WO2023232427A1 - Synthese de l'acide levulinique par hydratation d'alcool furfurylque en presence d'un catalyseur homogene acide et d'un solvant a base d'ether et/ou d'acetals - Google Patents

Synthese de l'acide levulinique par hydratation d'alcool furfurylque en presence d'un catalyseur homogene acide et d'un solvant a base d'ether et/ou d'acetals Download PDF

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WO2023232427A1
WO2023232427A1 PCT/EP2023/062616 EP2023062616W WO2023232427A1 WO 2023232427 A1 WO2023232427 A1 WO 2023232427A1 EP 2023062616 W EP2023062616 W EP 2023062616W WO 2023232427 A1 WO2023232427 A1 WO 2023232427A1
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WO
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acid
solvent
ether
levulinic acid
mol
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/062616
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English (en)
Inventor
Pierre-Alain Breuil
Kim LARMIER
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/43—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation
    • C07C51/44—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation by distillation

Definitions

  • the present invention relates to a process for the synthesis of levulinic acid by hydration of furfuryl alcohol in the presence of a homogeneous acid catalyst and an ether or acetal-based solvent.
  • Levulinic acid also called 4-oxopentanoic acid or y-ketovaleric acid
  • y-ketovaleric acid is an organic product with the formula:
  • Levulinic acid is a chemical product or intermediate that can be used in the petrochemical industry, petroleum product refining, agricultural industry, pharmaceutical industry, food industry, hygiene and health industry. cosmetics or even in the polymer and additives industry.
  • Levulinic acid is generally produced in two ways.
  • the first pathway is the production of levulinic acid by acid hydrolysis from C6 or C5 sugars which can themselves be derived from lignocellulosic biomass by acid hydrolysis, as described for example in Biofuels, Bioproducts and Biorefining 5 198-214 (2011).
  • hydrolysates of biomass or sugars usually also contain low boiling point compounds such as formic acid, acetic acid and propionic acid.
  • the second route is the hydration of furfuryl alcohol in the presence of a homogeneous or heterogeneous acid catalyst.
  • This synthesis is for example described in FR2640263, US3752849 and US2780588.
  • the use of homogeneous catalysts generally leads to higher levulinic acid yields. Additionally, heterogeneous catalysts can become clogged with humins formed during synthesis leading to a drop in acid yield.
  • patent US3752849 describes the synthesis of levulinic acid by hydration of furfuryl alcohol in the presence of an acid chosen from hydrochloric acid or oxalic acid in the presence of a solvent based on an aliphatic ketone, such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, methyl isobutyl ketone, or cyclohexanone.
  • a solvent based on an aliphatic ketone such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, methyl isobutyl ketone, or cyclohexanone.
  • An additional organic solvent having a boiling point higher than water including toluene, xylene, benzene or cumene, may also be present.
  • Patent FR2640263 also describes the synthesis of levulinic acid by hydration of furfuryl alcohol in the presence of an acid but in the absence of a solvent. This document describes that the absence of a solvent avoids the formation of various by-products resulting from secondary aldolization and condensation reactions involving said solvent. According to this document, the absence of the solvent makes it possible to increase the yield and purity of the levulinic acid obtained.
  • the yield of such processes whether via the furfuryl alcohol hydration pathway or the sugar/biomass pathway is in fact rather low, mainly due to the formation of numerous reaction by-products from which levulinic acid must be separated by complex separation and purification processes.
  • heat treatment at acidic pH leads to the formation of humins, which are high molecular weight polymeric compounds resulting from condensation reactions.
  • Humins generally separate in the form of solids, generally dark in color, which pose numerous problems during the levulinic acid recovery process, in particular by clogging of equipment which can lead to total blockage.
  • the viscosity of humins which increases as a function of heating time during the synthesis step or a downstream thermal separation step contributes to significant clogging of separation equipment and/or to degrade the ability to recover the levulinic acid.
  • Another problem is the thermosensitivity of levulinic acid itself which is transformed during the synthesis step or in a thermal separation step such as downstream distillation into undesired by-products, for example by dehydration of levulinic acid into angelic lactone. Such transformations lower the recovery rate of levulinic acid.
  • a solvent in a reaction leading to a heat-sensitive product such as levulinic acid is generally desirable, because it makes it possible to limit the heating temperature and therefore the degradation of levulinic acid and/or the formation of humins. .
  • the presence of a solvent makes it possible to solubilize to a certain degree the by-products, notably the humins.
  • the solvent itself may also be heat sensitive or reactive in acidic conditions and undergo degradation into by-products which are restrictive for the downstream separation and purification stages. The choice of solvent can therefore have an influence on the yield of levulinic acid.
  • the present invention aims to propose a process for the synthesis of levulinic acid by hydration of furfuryl alcohol in the presence of a homogeneous acid catalyst and a particular solvent, in particular a solvent based on ether and/or acetal .
  • the invention relates to a process for the synthesis of levulinic acid by the hydration of furfuryl alcohol at a temperature between 25 and 140°C in the presence of a homogeneous acid catalyst and a solvent based on ether and/or acetal.
  • the present invention relates in particular to the fact of using a solvent based on ether and/or acetal during the synthesis of levulinic acid by the hydration of furfuryl alcohol.
  • a solvent based on ether and/or acetal during the synthesis of levulinic acid by the hydration of furfuryl alcohol.
  • the use of such a solvent makes it possible to obtain a yield equivalent or even better than those obtained with known solvents of the aliphatic ketone type, while presenting significant stability properties. In fact, the degradation of the solvent is avoided or limited, which facilitates its recycling.
  • the solvent based on ether and/or acetal is chosen from the compounds corresponding to one or the other of structures I and II, taken alone or as a mixture:
  • Ri, R2, R3 and R4 are chosen independently from: linear or branched aliphatic groups of 1 to 6 carbon atoms, optionally substituted by alkoxy groups, cyclic or polycyclic aliphatic groups of 5 to 12 carbon atoms, optionally substituted by alkoxy or alkyl groups, linear or branched olefinic groups of 1 to 6 carbon atoms, optionally substituted by alkoxy groups, aromatic or polyaromatic groups of 6 to 12 carbon atoms, Ri and R2 can be linked together by covalent bonds so as to form a cycle,
  • R3 and R4 can be linked together by covalent bonds so as to form a cycle, n is an integer between 1 and 6.
  • the solvent is chosen from diethyl ether, diisopropylether, diisobutyl ether, dibutyl ether, diphenyl ether, 2-methoxy-2-methylpropane, 2-methoxy-2-methylbutane, 2,5-dihydrofuran, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methyltetrahydrofuran, 2,3-dihydropyran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane , benzofuran, 2,2-dimethoxy propane, 2,2-di(2-ethylhexyloxy)propane, 2-methoxytetrahydrofuran and di(2-methoxyethyl)ether, taken alone or as a mixture.
  • the homogeneous acid catalyst is chosen from a homogeneous, organic or inorganic Bronsted acid.
  • the homogeneous acid catalyst is hydrochloric acid.
  • the water is present in a quantity such that the water/furfuryl alcohol molar ratio is between 0.9 and 10.0 mol/mol.
  • the solvent is present in a quantity such that the solvent/furfuryl alcohol molar ratio is between 0.1 and 5 mol/mol.
  • the acidic homogeneous catalyst is present in a quantity such that the acid/furfuryl alcohol molar ratio is between 0.01 and 1.0 mol/mol.
  • the process is carried out at a temperature between 60 and 110°C.
  • the process is carried out at a pressure of between 0.01 MPa and 1 MPa.
  • reaction effluent resulting from the synthesis is subjected to at least one separation step.
  • the reaction effluent resulting from the synthesis is subjected to at least one thermal separation step.
  • the reaction effluent resulting from the synthesis is subjected to at least one thermal separation step in the presence of a flux having a boiling point higher than that of levulinic acid.
  • the flux has a boiling range of between 250 and 620°C and is of petroleum origin and/or of plant origin and/or based on polymers or their mixture.
  • the flux is chosen from a petroleum cut chosen from a vacuum gas oil, a heavy oil from catalytic cracking in a fluidized bed, a settling oil, an unconverted oil from a hydrocracker, or a polyethylene glycol. having an average molar mass greater than or equal to 600 g/mol.
  • the different ranges of values of given parameters can be used alone or in combination.
  • a preferred range of pressure values may be combined with a more preferred range of temperature values, or a preferred range of values of one compound or chemical element may be combined with a more preferred range of values of another chemical compound or element.
  • the boiling temperature is measured under standard conditions, namely at 1 atmosphere, or 760.00 mm Hg. At this pressure, the boiling temperature of pure water is 100°C and the boiling point of levulinic acid is 245°C.
  • the invention relates to a process for the synthesis of levulinic acid by the hydration of furfuryl alcohol at a temperature between 25 and 140°C in the presence of a homogeneous acid catalyst and an ether-based solvent and /or acetal according to the following formula:
  • the hydration synthesis of furfuryl alcohol can be implemented in a unit operating continuously or not.
  • the furfuryl alcohol is introduced into the reactor by casting, by injection or by any other means on one side and the solvent, water and acid mixture is introduced by casting, by injection or any other means on the other side taking into account a target residence time.
  • the withdrawal of the reaction effluent containing the levulinic acid formed is carried out at the same time continuously.
  • the synthesis by hydration of furfuryl alcohol can also be implemented in a unit operating as a continuous feed reactor during which no withdrawal of the reactor contents is carried out, that is to say in "fed batch” mode according to Anglo-Saxon terminology.
  • the furfuryl alcohol is introduced into the reactor continuously, by casting, by injection or by any other means in the unit containing the water, the acid catalyst and the solvent.
  • the reaction medium can be stirred.
  • the reaction effluent containing the levulinic acid formed can be sent continuously to a separation section as described below.
  • the synthesis by hydration of furfuryl alcohol can also be implemented in a unit operating in a closed reactor, that is to say in "batch" mode according to Anglo-Saxon terminology.
  • the reaction effluent containing the levulinic acid formed can be sent to a separation section as described below.
  • the molar ratio of compound (i.e. water or acid or solvent) to furfuryl alcohol corresponds to the molar flow rate of said compound entering the reactor to the molar flow rate of furfuryl alcohol entering the reactor.
  • the molar ratio of compound (i.e. water or acid or solvent) to furfuryl alcohol corresponds to the total quantity of said compound introduced into the reactor during the entire reaction on the total quantity of furfuryl alcohol introduced into the reactor during the entire reaction.
