Brevet FR2407923A1 — publié le 19790601

L'oxydation d'ortho-xylène en anhydride phtalique au moyen d'un gaz contenant de l'oxygène moléculaire en présence d'un catalyseur à oxyde métallique sur un support est bien connue. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 464 930 par exemple décrit un Procédé d'oxydation en phase vapeur utilisant des catalyseurs comprenant les oxydes de vanadium et de titane déposés sur un support inerte non poreux sous forme de petites particules. De manière similaire, les brevets des Etats-Unis d'Amérique numéros 2 954 385, 3 012 043 et 3 210 378 décrivent des procédés d'oxydation en phase vapeur utilisant des catalyseurs contenant de l'oxyde de vanadium pour l'oxydation d'ortho-xylène en anhydride phtalique, ces catalyseurs étant également sous forme de granules ou sous forme "fluidisée". La forme en amphore d'un catalyseur est clairement décrite dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nos 3 848 033 et 3 966 639 et les techniques utilisées dans ces brevets sont directement applicables à la production des catalyseurs d'oxydation en forme d'amphore, utilisés selon la présente invention. Des travaux anciens ont montré que l'oxydation d'ortho-xylène au moyen d'un lit fixe conduit à des réactions à effets exothermiques très élevés, ces effets étant difficiles à contra- ler. On a trouvé, de manière inattendue, qu'une particule sphérique de catalyseur ayant un centre creux et un orifice communiquant avec l'extérieur présente un net avantage consistant à réduire au minimum l'accumulation de chaleur au centre de la particule de catalyseur, ce qui modère ainsi l'effet exothermique de la réaction et conduit à des caractéristiques de température du réacteur plus régulières, plus larges et mieux réglables. La découverte que la configuration spécifique de la particule en am- phore augmente la conversion d'atho-xylène en anhydride phtalique est également importante. Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé à lit fixe pour la conversion d'ortho-xylène en anhydride phtalique par réaction d'ortho-xylène avec de l'oxygène à une température comprise entre environ 200 et environ 6000C en présence d'un catalyseur d'oxydation, caractérisé par le fait qu'on utilise au moins partiellement comme catalyseur, un catalyseur en amphore ayant une forme sensiblement sphérique, un centre creux et un seul orifice dans la surface extérieure du catalyseur communiquant avec le centre creux. Les rapports des réactifs, les conditions réactionnelles et les autres paramètres décrits dans la technique demeurent pratiquement inchangés. L'invention sera maintenant décrite en se référant au dessin annexé dans lequel est représentée la forme en amphore du catalyseur. On voit que le catalyseur vu de l'extérieur a l'aspect d'une sphère comportant un orifice. De la partie en coupe de la figure, il ressort que l'intérieur de la sphère est creux et que le trou dans la surface extérieure de la sphère communique avec ce centre creux. La nouvelle caractéristique de l'invention réside dans la forme du catalyseur. Ce catalyseur en amphore peut être pro duit à partir d'un catalyseur quelconque utilisé dans les réac- tions d'oxydation par application des techniques décrites dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NoS 3 848 033 et 3 966 339. D'une façon générale, ces préparations consistent à faire tomber des gouttelettes d'une suspension sur un lit de particules de manière à former l'amphore. Lorsque la gouttelette entre en contact avec le lit de particules, elle est naturellement sphérique. En géndral, la nature du lit de particules ou les conditions du lit de particules comprenant le chauffage ou d'autres sources de séchage, sont réglées pour sécher les particules. On suppose qu'un mode possible de formation de l'amphore unique réside dans l'élimination du liquide de la suspension de sorte que la plus grande partie de k surface