Procédé de préparation d'un catalyseur
La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'un catalyseur et son utilisation pour le craquage catalytique des hydrocarbures.
Il a déjà été signalé que l'on peut avantageusement conduire diverses réactions chimiques par un procédé de catalyse par contact, en utilisant comme catalyseurs des zéolites cristallines du type des aluminosilicates métalliques présentant un réseau tridimensionnel rigide constitué par des cellules unitaires caractérisées par l'absence quasi totale de variation dans les dimensions de la cellule unitaire lorsqu'elle est déshydratée et réhydratée, et par une structure poreuse homogène très uniforme. Les conditions ci-dessus sont remplies par certaines zéolites cristallines appelées tamis moléculaires.
Les réactions efficacement catalysées par ces corps comprennent par exemple le craquage des hydrocarbures, l'alkylation, la désalkylation, la dismutation, l'isomérisa- tion et la polymérisation. Etant donné que ces catalyseurs ont la propriété d'influencer et de diriger le déroulement de la conversion chimique, ils ont un degré remarquable de sélectivité catalytique. En bref. il y a deux types de sélectivité: d'une part, la sélectivité géométrique qui dépend de la relation entre le diamètre des pores de la stmcture cristalline de la zéolite d'aluminosilicate et le diamètre des molécules de réactifs et de produits, et d'autre part la sélectivité catalytique intrinsèque qui dépend du choix du cation présent sur les surfaces de l'aluminosilicate métallique cristallin.
On connaît une large variété de zéolites d'origine naturelle et synthétique, par exemple la chabazite, la gmélinite, la mésolite, la mordénite, la natrolite, la sodalite, la scapolite, la lazurite, la leucrite et la cancrinite.
Les zéolites synthétiques peuvent être du type A, du
X, du type Y ou d'autres formes bien connues de tamis moléculaire. La préparation des zéolites synthétiques cidessus est décrite dans la littérature, par exemple celle de la zéolite A dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 2882243 du 14 avril 1959, celle de la zéolite X dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 2882244 du 14 avril 1959 et celle de la zéolite Y dans les brevets belges Nos 577642 et 598582. Sous la forme initialement préparée, le métal de l'aluminosilicate est un métal alcalin, habituellement le sodium. Ce métal alcalin peut subir un échange de base avec une large variété d'autres ions métalliques.
Les tamis moléculaires ainsi obtenus sont remarquablement poreux, les pores présentant des dimensions moléculaires très uniformes, généralement comprises entre 3 et 15 A de diamètre environ. Chaque cristal de tamis moléculaire contient un nombre extrêmement grand de minuscules cavités ou cages reliées entre elles par des canaux de diamètre invariable. La grosseur et la proportion des ions métalliques contenus dans le cristal détermine le diamètre effectif des canaux de communication.
On a découvert que l'on prépare un catalyseur très actif et sélectif pour la conversion des composés organiques en mettant en contact un aluminosilicate cristallin de métal alcalin, dans lequel le rapport moléculaire silice/alumine est supérieur à 3, avec une solution contenant des ions d'un métal inférieur au sodium dans la série électromotrice, des ions de calcium et/ou des ions azotés organiques, de manière à remplacer au moins 70 /o du métal alcalin initialement contenu dans l'ahl- minosilicate.
Les ions azotés organiques peuvent être des ions ammonium quaternaire, ainsi que ceux des sels de guanidine et des sels d'amine. Des ions de remplacement particulièrement préférés sont ceux de métaux alcalinoterreux, ceux de métaux de terres rares et l'ion manganèse. La solution de traitement peut en outre contenir des ions ammonium et des ions hydrogène.
Avant ou après l'échange d'ions, on peut mélanger intimement l'aluminosilicate cristallin, sous forme finement divisée, à un liant approprié, dans des conditions telles que l'aluminosilicate se distribue intimement et reste en suspension dans une gangue du liant. Dans les cas où l'on mélange initialement l'aluminosilicate alcalin, on conduit ensuite l'échange d'ions sur la composition obtenue.
De façon inattendue, on a trouvé que le catalyseur ainsi obtenu présentait une plus grande activité et une plus grande sélectivité que des catalyseurs comparables préparés à partir d'autres aluminosilicates synthétiques tels que ceux du type X dans lesquels le rapport molaire silice: alumine est inférieur à 3:1.
Contrairement aux catalyseurs de craquage usuels antérieurement, le catalyseur préparé conformément à l'invention est de préférence préparé à partir d'un aluminosilicate cristallin du type Y présentant une structure à réseaux tridimensionnels rigides caractérisée par des pores uniformes d'un diamètre de 6-15 Â et dans laquelle le métal alcalin primitif a été remplacé, de préférence en quasi-totalité, par un métal inférieur au sodium dans la série électromotrice, par le calcium, les ions ammonium et hydrogène, séparément ou conjointement. Les ouvertures uniformes de pores dans la gamme mentionnée se présentent dans toutes les dimensions et permettent l'accès à la surface du catalyseur de toutes les molécules de réactif hydrocarbure et permettent une libération facile des molécules de produit.
En outre, de façon inattendue, le catalyseur possède une stabilité remarquable quand il est sous la forme d'aluminosilicate d'hydrogène ou acide du type Y, qui a été échangé dans une gangue d'oxyde hydraté. La grande stabilité d'un tel catalyseur est attribuable à l'action synergique apparente entre l'aluminosilicate acide et la gangue d'oxyde hydraté qui l'enferme.
Dans une forme de réalisation du procédé selon l'invention on associe intimement à un liant approprié un aluminosilicate cristallin finement divisé du type Y dont le cation est constitué, séparément ou conjointement, par des ions de métaux inférieurs au sodium dans la série électromotrice, des ions calcium, ammonium ou hydrogène, le catalyseur obtenu présentant après séchage et calcination une teneur en métal alcalin échangeable inférieure à 3 Olo en poids.
Dans une autre forme de réalisation du procédé selon l'invention on disperse dans une gangue appropriée un aluminosilicate Y finement divisé dans lequel au moins 70 /o de la teneur initiale en métal alcalin ont été remplacés par des ions ou plusieurs types choisis dans le groupe qui comprend les métaux inférieurs au sodiurn dans la série électromotrice, le calcium, les ions ammonium et hydrogène, cet aluminosilicate présentant des ouvertures de pores uniformes comprises entre 6 et 15 A environ, puis on sèche le catalyseur obtenu, le calcine et le traite par la vapeur d'eau à une température de 200 790O C pendant un temps supérieur à 2 heures environ.
Dans une autre forme de réalisation dudit procédé, aboutissant à un catalyseur destiné à la conversion des hydrocarbures, on disperse dans un sol d'oxyde minéral, un aluminosilicate Y finement divisé donné par l'échange d'ions décrit ci-dessus, on effectue la gélification du sol contenant l'aluminosilicate finement divisé, on lave le catalyseur obtenu pour le débarrasser des matières solubles, on sèche, calcine et traite le catalyseur calciné par la vapeur d'eau.
Dans une autre forme de réalisation de ce dit procédé le catalyseur obtenu comprend un aluminosilicate en suspension uniformément distribuée dans une gangue, le cation de l'aluminosilicate étant constitué par un ou plusieurs ions du groupe qui comprend les métaux in férieurs au sodium dans la série électromotrice, le calcium, les ions ammonium et hydrogène.
Dans une autre forme de réalisation encore, aboutissant à un catalyseur de craquage d'une activité et d'une sélectivité exceptionnelles, celui-ci est essentiellement constitué par 1-90 en poids d'un aluminosilicate cris- tallin du type Y résultant de l'échange d'ions mentionné, la grosseur de particules de l'aluminosilicate étant inférieure à 40 microns et de préférence inférieure à 15 microns en diamètre, et l'aluminosilicate étant distribué en suspension dans une gangue d'un oxyde hydraté qui peut être formée d'argile ou de gels d'oxyde minéral.
Dans une autre forme de réalisation du procédé selon l'invention, le catalyseur obtenu comprend des particules sphéroïdales essentiellement formées de 1-50 en poids d'un aluminosilicate résultant d'un échange d'ions comme ci-dessus, présentant un diamètre moyen de particules de 2-7 microns, en suspension uniformément distribuée dans une gangue de gel d'oxyde minéral qui peut être formé d'alumine, de silice ou de composés formés par la silice avec au moins un métal des groupes lIA,
IIIB et WA de la classification périodique.
L'utilisation du catalyseur obtenu par le procédé selon l'invention consiste en une conversion catalytique de composés organiques, en particulier le craquage catalytique d'huiles hydrocarbonées en présence dudit catalyseur ci-dessus et dans des conditions de craquage, réalisant une conversion accrue de la matière première en produits utiles.
On effectue commercialement le craquage catalytique en mettant une charge d'hydrocarbure en contact, à l'état de vapeur ou à l'état liquide, avec un catalyseur du type ci-dessus, dans les conditions voulues de température, de pression et de temps pour réaliser la conversion quasi totale de la charge en hydrocarbures à point d'ébullition inférieur. La réaction qui se produit est essentiellement un craquage avec formation d'hydrocarbures plus légers mais elle s'accompagne de plusieurs réactions secondaires complexes telles que l'aromatisation, la polymérisation, l'alkylation, etc.
Par suite de ces réactions complexes, il se forme sur le catalyseur un dépôt charbonneux communément appelé coke) > . Le dépôt de coke tend à diminuer sérieusement l'efficacité du catalyseur pour la réaction principale, et ensuite la conversion s'arrête une fois que le coke s'est accumulé sur le catalyseur à raison de quelques unités /o en poids.
On régénère alors la surface du catalyseur en brûlant le coke dans un courant de gaz oxydant et on renvoie le catalyseur au stade de conversion du cycle.
Ainsi qu'on le comprendra, le coke et les autres produits indésirables se forment au détriment de produits utiles tels que l'essence. Il est évident que pendant le temps de régénération, le catalyseur n'est pas efficace ment utilisé pour la conversion. En conséquence, il est très désirable non seulement de réaliser une forte conversion globale de la charge d'hydrocarbure, c'est-àdire d'adopter un catalyseur de grande activité, mais aussi d'obtenir un rendement accru de produit utile tel que l'essence tout en maintenant au minimum les produits indésirables tels que le coke. La capacité que possède un catalyseur de craquage pour diriger ainsi le déroulement de la conversion s'appelle sélectivité.
Ainsi, un avantage très utile et très recherché pour un cata lyseur de craquage est une grande sélectivité et aussi une grande stabilité à la vapeur, afin qu'il résiste au traite- ment à la vapeur qui sert à régénérer le catalyseur.
On utilise de préférence dans un procédé de craquage un catalyseur qui est essentiellement formé d'un aluminosilicate d'hydrogène cristallin du type Y présentant une structure à réseaux tridimensionnels rigides caractérisée par des pores uniformes d'un diamètre de 6-15 .
On a découvert qu'il est possible de conduire efficacement la conversion catalytique d'hydrocarbures en présence d'un catalyseur très actif et très sélectif essentiellement constitué par un aluminosilicate d'hydrogène cristallin du type Y. On obtient ce dernier aluminosilicate en remplaçant de préférence en quasi-totalité les ions alcalins d'un aluminosilicate alcalin cristallin du type Y par des ions hydrogène. Pour opérer ce remplacement, on peut mettre l'aluminosilicate alcalin cristallin du type
Y en contact avec un fluide contenant des ions hydrogène, dans des conditions telles que la structure zéolitique de l'aluminosilicate ne soit pas détruite.
Une autre façon efficace de remplacer les ions alcalins consiste à mettre l'aluminosilicate alcalin en contact avec un fluide contenant des ions ammonium, puis à chauffer l'aluminosilicate d'ammonium obtenu pour effectuer la décomposition des ions ammonium avec libération de NH5, les ions hydrogène restant à la place des ions initiaux. On a trouvé qu'un craquage exécuté à l'aide de l'aluminosilicate d'hydrogène cristallin du type
Y ainsi obtenu donne un rendement élevé de produits craqués utiles.
Les aluminosilicates alcalins utilisables dans la préparation du catalyseur par le procédé selon l'invention sont ceux qu'on appelle dans la technique zéolites Y.
Ces dernières sont particulièrement décrites dans les brevets belges No 577642 précédemment décrit et No 598582 précédemment décrit et on peut les préparer avantageusement par le procédé de ces brevets. La composition molaire de ces zéolites rentre dans la formule générale:
0,9 t 0,2 NIO AIL/OS. 3-6,5 SiO .9 HO.
La zéolite ci-dessus, utilisée dans la préparation du présent catalyseur, présente une structure poreuse uniforme comprenant des ouvertures caractérisées par un diamètre effectif de pores de 6-15 .
On prépare généralement un tel catalyseur en soumettant l'aluminosilicate alcalin cristallin Y ci-dessus à un échange de bases avec des ions du type déjà mentionné, de manière à remplacer au moins 70O/o et de préférence plus de 80 /o des ions alcalins initiaux. La série électromotrice) > dont on parle ici est celle qui est définie dans le Handbook of Chemistry and Physics , 431ne édition, édité par Chemical Rubber Publishing
Company.
On peut préparer ces catalyseurs en mélangeant intimement, d'une part un aluminosilicate alcalin cristallin Y présentant une structure à réseaux tridimensionnels rigides caractérisée par un diamètre effectif et uniforme de pores de 6-15 , sous une forme finement divisée dans laquelle les particules ont généralement un diamètre moyen inférieur à environ 40 microns et de préférence inférieur à environ 15 microns, d'autre part un liant approprié tel qu'une poudre métallique, une argile ou un gel d'oxyde minéral, puis en soumettant la composition obtenue à un échange de bases avec élimination quasi complète du métal alcalin, par traitement avec une solution contenant des ions d'un ou plusieurs types choisis dans le groupe qui comprend les métaux inférieurs au sodium dans la série électromotrice, le calcium, les ions ammonium et hydrogène, et ensuite,
en lavant, en séchant et en calcinant la composition obtenue. Ou encore, de préférence, on peut soumettre l'aluminosilicate alcalin à un échange de base comme ci-dessus avant de le mélanger intimement au liant. Dans cette méthode on lave le mélange formé par l'aluminosilicate finement divisé préalablement soumis à l'échange de bases, distribué- et maintenu en suspension dans une gangue du liant, on effectue s'il y a lieu un échange de bases pour éliminer du liant le métal alcalin zéolitique, on sèche et on calcine comme ci-dessus. La teneur en métal alcalin échangeable des compositions catalytiques obtenues par les procédés ci-dessus est de préférence inférieure à 3 o/o et plus spécialement inférieure à 2 O/o en poids.