  • the addition time corresponds to the time during which the furfuryl alcohol is introduced into the reaction section. This addition can be carried out continuously or discontinuously.
  • the addition duration is generally between 5 minutes and 4 days, preferably between 1 hour and 2 days, very preferably between 2 hours and 1 day.
  • the reaction effluent can be stirred under the reaction temperature and pressure conditions during a maturation phase.
  • the maturation phase is generally between 1 second and 4 days, preferably between 1 minute and 2 days, very preferably between 5 minutes and 1 day.
  • the reaction effluent containing the levulinic acid formed can be sent to a separation section as described below.
  • Furfuryl alcohol may or may not be biosourced. It can for example be obtained from C5 (comprising 5 carbon atoms) or C6 (comprising 6 carbon atoms) sugars.
  • the water is usually present in an amount such that the water/furfuryl alcohol molar ratio is between 0.9 and 10.0 mol/mol, preferably between 1.0 and 5.0 mol/mol, very preferably. between 1.1 and 3.0 mol/mol.
  • the process is carried out in the presence of at least one homogeneous acidic catalyst.
  • the acid catalyst is generally chosen from homogeneous, organic or inorganic Bronsted acids.
  • At least one catalyst is chosen from homogeneous Bronsted organic acids.
  • the homogeneous Bronsted organic acid catalysts are chosen from organic acids of general formulas R'COOH, R'SChH, R'SChH, (R'SChjNH, (R'O)2PO2H, R'OH, in which R ' is chosen from the groupings • alkyls, preferably comprising between 1 and 15 carbon atoms, preferably between 1 and 10, and preferably between 1 and 6, substituted or not by at least one substituent chosen from a hydroxyl, an amine, a nitro, a halogen, preferably fluorine and an alkyl halide,
  • alkenyls substituted or not by at least one group chosen from a hydroxyl, an amine, a nitro, an oxo, a halogen, preferably fluorine, and an alkyl halide,
  • aryls comprising between 5 and 15 carbon atoms and preferably between 6 and 12 carbon atoms, substituted or not by a substituent chosen from a hydroxyl, an amine, a nitro, an oxo, a halogen, preferably fluorine and a alkyl halide,
  • heteroaryls comprising between 4 and 15 carbon atoms and preferably between 4 and 12 carbon atoms, substituted or not by a substituent chosen from a hydroxyl, an acid, an amine, a nitro, an oxo, a halogen, preferably fluorine and an alkyl halide.
  • R' can also be hydrogen.
  • the Bronsted organic acids are chosen from formic acid, acetic acid, trifluoroacetic acid, lactic acid, levulinic acid, 2,5-furan dicarboxylic acid, methanesulfinic acid, methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, bis(trifluoromethanesulfonyl)amine, benzoic acid, paratoluenesulfonic acid, 4-biphenylsulfonic acid, diphenylphosphate, and 1,1-binaphthyl-2,2 '-diyl hydrogen phosphate.
  • the homogeneous Bronsted organic acid catalyst is chosen from methanesulfonic acid (CH3SO3H), paratoluenesulfonic acid and trifluoromethanesulfonic acid (CF3SO3H).
  • At least one catalyst is chosen from homogeneous inorganic Bronsted acids.
  • the homogeneous inorganic Bronsted catalysts are chosen from HF, HCl, HBr, HI, H2SO3, H 2 SO 4 , H3PO2, H3PO4, HNO 2 , HNO 3 , H 2 WO 4 , H 4 SiWi 2 O 40 , H 3 PWI 2 O 40 , (NH 4 )e(Wi20 4 o).xH20, H 4 SiMoi20 4 o, H3PMoi20 4 o, (NH 4 )6MoyO2 4 .xH2O, H2MoO 4 , HReO 4 , H 2 CrO 4 , H 2 SnO 3 , H 4 SiO 4 , H3BO3, HCIO 4 , HBF 4 , HSbF 5 , HPF 6 , H2FO3P, CISO3H, FSO3H, HN(SC>2F)2 and HIO3.
  • the Bronsted inorganic acids are chosen from HCl, HBr, HI, H2SO 4 , HsPCL, HNO3.
  • the Bronsted inorganic acid is hydrochloric acid HCl.
  • the acid catalyst is usually present in an amount such that the acid/furfuryl alcohol molar ratio is between 0.01 and 1.0 mol/mol, preferably between 0.02 and 0.5 mol/mol.
  • the synthesis by hydration of furfuryl alcohol is carried out in the presence of a solvent based on ether and/or acetal.
  • the solvent is preferably a solvent in which the water is partly or entirely soluble.
  • the solvent advantageously has a lower boiling point than that of levulinic acid which makes it possible to separate the solvent for recycling and to limit the heating temperature when the optional preliminary thermal separation step is carried out, thus avoiding the formation of humins and/or the degradation of levulinic acid.
  • the solvent advantageously has a boiling point greater than 75°C, preferably greater than 80°C.
  • the formation of levulinic acid by hydration of furfuryl alcohol is generally favored at a high temperature while avoiding too high a temperature which leads to the formation of humins and/or the degradation of levulinic acid.
  • the solvent based on ether and/or acetal is chosen from the compounds corresponding to one or the other of structures I and II, taken alone or as a mixture:
  • Ri, R2, R3 and R4 are chosen independently from: linear or branched aliphatic groups of 1 to 6 carbon atoms, optionally substituted by alkoxy groups, cyclic or polycyclic aliphatic groups of 5 to 12 carbon atoms , optionally substituted by alkoxy or alkyl groups, linear or branched olefinic groups of 1 to 6 carbon atoms, optionally substituted by alkoxy groups, aromatic or polyaromatic groups of 6 to 12 carbon atoms,
  • Ri and R2 can be linked together by covalent bonds so as to form a cycle
  • the solvent is an ether-based solvent and is chosen from diethyl ether, diisopropyl ether, diisobutyl ether, dibutyl ether, diphenyl ether, 2-methoxy-2-methylpropane, 2-methoxy-2- methylbutane, 2,5-dihydrofuran, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methyltetrahydrofuran, 2,3-dihydropyran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, 1,4 -dioxane, 1,2-dimethoxyethane and benzofuran, taken alone or as a mixture.
  • the solvent is an acetal-based solvent and is chosen from 2,2-dimethoxy propane, 2,2-di(2-ethylhexyloxy)propane, 2-methoxytetrahydrofuran and di(2- methoxyethyl)ether, taken alone or in mixture.
  • the solvent is a mixture of a solvent based on ether and an acetal chosen from one of the ethers and acetals cited above, in any proportion.
  • the solvent is chosen from diisobutyl ether, dibutyl ether, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane and 1,2-dimethoxyethane, taken alone or as a mixture.
  • the solvent is chosen from 1,4-dioxane and 1,2-dimethoxyethane, taken alone or as a mixture.
  • the solvent is usually present in an amount such that the solvent/furfuryl alcohol molar ratio is between 0.1 and 5 mol/mol, preferably between 0.5 and 3 mol/mol, very preferably between 1 and 2 mol /mol.
  • the synthesis by hydration of furfuryl alcohol is generally carried out at a temperature between 25 and 140°C, preferably between 40 and 120°C, very preferably between 60 and 110°C.
  • the hydration synthesis of furfuryl alcohol is generally carried out at a pressure between 0.01 MPa and 1 MPa (0.1 bara and 10 bara), and preferably at atmospheric pressure.
  • levulinic acid is synthesized by hydration of furfuryl alcohol in the presence of a homogeneous acid catalyst, preferably hydrochloric acid, and an ether-based solvent, preferably chosen from 1, 4-dioxane and/or 1,2-dimethoxyethane.
  • a homogeneous acid catalyst preferably hydrochloric acid
  • an ether-based solvent preferably chosen from 1, 4-dioxane and/or 1,2-dimethoxyethane.
  • the conversion of furfuryl alcohol is generally greater than 95%, preferably greater than 98%, most preferably greater than 99%.
  • the yield of levulinic acid is defined as the ratio of the molar concentration of levulinic acid obtained and the molar concentration of furfuryl alcohol used in the reaction effluent, expressed in%.
  • the yield of levulinic acid is generally greater than 65%, preferably greater than 71%, very preferably greater than 79%.
  • the degradation rate of the solvent The mass of solvent consumed is defined as the difference between the mass of solvent measured and the mass of solvent initially used.
  • the degradation rate of the solvent is generally less than 11%, preferably less than 8%, very preferably less than 5%.
  • a reaction effluent is obtained containing levulinic acid, water, homogeneous acid catalyst (preferably hydrochloric acid HCl), solvent (preferably 1,4-dioxane and/or 1,2-dimethoxyethane), and possibly traces of untransformed furfuryl alcohol, as well as the inevitable humins formed which are products of high molecular weight resulting from condensation reactions, in particular by condensation of furfuryl alcohol on itself. Humins are soluble in the reaction medium.
  • homogeneous acid catalyst preferably hydrochloric acid HCl
  • solvent preferably 1,4-dioxane and/or 1,2-dimethoxyethane
  • reaction effluent can be subjected to one or more separation steps.
  • Levulinic acid can be separated from the reaction effluent by any method known to those skilled in the art.
  • WO2018/235012 describes, for example, a separation and purification method involving two distillation steps.
  • reaction effluent resulting from the synthesis according to the invention is subjected to at least one separation step.
  • reaction effluent resulting from the synthesis according to the invention is subjected to at least one thermal separation step.
  • reaction effluent resulting from the synthesis according to the invention is subjected to at least one thermal separation step in the presence of a flux having a boiling point higher than that of levulinic acid.
  • a flux also makes it possible to control the viscosity of humins, in particular by reducing their viscosity. Indeed, in the absence of flux, humins are often recovered as solids at room temperature. The presence of flux makes it possible to recover a heavy fraction containing humins in liquid and viscous form at room temperature, thus facilitating its evacuation into the separation unit and therefore limiting clogging of the equipment(s).
  • the reaction effluent can be subjected to a preliminary thermal separation step aimed at separating compounds having a boiling point lower than that of levulinic acid.
  • the preliminary thermal separation step makes it possible to separate a light fraction comprising water, the homogeneous acidic catalyst (in particular hydrochloric acid) and the solvent. These compounds are preferably subsequently condensed and recycled in the synthesis unit, which makes it possible on the one hand to limit discharges and the environmental impact of the synthesis and on the other hand to limit the consumption of resources and ultimately the cost of producing levulinic acid.
