendu que N est un entier naturel supérieur à 1 et que la cascade de réacteurs comprend de préférence au moins deux réacteurs de volumes différents, croissants ou en décroissants dans le sens du flux des fluides.
Il est entendu que l’invention se rapporte aussi à des dispositifs comprenant une cascade de réacteurs de volumes différents dans lesquels les réactions sont effectuées dans des conditions différentes selon les réacteurs en termes de volume de milieu réactionnel, de température, de pression de gaz réactif, de concentration de catalyseur et/ou de vitesse de rotation de l’agitateur.
La présente invention concerne un dispositif de réactions chimiques sous pression ou haute pression et/ou sous haute température en flux continu comprenant une cascade de N réacteurs autoclaves reliés entre eux caractérisé en ce que les N réacteurs de la cascade sont munis de moyens permettant de les contrôler individuellement de façon totalement indépendante, étant entendu que N est un entier naturel supérieur à 1 et que la cascade de réacteurs comprend au moins deux réacteurs de volumes différents, croissants ou décroissants dans le sens du flux des fluides, lesdites réactions chimiques étant du type Gaz – Liquide – Solide ou du type Liquide- Solide, ledit dispositif comprenant entre chacun desdits réacteurs des moyens permettant à la phase fluide d’être en flux continu et permettant à la phase solide d’être en batch.
Par « sous pression » on entend des pressions supérieures à plusieurs centaines de milliers de pascals, qui correspondent à des pressions usuelles dans le cadre de réactions chimiques ne pouvant s’effectuer dans des réacteurs en verre borosilicaté utilisés par l’homme du métier, car ils ne résistent pas à ces pressions.
Par « haute pression » on entend des pressions supérieures à 1 MPa, et qui correspond à des pressions rencontrées lorsque l’un des réactifs est un gaz.
L’expression « haute température » correspond à des températures supérieures à environ 50°C
L’expression « en flux continu » signifie la mise en œuvre d’une réaction chimique dans des réacteurs traversés par un milieu réactionnel liquide en écoulement, et dans lesquels on effectue toutes les étapes de cette réaction chimique déterminée sans isoler les intermédiaires pour obtenir une conversion complète de l’un des réactifs et/ou obtenir le produit désiré.
Par « cascade de réacteurs », on désigne une succession de plusieurs réacteurs dans un certain ordre de manière consécutive, chaque réacteur étant dédié à la conversion d’une ou plusieurs étapes d’une réaction chimique déterminée, et la totalité de ces étapes dans les réacteurs consécutifs selon cet ordre permettant la réalisation de ladite réaction chimique.
L’expression « réacteur autoclave » désigne un réacteur capable de résister à une pression de plusieurs centaines de milliers de pascals tout en étant continu sur les phases liquide et gaz.
N représente le nombre de réacteurs et est un entier naturel supérieur ou égal à 2, avantageusement de 2 à 10, et pouvant prendre les valeurs 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10. Un montage en flux continu nécessite au moins 2 réacteurs pour pouvoir être qualifié ainsi. Le nombre de réacteurs dans la cascade ne peut pas dépasser 10. En effet chaque réacteur supplémentaire impliquant une perte de charge par rapport au réacteur précédent, notamment une perte de 0,3 à 2 bars (0,03 à 0,2 MPa) environ par réacteur, cela conduirait à une réduction importante de la vitesse de réaction dans les derniers réacteurs sur une cascade de plus de 10 réacteurs.
L’expression « permettant de contrôler individuellement chaque réacteur » signifie le contrôle de la pression, la température, le volume du liquide, et surtout la composition du milieu réactionnel. En effet le suivi de la composition du milieu réactionnel en fonction du temps permet de suivre la cinétique de la réaction et de contrôler l’activité du catalyseur en fonction du temps et de prévoir de changer la charge de catalyseur lorsque le catalyseur est suffisamment désactivé et ne répond plus aux critères de qualité exigée, c’est-à-dire le taux de conversion de la réaction attendue.