La teneur maximale en métal alcalin qui peut être tolérée dans la composition finale de catalyseur dépend en partie de la nature du cation présent. Ainsi, quand le cation est un métal de terre rare ou une combinaison d'ions métalliques et d'ions hydrogène, on peut tolérer jusqu'à 3 /o en poids de métal alcalin échangeable. Dans le cas du manganèse et des métaux alcalino-terreux tels que le calcium, la quantité résiduelle de métal alcalin échangeable est généralement maintenue en dessous de 2 0/o et de préférence en dessous de 1,5'duo en poids.
Pour obtenir le mélange intime de l'aluminosilicate finement divisé et du liant tel qu'une poudre métallique, une argile ou un hydrogel d'oxyde minéral, on peut par exemple passer les deux matières ensemble au broyeur à boulets pendant un temps prolongé, de préférence en présence d'eau, dans les conditions voulues pour ramener la grosseur de particules de l'aluminosilicate à un diamètre moyen inférieur à 40 microns et de préférence inférieur à 15 microns. Mais ce procédé de mélange est moins intéressant que celui qui consiste à disperser l'aluminosilicate sous forme finement divisée dans un oxyde minéral hydraté, par exemple un hydrosol ou un hydrogel.
Suivant ce mode de réalisation, on peut disperser l'aluminosilicate finement divisé dans un hydrogel ou hydrosol déjà préparé ou, ce qui est préférable lorsque l'hydrosol est caractérisé par un temps de gélification court, on peut ajouter l'aluminosilicate finement divisé à un ou plusieurs des réactifs qui servent à former l'hydrosol, ou bien le mélanger, sous la forme d'un courant séparé, à des courants de réactifs formateurs d'hydrosol, dans une tuyère mélangeuse ou un autre dispositif dans lequel les réactifs sont mis en contact intime. Comme on l'a noté plus haut, il est désirable que l'aluminosilicate introduit dans l'hydrosol présente un diamètre moyen de particules inférieur à 40 microns environ et de préférence inférieur à 15 microns, et compris entre 2 et 7 microns quand on désire de grosses particules.
On a trouvé que l'usage d'un aluminosilicate présentant un diamètre moyen de particules supérieur à 40 microns donnait un produit physiquement faible, tandis que l'usage d'un aluminosilicate présentant un diamètre moyen de particules inférieur à 1 micron donne un produit de faible diffusibilité.
L'hydrosol d'oxyde minéral contenant la poudre se prend en un hydrogel au bout d'un temps approprié et on soumet l'hydrogel obtenu à un échange de bases si l'on a introduit du métal alcalin zéolitique du fait de l'utilisation d'un silicate alcalin, et ensuite on le lave, on le sèche en un gel et on l'active thermiquement à une température supérieure au point de fusion de la poudre d'aluminosilicate incorporée. On a trouvé que le produit obtenu, qui est essentiellement formé d'un aluminosilicate du type Y dont le cation est constitué, séparément ou conjointement par un métal inférieur au sodium dans la série électromotrice, ou par des ions calcium, ammonium ou hydrogène, et qui en suspension uniformément distribuée dans une gangue de gel d'oxyde minéral, possède des propriétés remarquables en tant que catalyseur de conversion d'hydrocarbures.
Outre l'aluminosilicate Y décrit ci-dessus, on a trouvé désirable dans certains cas d'inclure dans la gangue de catalyseur un additif solide secondaire également sous forme finement divisée, généralement d'un diamètre moyen de particules compris entre 1 et 40 microns, capable de rendre la composition plus diffusible. Cet additif pour être inerte ou bien il peut contribuer à l'activité catalytique d'ensemble de la composition finale de catalyseur. La quantité de cet additif peut aller jusqu'à 40q)/o du poids de la composition. Généralement, quand le catalyseur est sous la forme de perles de gel, le diamètre moyen de particules de l'additif est inférieur à 10 microns.
Des additifs appropriés pour l'usage cidessus sont par exemple l'argile, l'alumine, le zircon, la baryte, le charbon, la poudre de bois, la silice, les fines particules de catalyseur recyclées, la magnésie, les fines particules usées de catalyseurs de craquage, et divers minerais et roches naturelles, Ces additifs peuvent rester dans la composition finale, ou bien dans le cas de matières combustibles comme le charbon ou la poudre de bois, elles peuvent être préalablement éliminées par suite d'un traitement de préparation appliqué au catalyseur, ou par suite de son utilisation à haute température.
Le liant qui constitue la gangue du catalyseur doit être thermiquement stable dans les conditions où l'on conduit la réaction de conversion. Ainsi, on envisage d'utiliser des adsorbants poreux solides et des supports du type antérieurement employé dans des opérations catalytiques, conjointement avec l'aluminosilicate cristallin du type Y décrit ci-dessus. Ces matières peuvent être inertes catalytiquement ou bien elles peuvent posséder une activité catalytique intrinsèque ou une activité attribuable à une association étroite ou à une réaction avec l'aluminosilicate cristallin du type Y.
Ces matières comprennent par exemple les gels séchés d'oxyde minéral et les précipités gélatineux d'alumine, de silice, de zircone, de magnésie, d'oxyde d'hafnium, d'oxyde de thorium, d'oxyde de titane, d'anhydride borique et de mélanges de ces oxydes entre eux et avec d'autres constituants. D'autres liants appropriés comprennent les poudres métalliques activées, le charbon de bois, la mullite, le kieselguhr, le charbon activé, la bauxite, le carbure de silicium, l'alumine frittée et diverses argiles. De préférence, on associe intimement l'aluminosilicate à un oxyde hydraté tel qu'un hydrogel d'oxyde minéral ou une argile, comme indiqué plus haut.
Bien que l'on puisse utiliser comme gangue les gels d'oxyde minéral en général, il est préférable que le gel minéral soit un cogel de silice et d'un oxyde d'au moins un métal des groupes IIA, IIIB et IVA de la classification périodique. Ces constituants comprennent par exemple les systèmes silice-alumine, silice-magnésie, silice-zircone, silice-oxyde d'hafnium, silice-oxyde de thorium, silice-oxyde de béryllium, silice-oxyde de ti tante. ainsi que des combinaisons ternaires comme les systèmes silice-alumine-oxyde de thorium, silice-aluminezircone, silice-alumine-magnésie et silice-magnésie-zircone. Dans les gels ci-dessus, la silice est généralement présente comme constituant principal et les oxydes des métaux sont présents en minorité.
Ainsi, la teneur en silice de ces gels est généralement comprise entre 55 et 1000/o en poids, la teneur en oxyde métallique variant de 0 à 45 o/o en poids. Les hydrosols d'oxyde minéral utilisés ici et les hydrogels qui en sont tirés peuvent être préparés par tout procédé bien connu dans la technique, par exemple on peut hydrolyser l'orthosilicate d'éthyle, acidifier un silicate alcalin qui peut contenir un composé d'un métal dont on désire cogélifier l'oxyde avec la silice, etc.
Les proportions relatives d'aluminosilicate cristallin finement divisé et de gangue peuvent varier largement, l'aluminosilicate cristallin représentant environ 1-90 O/o, et le plus habituellement 1-50 0/o environ du poids de la composition, particulièrement lorsque celle-ci est préparée sous forme de perles.
On peut préparer le catalyseur par le procédé selon l'invention sous toute forme physique désirée. De préférence, on l'utilise sous la forme de petits fragments de la grosseur qui convient le mieux au travail dans les conditions particulières dont il s'agit. Ainsi, le catalyseur peut être sous la forme de poudre finement divisée ou sous la forme de grains de 1,6-3,2 mm de grosseur, que l'on obtient par exemple par agglomération, moulage ou extrusion suivant des techniques bien connues. On peut laisser un hydrosol additionné de poudre d'aluminosilicate cristallin se prendre en masse en un hydrogel que l'on sèche ensuite et que l'on divise en morceaux de la grosseur désirée. Les morceaux de gel ainsi obtenus sont généralement de forme irrégulière.
On peut obtenir des morceaux de gel de forme uniforme en extrudant ou en granulant l'hydrogel contenant l'aluminosilicate. On peut aussi introduire l'hydrosol dans les perforations d'une plaque perforée et l'y retenir jusqu'à ce que le sol se soit pris en hydrogel, après quoi on retire de la plaque les morceaux d'hydrogel formés.
Une méthode particulièrement pratique consiste à préparer le catalyseur sous forme de particules sphérnydales en dispersant l'aluminosilicate en poudre dans un hydrosol et en introduisant des globules de l'hydrosol obtenus dans une masse de liquide non miscible à l'eau. par exemple dans un milieu huileux dans lequel les globules d'hydrosol se prennent en hydrogel et arrivent ensuite dans une couche inférieure d'eau d'où on les retire pour les opérations de traitement suivantes telles que l'échange de bases, le lavage à l'eau, le séchage et la calcination.
Les plus grosses sphères sont ordinairement comprises entre 0,4 et 6.4 mm de diamètre tandis que les sphères plus petites, généralement appelées microsphères et formées par séchage, par pulvérisation ou par d'autres techniques bien connues, ont un diamètre compris entre 20 et 300 microns environ. n est particulièrement avantageux d'utiliser des particules de forme sphéroïdale dans les procédés de conversion d'hydrocarbures où l'on soumet le catalyseur à un mouvement continu, comme le procédé à couche compacte en mouvement, le procédé à couche fluidifiée, etc. Dans le cas de la couche immobile, les particules sphéroidales de catalyseur assurent un contact efficace entre les réactifs et le catalyseur en évitant les cheminements.
Alors que la formation initiale d'un hydrosol qui se prend en un court laps de temps en donnant un hydrogel sous forme de perles est un des points avantageux pour la fabrication d'un catalyseur sphéroidal, il est aussi possible, particulièrement lorsqu'on prépare le catalyseur sous une forme autre que sphéroïdale, d'utiliser une gangue comprenant un précipité gélatineux d'hydrooxyde à divers degrés d'hydratation ou un mélange d'un hydrogel et d'un gel précipité gélatineux. Le mot gel , ici employé, désigne les hydrogels, les précipités géla
tineux et les mélanges des uns et des autres. D'autre part, la gangue peut être constituée totalement ou partiellement par une argile, particulièrement une argile du genre des montmorillonites ou des kaolinites, brute ou
traitée par un acide.
Une autre classe de matières utilisables comme gan
gues comprend des métaux en poudre non sujets à l'oxydation dans les conditions de la réaction. Des poudres métalliques appropriées comprennent par exemple les alliages d'aluminium et de fer comme l'acier inoxydable et divers autres métaux caractérisés par leur stabilité dans les conditions de travail. D'autres matières propres
à servir de gangue dans la composition d'un catalyseur comprennent le charbon de bois, le graphite, la bauxite et d'autre liants compatibles avec l'aluminosilicate métallique cristallin et thermiquement stables dans les conditions de température où le catalyseur est utilisé.
Comme on l'a dit plus haut, l'aluminosilicate alcalin cristallin Y est soumis à un échange de bases. Parmi les métaux qui peuvent servir, on citera le manganèse, les métaux alcalino-terreux tels que le calcium et le magnésium, les métaux de terres rares tels que le cérium, le praséodyme, le lanthane, le néodyme, le samarium, le gadolinium et leurs mélanges. On conduit l'échange de bases de manière à remplacer au moins 70 0/o et de préférence plus de 80l /o des ions alcalins initiaux par des ions du groupe déjà mentionné, et à ramener de préférence en dessous de 3 o/o la teneur du catalyseur fini en métal alcalin échangeable.
L'aluminosilicate sous forme finement divisée, lié sous forme de particules d'agrégat avec un liant ou une gangue appropriée, peut subir l'échange de bases avant ou après le mélange intime avec le liant. On effectue l'échange de bases en traitant le produit par une solution contenant les ions que l'on désire introduire dans l'aluminosilicate. On envisage d'utiliser pour l'échange de bases tout composé ionisable fournissant des ions hydrogène, ammonium ou les métaux mentionnés plus haut. Généralement, on utilise une solution aqueuse de ces composés.
Une solution d'échange de bases particulièrement efficace est celle qui contient un ou plusieurs métaux inférieurs au sodium dans la série électromotrice et des ions ammonium, y compris des ions ammonium complexes, le rapport entre ions métalliques et ions ammonium étant compris entre 10:1 et 1:100 de manière à remplacer l'ion alcalin par les ions métalliques en question et les ions ammonium. mérisation des terpènes; I'alkylation des isoparaffines et la désalkylation des hydrocarbures aromatiques.
Le craquage des hydrocarbures représente une application spécialement avantageuse du catalyseur du type aluminosilicate ici décrit, car on peut facilement régler la nature des produits. Dans ce procédé, le catalyseur peut être utilisé sous forme de grains dans une opération à couche fixe, ou bien dans une opération à couche compacte en mouvement ou à couche fluidifiée.
Les conditions générales de travail couvrent une large gamme étant donné la large utilité des catalyseurs. Il est généralement désirable de conduire ces procédés à une température comprise entre 260 et 6500 C environ et à une pression variant d'un niveau sous-atmosphérique à plusieurs centaines d'atmosphères. On ajuste en tout cas le temps de contact de l'huile avec le catalyseur suivant les conditions, la matière première particulière et les résultats particuliers que l'on désire, pour obtenir un craquage notable avec formation de produits à point d'ébullition inférieur.
L'activité de craquage du catalyseur donne la mesure de sa capacité de catalyser diverses conversions d'hydrocarbures et on l'exprime ici par le pourcentage de conversion d'un gas-oil du centre des Etats-Unis qui a un intervalle d'ébullition de 232-510 C en une essence qui a un point final d'ébullition de 2100 C, lorsqu'on fait passer des vapeurs de ce gas-oil à travers le catalyseur à 468-482O C, à une pression à peu près atmosphérique, avec un débit de 0,6-16 volumes d'hydrocarbure liquide par volume de catalyseur par heure, avec des temps de 10 minutes entre régénérations.
On a trouvé désirable, pour analyser les résultats obtenus avec les catalyseurs ici décrits, de les comparer aux résultats obtenus avec un catalyseur commercial de craquage formé de silice et de gel d'alumine et contenant environ 10 % d'alumine en poids. L'activité, la stabilité et la sélectivité exceptionnelles du catalyseur préparé par le procédé selon l'invention sont mises en relief par la comparaison des rendements de produit obtenus avec ce catalyseur et des rendements de produit obtenus avec le catalyseur usuel silice-alumine, au même niveau de conversion.
Les exemples suivants illustrent l'invention.