  • the fact of using a solvent based on ether and/or acetal having a limited degradation rate during the synthesis thus makes it possible to increase its possible recycling rate.
  • the preliminary thermal separation step can be carried out according to any method known to those skilled in the art. It can for example be carried out by distillation and/or by evaporation. According to a variant, and when it is carried out by distillation, a plate distillation column can be used.
  • the number of theoretical plates is generally between 1 and 50, preferably between 1 and 10.
  • the distillation temperature at the bottom of the column is advantageously between 25 and 200°C, preferably between 50 and 180°C, and very preferably between 100 and 160°C.
  • the distillation pressure at the top of the column is advantageously between 0.0001 and 0.2 MPa (between 1 mbara and 2 bara), preferably between 0.001 and 0.1 MPa (between 10 mbara and 1 bara), and very preferably between 0.004 and 0.05 MPa (between 40 mbara and 500 mbara).
  • the evaporator(s) can be chosen for example from natural or forced circulation evaporators, falling or rising film evaporators, stirred thin film evaporators, plate evaporators or multiple effect evaporators.
  • the evaporator(s) can be chosen for example from natural or forced circulation evaporators, falling or rising film evaporators, stirred thin film evaporators, plate evaporators or multiple effect evaporators.
  • at least two evaporators are used in series.
  • Falling film or rising film evaporators are known devices, in which the heating and transformation of the liquid into vapor takes place inside a plurality of tubes, themselves heated by a fluid (for example low pressure steam), inside which the liquid flows in the form of a film along the internal wall of the tubes.
  • the evaporator(s) operate in the same temperature and pressure ranges as described for distillation.
  • the preliminary thermal separation step aims in particular to separate the compounds having a boiling point lower than that of levulinic acid from the reaction effluent making it possible to obtain a composition comprising levulinic acid and humins free of light compounds. which is preferably at least in part, continuously or discontinuously, introduced into another separation step in the presence of a flux having a boiling point higher than that of levulinic acid.
  • the preliminary thermal separation step can be carried out in the absence or presence of a flux as defined below, preferably it is carried out in the absence of a flux.
  • the preliminary thermal separation step is generally carried out in such a way that the water content in the composition comprising levulinic acid and humins which is sent to the downstream thermal separation step is less than 1% by weight relative to the total weight of the composition, preferably less than 0.9% by weight and particularly preferably less than 0.8% by weight.
  • reaction effluent comprising levulinic acid and humins possibly freed from compounds having a boiling point lower than that of levulinic acid by the preliminary thermal separation step, can then be subjected to a thermal separation step. additional.
  • this additional thermal separation step can be carried out in the presence of a flux having a boiling point higher than that of levulinic acid so as to obtain a light fraction containing levulinic acid and a heavy fraction containing the humins and said flux.
  • reaction effluent no longer contains compounds having a boiling point lower than that of levulinic acid during this step.
  • the flux must have a boiling point higher than that of levulinic acid which is 245°C in order to be able to carry out the separation.
  • the fluxing agent generally has a boiling point greater than 250°C, preferably greater than 280°C, and particularly preferably greater than 300°C.
  • the flux must also be stable and not degrade at a temperature between 20 and 200°C, preferably between 150 and 200°C. Indeed, the flux must not degrade towards compounds which can react with levulinic acid or towards lighter compounds that can be separated with the light fraction containing levulinic acid.
  • the flux can contain polar or protic functions.
  • the flux can be of petroleum origin and/or of plant origin and/or based on polymers.
  • the flux can also be a mixture of at least two of these components.
  • the flux When the flux is of petroleum origin, it can be chosen from any petroleum cut having a boiling point higher than that of levulinic acid, in particular from a vacuum gas oil known under the name "VGO" (for Vacuum Gas Oil according to Anglo-Saxon terminology and which typically has a boiling range of 360°C to 620°C), a decanting oil or a recycling oil (which typically has a boiling range of 360°C to 620°C °C), for example a fluidized bed catalytic cracking effluent such as a heavy cycle oil (HCO), an unconverted oil coming from a hydrocracker which typically has a boiling range of 360° C to 620°C (UCO for Unconverted Oil in English), vacuum residues (which typically have a boiling range greater than or equal to 524°C), deasphalted oils, resins, or their mixture.
  • VGO vacuum gas oil known under the name "VGO" (for Vacuum Gas Oil according to Anglo-Saxon terminology and which typically has a boiling range of 360°
  • the flux When the flux is of plant origin, it can be chosen from a vegetable and/or animal oil or from fatty acid methyl esters (FAME) which can be manufactured either by esterification of fatty acids derived from vegetable oil and/or animal or by direct transesterification of vegetable and/or animal oil, or their mixture. Examples include olive oils or avocado oil. This non-exhaustive list also includes all oils obtained by genetic modification or hybridization. Used oils, such as frying oils, as well as any used oils and fats from the food service industries, can also be used. Regarding animal fats, we can cite, without limitation, tallow. The expressions “animal fat” and “animal oil” are used without distinction in this description, the only difference between a fat and an oil being the state of the fatty substance at room temperature: liquid for an oil and solid for a fat.
  • FAME fatty acid methyl esters
  • These vegetable and/or animal oils can be crude or refined, totally or in part.
  • a crude or refined vegetable oil refers to its method of extraction, mainly under pressure for a crude oil (typically a single cold pressing without additives) and generally using a solvent for an oil refined.
  • the flux when it is based on polymers, it can be chosen from polyethers of the polyethylene glycol type having an average molar mass greater than or equal to 600 g/mol, and in particular PEG-600, PEG-800 or PEG 1000, or even PEG 6000 or PEG 8000, alone or in a mixture.
  • the flux is advantageously mixed with said reaction effluent before and/or during carrying out the thermal separation step. Mixing can be done before the separation unit or in the separation unit.
  • the mixing can be carried out by any means known to those skilled in the art, for example a stirrer, recirculation of the liquid with a pump or by passing the mixture through a static mixer.
  • the quantity of flux introduced into said mixture is such that the mass content of the flux in said mixture is between 0.5 and 85% by weight, preferably between 1 and 70% by weight, and preferably between 1.5 and 50% by weight. % weight relative to the total weight of the mixture.
  • the mixing is advantageously carried out at a temperature between 25 and 200°C, preferably between 50 and 195°C, and very preferably between 110 and 190°C.
  • the mixing time is advantageously between 0.1 and 600 minutes, preferably between 1 and 60 minutes.
  • the flux helps reduce the viscosity of the humins contained in the heavy fraction. Indeed, in the absence of flux, the heavy fraction containing humins is often recovered as a solid at room temperature. The presence of flux allows the heavy fraction to be recovered in liquid and viscous form at room temperature, thus facilitating its evacuation into the separation unit and therefore limiting clogging of the equipment(s).
  • the flux also makes it possible to control the thermal separation of levulinic acid by limiting the separation temperature and therefore the formation of undesired secondary products of levulinic acid such as angelic lactone.
  • the presence of the flux thus makes it possible to significantly improve the recovery rate of levulinic acid by preserving the levulinic acid by limiting the separation temperature and by controlling the viscosity of the residue containing the humins, in particular by reducing its viscosity.
  • the thermal separation step of the levulinic acid carried out in the presence or absence of the flux can be carried out according to any method known to those skilled in the art. It can for example be carried out by distillation and/or by evaporation.
  • a plate distillation column can be used.
  • the number of theoretical plates is generally between 1 and 50, preferably between 1 and 20.
  • the distillation temperature at the bottom of the column is advantageously between 80 and 200°C, preferably between 100 and 195°C, and very preferably between 110 and 190°C.
  • the distillation pressure at the top of the column is advantageously between 0.0001 and 0.1 MPa (between 1 mbara and 1 bara), preferably between 0.001 and 0.08 MPa (between 10 mbara and 800 mbara), and very preferably between 0.002 and 0.05 MPa (between 20 mbara and 500 mbara).
  • one or more evaporators can be used in series or in parallel, the evaporator(s) can be chosen for example from natural circulation evaporators or forced, falling or rising film evaporators, stirred thin film evaporators, plate evaporators or multiple effect evaporators.
  • the evaporator(s) operate in the same temperature and pressure ranges as described for the preliminary distillation.
  • a thin film evaporator can be used.
  • the thin film evaporator comprises a single tube inside which the liquid to be treated flows along the inner wall of the tube itself.
  • the film of liquid is distributed uniformly on the wall thanks to the action of a rotor with blades inserted inside the tube which, when rotated, in addition to distributing the liquid on the wall, creates a turbulent flow in the film itself which significantly improves heat exchange.
  • This type of evaporator allows the most volatile part to be quickly separated from the less volatile part, thanks to the agitation of the liquid. in film form under controlled conditions.
  • the evaporator preferably operates at reduced pressure to lower the separation temperature of the vapor phase from the liquid phase. Heating of the tube wall is carried out for example by external coils inside which a heating fluid circulates, e.g. water vapour.
  • This type of equipment makes it possible to very significantly limit the residence time of products/residues in comparison with a distillation column or falling or rising film evaporators. Indeed, we observe an increase in the viscosity of the residue as a function of time at high temperatures (150-200°C) which contributes to significant clogging of the separation equipment.
  • the use of a thin layer evaporator makes it possible to limit the residence time of said composition comprising levulinic acid and humins and therefore to significantly limit the increase in viscosity and therefore to improve the operability of this step of separation.
  • the levulinic acid recovery rate corresponding to the mass of vaporized levulinic acid relative to the mass of levulinic acid contained in the composition used in the separation step in the presence of a flux, is generally between 80 and 99%, preferably between 82 and 99%.
  • the purity obtained in levulinic acid is between 90.0% and 99.0% by weight, preferably between 90.1 and 98.0% by weight, very preferably between 90.2 and 97.9% by weight. If necessary, and in order to increase the purity, levulinic acid can be subjected to one or more purification steps, such as a crystallization or esterification step.
  • the light fraction comprising levulinic acid can then be cooled and condensed.
  • the cooling and condensation of this fraction can possibly be integrated into low pressure steam production by heat exchange, thus allowing energy savings.
  • Low pressure steam can be used as heating in the evaporator(s).
  • the heavy fraction containing the humins and the flux is liquid and therefore easily evacuated from the separation unit. It can be sent to external waste treatment. It can also be burned to produce thermal energy, for example for the separation unit(s).
