FR3137311A1 - Process for treating a catalyst comprising a zeolite - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur comprenant au moins une zéolithe de type aluminosilicate de la famille ZSM-5, un liant comprenant de l’oxyde de silicium et/ou de l’oxyde d’aluminium, ledit traitement comprenant : - (i) un mélange de la zéolithe sous forme de poudre, du liant et/ou du précurseur du liant, et éventuellement de l’additif, puis- (ii) une mise en forme dudit mélange en particules de catalyseur, caractérisé en ce que ledit traitement comprend aussi - (iii) un vapotraitement, ledit vapotraitement opérant - soit sur le catalyseur sous forme de particules, - soit sur la zéolithe sous forme de poudre avant mélange (i),ledit vapotraitement comprenant la mise en contact desdites particules de catalyseur ou de ladite poudre de zéolithe avec un flux de gaz de vapotraitement comprenant de la vapeur d’eau, à une température d’au moins 400°C et une pression d’au moins 106 Pa. The present invention relates to a process for preparing a catalyst comprising at least one aluminosilicate type zeolite of the ZSM-5 family, a binder comprising silicon oxide and/or aluminum oxide, said treatment comprising : - (i) a mixture of the zeolite in powder form, the binder and/or the precursor of the binder, and optionally the additive, then - (ii) shaping said mixture into catalyst particles, characterized in which said treatment also includes - (iii) a steam treatment, said steam treatment operating - either on the catalyst in the form of particles, - or on the zeolite in powder form before mixing (i), said steam treatment comprising bringing said particles into contact of catalyst or said zeolite powder with a flow of steam treatment gas comprising water vapor, at a temperature of at least 400°C and a pressure of at least 106 Pa.
Description
La présente invention se rapporte à un nouveau procédé de traitement d’un matériau comprenant une zéolithe de type ZSM-5. Ce matériau trouve avantageusement des applications en tant que catalyseur, en tant que support de catalyseur, mais aussi en tant qu’adsorbant ou agent de séparation. L’invention s’intéressera plus particulièrement à une application de ce matériau en tant que catalyseur.The present invention relates to a new method for treating a material comprising a ZSM-5 type zeolite. This material advantageously finds applications as a catalyst, as a catalyst support, but also as an adsorbent or separation agent. The invention will focus more particularly on an application of this material as a catalyst.
Les matériaux microporeux cristallisés, tels que les zéolithes, sont des solides très utilisés dans l'industrie pétrolière en tant que catalyseur, notamment pour la catalyse hétérogène d’isomérisation, de craquage ou d’alkylation d’hydrocarbures, ou pour la conversion d’oléfines, de l’éthylène en propylène par exemple. Mais ce type de matériau peut aussi être utilisé en tant que support de catalyseur : en y ajoutant un élément actif, comme le cuivre par exemple, on obtient un catalyseur d’oxydation, notamment de l’éthanol en acétaldéhyde, le cuivre pouvant être combiné à d’autres éléments comme le chrome. Ce type de matériau peut également permettre de convertir des alcools en essence.Crystallized microporous materials, such as zeolites, are solids widely used in the oil industry as catalysts, particularly for heterogeneous catalysis of isomerization, cracking or alkylation of hydrocarbons, or for the conversion of olefins, from ethylene to propylene for example. But this type of material can also be used as a catalyst support: by adding an active element, such as copper for example, an oxidation catalyst is obtained, in particular of ethanol to acetaldehyde, copper can be combined with other elements such as chromium. This type of material can also be used to convert alcohols into gasoline.
Pour les réactions catalytiques d’oligomérisation-craquage à haute température en l’absence hydrogène, la zéolithe ZSM-5 (de type structural MFI) est une des phases actives les plus étudiées car elle présente de multiples avantages. Le confinement des réactifs et produits dans le réseau microporeux à pores moyens de la ZSM-5 (ouvertures à 10 atomes tétraédriques) est propice aux réactions désirées tout en assurant la diffusion des produits vers l’extérieur des pores. Le rapport Si/Al qui dicte la quantité de sites acides est modulable par le protocole de synthèse de la zéolithe sur une large gamme (de 15 à 400 mol./mol.). Cette zéolithe à ouverture de pore moyenne et au réseau poreux tridimensionnel est beaucoup moins sensible au cokage que des zéolithes plus ouvertes (par exemple les zéolithes Y et Beta de type structural FAU et BEA respectivement) ou des zéolithes fermées monodimensionnelles (par exemple la ZSM-22 de type structural TON). La synthèse de la zéolithe présente également un coût modéré acceptable pour une application industrielle. L'industrie du raffinage et de la pétrochimie est toujours à la recherche de catalyseurs zéolithiques qui présentent des propriétés améliorées, notamment vis-à-vis la conversion d'espèces hydrocarbonées selon l’application (rendement et/ou sélectivité des réactions catalysées), et/ou vis-à-vis de leur stabilité au cours du temps, de leur résistance mécanique etc...Il est connu du brevet US-4,663,492 un catalyseur à base de zéolithe ZSM-5 dans le cadre d’un procédé de conversion de méthanol en essence, ce catalyseur étant au préalable traité à la vapeur à pression atmosphérique pour en augmenter l’activité vis-à-vis de cette conversion, ce traitement étant suivi ou précédé d’une calcination.For high-temperature catalytic oligomerization-cracking reactions in the absence of hydrogen, ZSM-5 zeolite (MFI structural type) is one of the most studied active phases because it has multiple advantages. The confinement of reactants and products in the medium-pore microporous network of ZSM-5 (10-atom tetrahedral openings) is conducive to the desired reactions while ensuring the diffusion of products to the outside of the pores. The Si/Al ratio that dictates the quantity of acid sites can be modulated by the zeolite synthesis protocol over a wide range (from 15 to 400 mol./mol.). This medium-pore-opening zeolite with a three-dimensional porous network is much less sensitive to coking than more open zeolites (e.g., Y and Beta zeolites of structural type FAU and BEA respectively) or one-dimensional closed zeolites (e.g., ZSM-22 of structural type TON). The synthesis of the zeolite also presents a moderate cost acceptable for industrial application. The refining and petrochemical industry is always looking for zeolite catalysts that have improved properties, particularly with regard to the conversion of hydrocarbon species depending on the application (yield and/or selectivity of the catalyzed reactions), and/or with regard to their stability over time, their mechanical resistance, etc. Patent US-4,663,492 discloses a catalyst based on ZSM-5 zeolite in the context of a process for converting methanol into gasoline, this catalyst being previously treated with steam at atmospheric pressure to increase its activity with regard to this conversion, this treatment being followed or preceded by calcination.
Il est également connu du brevet US-8,759,598 un catalyseur à base de zéolithe, notamment de type zéolithique CHA, dans le cadre d’un procédé de conversion d’éthylène en propylène. Il est préconisé dans ce document de diminuer le nombre des sites acides de la zéolithe se trouvant spécifiquement en surface du matériau. Pour ce faire, il propose plusieurs méthodes, dont une silylation de surface, un traitement à la vapeur ou encore un traitement avec un acide dicarboxylique.Also known from US patent No. 8,759,598 is a zeolite-based catalyst, in particular of the CHA zeolite type, in the context of a process for converting ethylene into propylene. This document recommends reducing the number of acid sites of the zeolite found specifically on the surface of the material. To do this, it proposes several methods, including surface silylation, steam treatment or treatment with a dicarboxylic acid.
Il est par ailleurs connu du brevet EP-3 428 249 un procédé de conversion d’éthylène issu d’une coupe provenant du fractionnement d’un effluent d’une unité de craquage catalytique en propylène, aromatiques et autres produits d’intérêt : ce procédé de conversion s’opère dans une unité de conversion utilisant un catalyseur à base de zéolithe travaillant à une température comprise entre 500 et 650°C et sous une pression partielle d’oléfines comprise entre 1 et 2 bars. Ce catalyseur comprend par exemple une zéolithe ZSM-5 dans une matrice de type silice. L’invention a alors pour but d’améliorer les performances de catalyseurs comprenant une zéolithe de type ZSM-5, en visant plus particulièrement la conversion d’éthylène ou d’éthanol en propylène, autres oléfines courtes et autres produits d’intérêt, et ceci sans remettre en question ou sans trop complexifier leur mode de préparation.Patent EP-3 428 249 also discloses a process for converting ethylene from a cut originating from the fractionation of an effluent from a catalytic cracking unit into propylene, aromatics and other products of interest: this conversion process is carried out in a conversion unit using a zeolite-based catalyst operating at a temperature of between 500 and 650°C and under a partial olefin pressure of between 1 and 2 bars. This catalyst comprises, for example, a ZSM-5 zeolite in a silica-type matrix. The invention then aims to improve the performance of catalysts comprising a ZSM-5 type zeolite, more particularly targeting the conversion of ethylene or ethanol into propylene, other short olefins and other products of interest, and this without calling into question or overly complicating their method of preparation.