Exemple I
On peut préparer l'aluminosilicate de sodium cristallin de type Y à partir des réactifs suivants:
A - Solution de silice
1551 cm (1870 g) de silice colloïdale contenant
0,361 g de SiO2 par cm
B - Solution d'aluminate de sodium
75 g de NaAIOg (41,7% en poids d'Al2O3,
30 oxo en poids de Na2O)
330 g de NaOH (77,5% en poids de H2O)
1345 cm3 de H2O
On mélange les solutions ci-dessus à environ 270 C versant la solution B dans la solution A. On agite vigoureusement le mélange pendant environ 1/2 heure. Puis on soumet la bouillie obtenue à un traitement thermique à 93O C environ pendant 42 heures. On sépare ensuite par filtration la matière solide du liquide qui surnage.
On lave le tourteau avec un volume d'eau par volume de bouillie initiale pour éliminer le caustique libre.
Pour préparer le catalyseur de cet exemple, on disperse 10 % en poids de la zéolite Y préparée par exem ple comme ci-dessus dans une gangue de gel silice-alumine contenant environ 94 10/o de silice et 6 oxo d'alumine en poids.
On utilise les réactifs suivants:
C - Solution de silicate
1. 4,74 kg de silicate de sodium (28,5 % de SiO2,
8,9 % de Na2O, 62,6% de H2O en poids)
2,39 kg d'eau
2. 2,24 kg d'eau
0,30 kg d'aluminosilicate de sodium Y
(54,3 0/o en poids de solides)
On ajoute la solution 2 à la solution 1 en agitant vigoureusement, pour obtenir une solution qui a une densité de 1,182 à 160 C.
D - Solution acide
25,90 kg d'eau
1,92 kg d'Al2(SO4)3.18H2O
0,90 kg de H2SO4 (à 97 0/o)
densité à 250 C: 1,056
On fait passer les solutions ci-dessus à travers une tuyère mélangeuse à raison de 394 cm3/mn de solution D pour 374 cm3/mn de solution C. L'hydrosol obtenu présente un pH de 8,5; on l'introduit sous forme de globules dans une masse d'huile où il se prend en perles d'hydrogel en 2,2 secondes à 170 C.
On soumet l'hydrogel en perles à un échange de bases avec une solution aqueuse à 2 oxo en poids de chlorure de terres rares contenant: 0,63 0/o de chlorure de cérium, 0,33 331O/o de chlorure de lanthane, 0,06 % de chlorure de praséodyme, 0,23% de chlorure de néodyme et des traces de chlorure de samarium, de chlorure de gadolinium et d'autres chlorures de terres rares. On conduit l'échange de bases en utilisant 12 contacts (9 contacts de 2 heures chacun et 3 contacts de 20 heures chacun) avec 1/2 volume de solution pour 1 volume de perles d'hydrogel.
On lave l'hydrogel qui a subi l'échange pour le débarrasser d'anions solubles, on le sèche 24 heures à l'air à 1320 C, on conditionne à l'air pendant 10 heures à 5380 C et on traite par la vapeur d'eau à 1,05 kg/cm2 et à 6490 C, pendant 30 heures et pendant 60 heures.
Le catalyseur terminé contient 0,21 0/o en poids de sodium et sa teneur en oxydes de terres rares est de
10,8 0/o en poids. La surface spécifique du produit traité à la vapeur pendant 30 heures est de 195 m2/g et celle du produit traité à la vapeur pendant 60 heures est de 167 m2/g.
Tableau I
Exemple No 1
Description
Gangue .............. Si/Al(94/6)
Particules fines:
Type .................. Na/Al/Si(13Y)
Concentration ......... 10
Echange de bases
Solution ................... RECl3.6H2O
Concentration, % en poids .. 2
Composition
Na,% en poids .......... 0,21
(TR)2O2 en poids (.:
.) 10,8
Tableau I (suite)
Propriétés physiques
Surface spécifique m2/g
après traitement à la vapeur . . 195 (1) 167 (2)
Evaluation catalytique
Converstion, % en volume ... 63,0 60,8
Débit relatif, h-1 ......... 4 4
Gas-oil 10 RVP, /o en volume 55, 2 53,7
Excès C4', % en volume .... 10,2 10,8
Essence C5 +, % en volume . 52,5 51,1
Total C4', % en volume .... 12,9 13,3
Gaz sec, % en poids ....... 6,4 5,1
Coke, % en poids .......... 2,4 2,3
Avantage sur catalyseur usuel de Craquage (**) (1) (2) 10 RVP, % en volume . . . @ +8,8 +8, 5
Excès C4,, /o en volume. . . @ 9
Essence C5 +, % en volume . +8,4 +8,5
Total C4', % en volume .... -4,2 -3,2
Gaz sec, % en poids .......
-1,8 -2,6
Coke, % en poids .......... -2,7 -2,5
Surcroît de rendement
en essence C5+. par rapport
à SiO2/Al2O1-REHX (** *) +2,2 +2,4
(*) TR = métaux de terres rares
(**) Catalyseur commercial silice-alumine contenant
environ 99% de SiO2 et 10% d'Al2O3 (***) Zéolite 13X ayant subi un échange de bases avec
du chlorure de terre rare et d'ammonium. et con
tenue dans une gangue de gel SiO2-Al2O3
(1) Traité 30 heures à 649 C et 1,05 kg/cm2 avec
100% de vapeur d'eau
(2) Traité 60 heures à 6490 C et 1,05 kg/cm2 avec
100% de vapeur d'eau.
Comme on le voit, les données concernant le catalyseur de l'exemple 1 sont comparées aux résultats que l'on obtient en utilisant un catalyseur commercial de craquage silice-alumine à la même conversion, et aussi aux résultats d'un catalyseur comprenant 10% en poids d'aluminosilicate de sodium du type X dispersé dans une gangue de gel comprenant 94 /o de silice et 6 6% d'alumine en poids, le catalyseur ayant subi un échange de bases avec des solutions combinées de chlorure de terres rares et d'ammonium, jusqu'à une faible teneur résiduelle en sodium.
Les données du tableau I démontrent les avantages catalytiques de l'aluminosilicate échangé du type Y contenu dans une gangue par rapport à l'aluminosilicate comparable du type X, ainsi que l'amélioration très notable d'activité et de sélectivité en comparaison du catalyseur commercial usuel silice-alumine.
Exemples 2-3
Les catalyseurs de ces exemples sont préparés de la même façon que- celle de l'exemple 1, si ce n'est que l'échange de bases de l'hydrogel en perles est effectué avec une solution de chlorure d'ammonium.
Ainsi, on effectue l'échange de l'hydrogel en perles pour ces deux exemples par contact avec une solution aqueuse contenant 1 % en poids de chlorure d'ammonium, en utilisant 12 contacts de 2 heures chacun avec 1/2 volume de solution par volume d'hydrogel. On lave alors l'hydrogel, on le sèche et on le conditionne comme dans l'exemple 1. On traite le catalyseur de l'exemple 7 à la vapeur pendant 30 heures à 1,05 kg/cm2 et 6490 C tandis que le catalyseur de l'exemple 8 est traité pendant 24 heures dans les conditions indiquées.
Exemple 4
On prépare le catalyseur de cet exemple en soumettant à un échange de bases 200 g de la zéolite Y, qui a été préparée par exemple comme mentionné à l'exemple 1, avec une solution aqueuse de chlorure d'ammonium à 5% en poids. On conduit l'échange de bases à 820 C en utilisant 12 contacts de 2 heures chacun avec 1/2 volume de solution par volume de bouillie. On lave le catalyseur ainsi échangé, on le sèche et le conditionne comme dans l'exemple 1, puis on le traite par la vapeur d'eau à la pression atmosphérique pendant 20 heures à 6630 C.
Le catalyseur ainsi obtenu contient 1,19% de sodium et 27,0% d'alumine en poids et a une surface spécifique de 66 m2/g.
Exemple 5
On prépare à titre comparatif le catalyseur de cet exemple de la même façon que pour l'exemple 2, si ce n'est que l'aluminosilicate de sodium est du type X et qu'il est présent en quantité correspondant à 25 % en poids.
On conduit un échange de bases des perles d'hydrogel de cet exemple avec une solution aqueuse à 2 % en poids de chlorure d'ammonium à la température ambiante, en utilisant 8 contacts de 2 heures chacun avec 1/2 volume de solution par volume de perles d'hydrogel.
On lave alors l'hydrogel échangé pour le débarrasser de chlorure, on le sèche à l'air à 1100 C, on le conditionne à l'air à 5380 C pendant 10 heures et on le traite à la vapeur d'eau à 1,05 et 649 C pendant 24 heures.
On vérifie l'activité de craquage des catalyseurs des exemples 2-5 de la façon décrite plus haut, et les résultats sont indiqués au tableau Il:
Tableau II
Exemples N s 2 3 4
Description
Gangue .................. Si/Al(94/6) Si/Al(94/6) Si/Al(94/6)
Matières fines
Type ................... Na/Al/Si (13Y) Na/Ai/Si (13Y) Na/AI/Si (13Y) Na/Al/Si (13X)
Concentration .............. 10 10 100 25
Echange de bases
Solution .......................
NH4Cl NH4Cl NH4Cl NH4Cl
Concentration, % en poids....... 1 1 5 2
Tableau Il (suite)
Exemples NOS 2 3 4 5**
Composition
Na, % en poids .............. 0,27 0,3 1,19 1,09
Al2O3, % en poids ........... 8,1 27,0 13,6
Propriétés physiques
Poids spécifique apparent g/cm2. . . @ 0,86 0,82 0,66 0,81
surface spécifique,
m2/g après traitement à la vapeur . . 137 136 66
Evaluation catalytique
Conversion, % en volume ....... 43,2 60,3 51,3 43,3 61,9 53,2 30,0
Débit relatif, h- ............. 4 2 3 4 2 4 4
Gas-oil 10 RVP. % en volume @ 38,3 49,4 43,7 37,9 50,7 47,2 27,5
Excès C4, /o en volume . . . @ 7,6 12,7 10,5 7,5 13,1 9,3 4,2
Essence C5+, % en volume 36, 3 47,1 41,7 36,0 48,5 44,7 25,8
Total C4, /o en volume ......
9,6 14,9 12,4 9,4 15,4 11,8 5,8
Gaz sec, % en poids .......... 4,5 7,4 5,7 4,4 7,4 5,2 3,1 Coke, 0/o -en poids 0,9 1,7 1,1 1,26 2,0 0,99 1,0
Avantage sur catalyseur usuel de craquage (*) 10 RVP, e/o en volume +2,5 +4, 3 +3,4 +2,1 +4,9 +59
Excès C4, % en volume......... -0,9 -1,1 -0,5 -1,1 -1,4 -2,2
Essence C5 +, 0/o en volume +2,8 +4,3 +3,7 +2,5 +4,9 +5,7
Total C4. % en volume......... -1,4 -1,1 -0,9 -1,6 -1,2 -2,0
Gaz sec, % en poids .......... -0,4 -0,4 -0,5 -0,6 -0,6 -1,3
Coke, % en poids..............
-1,0 -3,0 -2,2 -0,7 -2,8 -2,4
(*) catalyseur commercial formé de cogel silice-alumine contenant environ 9O0/o SiQ2 et 10 0/o M200
(**) à titre comparatif
Les données catalytiques du tableau ci-dessus montrent que les aluminosilicates Y sont des catalyseurs de craquage actifs qui ont une meilleure sélectivité que le catalyseur usuel silice-alumine. Afin de faire une comparaison directe entre les catalyseurs des exemples 2 et 3 et le catalyseur à terres rares de l'exemple 1, il faut faire fonctionner le premier dans des conditions de conversion à un débit relatif de 2 h-1. A ce débit, les activités des catalyseurs des exemples 2 et 3 sont portées respectivement à 60,3 et 61,9% de conversion en volume.
Ces catalyseurs acides présentent une bonne sélectivité à ce niveau de conversion, la sélectivité étant améliorée au détriment du coke et du gaz sec, avec une faible perte sur le total C4.
Les données du tableau II montrent encore que le catalyseur de l'exemple 2, contenant 10 0/o en poids d'aluminosilicate de sodium Y, approche de l'activité de la matière pure, qui est le catalyseur de l'exemple 4, alors même qu'il a été traité à la vapeur beaucoup plus rudement. Ces données montrent que lorsqu'on incorpore un aluminosilicate du type Y à une gangue silicealumine et que l'on effectue ensuite un échange de bases avec une solution de chlorure d'ammonium, la stabilité -de l'aluminosilicate est accrue. Bien qu'on ne connaisse pas avec certitude la raison de cet accroissement inattendu, il semble être dû à la synergie entre l'aluminosilicate acide du type Y et la gangue qui le contient.
On voit aussi d'après les données du tableau II que le catalyseur comparatif de l'exemple 5 préparé à partir d'un aluminosilicate du type X est beaucoup moins
actif que le catalyseur de l'exemle 2 qui contient une moindre quantité de l'aluminosilicate, mais du type Y.
Les exemples suivants servent à démontrer que l'on peut utiliser une alumine hydratée et une argile hydratée
comme gangue pour préparer des catalyseurs dilués à
l'aluminosilicate de terres rares du type Y, présentant des propriétés catalytiques -exceptionnelles.
Exemple 6
On utilise I'aluminosilicate de sodium cristallin Y mentionné à l'exemple 1. On soumet 230 g de ce produit à un échange de bases avec une solution aqueuse -combinée contenant 5 /o en poids de LaCl3.6H2O et 20/o en poids de NH4C1 pendant 48 heures de façon continue, en utilisant l'équivalent de 24 changements de
2 heures, avec un volume de solution par volume de bouillie. On lave la matière échangée pour la débarrasser d'anions solubles et on la sèche.
On mélange 30 g de la poudre, séchée avec 90 g d'alumine hydratée contenant 66,5 % de solides à
5380 C. On effectue le mélange dans un mélangeur en ajoutant 150 cm3 d'eau pour délayer le mélange en une masse homogène. On sèche le mélange à l'air à 110 C pendant 24 heures, puis on granule et on tamise en particules de 4,8 X 2 mm. Qn calcine les particules pen dant 10 heures à 5380 C puis on les traite à la vapeur pendant 24 heures à 6490 C et 1,05 kg/cm2.
Le catalyseur obtenu contient 0,3 % en poids de sodium, 4,25% en poids de La2O3 et présente une surface spécifique de 172 m2/g après traitement à la vapeur.
Exemple 7
On prépare le catalyseur comme dans l'exemple 6, si ce n'est que la solution d'échange de bases contient 5% en poids de chlorure de métal de terre rare (TRCl3.
6H2O) et 20/o en poids de chlorure d'ammonium et que l'on utilise une argile hydratée comme gangue diluante.