  • the reaction effluent resulting from the synthesis according to the invention and comprising levulinic acid and humins and compounds having a boiling point lower than that of levulinic acid is subjected to a process of separation comprising the following steps: said effluent is subjected to a preliminary thermal separation step so as to separate the compounds having a boiling point lower than that of levulinic acid, then said effluent comprising levulinic acid and humins is subjected to a step of thermal separation in the presence of a flux having a boiling point higher than that of levulinic acid so as to obtain a light fraction containing levulinic acid and a heavy fraction containing the humins and said flux.
  • Figure 1 represents the diagram of a preferred embodiment of the method of the present invention, comprising:
  • the reaction effluent 5 is sent continuously or discontinuously into a preliminary thermal separation section B which can be carried out by distillation or evaporation.
  • the preliminary thermal separation step B makes it possible to separate a light fraction 6 containing the hydrochloric acid, the solvent and the untransformed water which can at least partly be recycled in the reactor A (recycle not shown) and a heavy fraction (residue) 7 comprising levulinic acid and humins stripped of light compounds.
  • This composition is mixed with a flux 8, then this mixture is sent to a thermal separation section C which can be carried out by distillation or evaporation and which makes it possible to obtain a light fraction containing levulinic acid 9 and a heavy fraction 10 containing humins and flux.
  • the final mixture is taken for analysis and the mass concentrations of solvent and levulinic acid present are quantified by 1 H NMR spectroscopy calibrated by adding a known quantity of acetonitrile.
  • the theoretical final mass concentrations of levulinic acid and solvent are 45.4% and 50.0%, respectively.
  • Example 1 uses methyl ethyl ketone (MEK) as solvent.
  • MEK methyl ethyl ketone
  • Example 2 (compliant) uses 1,4-dioxane as solvent.
  • the measured yield of levulinic acid is 87%, and the degradation rate of the solvent is 1%.
  • Example 3 (compliant) uses 1,2-dimethoxyethane as solvent.
  • the measured yield of levulinic acid is 82%, and the degradation rate of the solvent is 4%.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de synthèse de l'acide lévulinique par l'hydratation d'alcool furfurylique à une température comprise entre 25 et 140°C en présence d'un catalyseur homogène acide et d'un solvant à base d'éther et/ou d'acétal. L'utilisation d'un tel solvant permet d'obtenir un rendement équivalent voir meilleur à ceux obtenus avec des solvants connus, tout en présentant des propriétés de stabilité importantes.

Description

SYNTHESE DE L’ACIDE LEVULINIQUE PAR HYDRATATION D’ALCOOL FURFURYLQUE EN PRESENCE D’UN CATALYSEUR HOMOGENE ACIDE ET D’UN SOLVANT A BASE D’ETHER
ET/OU D’ACETALS
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de synthèse de l’acide lévulinique par hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un catalyseur homogène acide et d’un solvant à base d’éther ou d’acétal.
TECHNIQUE ANTERIEURE
L'acide lévulinique (également appelé acide 4-oxopentanoïque ou acide y-cétovalérique) est un produit organique répondant à la formule :
Figure imgf000002_0001
L’acide lévulinique est un produit ou un intermédiaire chimique pouvant être utilisé dans l’industrie pétrochimique, le raffinage des produits pétroliers, l’industrie agricole, l’industrie pharmaceutique, l’industrie alimentaire, l’industrie de l’hygiène et des cosmétiques ou encore dans l’industrie des polymères et des additifs.
L'acide lévulinique est généralement produit de deux manières.
La première voie, la voie sucre/biomasse est la production d’acide lévulinique par hydrolyse acide à partir de sucres C6 ou C5 qui peuvent être issus eux-mêmes de biomasse lignocellulosique par hydrolyse acide, tel que décrit par exemple dans Biofuels, Bioproducts and Biorefining 5 198-214 (2011). En plus de l'acide lévulinique, les hydrolysats de biomasse ou de sucres contiennent généralement également des composés à bas point d'ébullition tels que l'acide formique, l'acide acétique et l'acide propionique.
La deuxième voie est l’hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un catalyseur acide homogène ou hétérogène. Cette synthèse est par exemple décrite dans FR2640263, US3752849 et US2780588. L’utilisation de catalyseurs homogènes mène généralement à des rendements en acide lévulinique plus élevés. De plus, les catalyseurs hétérogènes peuvent s’encrasser d’humines formées lors de la synthèse menant à une chute du rendement d’acide.
Plus particulièrement, le brevet US3752849 décrit la synthèse d’acide lévulinique par hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un acide choisi parmi l’acide chlorhydrique ou l’acide oxalique en présence d’un solvant à base d’une cétone aliphatique, comme l’acétone, la méthyléthylcétone, la diéthylcétone, la méthylisobutylcétone, ou le cyclohexanone. Ce document décrit que la présence du solvant permet de limiter la formation d'un polymère indésirable, assurant une production sélective d'acide lévulinique avec des rendements élevés. Un solvant organique supplémentaire ayant un point d’ébullition supérieur à l’eau, notamment le toluène, le xylène, le benzène ou le cumène, peut également être présent.
Le brevet FR2640263 décrit également la synthèse d’acide lévulinique par hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un acide mais en absence d’un solvant. Ce document décrit que l'absence d'un solvant évite la formation de divers sous-produits résultant de réactions secondaires d'aldolisation et de condensation faisant intervenir ledit solvant. Selon ce document, l’absence du solvant permet d’augmenter le rendement et la pureté de l’acide lévulinique obtenus.
Cependant, le rendement de tels procédés que ça soit par la voie hydratation d’alcool furfurylique ou la voie sucre/biomasse est en fait plutôt faible, principalement en raison de la formation de nombreux sous-produits de réaction à partir desquels l'acide lévulinique doit être séparé par des procédés complexes de séparation et de purification. Outre divers sous- produits de bas poids moléculaire, le traitement thermique à pH acide conduit à la formation d'humines, qui sont des composés polymériques de haut poids moléculaire issus de réactions de condensation. Les humines se séparent généralement sous forme de solides, généralement de couleur foncée, qui posent de nombreux problèmes lors du processus de récupération de l'acide lévulinique, notamment par un encrassement des équipements pouvant mener à un bouchage total. De plus, la viscosité des humines qui augmente en fonction du temps de chauffage lors de l’étape de synthèse ou une étape de séparation thermique en aval contribue à un encrassement significatif des équipements de séparation et/ou à dégrader la capacité à récupérer l’acide lévulinique.
Un autre problème est la thermosensibilité de l’acide lévulinique lui-même qui se transforme lors de l’étape de synthèse ou dans une étape de séparation thermique telle qu’une distillation en aval en sous-produits non souhaités, par exemple par déshydratation de l'acide lévulinique en lactone angélique. De telles transformations font baisser le taux de récupération de l’acide lévulinique.
La présence d’un solvant dans une réaction menant à un produit thermosensible tel que l’acide lévulinique est généralement souhaitable, car il permet de limiter la température de chauffe et donc la dégradation de l’acide lévulinique et/ou la formation d’humines. De plus, la présence d’un solvant permet de solubiliser à un certain degré les sous-produits, notamment les humines. Cependant, le solvant lui-même peut également être thermosensible ou réactif en conditions acides et subir des dégradations en sous-produits contraignants pour les étapes de séparation et de purification en aval. Le choix du solvant peut donc avoir une influence sur le rendement d’acide lévulinique.
La présente invention vise à proposer un procédé de synthèse de l’acide lévulinique par hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un catalyseur homogène acide et d’un solvant particulier, notamment un solvant à base d’éther et/ou d’acétal.
RESUME DE L’INVENTION
Plus précisément, l’invention concerne un procédé de synthèse de l’acide lévulinique par l’hydratation d’alcool furfurylique à une température comprise entre 25 et 140°C en présence d’un catalyseur homogène acide et d’un solvant à base d’éther et/ou d’acétal.
La présente invention porte notamment sur le fait d’utiliser un solvant à base d’éther et/ou d’acétal lors de la synthèse de l’acide lévulinique par l’hydratation d’alcool furfurylique. L’utilisation d’un tel solvant permet d’obtenir un rendement équivalent voir meilleur à ceux obtenus avec des solvants connus de type cétone aliphatique, tout en présentant des propriétés de stabilité importantes. En effet, la dégradation du solvant est évitée ou limitée, ce qui facilite son recyclage.
De plus, la formation de sous-produits contraignante pour les étapes de séparation et de purification en aval est de fait également limitée.
Selon une variante, le solvant à base d’éther et/ou d’acétal est choisi parmi les composés correspondant à l’une ou l’autre des structures I et II, pris seul ou en mélange :
Figure imgf000004_0001
II dans lesquelles Ri, R2, R3 et R4 sont choisis indépendamment parmi : les groupements aliphatiques linéaires ou ramifiés de 1 à 6 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy, les groupements aliphatiques cycliques ou polycycliques de 5 à 12 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy ou alkyle, les groupements oléfiniques linéaires ou ramifiés de 1 à 6 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy, les groupements aromatiques ou polyaromatiques de 6 à 12 atomes de carbone, Ri et R2 peuvent être liés entre eux par des liaisons covalentes de manière à former un cycle,
R3 et R4 peuvent être liés entre eux par des liaisons covalentes de manière à former un cycle, n est un entier compris entre 1 et 6.
Selon une variante, le solvant est choisi parmi l'éther diéthylique, le diisopropyléther, le diisobutyléther, le dibutyléther, le diphényléther, le 2-méthoxy-2-méthylpropane, 2-methoxy- 2-méthylbutane, le 2,5-dihydrofurane, le tétrahydrofurane, le 2-méthyltétrahydrofurane, le 3- méthyltétrahydrofurane, le 2,3-dihydropyrane, le tétrahydropyrane, le 1 ,3-dioxolane, le 1,3- dioxane, le 1,4-dioxane, le 1 ,2- diméthoxyéthane, benzofurane, le diméthoxy-2,2 propane, le di(2-éthylhexyloxy)-2,2 propane, le 2-méthoxytétrahydrofurane et le di(2-méthoxyéthyl)éther, pris seuls ou en mélange.
Selon une variante, le catalyseur homogène acide est choisi parmi un acide de Bronsted homogène, organique ou inorganique.
Selon une variante, le catalyseur homogène acide est l’acide chlorhydrique.
Selon une variante, l’eau est présente dans une quantité telle que le ratio molaire eau/alcool furfurylique est compris entre 0,9 et 10,0 mol/mol.