Le déchargement de la charge de catalyseur usagé du réacteurns’effectue rapidement, environ de 15 minutes à 1 heure par la vanne de fond en fonction du volume réactionnel du réacteurn. En effet, avant de décharger le catalyseur par la vanne de fond, il faut inerter le réacteur avec un gaz inerte (Azote, Argon…) ensuite vidanger totalement le réacteur des phases liquides et solides et le nettoyer avant de recharger le réacteur avec un catalyseur neuf et la réintroduction du milieu réactionnel issue du réacteurn-1. Ce réacteurnest by-passé pendant cette étape de déchargement du catalyseur désactivé, nettoyage et chargement du catalyseur neuf pendant que les autres réacteurs sont en fonctionnement.
L’expression « totalement indépendante », signifie que les paramètres tels que la pression ou la température de chaque réacteur n’influent pas sur le fonctionnement des autres réacteurs.
L’expression « volumes différents » signifie qu’un réacteur a une différence de volume d’au moins 5% par rapport à un autre réacteur de cette cascade. En d’autres termes si la différence de volume entre deux réacteurs est inférieure à 5%, on considère que les réacteurs sont de même volume.
Par « volumes croissants ou décroissants », on entend le fait que le volume des réacteurs de la cascade peut être strictement croissant ou décroissant suivant le sens de la cascade. On entend également le fait que plusieurs réacteurs de cette cascade peuvent être de même volume, à condition que dans la cascade se trouve au moins un réacteur de volume inférieur ou supérieur au volume des réacteurs de même volume. On entend également que l’on peut avoir une suite de réacteurs de volumes croissants ou identiques, suivi d’un ou plusieurs réacteurs de volumes décroissants. On entend enfin que l’on peut avoir une suite de réacteurs de volumes décroissants ou identiques, suivi d’un ou plusieurs réacteurs de volumes croissants.
Par « sens du flux des fluides », on entend le fait que le flux de fluide circule dans un seul sens, parcourant entièrement la cascade de réacteurs du premier réacteur au dernier réacteur dans un sens défini par l’utilisateur.
Par « premier réacteur », on entend le réacteur dans lequel on insère les matières premières fraîches.
L’expression « réaction Gaz – Liquide – Solide » signifie que l’un ou plusieurs réactifs sont sous forme gaz, un ou plusieurs réactifs sont sous forme liquide et l’un au moins des réactifs, ou un catalyseur est sous forme solide.
Par « réaction Liquide – Solide », on entend que l’un ou plusieurs réactifs sont sous forme liquide et l’un au moins des réactifs, ou un catalyseur est sous forme solide.
L’expression « en batch » signifie que le catalyseur ou le réactif solide reste dans le réacteur dans lequel il est introduit au cours de la réaction
L’invention a pour objet particulier un dispositif caractérisé en ce que chaque réacteur est muni d’une arrivée et d’une sortie de liquide, et d’une arrivée éventuelle de gaz réactif, d'un disque de rupture, d'un évent, d'un doigt de gant pour mesure de paramètres, d'une vanne de prise d'échantillon, d'une double enveloppe, d'un collier chauffant et d’une vanne placée au fond de chaque réacteur et permettant de soutirer le catalyseur désactivé et de le remplacer par un catalyseur neuf.
L’invention a en particulier pour objet un dispositif tel que défini ci-dessus caractérisé en ce que chaque réacteur est muni d'une arrivée et d’une sortie de liquide, et d’une arrivée de gaz réactif, d'un disque de rupture, d'un évent, d'un doigt de gant pour mesure de paramètre, d'une vanne de prise d'échantillon, d'une double enveloppe, d'un collier chauffant et d’une vanne placée au fond de chaque réacteur et permettant de soutirer le catalyseur désactivé et de le remplacer par un catalyseur neuf, chaque réacteur étant équipé d’un filtre, notamment un fritté à l’intérieur du réacteur sur la sortie du liquide afin d’assurer la séparation du solide-liquide et le maintien du solide dans le réacteur, afin que la phase solide soit en batch et que la phase liquide soit continu.
Chaque réacteur est généralement et préférentiellement équipé de contre pales.
Le liquide provenant de la sortie de liquide de chaque réacteur est également appelé liquide clair car grâce au système de filtre dont chaque réacteur est équipé, il n'y a plus aucune trace de solide.
L’expression « filtre » désigne une paroi possédant des pores laissant passer les fluides mais retenant les solides. Cela permet aux catalyseurs et réactifs solides de rester au sein du réacteur et de ne pas circuler avec le flux des fluides. En particulier cela permet d’utiliser complètement le catalyseur de façon complète jusqu’à sa désactivation.