Dans cet exemple, on mélange 22 g de la matière échangée et séchée avec 76g d'argile brute (88% de solides) à 5380 C. On granule alors le produit mélangé sec, on le calcine et on le traite à la vapeur comme dans l'exemple précédent.
Le catalyseur terminé contient 0,44% en poids de sodium, 4,0% en poids d'oxyde de terre rare et présente une surface spécifique de 105 m2/g après traitement à la vapeur.
Les caractéristiques et les résultats obtenus dans l'essai des catalyseurs des exemples 6 et 7 quant à leur activité de craquage sont indiqués au tableau III:
Tableau 111
Exemples NOS 6 7
Description
75 .0/o alumine 75 0/o argile
Gangue ............ hydratée hydratée
Matières fines
Type LaHY TRHY
Concentration 25 25
Composition
Na, % en poids..... 0,3 0,44
(TR)2O3, /o en poids. 4,25 4,0
Propriétés physiques
Surface spécifique
après traitement
à la vapeur, m2/g . . . . 172 105
Evaluation catalytique
Conversion,
% en volume ..... 64,5 77,2 66,8 Débit relatif, h-1 . . .
@ 4 4 8
Gas-oil, 10 RVP,
e/o en volume 59,2 60,6 65,1
Excès C4, % en volume 8,9 16,2 11,8
Essence C5 +,
' /o en volume .... .. 55,9 58,1 55,1
Total C4, % en volume 12,2 18,8 14,8
Gaz sec, % en poids . 5,6 10,1 6,3
Coke, % en poids. . . @ 2,0 4,4 2,
Avantage sur le catalyseur usuel de craquage (*)
10 RVP, % en volume. +12,2 +8,6 +10,1
Excès C4, /o en volume - 6,5 -5,4 - 4,7
Tableau 111 (suite)
Exemples NOS 6 7
Essence C5+.
% en volume. .. +11,1 +7,7 +9,1
Total C4, 1 /o en volume . - 5,4 -4,4 - 3,7
Gaz sec, % en poids . - 2,9 -0,9 - 2,6
Coke, % en poids . . . . - 3,4 6-3, - 3,2
Avantage de rendement
en essence C5 +
par rapport
à SiO2/Al203-REHK (**) +5,1 - +3,2
(*) Catalyseur commercial silice-alumine contenant
environ 90% de SiO2 et 10% d'Al2O3
(**) Zéolite 13X ayant subi un échange de bases avec
des chlorures de terre rare et d'ammonium et
contenue dans une gangue de gel SiO2-Al203.
Exemple 8
Cet exemple démontre que l'on peut préparer un catalyseur présentant une bonne activité et une bonne sélectivité en utilisant un aluminosilicate de terre rare Y qui a subi un échange préalable, en même temps qu'un supplément de matière pulvérisée pour accroître la diffusibilité. Les matières fines sont constituées par 5 % en poids d'aluminosilicate de terre rare Y et 24 % en poids d'argile qui a un diamètre moyen de particules de 4-5 microns. On soumet 1'hydrogel en perles obbtenu à un échange de base, on le lave, on le sèche, on le conditionne et on le traite par la vapeur.
Le catalyseur terminé contient 0,18 % en poids de sodium, O,950/o en poids d'oxyde de terre rare et l6,60/o en poids d'alumine. La surface spécifique de la composition après traitement à la vapeur et de 126 m2/g.
Le tableau IV indique les résultats donnés par l'essai d'activité de craquage du catalyseur de cet exemple:
Tableau IV
Exemple NO 8
Description
Gangue ......... Si/Al(94% SiO2-6%Al2O3)
Matières fines
Type ........... 5% REY + 24% argile
Concentration
Echange de bases
Solution NH4C1
Concentration,
% en poids 1
Contacts . 1-24 heures continu à la
température ambiante, équi
valant à 12 changements de
2 heures
Composition
Na, % en poids . . . . 0,18
(TR)2O5, /o en poids. 0,95
A1205, /o en poids .. 16,6
Tableau IV (suite)
Exemple NO 8
Propriétés physiques
Poids spécifique
apparent, g/cm3 . . . . 0,78
Surface spécifique
après traitement
à la vapeur, m2/g . . .
126
Evaluation catalytique
Conversion,
% en volume ..... 51,6
Débit relatif, h-1 ... 4
Gas-oil 10 RVP,
0/o en volume 46,4
Excès C4,
% en volume ..... 7,0
Essence C5+,
0/o en volume 43,6
Total C4, % en volume 9,9
Gaz sec, % en poids . 50,0
Coke, % en poids... 1,2
Avantage sur catalyseur usuel de craquage (;)
10 RVP, /o en volume +5,9
Excès C4,
%en volume ..... -4,0
Essence C5 +,
%en volume ..... +5,4
Total C4, %En volume -3,4
Gaz sec, % en poids . -1,2
Coke, 0/o en poids. . . -1,9
(:) Catalyseur commercial silice-alumine contenant
environ 90% de SiO2 et 10% d'Al2O3.
Exemple 9
Cet exemple démontre l'usage d'un métal en poudre comme gangue pour les catalyseurs ci-dessus.
On part d'une zéolite Y comme dans l'exemple 1 et on la soumet à l'échange de bases avec une solution aqueuse contenant 2% en poids de chlorure - d'ammo- nium et 5 % en poids de chlorures mixtes de terres rares présentant la composition suivante: 1,57% de chlorure de cérium, 0,83% de chlorure de lanthane, 0,17% de chlorure de praséodyme, 0,58% de chlorure de néodyme et des traces de chlorure de samarium, de chlorure de gadolinium et d'autres chlorures de terre rare. On conduit l'échange de bases de façon continue pendant 48 heures à 820 C en utilisant l'équivalent de 24 changements de 2 heures avec 1 volume de solution par volume de bouillie.
On lave alors la matière échangée pour la débarrasser de chlorure, on la sèche 24 heures à 1100 C, on conditionne à 5380 C pendant 10 heures à l'air et finalement on la met en contact avec 100% de vapeur d'eau à la pression atmosphérique et à 6630 C pendant 20 heures. La teneur résiduelle en sodium de la matière échangée est de 1,32% en poids. On mélange l'aluminosilicate échangé à de la poudre d'aluminium, à raison de 50 g de l'aluminosilicate et 150 g de poudre d'aluminium métallique, dans un broyeur à boulets pendant 4 heures. On granule alors le mélange, on le tamise en particules de 4,8 X 2 mm, on le conditionne pendant 10 heures à 5380 C dans l'air et finalement on le traite à la vapeur pendant 24 heures à 649 C et 1,05 kg/cm2.
Le catalyseur obtenu contient 0,09% en poids de sodium et 2,76% en poids d'oxydes de terres rares. La surface spécifique de la composition après traitement à la vapeur est de 76 m2/g.
Le tableau V indique les résultats que l'on obtient en vérifiant l'activité de craquage du catalyseur de cet exemple.
Tableau V
Exemple NO 9
Description
Gangue ............... aluminium métallique
en poudre
Matières fines
Type REHY
Concentration ........ 25%
Composition
Na, 0/o en poids . . . . 0,09
(TR)2O3, % en poids. . 2,76
Propriétés physiques
Poids spécifique apparent,
g/cm3 0,76
Surface spécifique après traite
ment à la vapeur, m2/g . . 76
Evaluation catalytique
Conversion, % en volume . 71,9
Débit relatif, h-1 ...... 4
Gas-oil 10 RVP, % en volume 64,3
Excès C4, /e en volume . . 12,0
Essence C5+, % en volume. 61,1
Total C4, % en volume. . . @ 15,3
Gaz sec, /o en poids . . . 5,9
Coke, % en poids...... 2,6
H2, % en poids........ 0,02
Avantage sur catalyseur usuel de craquage (:
)
10RVP, io/o en volume @ +14,2
Excès C4, 0/o en volume . . - 6,9
Essence C5 +, 0/o en volume + + 12,8
Total C4, 10/o en volume. . . 5 5,5
Gaz sec, % en poids ..... -3,9
Coke, % en poids......... -4,2
(*) Catalyseur commercial contenant environ 90%
SiO2 et lO0/o Al2O3.
On voit par les données ci-dessus que le catalyseur obtenu, contenant 25 /o en poids d'aluminosilicate de terre rare et d'hydrogène, possède des propriétés catalytiques supérieures. Les données catalytiques récapitulées au tableau V montrent que ce catalyseur est extrêmement sélectif et donne un avantage d'environ 12,8% en volume d'essence C5+ sur le catalyseur usuel silice-alumine.
Exemple 10
Pour préparer le catalyseur de cet exemple, on soumet à un échange de bases de façon continue un aluminosilicate de sodium Y avec une solution combinée comprenant 5% en poids de CaCl2 et 2 % en poids de NH4CI à 820 C pendant 72 heures, en utilisant la solution totale équivalant à 36 changements de 2 heures avec 1 volume de solution par volume de bouillie.
On lave le produit échangé, on le sèche, on le conditionne et on le traite à la vapeur pendant 24 heures à 6490 C et 1,05 kg/cm2.
La composition, les propriétés et les résultats de l'essai d'activité de craquage sont indiqués au tableau
VI.
Tableau VI
Exemple NO 10
Description ........ aluminosilicate
de sodium
Type .............. Na/Al/Si(13Y)
Concentration 100
Echange de bases
Solution ................. CaCl2 + NH4Cl
Concentration, % en poids. 5 2
Contacts ................. 3 X 24 heures continu,
équivalant à 36 change
ments de 2 heures
Composition Na, 0/o en poids 0,82
Ca, % en poids . . . . 6,8
Propriétés physiques
Surface spécifique après
traitement à la vapeur, m2/g 187
Evaluation catalytique
Conversion, % en volume. 61,8
Débit relatif, h-1....... 10
Gas-oil 10 RVP,
% en volume.............. 57,0
Excès C4, 0/o en volume. . 9,5
Essence C5 +, % en volume 54,0
Total C4, % en volume . . 12,5
Gaz sec, % en poids. . . 4,8
Coke, % en poids ........
1,5
Avantage sur catalyseur usuel de craquage (*)
10 RVP, % en volume ... +11,2
Excès C4, 0/o en volume... - 4,8
Essence C5 +, % en volume +10,4
Total C4, % en volume... -4,1
Gaz sec, % en poids..... -3,2
Coke, % en poids ....... -3,3
Avantage de rendement
en essence C5 +
sur REHX (**)...... + 2,4
(*) Catalyseur commercial contenant environ 90 0/o
SiO2 et 10 % A1203
(**) Zéolite 13X ayant subi un échange de bases avec
une solution de chlorures de terres rares et d'am- momum.
L'exemple suivant sert à illustrer le fait que l'on peut préparer un catalyseur efficace en soumettant l'aluminosilicate de sodium Y à un échange de bases avec une solution contenant des cations manganèse et ammonium.
Exemple 11
On prépare le catalyseur en soumettant à un échange de bases, de façon continue, 300 g d'aluminosilicate Je sodium Y avec une solution aqueuse contenant 2' /o en poids de chlorure de manganèse et 1 0/o en poids de chlorure d'ammonium. L'échange de bases équivaut à 36 contacts de 2 heures avec 1 volume de solution par volume de bouillie. On lave alors le produit à l'eau pour éliminer les ions chlorure, on sèche 20 heures à l'air à 1320 C et on traite à la vapeur pendant 24 heures à 6490 C et 1,05 kg/cm2.
Les catalyseurs ainsi obtenus ont une teneur en sodium de 1,4% en poids et une surface spécifique après traitement à la vapeur de 52 m2/g.
Le tableau VII indique les résultats donnés par l'essai d'activité de craquage de ce catalyseur.
Tableau VII
Exemple N 11
Description .............. aluminosilicate
de sodium type Y
Echange de bases
Solution ............... MnCl2 + NH4Cl
Concentration, % en poids . 2 1
Contacts ............... équivalant
à 36 changements
de 2 heures Composition
Na. % en poids ......... 1,4
Propriétés physiques
Surface spécifique après
traitement à la vapeur, m2/g . . 52
Evaluation catalytique
Conversion, % en volume...
Exemple 12
230 g de zéolite Y, préparée par exemple comme décrit dans l'exemple 1, ont été soumis à un échange de base avec une solution aqueuse contenant 50/0 en poids d'un mélange de chlorure de terres rares ayant la composition suivante: 1,57% de chlorure de cérium, 0,83 < ?/o de chlorure de lanthane, 0,17 % de chlorure de praséodyme, O,580/o de chlorure de néodyme et des traces de chlorure de samarium, de chlorure de gadolinium et d'autres chlorures de métaux des terres rares.
On a effectué l'échange de base en continu pendant 72 heures à 820 C en utilisant l'équivalent de 36 changements de 2 heures avec un volume de solution par volume de suspension. Ensuite, on a lavé la matière à base échangée jusqu'à ce qu'elle soit exempte de chlorure, on l'a séchée pendant 24 heures à 110o C, on l'a calcinée à 5380 C pendant 10 heures à l'air et on l'a finalement mise en contact avec de la vapeur à 100 % à la pression atmosphérique pendant 20 heures à 663 C.
Le catalyseur ainsi obtenu a une teneur en sodium de O,820/o en poids et une teneur en oxydes de métaux des terres rares de 17,2 o en poids et une surface spécifique de 512 m2/g.
Exemple 13
230 g de zéolite Y, préparée par exemple comme décrit dans l'exemple 1, ont été soumis à un échange de base avec une solution aqueuse contenant 5 oxo en poids des chlorures de métaux des terres rares ayant la com position indiquée dans l'exemple 12 et 2 < ?/o en poids de chlorure d'ammonium. L'échange de base a été effectué en continu pendant 48 heures à 820 C en utilisant l'équivalent de 24 changements de 2 heures avec un volume de solution par volume de suspension.
La matière à base échangée a été ensuite lavée à l'eau, séchée, calcinée et traitée à la vapeur comme dans l'exemple précédent.
Le catalyseur ainsi obtenu a une teneur en sodium de 0,99% en poids et une teneur en oxyde de métaux des terres rares de 17,7 /o en poids et une surface spécifique de 472 m2/g.
Pour comparer les catalyseurs ci-dessus, à base de zéolite du type Y, avec des catalyseurs préparés à partir de zéolite du type X, on a effectué les exemples suivants:
Exemple 14 (comparatif)
On a préparé un aluminosilicate de sodium cristallin du type X en mélangeant les solutions suivantes:
A. Solution de silicate de sodium
77,5 kg de silicate de sodium contenant 8,8% en
poids de Na2O, 28,5% en poids de SiO2
et 62,7% en poids de H2O
11,0 kg d'hydroxyde de sodium
143,0 kg d'eau.