Dans le cadre de la présente invention, les oléfines produites peuvent être utilisées pour toutes les applications utilisant des oléfines courtes : des monomères ou polymères (Polyéthylène, Polypropylène, Polyesters) pour les plastiques après séparation de chaque, ou bien, seules ou en mélange, des charges pour des procédés pouvant produire du carburant (carburant pour aviation, dit « jet », essence, distillat).In the context of the present invention, the olefins produced can be used for all applications using short olefins: monomers or polymers (Polyethylene, Polypropylene, Polyesters) for plastics after separation of each, or, alone or in a mixture, charges for processes capable of producing fuel (aviation fuel, known as "jet", gasoline, distillate).
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de préparation d’un catalyseur comprenant au moins une zéolithe de type aluminosilicate de la famille ZSM-5, un liant comprenant de l’oxyde de silicium et/ou de l’oxyde d’aluminium, et éventuellement au moins un additif, ledit procédé comprenant : - (i) un mélange de la zéolithe sous forme de poudre, du liant et/ou d’un précurseur du liant, puis - (ii) une mise en forme dudit mélange en particules de catalyseur. Ledit procédé comprend aussi (iii) un vapotraitement, ledit vapotraitement opérant
- soit sur le catalyseur sous forme de particules, (après mise en forme (ii) donc)
- soit sur la zéolithe sous forme de poudre avant le mélange (i),
ledit (iii) vapotraitement comprenant une mise en contact desdites particules de catalyseur ou de ladite poudre de zéolithe avec un flux de gaz de vapotraitement comprenant de la vapeur d’eau, à une température d’au moins 400°C et une pression d’au moins 106Pa.The invention firstly relates to a process for preparing a catalyst comprising at least one aluminosilicate zeolite of the ZSM-5 family, a binder comprising silicon oxide and/or aluminium oxide, and optionally at least one additive, said process comprising: - (i) a mixture of the zeolite in powder form, the binder and/or a precursor of the binder, then - (ii) shaping said mixture into catalyst particles. Said process also comprises (iii) a steam treatment, said steam treatment operating
- either on the catalyst in the form of particles, (after shaping (ii) therefore)
- either on the zeolite in powder form before mixing (i),
said (iii) steam treatment comprising bringing said catalyst particles or said zeolite powder into contact with a steam treatment gas flow comprising water vapor, at a temperature of at least 400°C and a pressure of at least 10 6 Pa.
On comprend par « silice » ou « oxyde de silicium » dans le cadre de la présente invention aussi un oxyde de silicium éventuellement sous forme hydratée. Cela peut notamment être le cas quand le vapotraitement est opéré sur le solide mis sous forme de particules, par exemple par malaxage-extrusion dans le cas d’extrudés, et juste séché après la mise en forme. De même, on comprend par « alumine » ou « oxyde d’aluminium » dans le cadre de la présente invention aussi un oxyde d’aluminium éventuellement sous forme hydratée.In the context of the present invention, the term “silica” or “silicon oxide” also means silicon oxide, optionally in hydrated form. This may be the case in particular when the steam treatment is carried out on the solid in the form of particles, for example by kneading-extrusion in the case of extrudates, and just dried after shaping. Similarly, in the context of the present invention, the term “alumina” or “aluminum oxide” also means aluminum oxide, optionally in hydrated form.
Qu’il s’agisse de particules (mises en forme) de catalyseur ou de la poudre de zéolithe, elles peuvent se trouver disposées en lit d’une épaisseur donnée, que le gaz de vapotraitement va être conduit à traverser.Whether they are (shaped) catalyst particles or zeolite powder, they can be arranged in a bed of a given thickness, which the vapor treatment gas will be led to cross.
Les « particules » de catalyseur peuvent se présenter sous différentes formes selon la mise en forme choisie : il peut s’agir de grains, de billes, d’extrudés, de formes diverses et plus ou moins régulières. Le terme « particules » dans le cadre de l’invention englobe de façon générique toutes les formes possibles connues de façon conventionnelle pour ce type de catalyseur.The catalyst “particles” may be in different forms depending on the chosen shaping: they may be grains, beads, extrudates, of various and more or less regular shapes. The term “particles” in the context of the invention generically encompasses all possible forms conventionally known for this type of catalyst.
Le terme de « poudre » relatif à la zéolithe est à comprendre dans son acception habituelle, cette poudre présente par exemple une granulométrie entre 2 et 100 µm.The term “powder” relating to zeolite should be understood in its usual sense; this powder has, for example, a particle size between 2 and 100 µm.
Le terme de « précurseur » de liant est bien connu dans le domaine des catalyseurs, il désigne le composé qui, une fois mélangé et traité, notamment thermiquement, deviendra le liant. Dans le cadre de l’invention, le liant est donc un oxyde de silicium et/ou d’aluminium, qui peut être mélangé tel quel avec la zéolithe, ou qui peut être introduit sous forme d’un composé par exemple organique qui sera transformé en oxyde dans le catalyseur final.The term “precursor” of a binder is well known in the field of catalysts; it designates the compound which, once mixed and treated, in particular thermally, will become the binder. In the context of the invention, the binder is therefore a silicon and/or aluminum oxide, which can be mixed as is with the zeolite, or which can be introduced in the form of a compound, for example organic, which will be transformed into oxide in the final catalyst.
Le terme « lit » se comprend dans son acception conventionnelle dans le domaine des catalyseurs (lit catalytique) : c’est une disposition en couche(s) des particules de catalyseur, supportée(s) par des moyens mécaniques conventionnels (grilles métalliques …) autorisant le passage d’un flux gazeux ou liquide au travers de son épaisseur. On considère donc ici un lit de type lit fixe, où les particules ne sont pas en mouvement, pas brassées dans le milieu réactionnel défini par le réacteur concerné.The term "bed" is understood in its conventional sense in the field of catalysts (catalytic bed): it is an arrangement in layer(s) of catalyst particles, supported by conventional mechanical means (metal grids, etc.) allowing the passage of a gaseous or liquid flow through its thickness. We are therefore considering here a fixed bed type bed, where the particles are not in motion, not stirred in the reaction medium defined by the reactor concerned.
Il est à noter que le procédé de préparation de l’invention peut prévoir d’autres étapes, avant la première étape (i) ou après la dernière (ii) ou (iii) ou entre deux étapes. Ainsi, entre le mélange (i) et la mise en forme (ii), peuvent être intercalées une ou plusieurs étapes, par exemple un traitement par une solution basique (solution ammoniacale) et/ou un traitement par une solution acide. Le mélange peut être également réalisé avec ajout d’un acide, comme l’acide nitrique.It should be noted that the preparation process of the invention may provide for other steps, before the first step (i) or after the last (ii) or (iii) or between two steps. Thus, between the mixing (i) and the shaping (ii), one or more steps may be intercalated, for example a treatment with a basic solution (ammonia solution) and/or a treatment with an acid solution. The mixing may also be carried out with the addition of an acid, such as nitric acid.
Il a été montré dans le cadre de cette invention que, pour ce type de catalyseur associant une zéolithe ZSM-5 et un liant de type silicique et/ ou aluminique, un vapotraitement à la fois à haute température et sous haute pression donnait des résultats très intéressants, que le vapotraitement soit réalisé sur le catalyseur ou sur la zéolithe avant son incorporation dans le catalyseur : le catalyseur traité permet d’atteindre des taux de conversion et/ou des rendements en propylène et composés aromatiques supérieurs dans le cas de la catalyse de la réaction de conversion d’éthylène en propylène, ainsi qu’un stabilité supérieure de la conversion et/ou des rendements.It has been shown in the context of this invention that, for this type of catalyst combining a ZSM-5 zeolite and a silicic and/or aluminic binder, steam treatment at both high temperature and high pressure gave very interesting results, whether the steam treatment was carried out on the catalyst or on the zeolite before its incorporation into the catalyst: the treated catalyst makes it possible to achieve higher conversion rates and/or yields of propylene and aromatic compounds in the case of the catalysis of the reaction for converting ethylene into propylene, as well as higher stability of the conversion and/or yields.
Dans le cas de la conversion de l’éthanol, le catalyseur traité selon l’invention permet d’atteindre des taux de conversion et des rendements en propylène supérieurs, ainsi qu’une stabilité supérieure de la conversion et/ou des rendements. Il a été aussi constaté que les propriétés mécaniques du catalyseur n’étaient pas altérées par ce vapotraitement.In the case of ethanol conversion, the catalyst treated according to the invention makes it possible to achieve higher conversion rates and propylene yields, as well as higher stability of the conversion and/or yields. It was also found that the mechanical properties of the catalyst were not altered by this steam treatment.
De préférence, la température à laquelle on opère le vapotraitement est comprise entre 400 et 600°C, notamment entre 450 et 600°C, par exemple entre 500 et 560°C. (Il s’agit ici de la température atteinte par les particules de catalyseur ou la poudre de zéolithe, généralement du fait de la mise en contact avec le flux de gaz de vapotraitement présentant cette température.Preferably, the temperature at which the steam treatment is carried out is between 400 and 600°C, in particular between 450 and 600°C, for example between 500 and 560°C. (This is the temperature reached by the catalyst particles or the zeolite powder, generally due to contact with the steam treatment gas flow having this temperature.