extérieure, mais non toute cette surface extérieure, subit une prise. Les particules en suspension dans le liquide migrent alors vers cette surface extérieure ayant subi la prise et il y a formation d'un centre creux.D'une manière similaire, la partie de la surface extérieure de la gouttelette sphérique qui nta pas été séchée originellement, migre vers l'intérieur de la gouttelette. Cette migration produit un trou à partir de la surface extérieure de la gouttelette vers le centre creux. La forme en amphore peut être obtenue en utilisant une grande gamme de suspensions et de lits de particules. On peut utiliser un lit de particules hydrophobes ou hydrophiles pour préparer l'amphore. La technique spécifique peut varier dans une certaine mesure lorsqu'on utilise des suspensions et des lits de particules différents, mais on pense que l'amphore est produite dans chaque cas comme décrit ci-dessus. L'amphore produite au moyen de ce procédé peut avoir des dimensions quelconques, mais on utilise normalement des amphores ayant un diamètre compris entre 1 et environ 10 mm. Le procédé d'oxydation dans lequel on utilise les amphores est sensiblement le meme avec l'utilisation du catalyseur en forme d'amphore, bien que des résultats améliorés soient obtenus par l'utilisation des amphores. Les compositions de catalyseur peuvent être des compositions quelconques des catalyseurs utilisés dans la technique. I1 s'agit normalement de catalyseurs contenant au moins les oxydes de vanadium. Les compositions spécifiques de catalyseur d'un intérêt particulier sont décrites par la formule Aa Db V12 X où A représente Fe, Cr, Ni, Co, Ti, Mn, Cu, Zn, Ce, Zr, Ag, Bi, Mo, W-ou un mélange de ces éléments D représente B, Sb ou un mélange de ces éléments a est un nombre compris entre 0 et 5 b est un nombre compris entre 0 et 10 ; et x est le nombre d'oxygènes requis pour satisfaire les valences des autres éléments présents. Parmi ces catalyseurs, on préfère ceux qui contiennent du bore ou de llantimoine ou leur mélange. On préfère tout particulièrement les catalyseurs dans lesquels b est supérieur à zéro et inférieur à environ 6. Une caractéristique importante de la présente invention réside dans le fait que le poids -du vanadium dans le catalyseur est-inférieur à environ 10 % en poids du catalyseur complet. On préfère les catalyseurs qui contiennent moins de 5 7. de vanadium. Cette oxydation est une réaction connue et les conditions réactionnelles, les rapports de l'alimentation et la construction du système réactionnel ne subissent pas de modification importante par rapport à ceux de la technique. D'une façon gdné- rale, le rapport de l'oxygène moléculaire à l'ortho-xylène peut descendre jusqu'8 environ 4 moles par mole d'oxygène mais il n'y a pas de limite supérieure théorique. Normalement, on ajoute l'oxygène moléculaire sous forme d'air et le rapport airixylène est habituellement compris entre environ 40 et 130 ou davantage. La température réactionnelle peut varier dans de larges limites, mais est habituellement comprise entre environ 2000C et environ 6000C, des températures comprises entre environ 300 et 5000C étant préférées. La réaction peut être effectuée à la pres sion atmosphérique ou à une pression supérieure ou inférieure à la pression atmosphérique. Les catalyseurs de l'invention sort le plus appropriés pour une opération à -lit fixe, mais en utilisant de petites particules supportées, il est également possible d'effectuer la réaction dans un réacteur à lit fluide. Les catalyseurs de l'invention donnent des rendements particulièrement élevés en anhydride phtalique et en sous-produits utiles. La réaction d'oxydation avec l'utilisation des catalyseurs de l'invention est également facile à régler. Dans le passé l'effet exothermique produit dans le réacteur conduisait une perte de centrale, mais maintenant avec les catalyseurs de l'invention, on maintient aisément une température