L’invention a pour objet particulier un dispositif caractérisé en ce que chaque réacteur est muni d'une arrivée de gaz réactif, d’une seconde arrivée de gaz entre chaque réacteur pour retirer le catalyseur du fritté, d’une arrivée et sortie du liquide, d'un disque de rupture, d'un évent, d'un doigt de gant pour mesure de paramètres, d'une vanne de prise d'échantillon, d'une double enveloppe, d'un collier chauffant et d’une vanne placée au fond de chaque réacteur et permettant de soutirer le catalyseur désactivé et de le remplacer par un catalyseur neuf.
La perte de charge d’environ 0.3 à 2 bars entre les 2 réacteurs en série, due principalement à l’encrassement du filtre en sortie de la phase liquide, peut être compensée par l’ajout d’un gaz inerte (Argon, Azote…) afin de maintenir le réacteur n sous pression nécessaire à la réaction et à effectuer dans le dit réacteur n, le transfert de la phase liquide en continu du réacteur n vers le réacteur n+1.
L’invention a en particulier pour objet un dispositif tel que défini ci-dessus caractérisé en ce l’orifice de sortie liquide est muni d'un système de bougies filtrantes, de porosité comprise entre 2 et 50 µm.
L’expression « bougie filtrante » signifie un filtre, cylindre creux et poreux avec une surface d’échange importante et une porosité adaptée à la phase solide, c’est-à-dire ayant une porosité inférieure à la taille des cristaux solides pour retenir cette phase solide dans le réacteur et obtenir un liquide clair en sortie du réacteur.
L’invention a en particulier pour objet un dispositif tel que défini ci-dessus caractérisé en ce qu'un outil d'analyse en ligne PAT (Process Analytical Technology) par UV, NIR, Raman ou toute autre technique d’analyse est positionné entre chaque réacteur.
Le dispositif peut être pourvu d'un système d'analyse en ligne (sonde UV, RAMAN ou NIR ou toute autre technique d’analyse) pour visualiser en temps réel le bon fonctionnement du procédé en cours.
Par « outil d’analyse en ligne PAT », on entend un ensemble d’analyseurs en ligne de composition spectroscopiques et chromatographiques, de capteurs à usage fixe et d’analyses de données automatisées et statistiques afin de contrôler le procédé en continu afin d’obtenir la qualité du produit fini, sans avoir besoin de prélever des échantillons.
Dans un mode particulier de réalisation du dispositif, l’orifice de sortie est muni d'un système de bougies filtrantes, de porosité comprise entre 2 et 50 µm et un outil d'analyse en ligne PAT (Process Analytical Technology) par UV, NIR ou Raman, qui est positionné entre chaque réacteur.
Un tel dispositif permet la mise en place d'un procédé continu sur la phase liquide (alimentation en substrat et soutirage de produit) et batch sur la phase solide. En effet, un système de bougies filtrantes positionnées entre chaque réacteur de la cascade permet de conserver constante la charge catalytique propre à chaque réacteur.
L’invention a pour objet particulier un dispositif caractérisé en ce que la mise en œuvre du procédé est en en flux continu en ce qui concerne la phase liquide et en batch en ce qui concerne la phase solide.
Le dispositif est pourvu d'un haut niveau de contrôle en ce que les paramètres individuels (température, pression, agitation, charge de catalyseurs) de chaque réacteur de la cascade peuvent être contrôlés indépendamment.
Un transfert gaz liquide performant est assuré dans chaque réacteur de la cascade par un système de turbine auto-aspirante et de contre pales.
Le dispositif peut être utilisé pour la réalisation de tout type de réaction chimique sous pression ou haute pression, majoritairement des réactions d'hydrogénation mais aussi des réactions d'oxydation, de carbonylation ou encore d'amination.
Le dispositif peut être utilisé en mode continu en connectant 1 à N (N entier naturel) réacteurs en cascade ou bien en mode batch en utilisant un unique réacteur fermé et auquel il fait référence dans le cadre de la présente invention pour présenter des résultats comparatifs.
Le dispositif tel que défini ci-dessus pour la réalisation de réactions sous pression ou haute pression peut être caractérisé en ce que dans la cascade de réacteurs, le volume des réacteurs est décroissant et est tel que lorsque N est égal ou supérieur à 3, si le premier réacteur a un volume R1, le second réacteur a un volume R2 compris entre R1 et 0,5 R1 et le troisième réacteur a un volume R3 compris entre 0,8 R1 et 0,4 R1.