De préférence, la durée de vapotraitement est d’au plus 5 heures, notamment au plus 3 heures, notamment d’au plus 2 heures, de préférence comprise entre 45 minutes et 2 heures ou entre 1 heure et 1 heure 30. C’est donc une durée qui peut être assez courte, et donc pas trop coûteuse en temps de préparation du catalyseur.Preferably, the duration of the vapotreatment is at most 5 hours, in particular at most 3 hours, in particular at most 2 hours, preferably between 45 minutes and 2 hours or between 1 hour and 1 hour 30. It is therefore a duration which can be quite short, and therefore not too costly in terms of catalyst preparation time.
De préférence, la pression à laquelle on opère le vapotraitement est comprise entre 106Pa et 3.106Pa, notamment entre 1,5.106Pa et 2,5.106Pa. On comprend cette pression comme celle de l’enceinte dans laquelle sont disposés les particules de catalyseur ou la poudre de zéolithe pour réaliser ce vapotraitement. Comme cela sera évoqué plus loin, cette enceinte peut être un réacteur chimique, notamment un réacteur de conversion d’hydrocarbures qui utilise le catalyseur en question, qui peut être équipé d’un régulateur de pression disposé en aval des particules/ de la poudre à traiter dans le réacteur (aval et amont se comprenant selon la direction globale du flux gazeux les traversant).Preferably, the pressure at which the steam treatment is carried out is between 10 6 Pa and 3.10 6 Pa, in particular between 1.5.10 6 Pa and 2.5.10 6 Pa. This pressure is understood as that of the enclosure in which the catalyst particles or the zeolite powder are arranged to carry out this steam treatment. As will be mentioned later, this enclosure may be a chemical reactor, in particular a hydrocarbon conversion reactor which uses the catalyst in question, which may be equipped with a pressure regulator arranged downstream of the particles/powder to be treated in the reactor (downstream and upstream being understood according to the overall direction of the gas flow passing through them).
De préférence, le débit du flux de gaz de vapotraitement à l’entrée du réacteur est compris entre 0,01 et 3 NL par heure et par gramme de catalyseur, notamment entre 0,01 et 2 NL par heure et par gramme de catalyseur.Preferably, the flow rate of the vapor treatment gas stream at the reactor inlet is between 0.01 and 3 NL per hour and per gram of catalyst, in particular between 0.01 and 2 NL per hour and per gram of catalyst.
Avantageusement, le flux de gaz de vapotraitement peut contenir un mélange de gaz comprenant de la vapeur d’eau et au moins un ou plusieurs gaz, choisis parmi N2, CO2, Ar, He, CH4, l’air ou tout mélange de ceux-ci, de préférence l’air ou l’azote. La proportion volumique en vapeur d’eau dans le gaz de vapotraitement est avantageusement comprise entre 30 et 100%, notamment entre 40 et 90%, de préférence entre 50 et 80%.Advantageously, the vapor treatment gas flow may contain a mixture of gases comprising water vapor and at least one or more gases, chosen from N 2 , CO 2 , Ar, He, CH 4 , air or any mixture thereof, preferably air or nitrogen. The volume proportion of water vapor in the vapor treatment gas is advantageously between 30 and 100%, in particular between 40 and 90%, preferably between 50 and 80%.
La teneur en vapeur d’eau dans le gaz de vapotraitement peut être constante ou évoluer pendant au moins une partie du vapotraitement. Choisir une teneur en eau constante est la solution la plus simple. La faire évoluer, notamment l’augmenter progressivement ou par palier, peut aussi s’avérer intéressant. De même la pression et la température lors du vapotraitement peuvent être constantes ou varier, avec des montées progressives ou par un ou plusieurs paliers en température ou pression notamment.The water vapour content in the vapour treatment gas can be constant or change for at least part of the vapour treatment. Choosing a constant water content is the simplest solution. Changing it, in particular increasing it gradually or in stages, can also be interesting. Similarly, the pressure and temperature during vapour treatment can be constant or vary, with gradual increases or by one or more stages in temperature or pressure in particular.
Selon une première variante, le liant est un oxyde de silicium. On peut l’introduire lors de la préparation du catalyseur au moins en partie sous forme de silice colloïdale et/ou sous forme de silice précipitée et/ou de gel de silice, de préférence à la fois sous forme de silice colloïdale et sous forme de silice précipitée, ou bien à la fois sous forme de silice colloïdale et sous forme de gel de silice. Un tel liant est particulièrement inerte vis-à-vis des réactions de conversion à catalyser, bien davantage que l’alumine par exemple, ce qui est avantageux, car il va augmenter la durabilité, et ceci sans interférer sur les réactions à catalyser : on évite ainsi toute perturbation, tout risque que soit favorisée une réaction conduisant à des sous-produits non voulus.According to a first variant, the binder is a silicon oxide. It can be introduced during the preparation of the catalyst at least partly in the form of colloidal silica and/or in the form of precipitated silica and/or silica gel, preferably both in the form of colloidal silica and in the form of precipitated silica, or both in the form of colloidal silica and in the form of silica gel. Such a binder is particularly inert with respect to the conversion reactions to be catalyzed, much more so than alumina for example, which is advantageous, because it will increase the durability, and this without interfering with the reactions to be catalyzed: this avoids any disturbance, any risk of promoting a reaction leading to unwanted by-products.
Selon une autre variante, le liant est un oxyde d’aluminium. Le précurseur d'alumine, employé pour la préparation du catalyseur selon l'invention, est de préférence choisi dans le groupe formé par l'hydrargillite, la bayerite, la boehmite, les gels amorphes, les alumines dites de transition qui comportent au moins une phase prise dans le groupe comprenant les phases rhô, chi, eta, gamma, kappa, theta et alpha. De manière préférée, le précurseur d'alumine est une boehmite.According to another variant, the binder is an aluminum oxide. The alumina precursor, used for the preparation of the catalyst according to the invention, is preferably chosen from the group formed by hydrargillite, bayerite, boehmite, amorphous gels, so-called transition aluminas which comprise at least one phase taken from the group comprising the rho, chi, eta, gamma, kappa, theta and alpha phases. Preferably, the alumina precursor is a boehmite.
De préférence, le catalyseur comprend entre 20 et 80 % poids de zéolithe, notamment entre 30 et 70 % poids de zéolithe, ou encore entre 50 et 70 % poids de zéolithe, et entre 20 et 80 % poids de liant, par exemple entre 30 et 70 % poids de liant, ou entre 30 et 50 % poids de liant.Preferably, the catalyst comprises between 20 and 80% by weight of zeolite, in particular between 30 and 70% by weight of zeolite, or between 50 and 70% by weight of zeolite, and between 20 and 80% by weight of binder, for example between 30 and 70% by weight of binder, or between 30 and 50% by weight of binder.
Pour le mélange et de la mise en forme du catalyseur, on peut ajouter au moins un additif, qui peut notamment avoir pour fonction d’aider à maitriser la viscosité du mélange avant mise en forme, tout particulièrement quand cette mise en forme est une extrusion du mélange se présentant sous forme pâteuse. Dans le catalyseur final, notamment quand celui-ci a été cuit/calciné, l’additif disparait, notamment quand il est en matériau organique. Il peut s’agit par exemple d’un dérivé cellulosique, notamment de la méthylcellulose.For the mixing and shaping of the catalyst, at least one additive can be added, which may in particular have the function of helping to control the viscosity of the mixture before shaping, particularly when this shaping is an extrusion of the mixture in pasty form. In the final catalyst, particularly when it has been cooked/calcined, the additive disappears, particularly when it is made of organic material. It may be, for example, a cellulose derivative, particularly methylcellulose.
Le ratio atomique Si/Al de la zéolithe contenue dans le catalyseur de l’invention est de préférence compris entre 12 et 200, notamment entre 15 et 180, de préférence entre 20 et 150. Il est par exemple de 25, 40 ou 140.The Si/Al atomic ratio of the zeolite contained in the catalyst of the invention is preferably between 12 and 200, in particular between 15 and 180, preferably between 20 and 150. It is for example 25, 40 or 140.
Le catalyseur peut également comprendre au moins un élément dopant, faisant partie par exemple du groupe constitué par le sodium, le potassium, le magnésium, le calcium, phosphore, le cuivre, l’argent, le manganèse, le molybdène. De préférence l’élément dopant est le phosphore, éventuellement combiné avec un ou plusieurs autres éléments. La teneur en élément dopant est de préférence telle que le rapport atomique de l’élément sur l’aluminium contenu dans la zéolithe est inférieur ou égal à 0,8.The catalyst may also comprise at least one doping element, for example part of the group consisting of sodium, potassium, magnesium, calcium, phosphorus, copper, silver, manganese, molybdenum. Preferably the doping element is phosphorus, optionally combined with one or more other elements. The content of doping element is preferably such that the atomic ratio of the element to the aluminum contained in the zeolite is less than or equal to 0.8.
L’élément est introduit par tout type de préparation connu de l’homme de l’art, par exemple par imprégnation à sec, par imprégnation en excès, par dépôt chimique en phase vapeur ou tout autre type. Concernant l’élément phosphore, il peut par exemple être introduit en utilisant un ou plusieurs précurseurs de type acide phosphorique ou dihydrogénophosphate d’ammonium ou acide hypophosphoreux.The element is introduced by any type of preparation known to those skilled in the art, for example by dry impregnation, by excess impregnation, by chemical vapor deposition or any other type. Concerning the phosphorus element, it can for example be introduced by using one or more precursors of the phosphoric acid or ammonium dihydrogen phosphate or hypophosphorous acid type.