B. Solution d'aluminate de sodium
25,6 kg d'aluminate de sodium
11,0 kg d'hydroxyde de sodium
195,0 kg d'eau.
On a ajouté la solution B, présentant une densité de 1,140 à 20,00 C, à la solution A, présentant une densité de 1,172 à 200 C, en agitant énergiquement jusqu'à obtention d'une suspension crémeuse. On a chauffé cette suspension pendant 12 heures à 960 C, puis on Fa filtrée.
On a lavé le gâteau à l'eau jusqu'à ce que l'eau en équilibre avec le solide lavé ait un pH de 11. Ensuite, on a séché le gâteau lavé à l'air à une température de 1380 C.
680 g de la zéolite X, préparée comme décrit ci-dessus, ont été soumis à l'échange de base avec une solution aqueuse contenant 5 0/o en poids d'un mélange de chlorure de métaux des terres rares, en procédant comme décrit dans l'exemple 12.
Le catalyseur ainsi obtenu a une teneur en sodium de O,530/o en poids, une teneur en oxyde de métaux des terres rares de 28,910/o en poids et une surface spécifique de 423 m2/g.
Exemple 15 (comparatif)
680 g de zéolite X, préparée comme dans l'exemple 14, ont été soumis à l'échange de bases avec une solution aqueuse de chlorure de métaux des terres rares et de chlorure d'ammonium comme dans l'exemple 13.
Le catalyseur ainsi obtenu a une teneur en sodium de 0,26% en poids, une teneur en oxyde de métaux des terres rares de 26% en poids et une surface spécifique de 497 m2/g.
On a évalué les catalyseurs des exemples 12 à 15, quant à leur activité catalytique pour le craquage, en chargeant un gas-oil, comme décrit plus haut, à une température de 4820 C et à la pression atmosphérique, en utilisant un débit de 16 volumes d'huile liquide par heure et par volume de catalyseur.
Les résultats de ces essais sont donnés dans le tableau VIII ci-dessous:
Tableau VIII
Exemple NO 12 13 14 15
Description Aluminosilicate de sodium
Type ................... Na/Al/Si(13Y) Na/Al/Si(13Y) Na/Al/Si(13Y) Na/Al/Si(13Y)
Concentration 100 100 100 100
Echange de bases
Solution TRCl8. 6H00 TRCl8. 6H20 + NH4Cl TRCl3. 6H2O TRCl3. 6H2O + NH4Cl
Concentration, e/o en poids . . 5 5 2 5 5 2 Coznposition
Na, % en poids........... 0,82 0,99 0,53 0,26
(TR)2O3, % en poids ..... 17,2 17,7 28,9 26
Tableau VIII (suite)
Exemple NO 12 13 14* 15*
Description Aluminosilicate de sodium
Propriétés physiques
Surface spécifique
après traitement à la vapeur,
m2/g (1) ............... 512 472 423 497
Evaluation catalytique
Conversion, % en volume . .
61,7 68 59,1 59
Débit relatif, h-1 ........ 16 16 16 16
Essence 10 RVP, % en volume 53,7 57,4 49,6 47,8
Excès de C4, % en volume . 10,6 13,4 10,5 12,5
Essence C5 +, % en volume @ 51,0 54,8 47,4 45,8
Total C4, 1 /o en volume . . . @ 13,3 16,0 12,8 14,5
Gaz sec, % en poids...... 6,5 7,3 6,4 6,8
Coke, /o en poids ....... 2,5 2,8 3,6 3,5
Avantage sur catalyseur usuel de craquage (2)
10 RVP, % en volume..... +8,0 +8,8 +5,2 +3,4
Excès C4, O/o en volume. . . 9-3, 6-3, 0-1, 0
Essence C5+, % en volume. +7,5 +8,2 +5,2 +3,8
Total C4, % en volume . . . -3,3 -3,0 -2,8 -1,1
Gaz sec, % en poids......
-1,5 -1,9 -1,1 -0,7
Coke, % en poids ........ -2,3 -3,2 -0,9 -0,9 (1) Catalyseur traité à la vapeur pendant 20 heures à 6630 C avec de la vapeur à 1000/o à la pression atm.
(2) Catalyseur cogel silice-alumine contenant approximativement 90% de SiO2 et 10% de Al2O3.
* à titre comparatif
Les résultats rassemblés dans le tableau ci-dessus montrent que les catalyseurs des exemples 12 et 13, à base d'aluminosilicate du type Y, sont plus actifs et plus sélectifs que les catalyseurs des exemples 14 et 15, préparés dans des conditions comparables mais à partir de l'aluminosilicate du type X.
En particulier, les résultats présentés dans le tableau VIII montrent que le catalyseur de l'exemple 12 est plus actif et beaucoup plus sélectif que le catalyseur de l'exemple 14. I1 est également intéressant de noter que le catalyseur de l'exemple 14, soumis à un échange essentiellement de la même manière que celui de l'exemple 12, a retenu 28,90/o en poids d'oxydes de métaux des terres rares, alors que le catalyseur de l'exemple 12 n'en a retenu que 17,2 10/o en poids, ce qui montre les différences entre les zéolites de type Y et de type X quant à l'aptitude à l'échange.
L'exemple 13 démontre l'amélioration des propriétés. catalytiques qui résulte de l'échange com- biné avec les métaux des terres rares et l'ammonium par rapport à l'échange avec des métaux des terres rares seuls, ainsi que l'amélioration catalytique de l'alumino- silicate du type Y, soumis à l'échange terres rares/ammonium par rapport à l'aluminosilicate du type X, soumis à un échange correspondant, de l'exemple 15. Ainsi, comme il ressort clairement d'une comparaison entre les résultats des exemples 13 et 15, le catalyseur de l'exemple 13 est beoucoup plus actif et sélectif que celui de l'exemple 15.
REVENDICATIONS
I. Procédé de préparation d'un catalyseur, caractérisé en ce que l'on met en contact un aluminosilicate cristallin de métal alcalin, dans lequel le rapport moléculaire silice/alumine est supérieur à 3, avec une solution contenant des ions d'un métal inférieur au sodium dans la série électromotrice, des ions de calcium et/ou des ions azotés organiques, de manière à remplacer au moins 70iO/o du métal alcalin initialement contenu dans l'aluminosilicate.
Process for preparing a catalyst
The present invention relates to a process for preparing a catalyst and its use for the catalytic cracking of hydrocarbons.
It has already been pointed out that various chemical reactions can advantageously be carried out by a contact catalysis process, using crystalline zeolites of the metal aluminosilicate type as catalysts having a rigid three-dimensional network consisting of unit cells characterized by the absence almost total variation in the dimensions of the unit cell when it is dehydrated and rehydrated, and by a very uniform homogeneous porous structure. The above conditions are fulfilled by certain crystalline zeolites called molecular sieves.
Reactions effectively catalyzed by these bodies include, for example, hydrocarbon cracking, alkylation, dealkylation, disproportionation, isomerization and polymerization. Since these catalysts have the property of influencing and directing the course of chemical conversion, they have a remarkable degree of catalytic selectivity. In short. there are two types of selectivity: on the one hand, the geometric selectivity which depends on the relation between the diameter of the pores of the crystalline structure of the aluminosilicate zeolite and the diameter of the molecules of reagents and products, and of on the other hand, the intrinsic catalytic selectivity which depends on the choice of the cation present on the surfaces of the crystalline metallic aluminosilicate.
A wide variety of zeolites of natural and synthetic origin are known, for example chabazite, gmelinite, mesolite, mordenite, natrolite, sodalite, scapolite, lazurite, leucrite and cancrinite.
Synthetic zeolites can be of type A,
X, type Y or other well known forms of molecular sieve. The preparation of the above synthetic zeolites is described in the literature, for example that of zeolite A in US Pat. No. 2882,243 of April 14, 1959, that of zeolite X in US Pat. America No. 2882244 of April 14, 1959 and that of zeolite Y in Belgian patents Nos. 577642 and 598582. In the form initially prepared, the metal of the aluminosilicate is an alkali metal, usually sodium. This alkali metal can undergo base exchange with a wide variety of other metal ions.
The molecular sieves thus obtained are remarkably porous, the pores exhibiting very uniform molecular dimensions, generally between 3 and 15 A in diameter approximately. Each molecular sieve crystal contains an extremely large number of tiny cavities or cages interconnected by channels of invariable diameter. The size and proportion of the metal ions contained in the crystal determines the effective diameter of the communication channels.
It has been found that a highly active and selective catalyst for the conversion of organic compounds is prepared by contacting a crystalline alkali metal aluminosilicate, in which the silica / alumina molecular ratio is greater than 3, with a solution containing ions. of a metal lower than sodium in the electromotive series, calcium ions and / or organic nitrogen ions, so as to replace at least 70% of the alkali metal initially contained in the almminosilicate.
The organic nitrogen ions can be quaternary ammonium ions, as well as those of guanidine salts and amine salts. Particularly preferred replacement ions are those of alkaline earth metals, those of rare earth metals and the manganese ion. The treatment solution may further contain ammonium ions and hydrogen ions.
Before or after the ion exchange, the crystalline aluminosilicate, in finely divided form, can be intimately mixed with a suitable binder, under conditions such that the aluminosilicate is intimately distributed and remains in suspension in a matrix of the binder. In cases where the alkali aluminosilicate is initially mixed, the ion exchange is then carried out on the composition obtained.
Unexpectedly, the catalyst thus obtained was found to exhibit greater activity and selectivity than comparable catalysts prepared from other synthetic aluminosilicates such as those of type X in which the silica: alumina molar ratio is lower. to 3: 1.
Unlike the previously usual cracking catalysts, the catalyst prepared according to the invention is preferably prepared from a crystalline aluminosilicate of type Y having a structure with rigid three-dimensional networks characterized by uniform pores with a diameter of 6-15. And in which the original alkali metal has been replaced, preferably substantially all, by a metal lower than sodium in the electromotive series, by calcium, ammonium ions and hydrogen, separately or together. The uniform pore openings in the mentioned range come in all dimensions and allow access to the catalyst surface of all hydrocarbon reagent molecules and allow easy release of the product molecules.
Further, unexpectedly, the catalyst has remarkable stability when in the form of hydrogen aluminosilicate or Y-type acid, which has been exchanged into a hydrous oxide matrix. The great stability of such a catalyst is attributable to the apparent synergistic action between the acid aluminosilicate and the hydrated oxide matrix which encloses it.
In one embodiment of the process according to the invention, a finely divided crystalline aluminosilicate of type Y, the cation of which is constituted, separately or jointly, by ions of metals lower than sodium in the electromotive series, is intimately associated with a suitable binder. calcium, ammonium or hydrogen ions, the catalyst obtained having, after drying and calcination, an exchangeable alkali metal content of less than 3 Olo by weight.
In another embodiment of the process according to the invention, a finely divided aluminosilicate Y in which at least 70% of the initial alkali metal content has been replaced by ions or several types chosen from the group is dispersed in a suitable matrix. which comprises the metals lower than sodium in the electromotive series, calcium, ammonium and hydrogen ions, this aluminosilicate having uniform pore openings of between 6 and 15 A approximately, then the catalyst obtained is dried, calcined and treated with water vapor at a temperature of 200 790O C for a time greater than approximately 2 hours.
In another embodiment of said process, resulting in a catalyst intended for the conversion of hydrocarbons, a finely divided aluminosilicate Y given by the ion exchange described above is dispersed in an inorganic oxide sol. gelation of the sol containing the finely divided aluminosilicate, the catalyst obtained is washed to free it from soluble matters, dried, calcined and the calcined catalyst is treated with steam.
In another embodiment of said process, the catalyst obtained comprises an aluminosilicate in suspension uniformly distributed in a gangue, the cation of the aluminosilicate being constituted by one or more ions from the group which comprises the metals less than sodium in the series electromotive, calcium, ammonium and hydrogen ions.
In yet another embodiment, resulting in a cracking catalyst of exceptional activity and selectivity, the latter consists essentially of 1-90 by weight of a crystalline aluminosilicate of type Y resulting from 1. ion exchange mentioned, the particle size of the aluminosilicate being less than 40 microns and preferably less than 15 microns in diameter, and the aluminosilicate being distributed in suspension in a matrix of a hydrated oxide which may be formed clay or mineral oxide gels.
In another embodiment of the process according to the invention, the catalyst obtained comprises spheroidal particles essentially formed of 1-50 by weight of an aluminosilicate resulting from an ion exchange as above, having an average diameter of particles of 2-7 microns, in suspension uniformly distributed in a matrix of mineral oxide gel which may be formed of alumina, silica or compounds formed by silica with at least one metal from groups IIA,
IIIB and WA of the periodic table.
The use of the catalyst obtained by the process according to the invention consists in a catalytic conversion of organic compounds, in particular the catalytic cracking of hydrocarbon oils in the presence of said above catalyst and under cracking conditions, achieving an increased conversion of the raw material into useful products.
Catalytic cracking is commercially carried out by bringing a hydrocarbon feedstock in contact, in the vapor state or in the liquid state, with a catalyst of the above type, under the desired conditions of temperature, pressure and time. to achieve almost complete conversion of the feed to lower boiling point hydrocarbons. The reaction which occurs is essentially cracking with the formation of lighter hydrocarbons but it is accompanied by several complex side reactions such as aromatization, polymerization, alkylation, etc.
As a result of these complex reactions, a carbonaceous deposit (commonly called coke) is formed on the catalyst. The deposition of coke tends to seriously decrease the efficiency of the catalyst for the main reaction, and then the conversion stops once the coke has accumulated on the catalyst in the amount of a few units / o by weight.
The surface of the catalyst is then regenerated by burning the coke in a stream of oxidizing gas and the catalyst is returned to the conversion stage of the cycle.
As will be appreciated, coke and other undesirable products are formed at the expense of useful products such as gasoline. It is evident that during the regeneration time the catalyst is not effectively used for the conversion. Accordingly, it is very desirable not only to achieve a high overall conversion of the hydrocarbon feedstock, i.e. to adopt a high activity catalyst, but also to obtain an increased yield of useful product such as. gasoline while keeping unwanted products such as coke to a minimum. The ability of a cracking catalyst to thereby direct the course of the conversion is called selectivity.
Thus, a very useful and highly desirable advantage for a cracking catalyst is high selectivity and also high steam stability, so that it withstands the steam treatment which serves to regenerate the catalyst.
Preferably, a catalyst is used in a cracking process which consists essentially of a crystalline Y-type hydrogen aluminosilicate having a rigid three-dimensional network structure characterized by uniform pores of 6-15 diameter.