On peut par exemple opérer avec une cascade de réacteurs de volumes décroissants dans les proportions suivantes : 1, 0,75, 0,5.
Ce type de dispositif dans lequel la cascade de réacteurs a un volume décroissant dans le sens du flux des fluides est utilisé de préférence pour la mise en œuvre des réactions dont la chaleur de réaction est inférieure à 50kJ/mol telles que en général, les réactions de saponifications ou de rétro-estérifications, dont on peut accélérer les vitesses de réactions par une augmentation de la température.
La présente invention a également pour objet un dispositif pour la réalisation de réactions sous pression ou haute pression caractérisée en ce que dans la cascade de réacteurs, le volume des réacteurs est croissant et est tel que lorsque N est égal ou supérieur à 3, si le premier réacteur a un volume R1, le second réacteur a un volume R2 compris entre 1,25 R1 et 1,5 R1 et le troisième réacteur a un volume R3 compris entre 1,5 R1 et 4 R1.
On peut par exemple opérer avec une cascade de réacteurs de volumes croissants dans les proportions suivantes : 1 ; 1,5 et 4.
Ce type de dispositif dans lequel la cascade de réacteurs a un volume croissant dans le sens du flux des fluides est utilisé de préférence pour la mise en œuvre des réactions dont la chaleur de réaction est supérieure à 50kJ/mol telles que les hydrogénations catalytiques ou d’oxydations.
En règle générale, une cascade de réacteurs de volumes croissants est utilisée quand la chaleur de réaction est importante par exemple supérieure à 50KJ/mol et/ou que la cinétique de réaction devient très lente lorsque l’on a une conversion supérieure à 40%. Il faut alors augmenter le temps de séjour pour obtenir une productivité volumique optimale avec la possibilité d’augmenter la charge de catalyseur et la température.
L’invention a pour objet particulier une utilisation telle que définie ci-dessus pour la réalisation de réactions sous pression ou haute pression du type liquide solide gaz et solide liquide, en particulier des réactions d'hydrogénation, d'oxydation, de carbonylation, de carboxylation, d'amination, en particulier d’ammonolyse, de Heck ou de Suzuki-Miyaura, de préférence des réactions d’hydrogénation.
L’invention a pour objet particulier une utilisation telle que définie ci-dessus pour la réalisation de réactions sous pression ou haute pression de type liquide solide gaz en particulier des réactions d'hydrogénation, d'oxydation, de carbonylation, de carboxylation ou d'amination, en particulier d’ammonolyse, de préférence des réactions d’hydrogénation.
L’invention a pour objet particulier une utilisation telle que définie ci-dessus pour la réalisation de réactions sous haute température de type liquide solide en particulier des réactions de Heck et de Suzuki-Miyaura
L’invention a pour objet particulier un dispositif caractérisé en ce que chaque réacteur est muni d'une agitation par turbine auto-aspirante creuse assurant une dispersion du gaz réactif dans le milieu réactionnel grâce à une dépression créée par les pâles de l'agitateur et en ce que la vitesse d'agitation est de préférence supérieure à 300rpm.
L’invention a pour objet particulier une utilisation telle que définie ci-dessus caractérisée pour la réalisation de réactions Gaz – Liquide – Solide, dans laquelle chaque réacteur est muni d'une agitation par turbine auto-aspirante creuse assurant une dispersion du gaz réactif dans le milieu réactionnel grâce à une dépression créée par les pâles de l'agitateur et en ce que la vitesse d'agitation est suffisante pour vaincre la perte de charge et est de préférence supérieure à 300 rpm, notamment 500 rpm.
L’expression « turbine auto-aspirante » désigne une turbine avec un axe de rotation creux qui aspire le gaz réactif se trouvant dans la phase gaz du réacteur pour le disperser dans la phase liquide en bas du réacteur, derrière les pales d’agitation. Ce phénomène est induit par la dépression derrière les pales d’agitation lorsque la vitesse de rotation est supérieure à 300rpm voire supérieure à 500rpm pour combattre la perte de charge due à la hauteur du liquide dans le réacteur.