Selon une variante, le solvant est présent dans une quantité telle que le ratio molaire solvant/alcool furfurylique est compris entre 0,1 et 5 mol/mol.
Selon une variante, le catalyseur homogène acide est présent dans une quantité telle que le ratio molaire acide/alcool furfurylique est compris entre 0,01 et 1,0 mol/mol.
Selon une variante, le procédé est effectué à une température comprise entre 60 et 110°C.
Selon une variante, le procédé est effectué à une pression comprise entre 0,01 MPa et 1 MPa.
Selon une variante, l’effluent réactionnel issu de la synthèse est soumis à au moins une étape de séparation.
Selon une variante, l’effluent réactionnel issu de la synthèse est soumis à au moins une étape de séparation thermique. Selon une variante, l’effluent réactionnel issu de la synthèse est soumis à au moins une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique.
Selon une variante, le fluxant a une plage d’ébullition comprise entre 250 et 620°C et est d’origine pétrolière et/ou d’origine végétale et/ou à base de polymères ou leur mélange.
Selon une variante, le fluxant est choisi parmi une coupe pétrolière choisi parmi un gazole sous vide, une huile lourde issue d’un craquage catalytique en lit fluidisé, une huile de décantation, une huile non convertie provenant d’un hydrocraqueur, ou un polyéthylèneglycol ayant une masse molaire moyenne supérieure ou égale à 600 g/mol.
Dans la présente description, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments qui ne seraient pas mentionnés. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut le terme exclusif et fermé « consister ».
Dans la présente description, l’expression « compris entre ... et ... » signifie que les valeurs limites de l’intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite, sauf spécifié autrement.
Dans la présente invention, les différentes plages de valeurs de paramètres donnés peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, une plage préférée de valeurs de pression peut être combinée avec une plage plus préférée de valeurs de température, ou une plage préférée de valeurs d’un composé ou élément chimique peut être combinée avec une plage plus préférée de valeurs d’un autre composé ou élément chimique.
Dans la suite, des modes de réalisation particuliers et/ou préférés de l’invention peuvent être décrits. Ils pourront être mis en œuvre séparément ou combinés entre eux, sans limitation de combinaison lorsque c’est techniquement réalisable.
Dans la présente invention, la température d'ébullition est mesurée dans des conditions standard, à savoir à 1 atmosphère, soit 760,00 mm Hg. A cette pression, la température d'ébullition de l'eau pure est de 100°C et le point d'ébullition de l'acide lévulinique est de 245°C. DESCRIPTION DETAILLEE
Synthèse de l’acide lévulinique
L’invention concerne un procédé de synthèse de l’acide lévulinique par l’hydratation d’alcool furfurylique à une température comprise entre 25 et 140°C en présence d’un catalyseur homogène acide et d’un solvant à base d’éther et/ou d’acétal selon la formule suivante :
Figure imgf000007_0001
La synthèse par hydratation d’alcool furfurylique peut être mise en œuvre dans une unité fonctionnant en continu ou non.
Lorsque la synthèse est mise en œuvre dans une unité fonctionnant en continu, l’alcool furfurylique est introduit dans le réacteur par coulée, par injection ou par tout autre moyen d’un côté et le mélange solvant, eau et acide est introduit par coulée, par injection ou par tout autre moyen de l’autre côté en tenant compte d’un temps de séjour cible. Le soutirage de l’effluent réactionnel contenant l’acide lévulinique formé est effectué en même temps en continu.
La synthèse par hydratation d’alcool furfurylique peut être également mise en œuvre dans une unité fonctionnant en réacteur à alimentation continue au cours de laquelle aucun soutirage du contenu du réacteur n'est effectué, c'est à dire en mode "fed batch" selon la terminologie anglo-saxonne.
Dans le cas d’un mode fed-batch, l’alcool furfurylique est introduit dans le réacteur en continu, par coulée, par injection ou par tout autre moyen dans l’unité contenant l’eau, le catalyseur acide et le solvant. Le milieu réactionnel peut être agité. A la fin de la réaction, l’effluent réactionnel contenant l’acide lévulinique formé peut être envoyé en continu dans une section de séparation telle que décrite ci-dessous.
La synthèse par hydratation d’alcool furfurylique peut être également mise en œuvre dans une unité fonctionnant en réacteur fermé, c'est à dire en mode "batch" selon la terminologie anglo-saxonne.
Dans le cas d’un mode batch, tous les composés (alcool furfurylique, eau, solvant, catalyseur acide) sont mis dans un réacteur, puis on effectue la réaction en chauffant. A la fin de la réaction, l’effluent réactionnel contenant l’acide lévulinique formé peut être envoyé dans une section de séparation telle que décrite ci-dessous. Dans le cas d’un fonctionnement en continu, le ratio molaire composé (c’est-à-dire eau ou acide ou solvant) sur alcool furfurylique correspond au débit molaire dudit composé entrant dans le réacteur sur le débit molaire de l’alcool furfurylique entrant dans le réacteur.
Dans le cas d’un fonctionnement en fed-batch, le ratio molaire composé (c’est-à-dire eau ou acide ou solvant) sur alcool furfurylique correspond à la quantité totale dudit composé introduit dans le réacteur pendant l’ensemble de la réaction sur la quantité totale de l’alcool furfurylique introduit dans le réacteur pendant l’ensemble de la réaction.
Indépendamment des quantités de matière engagée pour la synthèse, la durée d’ajout correspond à la durée pendant laquelle l’alcool furfurylique est introduit dans la section réactionnelle. Cet ajout peut être réalisé de manière continue ou discontinue. La durée d’ajout est généralement comprise entre 5 minutes et 4 jours, de préférence entre 1 heure et 2 jours, de manière très préférée entre 2 heures et 1 jour.
A la fin de la réaction, l’effluent réactionnel peut être agité dans les conditions de température et de pression de la réaction pendant une phase de maturation. La phase de maturation est généralement comprise entre 1 seconde et 4 jours, de préférence entre 1 minute et 2 jours, de manière très préférée entre 5 minutes et 1 jour. A la fin de cette phase de maturation, l’effluent réactionnel contenant l’acide lévulinique formé peut être envoyé dans une section de séparation telle que décrite ci-dessous.
L’alcool furfurylique peut être biosourcé ou non. Il peut par exemple être obtenu à partir de sucres en C5 (comprenant 5 atomes de carbone) ou en C6 (comprenant 6 atomes de carbone).
L’eau est habituellement présente dans une quantité telle que le ratio molaire eau/alcool furfurylique est compris entre 0,9 et 10,0 mol/mol, de préférence entre 1 ,0 et 5,0 mol/mol, de manière très préférée entre 1 ,1 et 3,0 mol/mol.
Selon l’invention, le procédé est mis en œuvre en présence d’au moins un catalyseur homogène acide. Le catalyseur acide est généralement choisi parmi les acides de Bronsted homogènes, organiques ou inorganiques.
Dans un mode de réalisation, au moins un catalyseur est choisi parmi les acides organiques de Bronsted homogènes.
De préférence, les catalyseurs acides organiques de Bronsted homogènes sont choisis parmi les acides organiques de formules générales R’COOH, R’SChH, R’SChH, (R’SChjNH, (R’O)2PO2H, R’OH, dans lesquels R’ est choisi parmi les groupements • alkyles, de préférence comprenant entre 1 et 15 atomes de carbone de préférence entre 1 et 10, et de préférence entre 1 et 6, substitués ou non par au moins un substituant choisi parmi un hydroxyle, une amine, un nitro, un halogène, de préférence le fluor et un halogénure d’alkyle,
• alkényles, substitués ou non par au moins un groupement choisi parmi un hydroxyle, une amine, un nitro, un oxo, un halogène, de préférence le fluor, et un halogénure d’alkyle,
• aryles comprenant entre 5 et 15 atomes de carbones et de préférence entre 6 et 12 atomes de carbones, substitués ou non par un substituant choisi parmi un hydroxyle, une amine, un nitro, un oxo, un halogène, de préférence le fluor et un halogénure d’alkyle,
• hétéroaryles comprenant entre 4 et 15 atomes de carbones et de préférence entre 4 et 12 atomes de carbones, substitués ou non par un substituant choisi parmi un hydroxyle, un acide, une amine, un nitro, un oxo, un halogène, de préférence le fluor et un halogénure d’alkyle.
Lorsque les catalyseurs de type acides organiques de Bronsted sont choisis parmi les acides organiques de formules générales R’-COOH, R’ peut également être un hydrogène.
De manière préférée, les acides organiques de Bronsted sont choisis parmi l'acide formique, l'acide acétique, l'acide trifluoroacétique, l'acide lactique, l'acide lévulinique, l’acide 2,5- furane dicarboxylique, l'acide méthanesulfinique, l'acide méthanesulfonique, l'acide trifluorométhanesulfonique, la bis(trifluorométhanesulfonyl)amine, l'acide benzoïque, l'acide paratoluènesulfonique, l'acide 4-biphénylsulfonique, le diphénylphosphate, et le 1 ,1 - binaphtyl-2 ,2'-diyl hydrogénophosphate. De manière très préférée, le catalyseur acide organique de Bronsted homogène est choisi parmi l'acide méthanesulfonique (CH3SO3H), l'acide paratoluènesulfonique et l’acide trifluorométhanesulfonique (CF3SO3H).
Dans un mode de réalisation, au moins un catalyseur est choisi parmi les acides inorganiques de Bronsted homogènes.
De préférence, les catalyseurs inorganiques de Bronsted homogènes sont choisis parmi HF, HCl, HBr, HI, H2SO3, H2SO4, H3PO2, H3PO4, HNO2, HNO3, H2WO4, H4SiWi2O40, H3PWI2O40, (NH4)e(Wi204o).xH20, H4SiMoi204o, H3PMoi204o, (NH4)6MoyO24.xH2O, H2MoO4, HReO4, H2CrO4, H2SnO3, H4SiO4, H3BO3, HCIO4, HBF4, HSbF5, HPF6, H2FO3P, CISO3H, FSO3H, HN(SC>2F)2 et HIO3. De manière préférée, les acides inorganiques de Bronsted sont choisis parmi HCl, HBr, HI, H2SO4, HsPCL, HNO3. De manière très préférée, l’acide inorganique de Bronsted est l’acide chlorhydrique HCl. Le catalyseur acide est habituellement present dans une quantité telle que le ratio molaire acide/alcool furfurylique est compris entre 0,01 et 1,0 mol/mol, de préférence entre 0,02 et 0,5 mol/mol.