Selon une variante, le catalyseur selon l’invention comprend au moins deux zéolithes ZSM-5, (que l’on a par exemple mélangé dans l’étape de mélange pré-mentionnée, ou dans une étape de mélange préalable), parmi lesquelles deux au moins ont des ratios atomiques Si/Al différents, par exemple dans un ratio massique 10/90 à 90/10, notamment 20-80 à 80-20, par exemple entre 40-60 et 60-40. En effet, il apparaît que les propriétés catalytiques sont liées au moins en partie à la teneur en sites Al de la zéolithe: associer deux zéolithes de ratios Si/Al différents peut permettre d’ajuster l’acidité globale du matériau et ainsi d’améliorer plus facilement les propriétés catalytiques du catalyseur et le compromis entre activité et sélectivité.According to a variant, the catalyst according to the invention comprises at least two ZSM-5 zeolites (which have been mixed, for example, in the aforementioned mixing step, or in a prior mixing step), among which at least two have different Si/Al atomic ratios, for example in a mass ratio of 10/90 to 90/10, in particular 20-80 to 80-20, for example between 40-60 and 60-40. Indeed, it appears that the catalytic properties are linked at least in part to the Al site content of the zeolite: combining two zeolites with different Si/Al ratios can make it possible to adjust the overall acidity of the material and thus more easily improve the catalytic properties of the catalyst and the compromise between activity and selectivity.
La mise en forme du catalyseur en particules peut être réalisée par toute méthode connue, telle que par exemple, le malaxage/extrusion, la mise en forme par égouttage (connue sous le terme anglo-saxon « oil-drop »), la granulation, le compactage, l'atomisation.The shaping of the catalyst into particles can be carried out by any known method, such as, for example, kneading/extrusion, shaping by draining (known by the Anglo-Saxon term "oil-drop"), granulation, compaction, atomization.
Dans le cas où le vapotraitement (iii) est opéré sur le catalyseur sous forme de particules, (une fois le catalyseur mis en forme) ledit vapotraitement (iii) du catalyseur peut être précédé d’un séchage (sur le catalyseur mis en forme donc), notamment à une température d’au moins 60 °C, et de préférence d’au plus 150°C, notamment comprise entre 60 et 100°C, de préférence au voisinage de 80°C. Il s’est avéré qu’un simple séchage avant le vapotraitement était suffisant, et qu’une calcination n’était pas nécessaire, aussi bien avant qu’après le vapotraitement, : en mettant en œuvre l’étape de vapotraitement de l’invention, on peut donc, de façon surprenante, renoncer à la calcination du catalyseur. On vient ainsi remplacer une étape de calcination par une étape de vapotraitement dans le procédé de préparation du catalyseur, ce qui évite ainsi d’allonger la durée de préparation du catalyseur et de complexifier ce procédé de préparation.In the case where the steam treatment (iii) is carried out on the catalyst in the form of particles, (once the catalyst has been shaped) said steam treatment (iii) of the catalyst may be preceded by drying (on the shaped catalyst therefore), in particular at a temperature of at least 60°C, and preferably at most 150°C, in particular between 60 and 100°C, preferably in the region of 80°C. It has been found that simple drying before the steam treatment was sufficient, and that calcination was not necessary, either before or after the steam treatment: by implementing the steam treatment step of the invention, it is therefore possible, surprisingly, to dispense with calcination of the catalyst. A calcination step is thus replaced by a steam treatment step in the process for preparing the catalyst, which thus avoids extending the preparation time of the catalyst and complicating this preparation process.
Dans un premier mode de réalisation, on peut opérer le vapotraitement du catalyseur sous forme d’un lit catalytique de particules de catalyseur qui est disposé dans un réacteur de conversion catalytique d’hydrocarbures. On parle alors de vapotraitement « in situ », dans la mesure où le lit catalytique qui est vapotraité est déjà dans le réacteur dans sa position fonctionnelle pour réaliser la catalyse par mise en contact avec un flux de charge de type hydrocarbures et/ou un flux destiné à réagir avec un flux de charge, comme de l’’hydrogène par exemple : le lit est ainsi d’abord traversé par le flux de gaz de vapotraitement, puis par le flux de charge hydrocarbonée/de réactifs. C’est une mise en œuvre intéressante, puisqu’elle limite les manipulations et un stockage intermédiaire de catalyseur, qu’elle évite l’utilisation d’un dispositif dédié de vapotraitement, et parce que le réacteur de conversion des hydrocarbures est généralement déjà muni de tous les moyens adéquats pour mettre en œuvre l’invention (moyens d’injection et d’évacuation de gaz, moyens pour chauffer l’enceinte/ des flux gazeux, et moyens de mise en pression, moyens pour réguler ces conditions opératoires notamment à l’aide de capteurs équipant le réacteur…)In a first embodiment, the steam treatment of the catalyst can be carried out in the form of a catalytic bed of catalyst particles which is arranged in a hydrocarbon catalytic conversion reactor. This is referred to as “in situ” steam treatment, since the catalytic bed which is steam treated is already in the reactor in its functional position to carry out the catalysis by contacting with a hydrocarbon feedstock flow and/or a flow intended to react with a feedstock flow, such as hydrogen for example: the bed is thus first crossed by the steam treatment gas flow, then by the hydrocarbon feedstock/reagent flow. This is an interesting implementation, since it limits handling and intermediate storage of catalyst, it avoids the use of a dedicated vapor treatment device, and because the hydrocarbon conversion reactor is generally already equipped with all the appropriate means to implement the invention (gas injection and evacuation means, means to heat the enclosure/gas flows, and pressurization means, means to regulate these operating conditions in particular using sensors equipping the reactor, etc.)
Dans un deuxième mode de réalisation, on opère le vapotraitement du catalyseur mis en forme ou le vapotraitement de la poudre de zéolithe dans une enceinte dédiée, différente de celle du réacteur de conversion où le catalyseur sera mis en place in fine. On parle alors de vapotraitement « ex-situ ». Cette enceinte pourra être installée au voisinage du réacteur de conversion de charge hydrocarbonée, ou se trouver sur le site de production du catalyseur. Cette variante est également intéressante, en ce qu’elle permet de traiter le catalyseur sans mobiliser le réacteur de conversion des hydrocarbures.In a second embodiment, the steam treatment of the shaped catalyst or the steam treatment of the zeolite powder is carried out in a dedicated enclosure, different from that of the conversion reactor where the catalyst will ultimately be placed. This is called “ex-situ” steam treatment. This enclosure may be installed near the hydrocarbon feedstock conversion reactor, or be located on the catalyst production site. This variant is also interesting in that it allows the catalyst to be treated without using the hydrocarbon conversion reactor.
L’invention a également pour objet un dispositif de mise en œuvre du procédé décrit plus haut, et qui comprend un réacteur de conversion catalytique d’hydrocarbures dans lequel est disposé un lit catalytique de particules de catalyseur comprenant au moins une zéolithe en aluminosilicate de la famille ZSM-5, un liant comprenant de l’oxyde de silicium et/ou de l’oxyde d’aluminium , le réacteur comprenant des moyens d’injection et d’évacuation de gaz de vapotraitement comprenant de la vapeur d’eau. Comme évoqué plus haut, il s’agit là d’une mise en œuvre « in-situ » de l’invention, où le flux de gaz de vapotraitement va traverser le lit catalytique comme le fera la charge hydrocarbonée et/ou un flux de réactif à convertir ensuite.The invention also relates to a device for implementing the method described above, and which comprises a reactor for the catalytic conversion of hydrocarbons in which is arranged a catalytic bed of catalyst particles comprising at least one aluminosilicate zeolite of the ZSM-5 family, a binder comprising silicon oxide and/or aluminum oxide, the reactor comprising means for injecting and evacuating steam treatment gas comprising water vapor. As mentioned above, this is an “in-situ” implementation of the invention, where the flow of steam treatment gas will pass through the catalytic bed as will the hydrocarbon feedstock and/or a flow of reagent to be subsequently converted.
L’invention a également pour objet le catalyseur obtenu par le procédé de traitement ou le dispositif de traitement décrits plus haut, et dont la majorité des sites Al, notamment au moins 60 ou 70 ou 75% ou 80% des sites Al, de la zéolithe ZSM-5 est sous forme d’Al de degré d’oxydation IV. Ce type d’aluminium est de manière classique caractérisé par RMN MAS de l’aluminium27Al.The invention also relates to the catalyst obtained by the treatment method or the treatment device described above, and in which the majority of the Al sites, in particular at least 60 or 70 or 75% or 80% of the Al sites, of the ZSM-5 zeolite is in the form of Al with oxidation state IV. This type of aluminum is conventionally characterized by MAS NMR of aluminum 27 Al.
Avantageusement, au plus 30%, notamment au plus 20% ou au plus 15% des sites Al de la zéolithe ZSM-5 est sous forme d’Al de degré d’oxydation VI.Advantageously, at most 30%, in particular at most 20% or at most 15% of the Al sites of the ZSM-5 zeolite are in the form of Al of oxidation state VI.