Lorsque la vitesse d’agitation n’est pas suffisante pour vaincre la perte de charge due à la hauteur du liquide, il n’y a pas de recirculation de la phase gaz en partie supérieure du réacteur dans la phase liquide située en bas du réacteur, au niveau des pales de l’agitateur, et le transfert gaz-liquide est fortement réduit, ce qui peut induire une forte réduction de la vitesse de réaction.
Par « agitation » il est entendu que la phase liquide au sein du réacteur se trouve mélangée de manière à la rendre la plus homogène possible, notamment de rendre le milieu réactionnel le plus homogène possible en température, en concentration avec une suspension du catalyseur la plus dispersée et homogène. En effet la présence de liquides immiscibles peut créer deux phases au sein du réacteur. Cela permet également de faire la suspension d’un solide dans une phase liquide, lorsque l’un des réactifs est un solide et/ou lorsqu’un catalyseur hétérogène est nécessaire. Dans le cas d’une réaction en Gaz – Liquide – Solide, cela peut également permettre de disperser le gaz au sein du liquide.
L’invention a également pour objet un dispositif caractérisé en ce qu'un N+1ème réacteur peut être positionné en bout de cascade et connecté au procédé lors des opérations de maintenance nécessitant d'isoler un des réacteurs de la cascade.
L’invention a pour objet particulier un dispositif tel que défini ci-dessus caractérisé en ce qu'un N+1 ème réacteur peut être positionné en bout de cascade et connecté au procédé lors des opérations de maintenance ponctuelle nécessitant d'isoler un des réacteurs de la cascade.
L’expression « opération de maintenance ponctuelle » signifie le changement de catalyseur dans un des réacteurs ou la réparation d’une défaillance dans le système de contrôle de la température, de la pression ou de la sonde PAT.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus caractérisé en ce que la réaction est une réaction Gaz - Liquide – Solide, mise en œuvre de façon à ce que la pression en gaz réactif soit comprise entre 2 bars (0.2 MPa) et 500 bars (50 MPa) préférentiellement entre 2 bars (0.2 MPa) et 250 bars (25 MPa) et plus préférentiellement entre 2 (0.2 MPa) et 50 bars (5 MPa).
L’invention concerne l’utilisation dans une réaction Gaz - Liquide - Solide telle que définie ci-dessus caractérisée en ce que la température de réaction est comprise entre -10 et 300 °C, de préférence une haute température d’au moins 130°C de préférence par utilisation soit d'une double enveloppe, soit d'un collier chauffant, et en ce que la température de réaction et la charge de catalyseur peuvent être différentes dans chacun des réacteurs.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus caractérisée en ce que la réaction est une réaction Liquide – Solide, mise en œuvre de façon à ce que la pression en gaz réactif soit comprise entre 1 bar (0,1 MPa) et 100 bars (10 MPa) préférentiellement entre 1 bars (0,1 MPa) et 50 bars (5 MPa) et plus préférentiellement entre 1 bar (0,1 MPa) et 30 bars (3 MPa).
L’invention concerne l’utilisation dans une réaction Liquide - Solide telle que définie ci-dessus caractérisée en ce que la température de réaction est comprise entre -10 et 300 °C, de préférence une haute température d’au moins 130°C° de préférence par utilisation soit d'une double enveloppe, soit d'un collier chauffant, et en ce que la température de réaction et la charge de catalyseur peuvent être différentes dans chacun des réacteurs.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus pour la réaction d’hydrogénation en continu de l’adiponitrile en hexaméthylène diamine en présence de nickel de Raney caractérisée en ce que le procédé est mis en œuvre en utilisant au moins trois réacteurs de volumes différents avec des volumes décroissants et des masses de catalyseurs et des températures croissants suivant les réacteurs.