It has been discovered that it is possible to effectively carry out the catalytic conversion of hydrocarbons in the presence of a very active and very selective catalyst essentially consisting of a crystalline hydrogen aluminosilicate of type Y. This latter aluminosilicate is obtained by preferably replacing almost all the alkali ions of a crystalline alkaline aluminosilicate of type Y by hydrogen ions. To make this replacement, the crystalline alkaline aluminosilicate of the type
Y in contact with a fluid containing hydrogen ions, under conditions such that the zeolite structure of the aluminosilicate is not destroyed.
Another effective way to replace alkali ions is to contact the alkali aluminosilicate with a fluid containing ammonium ions, then heat the obtained ammonium aluminosilicate to effect the decomposition of ammonium ions with release of NH5, the ions hydrogen remaining in place of the initial ions. It has been found that cracking carried out using crystalline hydrogen aluminosilicate of the type
Y thus obtained gives a high yield of useful cracked products.
The alkali metal aluminosilicates which can be used in the preparation of the catalyst by the process according to the invention are those which are called Y zeolites in the technique.
The latter are particularly described in Belgian patents No. 577642 described above and No. 598582 described above and can be advantageously prepared by the process of these patents. The molar composition of these zeolites falls into the general formula:
0.9 t 0.2 NIO GARLIC / OS. 3-6.5 SiO .9 HO.
The above zeolite, used in the preparation of the present catalyst, exhibits a uniform pore structure comprising openings characterized by an effective pore diameter of 6-15.
Such a catalyst is generally prepared by subjecting the crystalline alkali aluminosilicate Y above to a base exchange with ions of the type already mentioned, so as to replace at least 70O / o and preferably more than 80 / o of the alkali ions. initials. The electromotive series)> which we are talking about here is that defined in the Handbook of Chemistry and Physics, 431st edition, edited by Chemical Rubber Publishing
Company.
These catalysts can be prepared by intimately mixing, on the one hand, a crystalline alkaline aluminosilicate Y having a rigid three-dimensional network structure characterized by an effective and uniform pore diameter of 6-15, in a finely divided form in which the particles generally have an average diameter of less than about 40 microns and preferably less than about 15 microns, on the other hand a suitable binder such as a metal powder, a clay or an inorganic oxide gel, then subjecting the composition obtained to an exchange of bases with almost complete elimination of the alkali metal, by treatment with a solution containing ions of one or more types chosen from the group which includes metals lower than sodium in the electromotive series, calcium, ammonium and hydrogen ions, and then,
by washing, drying and calcining the composition obtained. Alternatively, preferably, the alkali aluminosilicate can be subjected to base exchange as above before it is thoroughly mixed with the binder. In this method, the mixture formed by the finely divided aluminosilicate is washed beforehand subjected to the exchange of bases, distributed and kept in suspension in a gangue of the binder, an exchange of bases is carried out if necessary to remove binding the zeolite alkali metal, dried and calcined as above. The exchangeable alkali metal content of the catalytic compositions obtained by the above processes is preferably less than 3 o / o and more especially less than 2 O / o by weight.
The maximum alkali metal content that can be tolerated in the final catalyst composition depends in part on the nature of the cation present. Thus, when the cation is a rare earth metal or a combination of metal ions and hydrogen ions, up to 3% by weight of exchangeable alkali metal can be tolerated. In the case of manganese and alkaline earth metals such as calcium, the residual amount of exchangeable alkali metal is generally kept below 20% and preferably below 1.5% by weight.
To obtain the intimate mixture of the finely divided aluminosilicate and the binder such as a metal powder, a clay or an inorganic oxide hydrogel, the two materials can for example be passed together in a ball mill for an extended time, from preferably in the presence of water, under the conditions desired to reduce the particle size of the aluminosilicate to an average diameter of less than 40 microns and preferably less than 15 microns. However, this mixing process is less advantageous than that which consists in dispersing the aluminosilicate in finely divided form in a hydrated inorganic oxide, for example a hydrosol or a hydrogel.
According to this embodiment, the finely divided aluminosilicate can be dispersed in an already prepared hydrogel or hydrosol or, which is preferable when the hydrosol is characterized by a short gel time, the finely divided aluminosilicate can be added to a or more of the reagents which serve to form the hydrosol, or mix it, as a separate stream, with streams of hydrosol-forming reagents, in a mixing nozzle or other device in which the reagents are placed in intimate contact. As noted above, it is desirable that the aluminosilicate introduced into the hydrosol have an average particle diameter of less than about 40 microns and preferably less than 15 microns, and between 2 and 7 microns when desired. large particles.
It has been found that the use of an aluminosilicate having an average particle diameter greater than 40 microns gives a physically small product, while the use of an aluminosilicate having an average particle diameter less than 1 micron gives a product of low diffusibility.
The inorganic oxide hydrosol containing the powder sets into a hydrogel after an appropriate time and the resulting hydrogel is subjected to base exchange if zeolite alkali metal has been introduced due to the use. of an alkali silicate, and then washed, dried to a gel and thermally activated at a temperature above the melting point of the incorporated aluminosilicate powder. It has been found that the product obtained, which is essentially formed of an aluminosilicate of type Y, the cation of which consists, separately or jointly of a metal lower than sodium in the electromotive series, or of calcium, ammonium or hydrogen ions, and which in suspension uniformly distributed in a matrix of mineral oxide gel, has remarkable properties as a catalyst for the conversion of hydrocarbons.
In addition to the aluminosilicate Y described above, it has been found desirable in certain cases to include in the catalyst matrix a secondary solid additive also in finely divided form, generally with an average particle diameter of between 1 and 40 microns, capable of making the composition more diffusible. This additive to be inert or else it can contribute to the overall catalytic activity of the final catalyst composition. The amount of this additive can be up to 40q) / o of the weight of the composition. Generally, when the catalyst is in the form of gel beads, the average particle diameter of the additive is less than 10 microns.
Suitable additives for the above use are, for example, clay, alumina, zircon, barite, charcoal, wood powder, silica, recycled fine particles of catalyst, magnesia, spent fine particles. cracking catalysts, and various ores and natural rocks, These additives can remain in the final composition, or in the case of combustible materials such as charcoal or wood powder, they can be removed beforehand following a treatment of preparation applied to the catalyst, or as a result of its use at high temperature.
The binder which constitutes the matrix of the catalyst must be thermally stable under the conditions in which the conversion reaction is carried out. Thus, it is contemplated to use solid porous adsorbents and supports of the type previously employed in catalytic operations, in conjunction with the crystalline aluminosilicate of type Y described above. These materials may be catalytically inert or they may possess intrinsic catalytic activity or activity attributable to close association or reaction with crystalline aluminosilicate type Y.
These materials include, for example, dried gels of inorganic oxide and gelatinous precipitates of alumina, silica, zirconia, magnesia, hafnium oxide, thorium oxide, titanium oxide, boric anhydride and mixtures of these oxides with each other and with other constituents. Other suitable binders include activated metal powders, charcoal, mullite, kieselguhr, activated carbon, bauxite, silicon carbide, sintered alumina, and various clays. Preferably, the aluminosilicate is intimately associated with a hydrated oxide such as an inorganic oxide hydrogel or a clay, as indicated above.
Although the inorganic oxide gels can be used as gangue in general, it is preferable that the inorganic gel is a cogel of silica and of an oxide of at least one metal of groups IIA, IIIB and IVA of the group. periodic classification. These constituents include, for example, silica-alumina, silica-magnesia, silica-zirconia, silica-hafnium oxide, silica-thorium oxide, silica-beryllium oxide, silica-ti aunt oxide. as well as ternary combinations such as silica-alumina-thorium oxide, silica-aluminezirconia, silica-alumina-magnesia and silica-magnesia-zirconia systems. In the above gels, silica is generally present as the main constituent and the oxides of metals are present in a minority.
Thus, the silica content of these gels is generally between 55 and 1000 / o by weight, the metal oxide content varying from 0 to 45 o / o by weight. The inorganic oxide hydrosols used herein and the hydrogels derived therefrom can be prepared by any method well known in the art, for example, ethyl orthosilicate can be hydrolyzed, an alkali silicate acidified which can contain a compound of a metal whose oxide it is desired to coogelate with silica, etc.
The relative proportions of finely divided crystalline aluminosilicate and gangue can vary widely, with the crystalline aluminosilicate constituting about 1-90%, and most usually about 1-50%, by weight of the composition, particularly when it is. ci is prepared in the form of beads.
The catalyst can be prepared by the process according to the invention in any desired physical form. Preferably, it is used in the form of small fragments of the size most suitable for the job under the particular conditions in question. Thus, the catalyst may be in the form of a finely divided powder or in the form of grains 1.6-3.2 mm in size, which are obtained for example by agglomeration, molding or extrusion according to well known techniques. A hydrosol containing crystalline aluminosilicate powder can be allowed to solidify into a hydrogel which is then dried and divided into pieces of the desired size. The gel pieces thus obtained are generally irregular in shape.
Uniform shaped gel pieces can be obtained by extruding or granulating the hydrogel containing the aluminosilicate. The hydrosol can also be introduced into the perforations of a perforated plate and held there until the sol has set into a hydrogel, after which the pieces of hydrogel formed are removed from the plate.
A particularly practical method consists in preparing the catalyst in the form of spherical particles by dispersing the powdered aluminosilicate in a hydrosol and by introducing globules of the hydrosol obtained in a mass of liquid immiscible with water. for example in an oily medium in which the hydrosol globules take in hydrogel and then arrive in a lower layer of water from where they are removed for subsequent processing operations such as base exchange, washing with water, drying and calcination.
The larger spheres are usually between 0.4 and 6.4 mm in diameter while the smaller spheres, generally called microspheres and formed by drying, spraying or other well known techniques, have a diameter of between 20 and 300. microns approximately. It is particularly advantageous to use particles of spheroidal shape in hydrocarbon conversion processes where the catalyst is subjected to continuous movement, such as the moving compact bed process, the fluidized bed process, etc. In the case of the immobile layer, the spheroidal catalyst particles ensure effective contact between the reactants and the catalyst by avoiding pathways.
While the initial formation of a hydrosol which sets in a short time to give a hydrogel in the form of beads is one of the advantageous points in the manufacture of a spheroidal catalyst, it is also possible, particularly when preparing the catalyst in a form other than spheroidal, to use a matrix comprising a gelatinous precipitate of hydrooxide in varying degrees of hydration or a mixture of a hydrogel and a gelatinous precipitated gel. The word gel, used here, designates hydrogels, gela precipitates
tinous and the mixtures of each other. On the other hand, the gangue can be constituted totally or partially by a clay, particularly a clay of the type of montmorillonites or kaolinites, crude or
treated with acid.
Another class of materials that can be used as gan
gues includes powdered metals not subject to oxidation under the reaction conditions. Suitable metal powders include, for example, aluminum and iron alloys such as stainless steel and various other metals characterized by their stability under working conditions. Other clean materials
To serve as gangue in the composition of a catalyst include charcoal, graphite, bauxite and other binders compatible with the crystalline metallic aluminosilicate and thermally stable under the temperature conditions in which the catalyst is used.
As stated above, the crystalline alkali aluminosilicate Y is subjected to base exchange. Among the metals which can be used are manganese, alkaline earth metals such as calcium and magnesium, rare earth metals such as cerium, praseodymium, lanthanum, neodymium, samarium, gadolinium and their mixtures. The base exchange is carried out so as to replace at least 70 0 / o and preferably more than 80l / o of the initial alkali ions by ions of the group already mentioned, and to preferably reduce below 3 o / o the exchangeable alkali metal content of the finished catalyst.
The aluminosilicate in finely divided form, bound as aggregate particles with a suitable binder or gangue, can undergo base exchange before or after intimate mixing with the binder. The base exchange is carried out by treating the product with a solution containing the ions which it is desired to introduce into the aluminosilicate. It is envisaged to use for the exchange of bases any ionizable compound providing ions of hydrogen, ammonium or the metals mentioned above. Usually an aqueous solution of these compounds is used.
A particularly effective base exchange solution is one which contains one or more metals lower than sodium in the electromotive series and ammonium ions, including complex ammonium ions, the ratio of metal ions to ammonium ions being 10: 1 and 1: 100 so as to replace the alkali ion with the metal ions in question and the ammonium ions. merization of terpenes; The alkylation of isoparaffins and the dealkylation of aromatic hydrocarbons.
The cracking of hydrocarbons represents a particularly advantageous application of the catalyst of the aluminosilicate type described here, since the nature of the products can easily be regulated. In this process, the catalyst can be used in the form of grains in a fixed bed operation, or in a moving compact bed or fluidized bed operation.
General working conditions cover a wide range given the wide utility of catalysts. It is generally desirable to carry out these processes at a temperature between approximately 260 and 6500 C and at a pressure varying from a sub-atmospheric level to several hundred atmospheres. In any case, the contact time of the oil with the catalyst is adjusted according to the conditions, the particular raw material and the particular results which are desired, in order to obtain a notable cracking with formation of products with a lower boiling point.
The cracking activity of the catalyst is a measure of its ability to catalyze various hydrocarbon conversions and is expressed herein as the percent conversion of a mid-US gas oil which has a boiling range. from 232-510 C to gasoline which has an end boiling point of 2100 C, when vapors of this gas oil are passed through the catalyst at 468-482O C, at approximately atmospheric pressure, with a flow rate of 0.6-16 volumes of liquid hydrocarbon per volume of catalyst per hour, with times of 10 minutes between regenerations.
It has been found desirable, in order to analyze the results obtained with the catalysts described here, to compare them with the results obtained with a commercial cracking catalyst formed from silica and alumina gel and containing about 10% alumina by weight. The exceptional activity, stability and selectivity of the catalyst prepared by the process according to the invention are highlighted by the comparison of the product yields obtained with this catalyst and the product yields obtained with the usual silica-alumina catalyst, at same level of conversion.
The following examples illustrate the invention.
Example I
Crystalline sodium aluminosilicate type Y can be prepared from the following reagents:
A - Silica solution
1551 cm (1870 g) of colloidal silica containing
0.361 g of SiO2 per cm
B - Sodium aluminate solution
75 g of NaAIOg (41.7% by weight of Al2O3,
30 oxo by weight of Na2O)
330 g of NaOH (77.5% by weight of H2O)
1345 cm3 of H2O
The above solutions are mixed at about 270 ° C. pouring solution B into solution A. The mixture is stirred vigorously for about 1/2 hour. Then the slurry obtained is subjected to a heat treatment at about 93O C for 42 hours. The solid material is then filtered off from the supernatant liquid.
The cake is washed with one volume of water per volume of initial slurry to remove free caustic.
To prepare the catalyst of this example, 10% by weight of the Y zeolite prepared for example as above is dispersed in a matrix of silica-alumina gel containing approximately 94% of silica and 6 oxo of alumina by weight. .