Il est connu de l’homme de l’art que les sites Al sont à l’état IV quand ils sont intégrés à la charpente de la zéolithe. Il s’est avéré que l’étape de vapotraitement du procédé selon l’invention pouvait influencer/modifier le degré d’oxydation d’une partie de l’aluminium de la zéolithe. Ledit vapotraitement conduirait à extraire une certaine proportion de ces sites Al de cette charpente, ce qui change leur degré d’oxydation, et ce qui s’est avéré bénéfique, de façon inattendue, pour les propriétés du catalyseur. Une explication avancée serait que cette extraction entraîne une baisse de l’acidité la plus forte de la zéolithe, conduisant, notamment, à une moindre tendance au cokage du catalyseur et à une meilleure stabilité de celui-ci.It is known to those skilled in the art that the Al sites are in state IV when they are integrated into the framework of the zeolite. It has been found that the steam treatment step of the process according to the invention could influence/modify the degree of oxidation of a portion of the aluminum in the zeolite. Said steam treatment would lead to extracting a certain proportion of these Al sites from this framework, which changes their degree of oxidation, and which has proven to be beneficial, unexpectedly, for the properties of the catalyst. One explanation put forward would be that this extraction leads to a reduction in the strongest acidity of the zeolite, leading, in particular, to a lesser tendency for the catalyst to cok and to better stability thereof.
L’invention a également pour objet un procédé de conversion d’une charge comprenant de d’éthylène ou de l’éthanol en propylène, autres oléfines courtes et essence ou composés aromatiques, qui utilise un catalyseur tel que traité et/ou décrit plus haut, avec mise en contact de ladite charge avec ledit catalyseurThe invention also relates to a process for converting a feedstock comprising ethylene or ethanol into propylene, other short olefins and gasoline or aromatic compounds, which uses a catalyst as treated and/or described above, with contacting of said feedstock with said catalyst.
A noter qu’il est préférable, avant le démarrage du procédé de conversion catalytique, de procéder à une activation du catalyseur sous forme de lit de particules, cette activation pouvant prendre la forme d’un traitement thermique type séchage à haute température sous air, et/ou une calcination visant à bruler les traces d’huile ou de graisse éventuellement présentes.Please note that it is preferable, before starting the catalytic conversion process, to activate the catalyst in the form of a particle bed, this activation being able to take the form of a heat treatment such as drying at high temperature in air, and/or calcination aimed at burning any traces of oil or grease that may be present.
Les conditions opératoires du procédé de conversion de l’éthylène sont par exemple décrites dans le brevet EP- 3 428 249, auquel on se rapportera pour plus de détails et qu’on peut résumer ainsi : on a recours à une unité de conversion de l’éthylène en propylène et autres produits d’intérêt, qui est une unité catalytique utilisant un catalyseur à base de zéolithe travaillant à une température comprise entre 500°C et 650°C, et sous une pression partielle d’oléfines comprise entre 1 et 2 bars, avec une vitesse pondérale horaire (poids de charge par poids de catalyseur et par heure) comprise entre 0,1 et 10 h-1, de préférence comprise entre 1 et 7 h-1, et avantageusement entre 2 et 6 h-1.The operating conditions of the ethylene conversion process are for example described in patent EP-3 428 249, to which reference may be made for more details and which can be summarized as follows: a unit for converting ethylene into propylene and other products of interest is used, which is a catalytic unit using a zeolite-based catalyst operating at a temperature of between 500°C and 650°C, and under a partial pressure of olefins of between 1 and 2 bars, with an hourly weight rate (weight of feedstock per weight of catalyst and per hour) of between 0.1 and 10 h -1 , preferably of between 1 and 7 h -1 , and advantageously of between 2 and 6 h -1 .
Dans le cas où la charge réactionnelle est de I'éthanol, ce dernier est dans un premier temps déshydraté en éthylène, lequel est transformé, dans les mêmes conditions opératoires que celles de la déshydratation et sur le même catalyseur, en présence d’'eau libérée par la réaction de déshydratation, en oligomères, c'est-à-dire en oléfines légères en C3-C6. Les conditions opératoires du procédé de conversion d’éthanol sont par exemple décrites dans le brevet FR-2 948 937, auquel on se rapportera pour plus de détails et qu’on peut résumer ainsi : par exemple une température comprise entre 300 et 600°C, de préférence comprise entre 450 et 575°C, sous une pression comprise entre 0,1 et 1,5 MPa, de préférence comprise entre 0,1 et 0,5 MPa, avec une vitesse pondérale horaire (poids de charge par poids de catalyseur et par heure) comprise entre 0,1 et 10 h-1, de préférence comprise entre 1 et 4 h-1.In the case where the reaction charge is ethanol, the latter is first dehydrated into ethylene, which is transformed, under the same operating conditions as those of dehydration and on the same catalyst, in the presence of water released by the dehydration reaction, into oligomers, that is to say into light C3-C6 olefins. The operating conditions of the ethanol conversion process are for example described in patent FR-2 948 937, to which reference will be made for more details and which can be summarized as follows: for example a temperature of between 300 and 600°C, preferably of between 450 and 575°C, under a pressure of between 0.1 and 1.5 MPa, preferably of between 0.1 and 0.5 MPa, with an hourly weight rate (weight of charge per weight of catalyst and per hour) of between 0.1 and 10 h -1 , preferably of between 1 and 4 h -1 .
L’invention concerne un catalyseur comprenant au moins une zéolithe ou aluminosilicate de la famille ZSM-5 et un liant comprenant de l’oxyde de silicium et/ou de l’aluminium.The invention relates to a catalyst comprising at least one zeolite or aluminosilicate of the ZSM-5 family and a binder comprising silicon oxide and/or aluminum.
Elle est mise en œuvre dans les exemples suivants en utilisant des catalyseurs différents présentant les formulations suivantes :It is implemented in the following examples using different catalysts with the following formulations:
Catalyseur A
Il se présente sous forme d’extrudés (cylindres de diamètre 1,4 mm, de longueur entre 2 et 6 mm) contenant 60% poids de zéolithe ZSM-5 de rapport atomique Si/Al égal à 140 (disponible commercialement auprès de la société Zeolyst, sous la référence commerciale CBV28014) et 40% de liant à base d’oxyde de silicium obtenu à partir de poudre de silice précipitée, disponible sous la dénomination commerciale NYASILTM20 commercialisée par la société Nyacol Nano Technology) et qui est une poudre de silice amorphe structurée à l’échelle nanométrique.
La préparation du catalyseur à partir de la zéolithe et de la source de silice a été réalisée avec un additif de mise en forme, ici un dérivé de cellulose : du METHOCELTM, dans une proportion de 4% en poids par rapport à l’ensemble du solide sec, disponible auprès de la société DuPont, et qui est un polymère dérivé de cellulose et soluble dans l’eau.Catalyst A
It comes in the form of extrudates (cylinders with a diameter of 1.4 mm, a length of between 2 and 6 mm) containing 60% by weight of ZSM-5 zeolite with an Si/Al atomic ratio of 140 (commercially available from the company Zeolyst, under the commercial reference CBV28014) and 40% of silicon oxide-based binder obtained from precipitated silica powder, available under the commercial name NYASIL TM 20 marketed by the company Nyacol Nano Technology) and which is an amorphous silica powder structured on a nanometric scale.
The preparation of the catalyst from the zeolite and the silica source was carried out with a shaping additive, here a cellulose derivative: METHOCEL TM , in a proportion of 4% by weight relative to the total dry solid, available from the DuPont company, and which is a polymer derived from cellulose and soluble in water.
La zéolithe, la source de silice, l’additif et de l’eau ont été mélangés et malaxés. Lorsque la pâte a présenté la rhéologie adéquate, elle a été extrudée au travers d’une filière.The zeolite, silica source, additive and water were mixed and kneaded. When the paste exhibited the appropriate rheology, it was extruded through a die.
Après mise en forme sous forme d’extrudé, et avant le vapotraitement selon l’invention, le catalyseur a été séché à 80°C sous air en étuve pendant 24h.After forming into an extrudate, and before the steam treatment according to the invention, the catalyst was dried at 80°C in air in an oven for 24 hours.
Catalyseur B
Il est identique au catalyseur A (et préparé de la même façon), sauf en ce que la zéolithe ZSM-5 présente ici un rapport atomique Si/Al égal à 40 (disponible auprès de la société Zeolyst sous la référence commerciale CBV8014).Catalyst B
It is identical to catalyst A (and prepared in the same way), except that the ZSM-5 zeolite here has an Si/Al atomic ratio equal to 40 (available from the company Zeolyst under the commercial reference CBV8014).
Catalyseur C
Il est identique au catalyseur A (et préparé de la même façon), sauf en ce que la zéolithe ZSM-5 présente ici un rapport atomique Si/Al égal à 25 (disponible auprès de la société Zeolyst sous la référence commerciale CBV5524G).Catalyst C
It is identical to catalyst A (and prepared in the same way), except that the ZSM-5 zeolite here has an Si/Al atomic ratio equal to 25 (available from the company Zeolyst under the commercial reference CBV5524G).