L’invention concerne l’utilisation d’un dispositif tel que défini ci-dessus caractérisée en ce que la cascade de réacteurs comprend trois éléments et en ce que le volume des réacteurs est décroissant et est tel que si le premier réacteur a un volume R1, le second réacteur a un volume R2 égal à la moitié de R1 et le troisième réacteur a un volume R3 égal à un tiers de R1.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus pour la réaction d’hydrogénation en continu du p-nitrophénol en p-aminophénol en présence de catalyseur platine sur carbone (Pt/C) caractérisée en ce que le procédé est mis en œuvre en utilisant une cascade de deux à cinq réacteurs, de préférence avec une pression en hydrogène décroissante suivant les réacteurs.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus pour la réaction d’acétylation en continu de l’anisole en acétanisole à l’aide d’anhydride acétique en présence de zéolithe béta caractérisée en ce que le procédé est mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs et à une température d’au moins 130°C.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus pour la réaction d’ammonolyse en continu de l’éthyl 2-(2-pyrrolidone)-butyrate en 2-(2-oxopyrolidin-1-yl)butyramide en présence de méthanolate de sodium caractérisée en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs à une pression d’au moins 7,5 bars (0,75 MPa) et à une température d’au moins 117°C.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus pour la réaction d’oxydation en continu de l’alcool benzylique en benzaldéhyde à l’aide d’un catalyseur de palladium SiliaCat Pd(0) caractérisé en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins 2 réacteurs et à une pression d’au moins 10 bars (1 MPa), notamment à une température de 85°C.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus pour la réaction de carboxylation de l’oxyde de propylène en carbonate de propylène à l’aide d’un catalyseur de cellulose diéthylaminoéthyle caractérisé en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs et à une pression d’au moins 7 bars (0,7 MPa) et à une température d’au moins 95°C.
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus pour la réaction de Suzuki-Miyaura en continu d’un acide boronique avec un iodoaryle à l’aide d’un catalyseur Pd-Cu/C, caractérisé en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs et à une température d’au moins 105°C, notamment à une pression de 2 bars (0,2 MPa).
L’invention concerne l’utilisation telle que définie ci-dessus pour la réaction de Heck en continu d’un alcènyle ou d’un alcyne avec un iodoaryle à l’aide d’un catalyseur de palladium Pd-M/C avec M un métal, caractérisé en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs et à une température d’au moins 105°C, notamment à une pression de 4 bars (0,4 MPa).
Brève description des schémas
représente un schéma de principe simplifié du dispositif dans le cadre d'une réaction sous pression où le temps de séjour serait fixé de telle sorte à avoir une conversion de 60 % dans le premier réacteur d'une cascade de 4 réacteurs.
représente un schéma PI&D (schéma tuyauterie et instrumentation) du dispositif complet utilisé pour un procédé continu dans le cas où N=4 (cascade de 4 réacteurs).
représente un schéma PI&D du dispositif complet utilisé pour un procédé batch sur un seul réacteur fermé.
représente une vue en coupe du dispositif complet utilisé pour un procédé continu dans le cas où N=2 (cascade de 2 réacteurs). (1) représente les contre pales.
représente des photographies de la turbine auto-aspirante Rushton
représente une photographie du dispositif complet utilisé pour un procédé continu dans le cas où N=2 (cascade de 2 réacteurs).
représente un graphe la conversion (mesurée par HPLC) de la réaction d'hydrogénation dup-nitrophénol enp-aminophénol réalisé en continu dans les conditions fixées à l'exemple 2.
représente un graphe de la conversion (mesurée par HPLC) de la réaction d'hydrogénation dup-nitrophénol enp-aminophénol réalisé en batch et en continu dans les conditions optimisées dans les 3 réacteurs en série.
représente un schéma PI&D (schéma tuyauterie et instrumentation) du dispositif complet utilisé pour un procédé continu dans le cas où N=4 (cascade de 4 réacteurs de taille croissante).
représente un schéma PI&D (schéma tuyauterie et instrumentation) du dispositif complet utilisé pour un procédé continu dans le cas où N=4 (cascade de 4 réacteurs de taille décroissante).
représente un schéma d’un réacteur de la cascade de réacteurs utilisé pour une réaction Gaz – Liquide – Solide. (1) représente l’axe d’agitation. (2) représente l’entrée de gaz en continu pour maintenir une pression constante dans le réacteur. (3) représente l’entrée de gaz ponctuelle lorsque le fritté est recouvert de catalyseur et induit une perte de charge entre les 2 réacteurs en cascade. Cela permet de remettre le catalyseur en suspension dans le réacteur et de maintenir un volume liquide constant dans le réacteur (4) représente le liquide clair en sortie du réacteur pour entrer dans le réacteurn+1en continu. (5) représente le fritté. (6) représente la turbine auto-aspirante. (7) représente la double enveloppe pour le contrôle de la température. (8) représente la sortie de catalyseur désactivé. (9) représente la vanne pour évacuer le catalyseur lorsqu’il est désactivé. (10) représente le niveau du liquide. (11) représente l’entrée liquide en continu. (12) représente la prise d’échantillon liquide
(13) l’entrée pour la mise en place des capteurs (Contrôle Température, Pression, PAT).