The following reagents are used:
C - Silicate solution
1. 4.74 kg of sodium silicate (28.5% SiO2,
8.9% Na2O, 62.6% H2O by weight)
2.39 kg of water
2.24 kg of water
0.30 kg of sodium aluminosilicate Y
(54.3 0 / o by weight of solids)
Solution 2 is added to solution 1 with vigorous stirring, to obtain a solution which has a density of 1.182 at 160 C.
D - Acid solution
25.90 kg of water
1.92 kg of Al2 (SO4) 3.18H2O
0.90 kg of H2SO4 (at 97 0 / o)
density at 250 C: 1.056
The above solutions are passed through a mixing nozzle at a rate of 394 cm3 / min of solution D for 374 cm3 / min of solution C. The hydrosol obtained has a pH of 8.5; it is introduced in the form of globules in a mass of oil where it sets in hydrogel beads in 2.2 seconds at 170 C.
The hydrogel in beads is subjected to a base exchange with an aqueous solution of 2 oxo by weight of rare earth chloride containing: 0.63 0 / o of cerium chloride, 0.33 331O / o of lanthanum chloride, 0.06% praseodymium chloride, 0.23% neodymium chloride and traces of samarium chloride, gadolinium chloride and other rare earth chlorides. The base exchange is carried out using 12 contacts (9 contacts of 2 hours each and 3 contacts of 20 hours each) with 1/2 volume of solution for 1 volume of hydrogel beads.
The hydrogel which has undergone the exchange to rid it of soluble anions is washed, dried for 24 hours in air at 1320 C, conditioned in air for 10 hours at 5380 C and treated with steam. of water at 1.05 kg / cm2 and 6490 C, for 30 hours and for 60 hours.
The finished catalyst contains 0.21 0 / o by weight of sodium and its content of rare earth oxides is
10.8% by weight. The specific surface area of the product steamed for 30 hours is 195 m2 / g and that of the product steamed for 60 hours is 167 m2 / g.
Table I
Example No 1
Description
Gangue .............. Si / Al (94/6)
Fine particles:
Type .................. Na / Al / Si (13Y)
Concentration ......... 10
Exchange of bases
Solution ................... RECl3.6H2O
Concentration,% by weight .. 2
Composition
Na, wt% .......... 0.21
(TR) 2O2 by weight (.:
.) 10.8
Table I (continued)
Physical properties
Specific surface m2 / g
after steam treatment. . 195 (1) 167 (2)
Catalytic evaluation
Converstion,% by volume ... 63.0 60.8
Relative flow, h-1 ......... 4 4
Diesel 10 RVP, / o by volume 55, 2 53.7
C4 'excess,% by volume ... 10.2 10.8
C5 + gasoline,% by volume. 52.5 51.1
Total C4 ',% by volume .... 12.9 13.3
Dry gas, wt% ....... 6.4 5.1
Coke,% by weight .......... 2.4 2.3
Advantage over usual cracking catalyst (**) (1) (2) 10 RVP,% by volume. . . @ +8.8 +8.5
Excess C4 ,, / o in volume. . . @ 9
C5 + gasoline,% by volume. +8.4 +8.5
Total C4 ',% by volume .... -4.2 -3.2
Dry gas,% by weight .......
-1.8 -2.6
Coke, wt% .......... -2.7 -2.5
Increased yield
in C5 + gasoline. compared
to SiO2 / Al2O1-REHX (** *) +2.2 +2.4
(*) TR = rare earth metals
(**) Commercial silica-alumina catalyst containing
about 99% of SiO2 and 10% of Al2O3 (***) 13X zeolite having undergone a base exchange with
rare earth and ammonium chloride. and con
held in a SiO2-Al2O3 gel matrix
(1) Treated for 30 hours at 649 C and 1.05 kg / cm2 with
100% water vapor
(2) Treated 60 hours at 6490 C and 1.05 kg / cm2 with
100% water vapor.
As can be seen, the data relating to the catalyst of Example 1 is compared with the results obtained using a commercial silica-alumina cracking catalyst at the same conversion, and also with the results of a catalyst comprising 10%. by weight of sodium aluminosilicate of type X dispersed in a gel matrix comprising 94% silica and 66% alumina by weight, the catalyst having undergone base exchange with combined solutions of rare earth chloride and ammonium, to a low residual sodium content.
The data in Table I demonstrate the catalytic advantages of the gangue type Y exchanged aluminosilicate over the comparable type X aluminosilicate, as well as the very significant improvement in activity and selectivity compared to the commercial catalyst. usual silica-alumina.
Examples 2-3
The catalysts of these examples are prepared in the same manner as that of Example 1, except that the base exchange of the beaded hydrogel is carried out with an ammonium chloride solution.
Thus, the exchange of the hydrogel in beads for these two examples is carried out by contact with an aqueous solution containing 1% by weight of ammonium chloride, using 12 contacts of 2 hours each with 1/2 volume of solution per hydrogel volume. The hydrogel is then washed, dried and conditioned as in Example 1. The catalyst of Example 7 is steamed for 30 hours at 1.05 kg / cm2 and 6490 C while the catalyst of Example 8 is treated for 24 hours under the conditions indicated.
Example 4
The catalyst of this example is prepared by subjecting to base exchange 200 g of zeolite Y, which has been prepared for example as mentioned in example 1, with a 5% by weight aqueous ammonium chloride solution. The base exchange is carried out at 820 ° C. using 12 contacts of 2 hours each with 1/2 volume of solution per volume of slurry. The catalyst thus exchanged is washed, dried and conditioned as in Example 1, then treated with steam at atmospheric pressure for 20 hours at 6630 C.
The catalyst thus obtained contains 1.19% sodium and 27.0% alumina by weight and has a specific surface area of 66 m2 / g.
Example 5
The catalyst of this example is prepared for comparison in the same way as for example 2, except that the sodium aluminosilicate is of type X and that it is present in an amount corresponding to 25% by weight. .
A base exchange of the hydrogel beads of this example is carried out with a 2% by weight aqueous solution of ammonium chloride at room temperature, using 8 contacts of 2 hours each with 1/2 volume of solution by volume. of hydrogel beads.
The exchanged hydrogel is then washed to rid it of chloride, dried in air at 1100 C, conditioned in air at 5380 C for 10 hours and treated with water vapor at 1, 05 and 649 C for 24 hours.
The cracking activity of the catalysts of Examples 2-5 was checked as described above, and the results are shown in Table II:
Table II
Examples N s 2 3 4
Description
Gangue .................. Si / Al (94/6) Si / Al (94/6) Si / Al (94/6)
Fine materials
Type ................... Na / Al / Si (13Y) Na / Al / Si (13Y) Na / Al / Si (13Y) Na / Al / Si ( 13X)
Concentration .............. 10 10 100 25
Exchange of bases
Solution .......................
NH4Cl NH4Cl NH4Cl NH4Cl
Concentration,% by weight ....... 1 1 5 2
Table II (continued)
Examples NOS 2 3 4 5 **
Composition
Na, wt% .............. 0.27 0.3 1.19 1.09
Al2O3, wt% ........... 8.1 27.0 13.6
Physical properties
Apparent specific weight g / cm2. . . @ 0.86 0.82 0.66 0.81
specific surface,
m2 / g after steam treatment. . 137 136 66
Catalytic evaluation
Conversion,% in volume ....... 43.2 60.3 51.3 43.3 61.9 53.2 30.0
Relative flow, h- ............. 4 2 3 4 2 4 4
10 RVP diesel. % by volume @ 38.3 49.4 43.7 37.9 50.7 47.2 27.5
Excess C4, / o in volume. . . @ 7.6 12.7 10.5 7.5 13.1 9.3 4.2
C5 + gasoline,% by volume 36.3 47.1 41.7 36.0 48.5 44.7 25.8
Total C4, / o in volume ......
9.6 14.9 12.4 9.4 15.4 11.8 5.8
Dry gas,% by weight .......... 4.5 7.4 5.7 4.4 7.4 5.2 3.1 Coke, 0 / o - by weight 0.9 1, 7 1.1 1.26 2.0 0.99 1.0
Advantage over usual cracking catalyst (*) 10 RVP, e / o by volume +2.5 +4, 3 +3.4 +2.1 +4.9 +59
C4 excess,% by volume ......... -0.9 -1.1 -0.5 -1.1 -1.4 -2.2
C5 + gasoline, 0 / o by volume +2.8 +4.3 +3.7 +2.5 +4.9 +5.7
Total C4. % by volume ......... -1.4 -1.1 -0.9 -1.6 -1.2 -2.0
Dry gas,% by weight .......... -0.4 -0.4 -0.5 -0.6 -0.6 -1.3
Coke,% by weight ..............
-1.0 -3.0 -2.2 -0.7 -2.8 -2.4
(*) commercial catalyst formed from silica-alumina cogel containing approximately 9O0 / o SiQ2 and 10 0 / o M200
(**) for comparison
The catalytic data in the table above show that the Y aluminosilicates are active cracking catalysts which have better selectivity than the usual silica-alumina catalyst. In order to make a direct comparison between the catalysts of Examples 2 and 3 and the rare earth catalyst of Example 1, the former should be operated under conversion conditions at a relative flow rate of 2 h-1. At this flow rate, the activities of the catalysts of Examples 2 and 3 are respectively brought to 60.3 and 61.9% conversion by volume.
These acid catalysts exhibit good selectivity at this level of conversion, the selectivity being improved to the detriment of coke and dry gas, with a low loss on the total C4.
The data in Table II further show that the catalyst of Example 2, containing 10 0 / o by weight of sodium aluminosilicate Y, approaches the activity of the pure material, which is the catalyst of Example 4, even though it has been steamed much harsher. These data show that when a Y-type aluminosilicate is incorporated into a silica-alumina matrix and then a base exchange is carried out with an ammonium chloride solution, the stability of the aluminosilicate is increased. Although the reason for this unexpected increase is not known with certainty, it appears to be due to the synergy between the type Y aluminosilicate acid and the matrix that contains it.
It can also be seen from the data in Table II that the comparative catalyst of Example 5 prepared from type X aluminosilicate is much less
active than the catalyst of example 2 which contains a smaller amount of the aluminosilicate, but of type Y.
The following examples serve to demonstrate that hydrated alumina and hydrated clay can be used.
as gangue to prepare catalysts diluted with
type Y rare earth aluminosilicate, exhibiting exceptional catalytic properties.
Example 6
The crystalline sodium aluminosilicate Y mentioned in Example 1 is used. 230 g of this product are subjected to base exchange with a combined aqueous solution containing 5 / o by weight of LaCl3.6H2O and 20 / o by weight. of NH4C1 for 48 hours continuously, using the equivalent of 24 changes of
2 hours, with one volume of solution per volume of slurry. The exchanged material is washed to free it from soluble anions and dried.
30 g of the powder, dried are mixed with 90 g of hydrated alumina containing 66.5% solids to
5380 C. Mixing is carried out in a mixer by adding 150 cm3 of water to dilute the mixture into a homogeneous mass. The mixture was dried in air at 110 C for 24 hours, then granulated and sieved into particles of 4.8 X 2 mm. The particles were calcined for 10 hours at 5380 C and then steam treated for 24 hours at 6490 C and 1.05 kg / cm2.
The catalyst obtained contains 0.3% by weight of sodium, 4.25% by weight of La2O3 and has a specific surface area of 172 m2 / g after treatment with steam.
Example 7
The catalyst is prepared as in Example 6, except that the base exchange solution contains 5% by weight of rare earth metal chloride (TRCl3.
6H2O) and 20 / o by weight of ammonium chloride and that a hydrated clay is used as diluent matrix.
In this example, 22 g of the exchanged and dried material are mixed with 76 g of crude clay (88% solids) at 5380 C. The dry mixed product is then granulated, calcined and steamed as in. the previous example.
The finished catalyst contains 0.44% by weight sodium, 4.0% by weight rare earth oxide and has a specific surface area of 105 m2 / g after steam treatment.
The characteristics and the results obtained in testing the catalysts of Examples 6 and 7 with regard to their cracking activity are shown in Table III:
Table 111
Examples NOS 6 7
Description
75 .0 / o alumina 75 0 / o clay
Gangue ............ hydrated hydrated
Fine materials
Type LaHY TRHY
Concentration 25 25
Composition
Na, wt% ..... 0.3 0.44
(TR) 2O3, / o by weight. 4.25 4.0
Physical properties
Specific surface
after treatment
steam, m2 / g. . . . 172 105
Catalytic evaluation
Conversion,
% by volume ..... 64.5 77.2 66.8 Relative flow, h-1. . .
@ 4 4 8
Diesel, 10 RVP,
e / o in volume 59.2 60.6 65.1
C4 excess,% by volume 8.9 16.2 11.8
C5 + gasoline,
'/ o by volume .... .. 55.9 58.1 55.1
Total C4,% by volume 12.2 18.8 14.8
Dry gas,% by weight. 5.6 10.1 6.3
Coke,% by weight. . . @ 2.0 4.4 2,
Advantage over the usual cracking catalyst (*)
10 RVP,% by volume. +12.2 +8.6 +10.1
C4 excess, / o in volume - 6.5 -5.4 - 4.7
Table 111 (continued)
Examples NOS 6 7
C5 + gasoline.
% in volume. .. +11.1 +7.7 +9.1
Total C4, 1 / o by volume. - 5.4 -4.4 - 3.7
Dry gas,% by weight. - 2.9 -0.9 - 2.6
Coke,% by weight. . . . - 3.4 6-3, - 3.2
Yield advantage
in petrol C5 +
compared
to SiO2 / Al203-REHK (**) +5.1 - +3.2
(*) Commercial silica-alumina catalyst containing
about 90% SiO2 and 10% Al2O3
(**) 13X zeolite having undergone a base exchange with
rare earth and ammonium chlorides and
contained in a SiO2-Al203 gel matrix.
Example 8
This example demonstrates that a catalyst exhibiting good activity and selectivity can be prepared by using a rare earth aluminosilicate Y which has undergone a pre-exchange, together with additional pulverized material to increase diffusibility. The fines consist of 5% by weight of rare earth aluminosilicate Y and 24% by weight of clay which has an average particle diameter of 4-5 microns. The resulting beaded hydrogel is subjected to base exchange, washed, dried, conditioned and steamed.
The finished catalyst contained 0.18% by weight sodium, 0.950% by weight rare earth oxide and 16.60% by weight alumina. The specific surface area of the composition after steam treatment is 126 m2 / g.
