FR3122103A1 - Cascade de réacteur Gaz - Liquide - Solide pour la réalisation de réactions chimiques en flux continu sous haute pression - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif permettant de réaliser des réactions chimiques sous 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 peuvent être de volumes identiques ou 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 pour la réalisation de réactions chimiques en flux continu sous haute pression
La présente invention concerne un dispositif permettant de réaliser des réactions chimiques sous 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. 2018,2018, 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 en suspension (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 haute pression en flux continu sur la base d'une cascade de N (N entier naturel supérieur à 1) réacteurs autoclaves gaz - 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) ainsi qu'une vaste gamme de temps de résidence, de quelques minutes à plusieurs heures.
Les dispositifs Gaz-Liquide-Solide (GLS) 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 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 peuvent être de volumes identiques ou 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 cacade de réacteurs de volumes identiques 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.
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 un dispositif caractérisé en ce que chaque réacteur est muni d'une arrivée de gaz réactif, d'un disque de rupture, d'un évent, d'un doigt de gant pour mesure de paramètres, d'un orifice de sortie, d'une vanne de prise d'échantillon, d'une double enveloppe, d'un collier chauffant et/ou d’une vanne placée au fond de chaque réacteur et permettant de soutirer le catalyseur désactivé et de le remplacer par un catalyseur neuf.
Le dispositif peut être pourvu d'un système d'analyse en ligne (sonde UV, RAMAN ou NIR ou équivalent) pour visualiser en temps réel le bon fonctionnement du procédé en cours.
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 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 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.
Le dispositif tel que défini ci-dessus pour la réalisation de réactions sous 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 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 1,25R1 et 1,5 R1 et le troisième réacteur a un volume R3 compris entre 1,5R1 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.
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 opération de maintenance nécessitant d'isoler un des réacteurs de la cascade.
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).
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.
Exemple d’hydrogénation du squalène en squalane en batch et en continu.
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).

Claims (17)

  1. Dispositif de réactions chimiques sous 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 peuvent être de volumes identiques ou 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 au moins deux réacteurs de volumes différents, croissants ou en décroissants dans le sens du flux des fluides.
  2. Dispositif selon revendication 1 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.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que chaque réacteur est muni d'une arrivée de gaz réactif, d'un disque de rupture, d'un évent, d'un doigt de gant pour mesure de paramètre, d'un orifice de sortie, d'une vanne de prise d'échantillon, d'une double enveloppe, d'un collier chauffant et/ou d’une vanne placée au fond de chaque réacteur et permettant de soutirer le catalyseur désactivé et de le remplacer par un catalyseur neuf.
  4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l’orifice de sortie est muni d'un système de bougies filtrantes, de porosité comprise entre 2 et 50 µm.
  5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'un outil d'analyse en ligne PAT (Process Analytical Technology) par UV, NIR ou Raman est positionné entre chaque réacteur.
  6. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'un N+1 ème réacteur est positionné en bout de cascade.
  7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6 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.
  8. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon l’une des revendications 1 à 7 pour la réalisation de réactions chimiques sous haute pression caractérisée en ce que les réactions sont mises en œuvre en flux continu en ce qui concerne la phase liquide et en batch en ce qui concerne la phase solide.
  9. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon une quelconque des revendications 1 à 6 pour la réalisation de réactions chimiques sous haute pression 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.
  10. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon une quelconque des revendications 1 à 7 pour la réalisation de réactions sous pression du type liquide solide gaz et solide liquide, en particulier des réactions d'hydrogénation, d'oxydation, de carbonylation ou d'amination, de préférence des réactions d’hydrogénation.
  11. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon une quelconque des revendications 1 à 7 pour la réalisation de réactions chimiques sous haute pression caractérisée en ce que la réaction est mise en œuvre de façon à ce que la pression en gaz réactif soit comprise entre 10 et 500 bars préférentiellement entre 10 et 250 bars et plus préférentiellement entre 10 et 50 bars.
  12. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon une quelconque des revendications 1 à 7 pour la réalisation de réactions chimiques sous haute pression caractérisée en ce que la température de réaction peut être 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 peut être différente dans chacun des réacteurs.
  13. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon une quelconque des revendications 1 à 7 pour la réalisation de la réaction d’hydrogénation en continu de l’adiponitrile en hexaméthylène diamine en présence de nickel de Raney caractérisée en ce que la réaction est mise 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.
  14. Utilisation selon la revendication 13 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.
  15. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon une quelconque des revendications 1 à 7 pour la réalisation de 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 la réaction est mise en œuvre en utilisant une cascade de deux à cinq réacteurs, de préférence avec une pression en hydrogène décroissante suivant les réacteurs.
  16. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon une quelconque des revendications 1 à 7 pour la réalisation de la réaction d’hydrogénation en continu du squalène en squalane en présence de palladium caractérisée en ce que le procédé est mis en œuvre en utilisant au moins deux réacteurs de volumes différents.
  17. Utilisation d’un dispositif de réactions chimiques sous haute pression selon une quelconque des revendications 1 à 7 pour la réalisation de 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.
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