Claims (15)

  1. Dispositif de réactions chimiques sous pression ou haute pression et/ou sous haute température en flux continu comprenant une cascade de N réacteurs autoclaves reliés entre eux caractérisé en ce que les N réacteurs de la cascade sont munis de moyens permettant de les contrôler individuellement de façon totalement indépendante, étant entendu que N est un entier naturel supérieur à 1 et que la cascade de réacteurs comprend au moins deux réacteurs de volumes différents, croissants ou décroissants dans le sens du flux des fluides, lesdites réactions chimiques étant du type Gaz – Liquide – Solide ou du type Liquide- Solide, ledit dispositif comprenant entre chacun desdits réacteurs des moyens permettant à la phase fluide d’être en en flux continu et permettant à la phase solide d’être en batch.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque réacteur est muni d'une arrivée et d’une sortie de liquide, et d’une arrivée éventuelle de gaz réactif, d'un disque de rupture, d'un évent, d'un doigt de gant pour mesure de paramètre, d'une vanne de prise d'échantillon, d'une double enveloppe, d'un collier chauffant et d’une vanne placée au fond de chaque réacteur permettant de soutirer le catalyseur désactivé et de le remplacer par un catalyseur neuf, chaque réacteur comportant à sa sortie et à l’intérieur de lui-même, un filtre, notamment un fritté.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce l’orifice de sortie liquide est muni d'un système de bougies filtrantes, de porosité comprise entre 2 et 50 µm.
  4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un outil d'analyse en ligne PAT (Process Analytical Technology) par UV, NIR, Raman ou toute autre technique d’analyse est positionné entre chaque réacteur.
  5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un N+1 ème réacteur peut être positionné en bout de cascade et connecté à un procédé lors des opérations de maintenance nécessitant d'isoler un des réacteurs de la cascade.
  6. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que dans la cascade de réacteurs, le volume des réacteurs est décroissant et est tel que lorsque N est égal ou supérieur à 3, si le premier réacteur a un volume R1, le second réacteur a un volume R2 compris entre R1 et 0,5 R1 et le troisième réacteur a un volume R3 compris entre 0,8 R1 et 0,4 R1.
  7. Utilisation d’un dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, pour la réalisation de réactions dont la chaleur de réaction est supérieure à 50kJ/mol caractérisée en ce que dans la cascade de réacteurs, le volume des réacteurs est croissant et est tel que lorsque N est égal ou supérieur à 3, si le premier réacteur a un volume R1, le second réacteur a un volume R2 compris entre 1,25 R1 et 1,5 R1 et le troisième réacteur a un volume R3 compris entre 1,5R1 et 4 R1.
  8. Utilisation d’un dispostif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, pour la réalisation de réactions sous pression ou haute pression du type liquide solide gaz et solide liquide, en particulier des réactions d'hydrogénation, d'oxydation, de carbonylation, de carboxylation, d'amination, en particulier d’ammonolyse, de Heck ou de Suzuki-Miyaura, de préférence des réactions d’hydrogénation.
  9. Utilisation d’un dispositif selon une quelconque revendication 1 à 6, pour la réalisation de réactions Gaz – Liquide – Solide, dans laquelle chaque réacteur est muni d'une agitation par turbine auto-aspirante creuse assurant une dispersion du gaz réactif dans le milieu réactionnel grâce à une dépression créée par les pâles de l'agitateur et en
    ce que la vitesse d'agitation est suffisante pour vaincre la perte de charge et est de préférence supérieure à 300 rpm, notamment 500 rpm.
  10. Utilisation selon la revendication 9, pour la réalisation de réactions sous pression ou haute pression de type liquide solide gaz en particulier des réactions d'hydrogénation, d'oxydation, de carbonylation, de carboxylation ou d'amination, en particulier d’ammonolyse, de préférence des réactions d’hydrogénation.