Table IV shows the results given by the cracking activity test of the catalyst of this example:
Table IV
Example NO 8
Description
Gangue ......... Si / Al (94% SiO2-6% Al2O3)
Fine materials
Type ........... 5% REY + 24% clay
Concentration
Exchange of bases
NH4C1 solution
Concentration,
% by weight 1
Contacts. 1-24 hours continuous at
room temperature, equi
equal to 12 changes of
2 hours
Composition
Na,% by weight. . . . 0.18
(TR) 2O5, / o by weight. 0.95
A1205, / o by weight .. 16.6
Table IV (continued)
Example NO 8
Physical properties
Specific weight
apparent, g / cm3. . . . 0.78
Specific surface
after treatment
steam, m2 / g. . .
126
Catalytic evaluation
Conversion,
% by volume ..... 51.6
Relative flow, h-1 ... 4
10 RVP diesel,
0 / o by volume 46.4
C4 excess,
% by volume ..... 7.0
C5 + gasoline,
0 / o in volume 43.6
Total C4,% by volume 9.9
Dry gas,% by weight. 50.0
Coke,% by weight ... 1.2
Advantage over usual cracking catalyst (;)
10 RVP, / o in volume +5.9
C4 excess,
% by volume ..... -4.0
C5 + gasoline,
% by volume ..... +5.4
Total C4,% By volume -3.4
Dry gas,% by weight. -1.2
Coke, 0% by weight. . . -1.9
(:) Commercial silica-alumina catalyst containing
about 90% SiO2 and 10% Al2O3.
Example 9
This example demonstrates the use of a powdered metal as gangue for the above catalysts.
One starts with a Y zeolite as in Example 1 and is subjected to base exchange with an aqueous solution containing 2% by weight of ammonium chloride and 5% by weight of mixed earth chlorides. rare products with the following composition: 1.57% cerium chloride, 0.83% lanthanum chloride, 0.17% praseodymium chloride, 0.58% neodymium chloride and traces of samarium chloride, gadolinium chloride and other rare earth chlorides. The base exchange was carried out continuously for 48 hours at 820 ° C. using the equivalent of 24 2 hour changes with 1 volume of solution per volume of slurry.
The exchanged material is then washed to free it from chloride, it is dried for 24 hours at 1100 C, it is conditioned at 5380 C for 10 hours in air and finally it is brought into contact with 100% water vapor at the atmospheric pressure and at 6630 C for 20 hours. The residual sodium content of the exchanged material is 1.32% by weight. The exchanged aluminosilicate is mixed with aluminum powder, in an amount of 50 g of the aluminosilicate and 150 g of metallic aluminum powder, in a ball mill for 4 hours. The mixture is then granulated, sieved into 4.8 X 2 mm particles, conditioned for 10 hours at 5380 C in air and finally steamed for 24 hours at 649 C and 1.05. kg / cm2.
The catalyst obtained contains 0.09% by weight of sodium and 2.76% by weight of rare earth oxides. The specific surface of the composition after steam treatment is 76 m2 / g.
Table V shows the results obtained by checking the cracking activity of the catalyst of this example.
Table V
Example NO 9
Description
Gangue ............... metallic aluminum
in powder
Fine materials
Type REHY
Concentration ........ 25%
Composition
Na, 0% by weight. . . . 0.09
(TR) 2O3,% by weight. . 2.76
Physical properties
Apparent specific weight,
g / cm3 0.76
Specific surface after milking
steamed, m2 / g. . 76
Catalytic evaluation
Conversion,% by volume. 71.9
Relative flow, h-1 ...... 4
Diesel 10 RVP,% by volume 64.3
Excess C4, / e in volume. . 12.0
C5 + gasoline,% by volume. 61.1
Total C4,% by volume. . . @ 15.3
Dry gas, / o by weight. . . 5.9
Coke, wt% ...... 2.6
H2, wt% ........ 0.02
Advantage over usual cracking catalyst (:
)
10RVP, io / o in volume @ +14.2
Excess C4, 0 / o by volume. . - 6.9
C5 + gasoline, 0 / o by volume + + 12.8
Total C4, 10 / o by volume. . . 5 5.5
Dry gas, wt% ..... -3.9
Coke, wt% ......... -4.2
(*) Commercial catalyst containing approximately 90%
SiO2 and lO0 / o Al2O3.
It can be seen from the above data that the catalyst obtained, containing 25% by weight of rare earth aluminosilicate and of hydrogen, has superior catalytic properties. The catalytic data summarized in Table V show that this catalyst is extremely selective and gives an advantage of about 12.8% by volume of C5 + gasoline over the usual silica-alumina catalyst.
Example 10
To prepare the catalyst of this example, sodium aluminosilicate Y was continuously base exchanged with a combined solution comprising 5 wt% CaCl2 and 2 wt% NH4Cl at 820 C for 72 hours, using total solution equivalent to 36 changes of 2 hours with 1 volume of solution per volume of slurry.
The exchanged product was washed, dried, conditioned and steamed for 24 hours at 6490 C and 1.05 kg / cm2.
The composition, properties and results of the cracking activity test are shown in the table
VI.
Table VI
Example NO 10
Description ........ aluminosilicate
sodium
Type .............. Na / Al / Si (13Y)
Concentration 100
Exchange of bases
Solution ................. CaCl2 + NH4Cl
Concentration,% by weight. 5 2
Contacts ................. 3 X 24 hours continuous,
equivalent to 36 changes
2 hours
Composition Na, 0 / o by weight 0.82
Ca,% by weight. . . . 6.8
Physical properties
Specific surface after
steam treatment, m2 / g 187
Catalytic evaluation
Conversion,% by volume. 61.8
Relative flow, h-1 ....... 10
10 RVP diesel,
% by volume .............. 57.0
Excess C4, 0 / o by volume. . 9.5
C5 + gasoline,% by volume 54.0
Total C4,% by volume. . 12.5
Dry gas,% by weight. . . 4.8
Coke, wt% ........
1.5
Advantage over usual cracking catalyst (*)
10 RVP,% by volume ... +11.2
C4 excess, 0 / o in volume ... - 4.8
C5 + gasoline,% by volume +10.4
Total C4,% by volume ... -4.1
Dry gas, wt% ..... -3.2
Coke, wt% ....... -3.3
Yield advantage
in petrol C5 +
on REHX (**) ...... + 2,4
(*) Commercial catalyst containing approximately 90 0 / o
SiO2 and 10% A1203
(**) 13X zeolite having undergone a base exchange with
a solution of rare earth chlorides and ammonium.
The following example serves to illustrate that an effective catalyst can be prepared by subjecting sodium aluminosilicate Y to base exchange with a solution containing manganese and ammonium cations.
Example 11
The catalyst is prepared by subjecting to a continuous base exchange 300 g of sodium Y aluminosilicate with an aqueous solution containing 2% by weight of manganese chloride and 10% by weight of sodium chloride. ammonium. Base exchange is equivalent to 36 contacts of 2 hours with 1 volume of solution per volume of slurry. The product is then washed with water to remove the chloride ions, dried for 20 hours in air at 1320 C and steamed for 24 hours at 6490 C and 1.05 kg / cm2.
The catalysts thus obtained have a sodium content of 1.4% by weight and a specific surface area after steam treatment of 52 m2 / g.
Table VII shows the results given by the cracking activity test of this catalyst.
Table VII
Example N 11
Description .............. aluminosilicate
sodium type Y
Exchange of bases
Solution ............... MnCl2 + NH4Cl
Concentration,% by weight. 2 1
Contacts ............... equivalent
to 36 changes
of 2 hours Composition
N / A. % by weight ......... 1.4
Physical properties
Specific surface after
steam treatment, m2 / g. . 52
Catalytic evaluation
Conversion,% by volume ...
Example 12
230 g of zeolite Y, prepared for example as described in Example 1, were subjected to a base exchange with an aqueous solution containing 50% by weight of a mixture of rare earth chloride having the following composition: 1 , 57% cerium chloride, 0.83 <? / O lanthanum chloride, 0.17% praseodymium chloride, 0.580 / o neodymium chloride and traces of samarium chloride, gadolinium chloride and other rare earth metal chlorides.
The base exchange was carried out continuously for 72 hours at 820 ° C using the equivalent of 36 2 hour changes with one volume of solution per volume of suspension. Then, the base exchanged material was washed until it was free from chloride, dried for 24 hours at 110o C, calcined at 5380 C for 10 hours in air and it was finally contacted with 100% steam at atmospheric pressure for 20 hours at 663 C.
The catalyst thus obtained has a sodium content of 0.820% by weight and a rare earth metal oxide content of 17.2% by weight and a specific surface area of 512 m2 / g.
Example 13
230 g of zeolite Y, prepared for example as described in example 1, were subjected to a base exchange with an aqueous solution containing 5 oxo by weight of the chlorides of rare earth metals having the composition indicated in the example. 12 and 2% by weight of ammonium chloride. The base exchange was carried out continuously for 48 hours at 820 ° C using the equivalent of 24 2 hour changes with one volume of solution per volume of suspension.
The base exchanged material was then washed with water, dried, calcined and steamed as in the previous example.
The catalyst thus obtained has a sodium content of 0.99% by weight and a rare earth metal oxide content of 17.7% by weight and a specific surface area of 472 m2 / g.
To compare the above catalysts, based on type Y zeolite, with catalysts prepared from type X zeolite, the following examples were carried out:
Example 14 (comparative)
A crystalline sodium aluminosilicate type X was prepared by mixing the following solutions:
A. Sodium silicate solution
77.5 kg of sodium silicate containing 8.8% by
weight of Na2O, 28.5% by weight of SiO2
and 62.7% by weight of H2O
11.0 kg of sodium hydroxide
143.0 kg of water.
B. Sodium aluminate solution
25.6 kg of sodium aluminate
11.0 kg of sodium hydroxide
195.0 kg of water.
Solution B, having a specific gravity of 1.140 at 20.00 C, was added to solution A, having a density of 1.172 at 200 C, with vigorous stirring until a creamy suspension was obtained. This suspension was heated for 12 hours at 960 ° C., then filtered.
The cake was washed with water until the water in equilibrium with the washed solid had a pH of 11. Then, the washed cake was dried in air at a temperature of 1380 ° C.
680 g of zeolite X, prepared as described above, were subjected to base exchange with an aqueous solution containing 5 0 / o by weight of a mixture of rare earth metal chloride, by proceeding as described in example 12.
The catalyst thus obtained has a sodium content of 0.530% by weight, a rare earth metal oxide content of 28.910% by weight and a specific surface area of 423 m2 / g.
Example 15 (comparative)
680 g of zeolite X, prepared as in Example 14, was subjected to base exchange with an aqueous solution of rare earth metal chloride and ammonium chloride as in Example 13.
The catalyst thus obtained has a sodium content of 0.26% by weight, a rare earth metal oxide content of 26% by weight and a specific surface area of 497 m2 / g.
The catalysts of Examples 12 to 15 were evaluated for their catalytic activity for cracking by charging a gas oil, as described above, at a temperature of 4820 C and at atmospheric pressure, using a flow rate of 16 volumes of liquid oil per hour and per volume of catalyst.
The results of these tests are given in Table VIII below:
Table VIII
Example NO 12 13 14 15
Description Sodium aluminosilicate
Type ................... Na / Al / Si (13Y) Na / Al / Si (13Y) Na / Al / Si (13Y) Na / Al / Si ( 13Y)
Concentration 100 100 100 100
Exchange of bases
TRCl8 solution. 6:00 AM TRCl8. 6H20 + NH4Cl TRCl3. 6H2O TRCl3. 6H2O + NH4Cl
Concentration, e / o by weight. . 5 5 2 5 5 2 Coznposition
Na,% by weight ........... 0.82 0.99 0.53 0.26
(TR) 2O3, wt% ..... 17.2 17.7 28.9 26
Table VIII (continued)
Example NO 12 13 14 * 15 *
Description Sodium aluminosilicate
Physical properties
Specific surface
after steam treatment,
m2 / g (1) ............... 512 472 423 497
Catalytic evaluation
Conversion,% by volume. .
61.7 68 59.1 59
Relative flow, h-1 ........ 16 16 16 16
Gasoline 10 RVP,% by volume 53.7 57.4 49.6 47.8
Excess of C4,% by volume. 10.6 13.4 10.5 12.5
C5 + gasoline,% by volume @ 51.0 54.8 47.4 45.8
Total C4, 1 / o by volume. . . @ 13.3 16.0 12.8 14.5
Dry gas, wt% ...... 6.5 7.3 6.4 6.8
Coke, / o by weight ....... 2.5 2.8 3.6 3.5
Advantage over usual cracking catalyst (2)
10 RVP,% by volume ..... +8.0 +8.8 +5.2 +3.4
Excess C4, O / o in volume. . . 9-3, 6-3, 0-1, 0
C5 + gasoline,% by volume. +7.5 +8.2 +5.2 +3.8
Total C4,% by volume. . . -3.3 -3.0 -2.8 -1.1
Dry gas, wt% ......
-1.5 -1.9 -1.1 -0.7
Coke,% by weight ........ -2.3 -3.2 -0.9 -0.9 (1) Catalyst steamed for 20 hours at 6630 C with steam at 1000 / o at atmospheric pressure.
(2) Silica-alumina cogel catalyst containing approximately 90% SiO2 and 10% Al2O3.
* for comparison
The results collated in the table above show that the catalysts of Examples 12 and 13, based on aluminosilicate of type Y, are more active and more selective than the catalysts of Examples 14 and 15, prepared under comparable conditions but at from type X aluminosilicate.
In particular, the results presented in Table VIII show that the catalyst of Example 12 is more active and much more selective than the catalyst of Example 14. It is also interesting to note that the catalyst of Example 14, subjected to an exchange essentially in the same manner as that of Example 12, retained 28.90 / o by weight of rare earth metal oxides, while the catalyst of Example 12 retained only 17.2 10% by weight, showing the differences between Y-type and X-type zeolites in exchangeability.
Example 13 demonstrates the improvement in properties. catalytic which results from the combined exchange with rare earth metals and ammonium versus exchange with rare earth metals alone, as well as the catalytic improvement of the Y-type aluminosilicate, subjected to the rare earths / ammonium exchange relative to the aluminosilicate of type X, subjected to a corresponding exchange, of Example 15. Thus, as is clear from a comparison between the results of Examples 13 and 15, the catalyst of Example 13 is much more active and selective than that of Example 15.
CLAIMS
I. Process for preparing a catalyst, characterized in that a crystalline alkali metal aluminosilicate, in which the silica / alumina molecular ratio is greater than 3, is brought into contact with a solution containing ions of a metal. lower than sodium in the electromotive series, calcium ions and / or organic nitrogen ions, so as to replace at least 70iO / o of the alkali metal initially contained in the aluminosilicate.