uniforme sans utilisation de diluants spéciaux ou de faibles taux d'alimentation en réactifs. La quantité de catalyseur en forme d'amphores qui peut être utilisée peut varier dans de larges limites. Le catalyseur d'oxydation peut être presque entièrement sous forme d'amphores, mais il peut contenir également une quantité aussi faible qu'environ 5 7. en volume du catalyseur sous forme d'amphores. Normalement cependant, le catalyseur d'oxydation contient plus de 257. en volume du catalyseur sous forme d'amphores. Les préparations des catalyseurs sphériques utilisés dans les exemples comparatifs A à C et des catalyseurs en forme d'amphores utilisés dans les exemples I à 3 qui sont représentatifs de l'invention, sont comme suit ExemPles comparatifs A-C Préparation de catalyseur : 7. de (Sb2B3V120x)-945 de TiO2 (forme sphérique) La suspension active utilisée pour la production des particules sphériques est préparée en agitant 90,95 g (0,5 mole) de V205 avec 300 cm3 d'eau distillée à température ambiante ; on ajoute 9,7 g d'hydrate d'hydrazine à 85 % avec obtention d'un mélange de couleur vert très foncé.0n agite le mélange à température ambiante pendant encore 30 minutes et on le chauffe alors au reflux, c'est-à-dire à environ 1000C.On ajoute 15,46 g d'acide borique (H3B03), (0,25 mole) ; on ajoute une quantité supplémentaire de 100 cm d'eau distillée pour diluer le mélange. Après chauffage au reflux pendant 35 minutes, on ajoute 24,3 g de Sb2O3 Pour préparer le catalyseur sous forme sphérique, on mélange 36,6 g de la suspension active avec 150 cm3 d'eau dis- tillée et 100,67 g de TiO2 ("Anatase", Lot LW 5683;-de la Société "Du Ponter On mélange la suspension pendant 2 minutes et on la fait tomber sur un lit constitué par du carbone en poudre à température ambiante. On calcine le catalyseur sphérique dans un four à moufle pendant 2 heures à 427 C et on utilise des dimensions de particules juste supérieures à 1,651 mm. Exemples 1 à 3: Préparation de catalyseur : 6 % de (Sb2B3V120x). 94% de TiO2 (en forme d'amphore) On prépare le catalyseur en amphore en combinant 18,3 g de la suspension active ci-dessus, comme préparée dans les exemples A à C, 50,33 g de TiO2 ("Anatase", Lot LW 5683 de la Société "Du Pont), 65,5 g de H20 et 0,43 g de colloïde ("Stern Hall Jaguar J-2S1") de manière à obtenir une teneur en solide de la suspension de 37,4 Z et une teneur en "Jaguar J-2S1" de la suspension de 0,3 %. On mélange cette suspension dans un mélangeur ("Osterizer") fonctionnant à vitesse élevée en 4 minutes et on la fait tomber sur un papier buvard traité avec un fluorocarbure, chauffé à 55-800C. Apres séchage il y a formation d'amphores.On calcine le catalyseur dans un four à moufle pendant 2 heures à 4270C. Leshimensions de particules utilisées dans ces expériences sont juste supérieures à 1,751 mm. On compare les catalyseurs préparés ci-dessus dans la réaction d'oxydation d'ortho-xylèneenanhydride phtalique. On utilise un réacteur en acier inoxydable à lit fixe ayant un dia mètre extérieur de 1,27 cm et une zone réactionnelle d'une capacité de 20 cm3. On mélange préalablement l'alimentation en orthozylène et en air dans les rapports désirés dans un serpentin de mélange préchauffé qui conduit à l'entrée du réacteur unique. On faQt passer les réactifs à traversai zone réactionnelle sous pression atmosphérique en utilisant un rapport molaire ortho-xylène/ air égal à environ 1/100 et un temps de contact d'environ 1 seconde.On enregistreles courbes de l'exotherme et de la température du réacteur au moyen d'un couple thermoélectrique coulissant se trouvant dans un puits thermométrique plongeant dans le lit du catalyseur. On recueille le produit obtenu dans un piège à air à température ambiante suivi par deux épurateurs en série, remplis d'acétone à 0 C et on eEEectue le dosage de 02, N2, CO et CO2 au moyen d'un dispositif pour chromatographie gazeuse "Carle", modèle 8500 comportant