Catalyseur D
Il se présente sous forme d’extrudés (cylindres de diamètre 1,4 mm, longueur entre 2 et 6 mm) contenant 30% poids de zéolithe ZSM-5 de rapport atomique Si/Al égal à 140 (disponible commercialement auprès de la société Zeolyst, sous la référence commerciale CBV28014) et 70% de liant à base d’oxyde d’aluminium obtenu à partir de poudre de boehmite disponible sous la dénomination commerciale SB3 commercialisée par la société Sasol.Catalyst D
It comes in the form of extrudates (cylinders with a diameter of 1.4 mm, length between 2 and 6 mm) containing 30% by weight of ZSM-5 zeolite with an Si/Al atomic ratio of 140 (commercially available from the company Zeolyst, under the commercial reference CBV28014) and 70% of aluminium oxide-based binder obtained from boehmite powder available under the commercial name SB3 marketed by the company Sasol.
La préparation du catalyseur à partir de la zéolithe et de la source d’alumine a été réalisée avec un additif de mise en forme, ici un dérivé de cellulose : du METHOCELTM, dans une proportion de 4% en poids par rapport à l’ensemble du solide sec, disponible auprès de la société DuPont, et qui est un polymère dérivé de cellulose et soluble dans l’eau.The preparation of the catalyst from the zeolite and the alumina source was carried out with a shaping additive, here a cellulose derivative: METHOCEL TM , in a proportion of 4% by weight relative to the total dry solid, available from the DuPont company, and which is a polymer derived from cellulose and soluble in water.
La zéolithe, la source d’alumine, l’additif, l’agent peptisant acide nitrique, à hauteur de 6%pds par rapport à l’alumine, et l’eau ont été mélangés et malaxés pendant 30 minutes. Puis une solution ammoniacale à base de NH4OH, avec un rapport atomique de la base sur l’acide de 40% a été ajouté. Lorsque la pâte a présenté la rhéologie adéquate, elle a été extrudée au travers d’une filière.Zeolite, alumina source, additive, nitric acid peptizing agent, at a rate of 6% by weight relative to alumina, and water were mixed and kneaded for 30 minutes. Then an ammoniacal solution based on NH 4 OH, with an atomic ratio of base to acid of 40% was added. When the paste exhibited the appropriate rheology, it was extruded through a die.
Après mise en forme sous forme d’extrudé, et avant le vapotraitement selon l’invention, le catalyseur a été séché à 120°C sous air en étuve pendant 24h.After forming into an extrudate, and before the steam treatment according to the invention, the catalyst was dried at 120°C in air in an oven for 24 hours.
Catalyseur E
Il se présente sous la forme de poudre de zéolithe ZSM-5 de rapport atomique Si/Al égal à 140 (disponible commercialement auprès de la société Zeolyst, sous la référence commerciale CBV28014).Catalyst E
It comes in the form of ZSM-5 zeolite powder with an Si/Al atomic ratio of 140 (commercially available from the company Zeolyst, under the commercial reference CBV28014).
Catalyseur F
Il se présente sous la forme de poudre de zéolithe ZSM-5 de rapport atomique Si/Al égal à 40 (disponible commercialement auprès de la société Zeolyst, sous la référence commerciale CBV8014.Catalyst F
It comes in the form of ZSM-5 zeolite powder with an Si/Al atomic ratio of 40 (commercially available from the company Zeolyst, under the commercial reference CBV8014.
Catalyseur G
Il se présente sous forme d’extrudés (cylindres de diamètre 1,4 mm, longueur entre 2 et 6 mm) contenant 60% poids de du catalyseur E sous forme de poudre vapotraitée sous pression et 40% de liant à base d’oxyde de silicium obtenu à partir poudre de silice précipitée disponible sous la dénomination commerciale NYASILTM20 commercialisée par la société Nyacol Nano Technology). La mise en forme du catalyseur est effectuée selon le protocole décrit pour le catalyseur A.Catalyst G
It comes in the form of extrudates (cylinders with a diameter of 1.4 mm, length between 2 and 6 mm) containing 60% by weight of catalyst E in the form of powder steam-treated under pressure and 40% of binder based on silicon oxide obtained from precipitated silica powder available under the trade name NYASILTM20 marketed by the company Nyacol Nano Technology). The shaping of the catalyst is carried out according to the protocol described for catalyst A.
Catalyseur H
Il se présente sous forme d’extrudés (cylindres de diamètre 1,4 mm, longueur entre 2 et 6 mm) contenant 60% poids de du catalyseur F sous forme de poudre vapotraitée sous pression et 40% de liant à base d’oxyde de silicium obtenu à partir poudre de silice précipitée disponible sous la dénomination commerciale NYASILTM20 commercialisée par la société Nyacol Nano Technology). La mise en forme du catalyseur est effectuée selon le protocole décrit pour le catalyseur B.Catalyst H
It comes in the form of extrudates (cylinders with a diameter of 1.4 mm, length between 2 and 6 mm) containing 60% by weight of catalyst F in the form of powder steam-treated under pressure and 40% of binder based on silicon oxide obtained from precipitated silica powder available under the trade name NYASILTM20 marketed by the company Nyacol Nano Technology). The shaping of the catalyst is carried out according to the protocol described for catalyst B.
L’invention applique le vapotraitement aux catalyseurs A à F, de préférence sans calcination préalable (ni calcination postérieure avant utilisation).The invention applies steam treatment to catalysts A to F, preferably without prior calcination (or subsequent calcination before use).
Ce vapotraitement est opéré sur le catalyseur sous forme de particules disposées en lit catalytique, en faisant traverser ledit lit catalytique par un flux de gaz de vapotraitement comprenant de la vapeur d’eau, à une température d’au moins 400°C et une pression d’au moins 106Pa, pendant une durée d’au plus 3 heures.This steam treatment is carried out on the catalyst in the form of particles arranged in a catalytic bed, by passing through said catalytic bed a flow of steam treatment gas comprising water vapor, at a temperature of at least 400°C and a pressure of at least 10 6 Pa, for a duration of at most 3 hours.
Pour ce faire, dans le cas des catalyseurs A à D, 10 g de catalyseur sont chargés dans un réacteur tubulaire en acier de façon à pouvoir être traversé par un fluide de vapotraitement, en l’occurrence un flux gazeux contenant de la vapeur d’eau et éventuellement d’autres gaz type air ou azote, et à résister à de fortes pressions. L’épaisseur non tassée du lit de catalyseur est ici de 7 cm. Ce réacteur est disposé dans une enceinte chauffante. L’eau est vaporisée en amont du réacteur dans un autre réacteur tubulaire (dit « vaporisateur ») rempli de carbure de silicium, et les lignes de jonction vaporisateur-réacteur de vapotraitement sont chauffées à 220°C. Le gaz injecté en même temps que la vapeur d’eau traverse également le vaporisateur.
Dans le cas des catalyseurs E et F, la poudre de zéolithe est pastillée et tamisée pour ne retenir que la fraction de granulométrie entre 200 et 500µm. 6 g de cette poudre sont mélangés avec 6 g de carborundum (carbure de silicium, SiC) de granulométrie autour de 500 µm, et chargés dans le même type de réacteur que celui utilisé pour les catalyseurs A à D. L’épaisseur non tassée du lit de catalyseur dilué dans le SiC est de 4 cm.To do this, in the case of catalysts A to D, 10 g of catalyst are loaded into a steel tubular reactor so that it can be crossed by a steam treatment fluid, in this case a gas flow containing water vapor and possibly other gases such as air or nitrogen, and to withstand high pressures. The unpacked thickness of the catalyst bed is here 7 cm. This reactor is placed in a heating enclosure. The water is vaporized upstream of the reactor in another tubular reactor (called a "vaporizer") filled with silicon carbide, and the vaporizer-steam treatment reactor junction lines are heated to 220°C. The gas injected at the same time as the water vapor also passes through the vaporizer.
In the case of catalysts E and F, the zeolite powder is pelletized and sieved to retain only the fraction with a particle size between 200 and 500 µm. 6 g of this powder are mixed with 6 g of carborundum (silicon carbide, SiC) with a particle size around 500 µm, and loaded into the same type of reactor as that used for catalysts A to D. The unpacked thickness of the catalyst bed diluted in SiC is 4 cm.
Pour chaque étape de vapotraitement selon l’invention, on définit une température T en °C du lit catalytique, une pression P en bar/Pa (dans le réacteur tubulaire contenant le catalyseur), une durée D en heures de traitement, qui correspond à la durée pendant laquelle la température T a été atteinte et maintenue (durée du palier de température donc), un débit Q de gaz de vapotraitement traversant le lit catalytique exprimé en NL/h/g (litre normalisé par heure et par gramme de catalyseur ), et un pourcentage volumique de vapeur d’eau dans le gaz de vapotraitement comprenant un mélange de vapeur d’eau et d’air.For each steam treatment step according to the invention, a temperature T in °C of the catalytic bed, a pressure P in bar/Pa (in the tubular reactor containing the catalyst), a duration D in hours of treatment, which corresponds to the duration during which the temperature T was reached and maintained (duration of the temperature plateau therefore), a flow rate Q of steam treatment gas passing through the catalytic bed expressed in NL/h/g (standardized liter per hour and per gram of catalyst), and a volume percentage of water vapor in the steam treatment gas comprising a mixture of water vapor and air, are defined.