La synthèse par hydratation d’alcool furfurylique est effectuée en présence d’un solvant à base d’éther et/ou d’acétal.
Le solvant est de préférence un solvant dans lequel l’eau est en partie ou en totalité soluble. Le solvant présente avantageusement un point d’ébullition plus bas que celui de l’acide lévulinique ce qui permet de séparer le solvant pour recyclage et de limiter la température de chauffe lorsque l’étape de séparation thermique préliminaire optionnelle est effectuée évitant ainsi la formation d’humines et/ou la dégradation de l’acide lévulinique.
Le solvant présente avantageusement un point d’ébullition supérieure à 75°C, de préférence supérieure à 80°C. La formation de l’acide lévulinique par hydratation d’alcool furfurylique est généralement favorisée à une température élevée tout en évitant une température trop élevée qui mène à la formation d’humines et/ou à la dégradation de l’acide lévulinique.
Selon une variante, le solvant à base d’éther et/ou d’acétal est choisi parmi les composés correspondant à l’une ou l’autre des structures I et II, pris seul ou en mélange :
Figure imgf000010_0001
I II dans lesquelles Ri, R2, R3 et R4 sont choisis indépendamment parmi : les groupements aliphatiques linéaires ou ramifiés de 1 à 6 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy, les groupements aliphatiques cycliques ou polycycliques de 5 à 12 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy ou alkyle, les groupements oléfiniques linéaires ou ramifiés de 1 à 6 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy, les groupements aromatiques ou polyaromatiques de 6 à 12 atomes de carbone,
Ri et R2 peuvent être liés entre eux par des liaisons covalentes de manière à former un cycle,
R3 et R4 peuvent être liés entre eux par des liaisons covalentes de manière à former un cycle, n est un entier compris entre 1 et 6. Selon une variante, le solvant est un solvant à base d’éther et est choisi parmi l'éther diéthylique, le diisopropyléther, le diisobutyléther, le dibutyléther, le diphényléther, le 2- méthoxy-2-méthylpropane, 2-methoxy-2-méthylbutane, le 2,5-dihydrofurane, le tétrahydrofurane, le 2-méthyltétrahydrofurane, le 3-méthyltétrahydrofurane, le 2,3- dihydropyrane, le tétrahydropyrane, le 1,3-dioxolane, le 1,3-dioxane, le 1 ,4-dioxane, le 1 ,2- diméthoxyéthane et le benzofurane, pris seuls ou en mélange.
Selon une autre variante, le solvant est un solvant à base d’acétal et est choisi parmi le diméthoxy-2,2 propane, le di(2-éthylhexyloxy)-2,2 propane, le 2-méthoxytétrahydrofurane et le di(2-méthoxyéthyl)éther, pris seuls ou en mélange.
Selon une autre variante, le solvant est un mélange d’un solvant à base d’éther et d’acétal choisi parmi un des éthers et d’acétals cités ci-dessus, dans n’importe quelle proportion.
De manière préférée, le solvant est choisi parmi le diisobutyléther, le dibutyléther, le 2- méthyltétrahydrofurane, le 3-méthyltétrahydrofurane, le 1 ,4-dioxane et le 1,2- diméthoxyéthane, pris seuls ou en mélange.
De manière encore plus préférée, le solvant est choisi parmi le 1,4-dioxane et le 1 ,2- diméthoxyéthane, pris seuls ou en mélange.
Le solvant est habituellement présent dans une quantité telle que le ratio molaire solvant/alcool furfurylique est compris entre 0,1 et 5 mol/mol, de préférence entre 0,5 et 3 mol/mol, de manière très préférée entre 1 et 2 mol/mol.
La synthèse par hydratation d’alcool furfurylique est généralement effectuée à une température comprise entre 25 et 140°C, de préférence comprise entre 40 et 120°C, de manière très préférée comprise entre 60 et 110°C.
La synthèse par hydratation d’alcool furfurylique est généralement effectuée à une pression comprise entre 0,01 MPa et 1 MPa (0,1 bara et 10 bara), et de préférence à pression atmosphérique.
De préférence, l’acide lévulinique est synthétisé par hydratation de l’alcool furfurylique en présence d’un catalyseur acide homogène, de préférence l’acide chlorhydrique, et d’un solvant à base d’éther, de préférence choisi parmi le 1,4-dioxane et/ou le 1 ,2- diméthoxyéthane.
La conversion de l’alcool furfurylique est généralement supérieure à 95%, de préférence supérieure à 98%, de manière très préférée supérieure à 99%. Le rendement en acide lévulinique est défini comme le rapport de la concentration molaire d’acide lévulinique obtenue et de la concentration molaire d’alcool furfurylique engagée dans l’effluent réactionnel, exprimé en %. Le rendement en acide lévulinique est généralement supérieur à 65%, de préférence supérieur à 71%, de manière très préférée supérieur à 79%.
Lors de la synthèse, le solvant peut subir des dégradations en sous-produits non désirés. Le taux de dégradation du solvant Xsoi est défini comme le rapport de la masse de solvant consommée et de la masse de solvant initialement engagée dans l’effluent réactionnel, exprimé en %. On définit la masse de solvant consommée comme la différence entre la masse de solvant mesurée et la masse de solvant initialement engagée. Le taux de dégradation du solvant est généralement inférieur à 11%, de préférence inférieur à 8%, de manière très préférée inférieur à 5%.
A la fin de la synthèse par hydratation de l’alcool furfurylique on obtient un effluent réactionnel contenant de l’acide lévulinique, de l’eau, du catalyseur homogène acide (de préférence de l’acide chlorhydrique HCl), du solvant (de préférence le 1 ,4-dioxane et/ou le 1,2-diméthoxyéthane), et éventuellement des traces d’alcool furfurylique non transformé, ainsi que les inévitables humines formées qui sont des produits de haut poids moléculaire issus des réactions de condensation, notamment par condensation de l’alcool furfurylique sur lui-même. Les humines sont solubles dans le milieu réactionnel.
Etape de séparation (optionnelle)
Afin d’obtenir l’acide lévulinique à haut rendement et à haute pureté, l’effluent réactionnel peut être soumis à une ou plusieurs étapes de séparation. L’acide lévulinique peut être séparé de l’effluent réactionnel par n’importe quelle méthode connue par l’homme du métier.
Les méthodes de séparation et de purification couramment utilisées pour séparer l’acide lévulinique du milieu réactionnel comprennent l'extraction par solvant, la distillation sous vide, la cristallisation, l'échange d'ions, la séparation par membrane, etc. De telles méthodes de séparation sont par exemple décrites dans WO2012/065115, WO2012/162028, WO2015/007602 ou encore CN 107867996.
Il existe également des procédés de séparation se basant uniquement sur des étapes de séparation thermiques, telles que la distillation ou l’évaporation. Le document
WO2018/235012 décrit par exemple une méthode de séparation et de purification impliquant deux étapes de distillation.
Avantageusement, l’effluent réactionnel issu de la synthèse selon l’invention est soumis à au moins une étape de séparation. Avantageusement, l’effluent réactionnel issu de la synthèse selon l’invention est soumis à au moins une étape de séparation thermique.
Avantageusement, l’effluent réactionnel issu de la synthèse selon l’invention est soumis à au moins une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique.
Le fait d’utiliser un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique lors d’une étape de séparation thermique permet de séparer l’acide lévulinique des humines formées notamment lors de la synthèse de l’acide lévulinique. L’utilisation d’un fluxant permet d’améliorer significativement le taux de récupération (rendement) de l’acide lévulinique par rapport à des conditions où le fluxant n’est pas utilisé.
De plus, l’utilisation d’un fluxant permet également de maîtriser la viscosité des humines, notamment en réduisant leur viscosité. En effet, en absence de fluxant, les humines sont souvent récupérées comme solide à température ambiante. La présence de fluxant permet de récupérer une fraction lourde contenant les humines sous forme liquide et visqueuse à température ambiante, facilitant ainsi son évacuation dans l’unité de séparation et limitant donc l’encrassement du ou des équipements.
Etape de séparation thermique préliminaire (optionnelle)
L’effluent réactionnel peut être soumis à une étape de séparation thermique préliminaire visant à séparer les composés ayant un point d'ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique.
L’étape de séparation thermique préliminaire permet de séparer une fraction légère comprenant l’eau, le catalyseur homogène acide (notamment l’acide chlorhydrique) et le solvant. Ces composés sont de préférence par la suite condensés et recyclés dans l’unité de synthèse ce qui permet d’une part de limiter les rejets et l’impact environnemental de la synthèse et d’autre part de limiter la consommation de ressources et in fine le coût de production de l’acide lévulinique. Le fait d’utiliser un solvant à base d’éther et/ou acétal ayant un taux de dégradation limité lors de la synthèse permet ainsi d’augmenter son taux de recyclage possible.
L’étape de séparation thermique préliminaire peut être effectuée selon n’importe quelle méthode connue par l’homme du métier. Elle peut par exemple être effectuée par distillation et/ou par évaporation. Selon une variante, et lorsqu’elle est effectuée par distillation, on peut utiliser une colonne de distillation à plateaux. Le nombre de plateaux théoriques est généralement compris entre 1 et 50, de préférence compris entre 1 et 10.
La température de distillation en fond de colonne est avantageusement comprise entre 25 et 200°C, de préférence comprise entre 50 et 180°C, et de manière très préférée comprise entre 100 et 160°C.
La pression de distillation en haut de colonne est avantageusement comprise entre 0,0001 et 0,2 MPa (entre 1 mbara et 2 bara), de préférence comprise entre 0,001 et 0,1 MPa (entre 10 mbara et 1 bara), et de manière très préférée comprise entre 0,004 et 0,05 MPa (entre 40 mbara et 500 mbara).
Selon une autre variante, et lorsque l’étape de séparation thermique préliminaire est effectuée par distillation, on peut également utiliser une colonne de distillation à garnissage qui fonctionne dans les mêmes gammes de températures et de pression.