un système à colonnes parallèles. On dilue des quantités aliquotes de la solution de l'épurateur avec de liteau distillée et on titre avec NaOH 0,1 N jusqu'au virage de la phénolphtaléine pour obtenir l'acide total.On dose l'o-xyline dans les solutions combinées des épurateurs au moyen du dispositif pour chromatographie gazeuse "Carle", modèle 8500 sur une colonne de silice "SF96". On détermine le rapport molaire dérivé phtalique/dérivé maléique de la solution d'épurateur par résonance magnétique nucléaire ( R.M.N.) Les résultats obtenus en utilisant les formes sphériques et en amphore du catalyseur sont directement comparés dans le tableau. Le taux de conversion par passe(en %) est le nombre d'atome-grammes de carbone dans le produit spécifié trouvés dans l'effluent du réacteur, que multiplie 100 et que divise le nombre d'atome-grammes de carbone introduit sous forme d'ortho-xylène. I1 ressort du tableau que la forme en amphore du cata lyseur est considérablement plus active pour la conversion d'ortho-xylène en anhydride phtalique à une température donnée, que la forme sphérique. Il ressort également de ces résultats que la forme en amphore du catalyseur a un effet avantageux très net sur l'effet exothermique de la réaction.Les résultats montrent que l'effet exothermique, lorsqu'on utilise la forme en amphore du ca tatyseur, est beaucoup plus faible que pour la forme sphérique. TABLEAU I CONVERSIONS D'ORTHO-XYLENE DN ANHYDRIDES PHTALIQUE ET MALEIQUE CATALYSEUR : 6% (Sb2B3V12Ox)-94%TiO2 Taux de conversion par passe (a) (b) en Exemple Fome du Température Effet Ankydride Anhydride Aoide total catalyseur du bain C exothermique phtalique maléique exprimé en anhydride phtalique Comp. A Sphérique 376 40 48,1 4,9 53,3 1 Amphore 381 22 68,8 5,6 77,7 Comp. B Sphérique 361 26 - - 63,8 2 Amphore 368 20 - - 78,8 Comp. C (c) Sphérique 377 52 50,2 4,8 61,4 3 (c) Amphore 377 47 71,2 4,2 76,4 (a) Corrigé à un bilan de C de 100 % pour les expériences où le bilan de carbone est supérieur à 100. (b) Pourcent d'hydrocarbure non transformé = o (c) Durée de contaot = 0,8 seconde. E VENDI CATI ONS 1 - Procédé de préparation d'anhydride phtalique par mise en contact d'un mélange d'ortho-xylène avec de l'oxygène moléculaire à une température comprise entre environ 200 et environ 6000C en présence d'un catalyseur d'oxydation, caractérisé par le fait qu'on utilise comme catalyseur au moins partiellement un catalyseur sous forme d'amphore ayant une forme sensiblement sphérique, un centre creux et un seul orifice dans la surface extérieure du catalyseur communiquant avec le centre creux. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le catalyseur en amphore contient au moins un oxyde de vanadium. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le rait que le catalyseur a la composition représentée par la formule Aa Db V12 Ox où A représente Fe Cr, Ni, Co, Ti, Mn, Cu, Zn, Ce, Zr, Ag, Bi, No, W ou un mélange de ces éléments ; D représente B, Sb ou un mélange de ces éléments ; a est un nombre compris entre O et 5 ; b est un nombre compris entre O et 10 ; x est le nombre d'oxygènes requis pour satisfaire les valences des autres éléments présents. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que a est égal à O et b est un nombre positif. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la composition de catalyseur en amphore est supportée sur un support choisi dans le groupe formé par la silice, l'alumine, la silice-alumine, le carbure de silicium, le dioxyde de titane et dioxyde de zirconium. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une quantité supérieure à 25 ffi du catalyseur est sous forme de catalyseur en amphore. T - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que sensiblement tout le catalyseur est sous forme de catalyseur en amphore. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la réaction est effectuée dans un réacteur à lit fixe.