Exemples 1 à 10 selon l’invention
Les catalyseurs A, B, C, D, E et F ont été soumis à un vapotraitement comme rappelé plus haut, selon des conditions opératoires indiquées dans le tableau 1 ci-dessous :
at./at. zéolithe
(bar)
(Pa)
(NL/h/g)
Testé après mise en forme - catalyseur G
Testé après mise en forme - catalyseur H
Catalysts A, B, C, D, E and F were subjected to steam treatment as mentioned above, according to operating conditions indicated in Table 1 below:
at./at. zeolite
(bar)
(Pa)
(NL/h/g)
Tested after shaping - catalyst G
Tested after shaping - catalyst H
Exemples 11 à 15 (comparatifs)
Les quatre exemples 11 à 14 utilisent le catalyseur A :
- L’exemple 11 est comparatif car il utilise le catalyseur juste calciné sans aucun vapotraitement. La calcination a été opérée sous air avec un débit de 1 NL/h par gramme de catalyseur pendant 2 heures.
- L’exemple 12 est comparatif car il opère le vapotraitement à pression atmosphérique.
- Les exemples 13 et 14 sont comparatifs car ils opèrent à des pressions de 5 bars, en dessous du seuil des 10 bars préféré selon l’invention.
- L’exemple 15 utilise le catalyseur D. Il est comparatif car c’est le catalyseur juste calciné sans aucun vapotraitement. La calcination a été opérée sous air avec un débit de 1 NL/h par gramme de catalyseur pendant 2 heures.Examples 11 to 15 (comparative)
The four examples 11 to 14 use catalyst A:
- Example 11 is comparative because it uses the catalyst just calcined without any steam treatment. The calcination was carried out in air with a flow rate of 1 NL/h per gram of catalyst for 2 hours.
- Example 12 is comparative because it operates the vapor treatment at atmospheric pressure.
- Examples 13 and 14 are comparative because they operate at pressures of 5 bars, below the threshold of 10 bars preferred according to the invention.
- Example 15 uses catalyst D. It is comparative because it is the catalyst just calcined without any steam treatment. The calcination was carried out in air with a flow rate of 1 NL/h per gram of catalyst for 2 hours.
Les conditions opératoires sont rappelées dans le tableau 2 ci-dessous, avec les mêmes conventions que dans le tableau 1 :The operating conditions are recalled in table 2 below, with the same conventions as in table 1:
at./at.Yes/Al
at./at.
(bar)P
(bar)
(Pa)P
(Pa)
(NL/h/g)Q
(NL/h/g)
(comp.)12
(comp.)
(comp.)13
(comp.)
(comp.)14
(comp.)
(comp.)15
(comp.)
Les caractéristiques physico-chimiques de ces différents exemples ont été étudiées, ainsi que leurs performances en tant que catalyseur de la réaction de conversion d’éthylène en propylène ou d’éthanol en propylène.The physicochemical characteristics of these different examples were studied, as well as their performance as a catalyst for the conversion reaction of ethylene to propylene or ethanol to propylene.
En ce qui concerne la texture des exemples avec le catalyseur A :
Le volume microporeux de la zéolithe sous forme poudre, avant incorporation dans le catalyseur est de 0,175 cm3/g. Il correspond au volume microporeux (diamètre de pores inférieur à 2 nm) calculé à partir de l’isotherme d’adsorption d’azote par la méthode t-plot. La mesure de l’isotherme d’adsorption d’azote a été effectuée à 77 K en suivant la norme ASTM D3663-03, en utilisant un appareil Micromeritics 2020 ASAP. Juste avant l’analyse, l’ échantillon est mis sous vide secondaire (1 x10-5 mbar) pendant 1 heure à 100°C puis pendant 4 heures à 450°C. On attend donc environ 0,105 cm3/g de volume microporeux dans les extrudés à 60% de zéolithe, ce qui est le cas pour tous les exemples concernés. Les différences observées entre les exemples ne sont pas significatives, et identiques à celles du catalyseur de l’exemple 8 qui n’a pas subi de vapotraitement. Le vapotraitement n’aurait donc pas d’impact sur la texture microporeuse de la zéolithe, tout au moins quand la zéolithe contient peu d’aluminium (ratio Si/Al atomique élevé).Regarding the texture of the examples with catalyst A:
The microporous volume of the zeolite in powder form, before incorporation into the catalyst, is 0.175 cm 3 /g. It corresponds to the microporous volume (pore diameter less than 2 nm) calculated from the nitrogen adsorption isotherm by the t-plot method. The measurement of the nitrogen adsorption isotherm was carried out at 77 K following the ASTM D3663-03 standard, using a Micromeritics 2020 ASAP device. Just before analysis, the sample is placed under secondary vacuum (1 x10-5 mbar) for 1 hour at 100 ° C and then for 4 hours at 450 ° C. We therefore expect approximately 0.105 cm 3 /g of microporous volume in the 60% zeolite extrudates, which is the case for all the examples concerned. The differences observed between the examples are not significant, and identical to those of the catalyst of example 8 which did not undergo steam treatment. Steam treatment would therefore have no impact on the microporous texture of the zeolite, at least when the zeolite contains little aluminum (high Si/Al atomic ratio).
Pour déterminer le degré d’oxydation de l’aluminium sur les catalyseurs après vapotraitement tableaux 4 et 7, chaque échantillon a été analysé par RMN MAS de l'aluminium 27 en sonde CPMAS 4mm sur un spectromètre Avance 400 (v=12kHz). Le spectre RMN27Al a été obtenu à l’aide de la séquence MAS à une impulsion dans des conditions sélectives (faible champ radiofréquence, environ de 25 kHz) et quantitatives (faible angle d’impulsion égal à π/22 correspondant à une durée de 1 μs). Le temps de recyclage (d1) est de 0.5s. Les déplacements chimiques sont référencés par rapport à Al(NO3)3, δ= 0 ppm.To determine the degree of oxidation of aluminum on the catalysts after steam treatment (Tables 4 and 7), each sample was analyzed by MAS NMR of aluminum 27 in a 4 mm CPMAS probe on an Avance 400 spectrometer (v = 12 kHz). The 27 Al NMR spectrum was obtained using the single-pulse MAS sequence under selective (low radiofrequency field, approximately 25 kHz) and quantitative (low pulse angle equal to π/22 corresponding to a duration of 1 μs) conditions. The recycling time (d1) is 0.5 s. The chemical shifts are referenced relative to Al(NO 3 ) 3 , δ = 0 ppm.
Le tableau 3 ci-dessous indique pour les exemples concernés les % de sites Al au degré d’oxydation IV et VI. Il montre qu’un vapotraitement à haute pression conduit à un pourcentage de Al au degré VI d’au moins 5 %. On note aussi l’absence d’Al au degré d’oxydation V.Table 3 below indicates for the examples concerned the % of Al sites at oxidation degrees IV and VI. It shows that high pressure steam treatment leads to a percentage of Al at degree VI of at least 5%. We also note the absence of Al at oxidation degree V.
Mol.Yes/Al
Mol.
Les analyses texturales sur les exemples utilisant le catalyseur A par isotherme d’adsorption d’azote montrent que le vapotraitement n’affecte pas la microporosité des catalyseurs.Textural analyses on the examples using catalyst A by nitrogen adsorption isotherm show that steam treatment does not affect the microporosity of the catalysts.
Des mesures ont également été faites pour quantifier les performances catalytiques de certains des exemples pour convertir l’éthylène majoritairement en propylène.Measurements were also made to quantify the catalytic performance of some of the examples for converting ethylene predominantly to propylene.
On procède à des tests distincts pour évaluer les performances catalytiques de chacun des catalyseurs.Separate tests are carried out to evaluate the catalytic performance of each catalyst.
On charge, pour chaque test, une unité réactionnelle fonctionnant en lit fixe traversé avec 1g de catalyseur dilué de lit réactif) (même épaisseur de lit dans les différents tests).For each test, a reaction unit operating in a fixed bed crossed with 1 g of diluted catalyst (reactive bed) is loaded (same bed thickness in the different tests).
Avant le démarrage de chaque test catalytique, on procède à I ‘activation de chacun des catalyseurs concernés à 550°C sous air avec un débit de 6 NL/h durant 1 heure. Cette activation consiste en un séchage du catalyseur avant son utilisation et une calcination visant à la combustion des traces d'huile et de graisse éventuellement présentes. L’ensemble est ensuite inerté sous flux d’azote avec un débit de 6 NL/h, puis la charge hydrocarbonée constituée d’éthylène pur ou d’éthanol pur est injectée.Before starting each catalytic test, each of the catalysts concerned is activated at 550°C in air with a flow rate of 6 NL/h for 1 hour. This activation consists of drying the catalyst before use and calcination aimed at burning any traces of oil and grease that may be present. The whole is then inerted under a nitrogen flow with a flow rate of 6 NL/h, then the hydrocarbon feedstock consisting of pure ethylene or pure ethanol is injected.