Selon une autre variante, et lorsque l’étape de séparation thermique préliminaire est effectuée par évaporation, on peut utiliser un ou plusieurs évaporateurs en série ou en parallèle, le ou les évaporateurs peuvent être choisis par exemple parmi les évaporateurs à circulation naturelle ou forcée, les évaporateurs à film tombant ou montant, les évaporateurs à couche mince agités, les évaporateurs à plaques ou les évaporateurs à effet multiples. De préférence, on utilise au moins deux évaporateurs en série. Les évaporateurs à film tombant ou à film montant sont des dispositifs connus, dans lesquels le chauffage et la transformation du liquide en vapeur s'effectuent à l'intérieur d'une pluralité de tubes, eux-mêmes chauffés par un fluide (par exemple de la vapeur à basse pression), à l'intérieur desquels le liquide s'écoule sous forme de film le long de la paroi interne des tubes. La chaleur appliquée à travers les parois de chaque tube provoque l’évaporation de la fraction légère du mélange liquide. Dans le cas d'un évaporateur à film tombant, le film de liquide s'écoule dans le sens descendant, grâce à l'action de la force de gravité, tandis que dans le cas d'un évaporateur à film ascendant, le film de liquide est poussé vers le haut par la vapeur développée à partir l’ébullition. De cette façon, le liquide est chauffé rapidement, avec des temps de séjour à haute température plutôt réduits par rapport à la distillation, et par conséquent un risque moindre de dégradation des produits organiques présents dans le liquide lui-même.
Le ou les évaporateurs fonctionne(nt) dans les mêmes gammes de températures et de pression telles que décrites pour la distillation. L’étape de séparation thermique préliminaire vise notamment à séparer les composés ayant un point d'ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique de l’effluent réactionnel permettant d’obtenir une composition comprenant l’acide lévulinique et les humines débarrassée des composés légers qui est de préférence au moins en partie, en continu ou en discontinu, introduite dans une autre étape de séparation en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique.
L’étape de séparation thermique préliminaire peut être effectuée en absence ou en présence d’un fluxant tel que définit ci-dessous, de préférence elle est effectuée en absence d’un fluxant.
L’étape de séparation thermique préliminaire est généralement effectuée de telle manière que la teneur en eau dans la composition comprenant l’acide lévulinique et les humines qui est envoyée dans l’étape de séparation thermique en aval est inférieure à 1% poids par rapport au poids total de la composition, de préférence inférieure à 0,9 % poids et de manière particulièrement préférée inférieure à 0,8 % poids.
Etape de séparation thermique de l’acide lévulinique (optionelle)
L’effluent réactionnel comprenant de l'acide lévulinique et des humines éventuellement débarrassée des composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique par l’étape de séparation thermique préliminaire, peut ensuite être soumise à une étape de séparation thermique supplémentaire.
De préférence, cette étape de séparation thermique supplémentaire peut être réalisée en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique de manière à obtenir une fraction légère contenant l’acide lévulinique et une fraction lourde contenant les humines et ledit fluxant.
De préférence, l’effluent réactionnel ne contient plus les composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique lors de cette étape.
Le fluxant doit avoir un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique qui est de 245°C afin de pouvoir effectuer la séparation. Le fluxant a généralement un point d’ébullition supérieur à 250°C, de préférence supérieur à 280°C, et de manière particulièrement préférée supérieure à 300°C.
Le fluxant doit également être stable et ne pas se dégrader à une température comprise entre 20 et 200°C, de préférence entre 150 et 200°C. En effet, le fluxant ne doit pas se dégrader vers des composés qui puissent réagir avec l’acide lévulinique ou vers des composés plus légers qui puissent être séparés avec la fraction légère contenant l’acide lévulinique. Le fluxant peut contenir des fonctions polaires ou protiques.
Le fluxant peut être d’origine pétrolière et/ou d’origine végétale et/ou à base de polymères. Le fluxant peut aussi être un mélange d’au moins deux de ces composants.
Lorsque le fluxant est d’origine pétrolière, il peut être choisi parmi toute coupe pétrolière ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique, notamment parmi un gazole sous vide connu sous le nom de « VGO » (pour Vacuum Gas Oil selon la terminologie anglo-saxonne et qui possède typiquement une plage d’ébullition de 360°C à 620°C), une huile de décantation ou une huile de recyclage (qui possède typiquement une plage d’ébullition de 360°C à 620°C), par exemple un effluent de craquage catalytique en lit fluidisé comme une huile lourde de recyclage (HCO pour Heavy cycle Oil en anglais), une huile non convertie provenant d’un hydrocraqueur qui possède typiquement une plage d’ébullition de 360°C à 620°C (UCO pour Unconverted Oil en anglais), des résidus sous vide (qui possèdent typiquement une plage d’ébullition de supérieure ou égale à 524°C), des huiles désasphaltées, des résines, ou leur mélange.
Lorsque le fluxant est d’origine végétale, il peut être choisi parmi une huile végétale et/ou animale ou encore parmi des esters méthyliques d’acides gras (EMAG) qui peuvent être fabriqués soit par estérification des acides gras dérivés de l’huile végétale et/ou animale ou par transestérification directe de l’huile végétale et/ou animale, ou leur mélange. On peut citer par exemple les huiles d’olive ou l’huile d’avocat. Cette liste non limitative inclut également toutes les huiles obtenues par modification génétique ou hybridation. Les huiles usagées, telles que les huiles de friture, ainsi que toutes les huiles et graisses usagées issues des industries de la restauration, peuvent également être utilisées. S’agissant des graisses animales, on peut citer, sans être limitatif, le suif. Les expressions « graisse animale » et « huile animale » sont utilisées indistinctement dans la présente description, la seule différence entre une graisse et une huile tenant à l’état du corps gras à température ambiante : liquide pour une huile et solide pour une graisse.
Ces huiles végétales et/ou animales peuvent être brutes ou raffinées, totalement ou en partie. Typiquement, la distinction entre une huile végétale brute ou raffinée fait référence à son mode d’extraction, principalement sous pression pour une huile brute (typiquement une seule pression à froid sans additifs) et généralement à l’aide d’un solvant pour une huile raffinée.
Lorsque le fluxant est à base de polymères, il peut être choisi parmi des polyéthers de type polyéthylène-glycol ayant une masse molaire moyenne supérieure ou égale à 600 g/mol, et notamment le PEG-600, PEG-800 ou PEG 1000, ou encore le PEG 6000 ou le PEG 8000, seul ou en mélange.
Le fluxant est avantageusement mélangé avec ledit effluent réactionnel avant et/ou pendant d’effectuer l’étape de séparation thermique. Le mélange peut être effectué avant l’unité de séparation ou dans l’unité de séparation.
Le mélange peut être effectué par tout moyen connu de l’homme du métier, par exemple un un agitateur, une recirculation du liquide avec une pompe ou en faisant passer le mélange dans un mélangeur statique.
La quantité de fluxant introduit dans ledit mélange est telle que la teneur massique du fluxant dans ledit mélange est comprise entre 0,5 et 85 % poids, de préférence entre 1 et 70 % poids, et de manière préférée comprise entre 1,5 et 50 % poids par rapport au poids total du mélange.
Le mélange est avantageusement effectué à une température comprise entre 25 et 200°C, de préférence comprise entre 50 et 195°C, et de manière très préférée comprise entre 110 et 190°C.
Le temps de mélange est avantageusement compris entre 0,1 et 600 minutes, de préférence entre 1 et 60 minutes.
D’une manière générale le fluxant permet de réduire la viscosité des humines contenues dans la fraction lourde. En effet, en absence de fluxant, la fraction lourde contenant les humines est souvent récupérée comme solide à température ambiante. La présence de fluxant permet de récupérer la fraction lourde sous forme liquide et visqueuse à température ambiante, facilitant ainsi son évacuation dans l’unité de séparation et limitant donc l’encrassement du ou des équipements.
Le fluxant permet également de maîtriser la séparation de l’acide lévulinique par voie thermique en limitant la température de séparation et donc la formation des produits secondaires de l’acide lévulinique non souhaitées tel que la lactone angélique. La présence du fluxant permet ainsi d’améliorer significativement le taux de récupération de l’acide lévulinique par la préservation de l’acide lévulinique en limitant la température de séparation et par la maîtrise de la viscosité du résidu contenant les humines, notamment en réduisant sa viscosité. L’étape de séparation thermique de l’acide lévulinique réalisée en présence ou non du fluxant peut être effectuée selon n’importe quelle méthode connue par l’homme du métier. Elle peut par exemple être effectuée par distillation et/ou par évaporation.
Selon une variante, et lorsqu’elle est effectuée par distillation, on peut utiliser une colonne de distillation à plateaux. Le nombre de plateaux théoriques est généralement compris entre 1 et 50, de préférence compris entre 1 et 20.
La température de distillation en fond de colonne est avantageusement comprise entre 80 et 200°C, de préférence comprise entre 100 et 195°C, et de manière très préférée comprise entre 110 et 190°C.
La pression de distillation en haut de colonne est avantageusement comprise entre 0,0001 et 0,1 MPa (entre 1 mbara et 1 bara), de préférence comprise entre 0,001 et 0,08 MPa (entre 10 mbara et 800 mbara), et de manière très préférée comprise entre 0,002 et 0,05 MPa (entre 20 mbara et 500 mbara).
Selon une autre variante, et lorsque l’étape de séparation thermique de l’acide lévulinique en présence ou non du fluxant est effectuée par distillation, on peut également utiliser une colonne de distillation à garnissage qui fonctionne dans les mêmes gammes de températures et de pressions.
Selon une autre variante, et lorsque l’étape de séparation thermique en présence du fluxant est effectuée par évaporation, on peut utiliser un ou plusieurs évaporateurs en série ou en parallèle, le ou les évaporateurs peuvent être choisis par exemple parmi les évaporateurs à circulation naturelle ou forcée, les évaporateurs à film tombant ou montant, les évaporateurs à couche mince agités, les évaporateurs à plaques ou les évaporateurs à effet multiples.
Le ou les évaporateurs fonctionne(nt) dans les mêmes gammes de températures et de pressions telles que décrites pour la distillation préliminaire.
Avantageusement, lorsque l’étape de séparation thermique en présence du fluxant est effectuée par évaporation, on peut utiliser un évaporateur à couche mince.
Contrairement à un évaporateur à film tombant ou ascendant, l'évaporateur à couche mince comprend un tube unique à l'intérieur duquel le liquide à traiter s'écoule le long de la paroi interne du tube lui-même. Le film de liquide est réparti uniformément sur la paroi grâce à l'action d'un rotor à pales inséré à l'intérieur du tube qui, lorsqu'il est mis en rotation, en plus de répartir le liquide sur la paroi, crée un écoulement turbulent dans le film lui-même qui améliore sensiblement l'échange de chaleur. Ce type d'évaporateur permet de séparer rapidement la partie la plus volatile de la partie la moins volatile, grâce à l'agitation du liquide sous forme de film dans des conditions contrôlées. L'évaporateur fonctionne de préférence à pression réduite pour abaisser la température de séparation de la phase vapeur de la phase liquide. Le chauffage de la paroi du tube s'effectue par exemple par des serpentins externes à l'intérieur desquels circule un fluide chauffant, par ex. vapeur d'eau.