  11. Utilisation selon la revendication 8, pour la réalisation de réactions sous haute température de type liquide solide en particulier des réactions de Heck et de Suzuki-Miyaura,
    notamment pour la réaction de Suzuki-Miyaura en continu d’un acide boronique avec un iodoaryle à l’aide d’un catalyseur Pd-Cu/C, caractérisé en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs et à une température d’au moins 105°C, notamment à une pression de 2 bars (0,2 MPa),
    ou pour la réaction de Heck en continu d’un alcènyle ou d’un alcyne avec un iodoaryle à l’aide d’un catalyseur de palladium Pd-M/C avec M un métal, caractérisé en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs et à une température d’au moins 105°C, notamment à une pression de 4 bars (0,4 MPa).
  12. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que la réaction est mise en œuvre de façon à ce que la pression en gaz réactif soit comprise entre 2 bars (0.2 MPa) et 500 bars (50 MPa) préférentiellement entre 2 bars (0.2 MPa) et 250 bars (25 MPa) et plus préférentiellement entre 2 (0.2 MPa) et 50 bars (5 MPa)
    et/ou caractérisée en ce que la température de réaction est comprise entre -10 et 300 °C, de préférence une haute température d’au moins 130°C de préférence par utilisation soit d'une double enveloppe, soit d'un collier chauffant, et en ce que la température de réaction et la charge de catalyseur peuvent être différentes dans chacun des réacteurs.
  13. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 8 ou 11, caractérisé en ce que la réaction est mise en œuvre de façon à ce que la pression en gaz réactif soit comprise entre 1 bar (0,1 MPa) et 100 bars (10 MPa) préférentiellement entre 1 bars (0,1 MPa) et 50 bars (5 MPa) et plus préférentiellement entre 1 bar (0,1 MPa) et 30 bars (3 MPa) et/ou
    caractérisée en ce que la température de réaction est comprise entre -10 et 300 °C, de préférence une haute température d’au moins 130°C de préférence par utilisation soit d'une double enveloppe, soit d'un collier chauffant, et en ce que la température de réaction et la charge de catalyseur peuvent être différentes dans chacun des réacteurs.
  14. Utilisation selon une quelconque des revendication 8 à 10 ou 12 pour la réaction d’hydrogénation en continu de l’adiponitrile en hexaméthylène diamine en présence de nickel de Raney caractérisée en ce que le procédé est mis en œuvre en utilisant au moins trois réacteurs de volumes différents avec des volumes décroissants et des masses de catalyseurs et des températures croissants suivant les réacteurs,
    • ou pour la réaction d’hydrogénation en continu du p-nitrophénol en p-aminophénol en présence de catalyseur platine sur carbone (Pt/C) caractérisée en ce que le procédé est mis en œuvre en utilisant une cascade de deux à cinq réacteurs, de préférence avec une pression en hydrogène décroissante suivant les réacteurs ou d’acétylation en continu de l’anisole en acétanisole à l’aide d’anhydride acétique en présence de zéolithe béta caractérisée en ce que le procédé est mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs et à une température d’au moins 130°C,
    • ou pour la réaction d’ammonolyse en continu de l’éthyl 2-(2-pyrrolidone)-butyrate en 2-(2-oxopyrolidin-1-yl)butyramide en présence de méthanolate de sodium caractérisée en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs à une pression d’au moins 7,5 bars (0,75 MPa) et à une température d’au moins 117°C
    • ou pour la réaction d’oxydation en continu de l’alcool benzylique en benzaldéhyde à l’aide d’un catalyseur de palladium SiliaCat Pd(0) caractérisé en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins 2 réacteurs et à une pression d’au moins 10 bars (1 MPa), notamment à une température de 85°C,
    • ou pour la réaction de carboxylation de l’oxyde de propylène en carbonate de propylène à l’aide d’un catalyseur de cellulose diéthylaminoéthyle caractérisé en ce que le procédé mis en œuvre en utilisant une cascade d’au moins deux réacteurs et à une pression d’au moins 7 bars (0,7 MPa) et à une température d’au moins 95°C.
  15. Utilisation d’un dispositif selon les revendications 8 à 14 caractérisée en ce que la cascade de réacteurs comprend trois éléments et en ce que le volume des réacteurs est décroissant et est tel que si le premier réacteur a un volume R1, le second réacteur a un volume R2 égal à la moitié de R1 et le troisième réacteur a un volume R3 égal à un tiers de R1.
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