Pour chaque test avec charge éthylène, on injecte 7 g/h de charge sur le catalyseur. Pour chaque test avec charge éthanol, on injecte 2 g/h de charge sur le catalyseur. Les conditions de réaction utilisées sont une température de 500°C et une pression de 0,17 MPa. A la sortie du réacteur, l’ensemble de l’effluent maintenu sous forme gazeuse par chauffage des lignes de transfert est analysé par chromatographie en phase gazeuse.For each test with ethylene feed, 7 g/h of feed are injected onto the catalyst. For each test with ethanol feed, 2 g/h of feed are injected onto the catalyst. The reaction conditions used are a temperature of 500°C and a pressure of 0.17 MPa. At the reactor outlet, all of the effluent maintained in gaseous form by heating the transfer lines is analyzed by gas chromatography.
Les performances catalytiques ainsi obtenues pour chacun des catalyseurs sont données dans les tableaux 4 et 5 ci-dessous :
Pour les tests avec charge éthylène (tableau 4), elles sont exprimées en utilisant les critères suivants :
- la conversion de l’éthylène X(éthyl.) et le rendement en propylène Y(propyl.) exprimés comme suit :The catalytic performances thus obtained for each of the catalysts are given in tables 4 and 5 below:
For tests with ethylene load (Table 4), they are expressed using the following criteria:
- the conversion of ethylene X(ethyl.) and the yield of propylene Y(propyl.) expressed as follows:
X(éthyl.) = 1 – (fraction massique de l’éthylène dans l’effluent)X(ethyl) = 1 – (mass fraction of ethylene in the effluent)
Y(propyl.) = fraction massique du propylène dans l’effluentY(propyl.) = mass fraction of propylene in the effluent
- la pureté du propylène au sein de la coupe constituée par le propane et le propylène P(propyl.), correspondant à 55% de conversion de l’éthylène, exprimée comme suit :- the purity of propylene in the cut consisting of propane and propylene P(propyl.), corresponding to 55% conversion of ethylene, expressed as follows:
P(propyl.) = fraction massique de propylène dans l’effluent / fractions massiques de propylène et propane dans l’effluentP(propyl.) = mass fraction of propylene in the effluent / mass fractions of propylene and propane in the effluent
L’activité du catalyseur est caractérisée par la conversion de l’éthylène X initiale. La sélectivité du catalyseur est caractérisée par la pureté en propylène P et le rendement en propylène Y.The activity of the catalyst is characterized by the conversion of the initial ethylene X. The selectivity of the catalyst is characterized by the purity of propylene P and the yield of propylene Y.
La stabilité des performances du catalyseur est quantifiée comme suit :The stability of catalyst performance is quantified as follows:
Stabilité de la conversion = (conversion initiale – conversion au bout de 15h sous charge)/ conversion initialeConversion stability = (initial conversion – conversion after 15 hours under load)/initial conversion
Stabilité du rendement en propylène = (rendement propylène initial – rendement propylène au bout de 15h sous charge) / rendement propylène initialStability of propylene yield = (initial propylene yield – propylene yield after 15 hours under load) / initial propylene yield
Pour les tests avec charge éthanol (tableau 5), les performances sont exprimées en utilisant les critères suivants :
La conversion de l’éthanol X(éthanol), le rendement en éthylène Y(éthyl.) et le rendement en propylène Y(propyl.) exprimés comme suit :For tests with ethanol load (Table 5), the performances are expressed using the following criteria:
The conversion of ethanol X(ethanol), the yield of ethylene Y(ethyl.) and the yield of propylene Y(propyl.) expressed as follows:
X(éthanol) = 1 – (fraction massique de l’éthanol dans l’effluent)X(ethanol) = 1 – (mass fraction of ethanol in the effluent)
Y(éthyl.) = fraction massique de l’éthylène dans l’effluentY(ethyl) = mass fraction of ethylene in the effluent
Y(propyl.) = fraction massique du propylène dans l’effluentY(propyl.) = mass fraction of propylene in the effluent
L’activité du catalyseur est caractérisée par la conversion de l’éthanol initiale. La sélectivité du catalyseur est caractérisée par le rendement en propylène Y.The activity of the catalyst is characterized by the conversion of the initial ethanol. The selectivity of the catalyst is characterized by the yield of propylene Y.
Le tableau 4 ci-dessous regroupe ces différentes valeurs de performances pour les exemples 1 à 14 (charge éthylène) :Table 4 below groups together these different performance values for examples 1 to 14 (ethylene charge):
(%)X(ethyl.) initial
(%)
au bout de 15h sous charge
(%)X(ethyl.)
after 15 hours under load
(%)
(% relatif)Conversion loss after 15 hours
(% relative)
Initial
(%)Y(propyl.)
Initial
(%)
(%)Y(propyl.) after 15 hours under load
(%)
(% relatif)Loss of propylene yield after 15 hours
(% relative)
(%)P(propyl.) for a 55% X(ethyl.) conversion
(%)
(comp.)14
(comp.)
On déduit des résultats donnés au tableau 4 que :
- Les catalyseurs avec les zéolithes de rapports atomiques Si/Al 25 et 40 traités selon l’invention sous pression présentent la plus forte activité et une bonne stabilité : ils correspondent aux exemples 6 , 7, pour les extrudés vapotraités 10 pour la poudre vapotraitée puis mise en forme.
- Le catalyseur avec la zéolithe de rapport atomique Si/Al 140 est un peu moins actif et sélectif, mais présente une meilleure pureté en en propylène : en considérant l’exemple 2 avec le rapport Si/Al 140 à comparer aux exemples 6 et 7.
Par ailleurs les performances sont toutes supérieures à celles obtenues avec ces catalyseurs après vapotraitement à pression atmosphérique ou pression insuffisamment élevée : Par rapport au catalyseur vapotraité à pression atmosphérique (exemple 11), le catalyseur vapotraité sous pression est plus actif et plus stable (exemple 1) ou plus stable et plus sélectif en propylène (exemple 3) ou présente des performances équivalentes au catalyseur vapotraité à pression atmosphérique (exemple 2), mais ayant été vapotraité sous pression pendant 2 heures contre 4 heures à pression atmosphérique, ce qui permet un gain de temps et d’énergie.We deduce from the results given in Table 4 that:
- The catalysts with zeolites with Si/Al atomic ratios of 25 and 40 treated according to the invention under pressure exhibit the highest activity and good stability: they correspond to examples 6, 7, for the vapour-treated extrudates 10 for the vapour-treated then shaped powder.
- The catalyst with zeolite of atomic ratio Si/Al 140 is a little less active and selective, but presents a better purity in propylene: considering example 2 with the ratio Si/Al 140 to compare with examples 6 and 7.
Furthermore, the performances are all superior to those obtained with these catalysts after steam treatment at atmospheric pressure or insufficiently high pressure: Compared to the catalyst steam treated at atmospheric pressure (example 11), the catalyst steam treated under pressure is more active and more stable (example 1) or more stable and more selective in propylene (example 3) or has performances equivalent to the catalyst steam treated at atmospheric pressure (example 2), but having been steam treated under pressure for 2 hours compared to 4 hours at atmospheric pressure, which allows a saving of time and energy.
Par ailleurs tous les catalyseurs vapotraités présentent un fort gain en stabilité par rapport au catalyseur non vapotraité.Furthermore, all the vapour-treated catalysts show a significant gain in stability compared to the non-vapour-treated catalyst.
Le tableau 5 regroupe les différentes valeurs de performances pour les exemples 8 et 15 (charge éthanol) :Table 5 groups together the different performance values for examples 8 and 15 (ethanol charge):
On déduit des résultats du tableau 5 que le catalyseur préparé conformément à l’invention (exemple 8) présente une meilleure stabilité de la conversion d’éthanol, un meilleur rendement en propylène (au détriment du rendement en éthylène) et une meilleure stabilité du rendement en propylène.It is deduced from the results in Table 5 that the catalyst prepared in accordance with the invention (Example 8) exhibits better stability of ethanol conversion, better propylene yield (to the detriment of ethylene yield) and better stability of propylene yield.
Claims (19)
- soit sur le catalyseur sous forme de particules,
- soit sur la zéolithe sous forme de poudre avant mélange (i),
ledit vapotraitement comprenant la mise en contact desdites particules de catalyseur ou de ladite poudre de zéolithe avec un flux de gaz de vapotraitement comprenant de la vapeur d’eau, à une température d’au moins 400°C et une pression d’au moins 106Pa.Process for preparing a catalyst comprising at least one aluminosilicate zeolite of the ZSM-5 family, a binder comprising silicon oxide and/or aluminium oxide, said treatment comprising: - (i) a mixture of the zeolite in powder form, the binder and/or the binder precursor, and optionally the additive, then - (ii) shaping said mixture into catalyst particles, characterized in that said treatment also comprises - (iii) steam treatment, said steam treatment operating
- either on the catalyst in the form of particles,
- either on zeolite in powder form before mixing (i),
said steam treatment comprising bringing said catalyst particles or said zeolite powder into contact with a steam treatment gas flow comprising water vapor, at a temperature of at least 400°C and a pressure of at least 10 6 Pa.
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FR2206553A FR3137311A1 (en) | 2022-06-29 | 2022-06-29 | Process for treating a catalyst comprising a zeolite |
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