Ce type d’équipement permet de limiter très significativement le temps de séjour des produits/résidus en comparaison avec une colonne de distillation ou des évaporateurs à film tombant ou ascendant. En effet, on observe une augmentation de la viscosité du résidu en fonction du temps à haute température (150-200°C) ce qui contribue à un encrassement significatif des équipements de séparation. L’utilisation d’un évaporateur à couche mince permet de limiter le temps de séjour de ladite composition comprenant l’acide lévulinique et les humines et donc de limiter significativement l’augmentation de viscosité et donc d’améliorer l’opérabilité de cette étape de séparation.
Le taux de récupération d’acide lévulinique, correspondant à la masse d’acide lévulinique vaporisé par rapport à la masse d’acide lévulinique contenu dans la composition engagée dans l’étape de séparation en présence d’un fluxant est généralement compris entre 80 et 99%, de préférence compris entre 82 et 99%.
La pureté obtenue en acide lévulinique est comprise entre 90,0% et 99,0% pds, de préférence entre 90,1 et 98,0% pds, de manière très préférée entre 90,2 et 97,9% pds. Si besoin, et afin d’augmenter la pureté, l’acide lévulinique peut être soumis à une ou plusieurs étapes de purification, telle qu’une étape de cristallisation, d’estérification.
La fraction légère comprenant l’acide lévulinique peut ensuite être refroidie et condensée. Le refroidissement et la condensation de cette fraction peuvent être éventuellement intégrés à une production de vapeur à basse pression par échange de chaleur permettant ainsi une économie d'énergie. La vapeur à basse pression peut être utilisée comme chauffage dans le ou les évaporateurs.
La fraction lourde contenant les humines et le fluxant est liquide et donc facilement évacuable de l’unité de séparation. Elle peut être envoyée vers un traitement de déchets extérieurs. Elle peut aussi être brûlée afin de produire de l’énergie thermique, par exemple pour la ou les unités de séparation.
Selon une variante préférée, l’effluent réactionnel issu de la synthèse selon l’invention et comprenant de l'acide lévulinique et des humines et des composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique est soumis à un procédé de séparation comprenant les étapes suivantes : on soumet ledit effluent à une étape de séparation thermique préliminaire de manière à séparer les composés ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide lévulinique, puis on soumet ledit effluent comprenant de l'acide lévulinique et des humines à une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique de manière à obtenir une fraction légère contenant l’acide lévulinique et une fraction lourde contenant les humines et ledit fluxant.
LISTE DES FIGURES
La mention des éléments référencés dans la Figure 1 permet une meilleure compréhension de l’invention, sans que celle-ci ne se limite aux modes de réalisation particuliers illustrés dans la Figure 1. Les différents modes de réalisation présentés peuvent être utilisés seul ou en combinaison les uns avec les autres, sans limitation de combinaison.
La Figure 1 représente le schéma d’un mode de réalisation préférée du procédé de la présente invention, comprenant :
- la synthèse de l’acide lévulinique par hydratation d’alcool furfurylique en présence d’un catalyseur homogène acide dans un réacteur A fonctionnant en continu ou non dans lequel on introduit de l’alcool furfurylique 1 , de l’eau 2, de l’acide chlorhydrique 3 et le solvant 1,4- dioxane 4 et on chauffe afin de synthétiser l’acide lévulinique.
L’effluent réactionnel 5 est envoyé en continu ou en discontinu dans une section de séparation thermique préliminaire B qui peut être effectuée par distillation ou évaporation. L’étape de séparation thermique préliminaire B permet de séparer une fraction légère 6 contenant l’acide chlorhydrique, le solvant et l’eau non transformée qui peut au moins en partie être recyclée dans le réacteur A (recycle non représenté) et une fraction lourde (résidu) 7 comprenant l’acide lévulinique et les humines débarrassés des composés légers. Cette composition est mélangée avec un fluxant 8, puis ce mélange est envoyé dans une section de séparation thermique C qui peut être effectuée par distillation ou évaporation et qui permet d’obtenir une fraction légère contenant l’acide lévulinique 9 et une fraction lourde 10 contenant les humines et le fluxant.
EXEMPLES
Les exemples suivants sont réalisés selon le protocole ci-après.
Dans un ballon de capacité 500 mL muni d’un réfrigérant sont chargés 172 g d’un solvant, 20 g d’eau (1,11 mol) et 20 g d’une solution aqueuse d’acide chlorhydrique à 37% pds (0,7 mol d’eau et 0,21 mol d’HCI). Le mélange est porté à la température de 80°C sous agitation magnétique. 132 g d’alcool furfurylique (1,35 mol) sont alors coulés dans le ballon sur une durée d’ajout de 6h au moyen d’une pompe péristaltique. A la fin de l’ajout, le mélange est laissé à réagir à la température et à la pression de réaction pendant une phase de maturation de 15 minutes avant refroidissement. Le mélange final est prélevé pour analyse et les concentrations massiques de solvant et d’acide lévulinique en présence sont quantifiées par spectroscopie 1H RMN étalonnée par ajout d’une quantité connue d’acétonitrile. Les concentrations massiques finales théoriques en acide lévulinique et solvant sont 45,4 % et 50,0 %, respectivement.
L’exemple 1 (non conforme) utilise la méthyléthylcétone (MEK) comme solvant. Le rendement mesuré en acide lévulinique est de 82 %, et le taux de dégradation du solvant est de 12 %.
L’exemple 2 (conforme) utilise la 1 ,4-dioxane comme solvant. Le rendement mesuré en acide lévulinique est de 87 %, et le taux de dégradation du solvant est de 1 %.
L’exemple 3 (conforme) utilise la 1 ,2-diméthoxyéthane comme solvant. Le rendement mesuré en acide lévulinique est de 82 %, et le taux de dégradation du solvant est de 4 %.
Ainsi, les exemples présentés ici attestent que l’utilisation d’un solvant de type éther ou acétal permet d’obtenir des rendements équivalents voir meilleurs à ceux obtenus dans les cétones comme la MEK, tout en limitant fortement la dégradation du solvant en maintenant le taux en-dessous d’une valeur de 5%.
Table 1
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Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de synthèse de l’acide lévulinique par l’hydratation d’alcool furfurylique à une température comprise entre 25 et 140°C en présence d’un catalyseur homogène acide et d’un solvant à base d’éther et/ou d’acétal.
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le solvant à base d’éther et/ou d’acétal est choisi parmi les composés correspondant à l’une ou l’autre des structures I et II, pris seul ou en mélange :
R<0'R2 R3 /OX°'R4
I II dans lesquelles Ri, R2, R3 et R4 sont choisis indépendamment parmi : les groupements aliphatiques linéaires ou ramifiés de 1 à 6 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy, les groupements aliphatiques cycliques ou polycycliques de 5 à 12 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy ou alkyle, les groupements oléfiniques linéaires ou ramifiés de 1 à 6 atomes de carbone, éventuellement substitués par des groupements alkoxy, les groupements aromatiques ou polyaromatiques de 6 à 12 atomes de carbone,
Ri et R2 peuvent être liés entre eux par des liaisons covalentes de manière à former un cycle,
R3 et R4 peuvent être liés entre eux par des liaisons covalentes de manière à former un cycle, n est un entier compris entre 1 et 6.
3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le solvant est choisi parmi l'éther diéthylique, le diisopropyléther, le diisobutyléther, le dibutyléther, le diphényléther, le 2- méthoxy-2-méthylpropane, 2-methoxy-2-méthylbutane, le 2,5-dihydrofurane, le tétrahydrofurane, le 2-méthyltétrahydrofurane, le 3-méthyltétrahydrofurane, le 2,3- dihydropyrane, le tétrahydropyrane, le 1,3-dioxolane, le 1 ,3-dioxane, le 1 ,4-dioxane, le 1,2-diméthoxyéthane, benzofurane, le diméthoxy-2,2 propane, le di(2-éthylhexyloxy)-2,2 propane, le 2-méthoxytétrahydrofurane et le di(2-méthoxyéthyl)éther, pris seuls ou en mélange.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le catalyseur homogène acide est choisi parmi un acide de Bronsted homogène, organique ou inorganique.
5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le catalyseur homogène acide est l’acide chlorhydrique.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’eau est présente dans une quantité telle que le ratio molaire eau/alcool furfurylique est compris entre 0,9 et 10,0 mol/mol.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le solvant est présent dans une quantité telle que le ratio molaire solvant/alcool furfurylique est compris entre 0,1 et 5 mol/mol.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le catalyseur homogène acide est présent dans une quantité telle que le ratio molaire acide/alcool furfurylique est compris entre 0,01 et 1 ,0 mol/mol.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, lequel est effectué à une température comprise entre 60 et 110°C.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, lequel est effectué à une pression comprise entre 0,01 MPa et 1 MPa.
11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’effluent réactionnel issu de la synthèse est soumis à au moins une étape de séparation.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’effluent réactionnel issu de la synthèse est soumis à au moins une étape de séparation thermique.
13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’effluent réactionnel issu de la synthèse est soumis à au moins une étape de séparation thermique en présence d’un fluxant ayant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide lévulinique.
14. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le fluxant a une plage d’ébullition comprise entre 250 et 620°C et est d’origine pétrolière et/ou d’origine végétale et/ou à base de polymères ou leur mélange. Procédé selon l’une des revendications 13 ou 14, dans lequel le fluxant est choisi parmi une coupe pétrolière choisi parmi un gazole sous vide, une huile lourde issue d’un craquage catalytique en lit fluidisé, une huile de décantation, une huile non convertie provenant d’un hydrocraqueur, ou un polyéthylène-glycol ayant une masse molaire moyenne supérieure ou égale à 600 g/mol.
PCT/EP2023/062616 2022-05-31 2023-05-11 Synthese de l'acide levulinique par hydratation d'alcool furfurylque en presence d'un catalyseur homogene acide et d'un solvant a base d'ether et/ou d'acetals WO2023232427A1 (fr)

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