Brevet FR2458528A1 — publié le 19810102

La présente invention a pour objet un procédé perfectionné de préparation de l'éthanol par hydrocarbonylation du méthanol, en présence d'un catalyseur à base de cobalt. L'éthanol, produit industriel de grand intérêt a été préparé de manière classique par Fermentation de diverses substances naturelles, ou par hydratation, directe ou indirecte, de l'éthylène. De nombreux procédés de synthèse industrielle ont été développés qui mettent en oeuvre des charges d'éthylène, dérivé du pétrole. Toutefois, depuis un certain nombre d'années on perçoit un besoin croissant de procédés de synthèse des grands produits chimiques, au départ de matières premières ne provenant pas du pétrole. C'est pourquoi on peut constater un intérêt de plus en plus vif pour la synthèse de produits chimiques à partir du gaz de synthèse, mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Dans ce contexte le méthanol, qui peut être produit par réaction du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, et qui à son tour, peut être mis à réagir sur le gaz de synthèse en présence de cobalt, pour former de l'éthanol, revêt une importance toute particulière. La réaction du méthanol sur le gaz de synthèse en vue de formation de l'éthanol, réaction encore appelée homologation du méthanol, a constitué et continue d'être l'objet de nombreuses recherches. Ainsi, I. WENDER et ses collaborateurs("lScience", volume 113 page 206, 1951) ont montré que le méthanol réagit avec un mélange équimolaire de monoxyde de carbone et d'hydrogène à 185'C, sous 360 atmosphères en présence de dicobaltoctacarbonyle. Dans ces conditions, on obtient un mélange de divers produits, renfermant de l'éthanol avec une sélectivité médiocre; l'intérêt de cette technique est resté purement académique> '.a productivité horaire d'un tel catalyseur étant dérisoire. D'autres auteurs (Cf. brevet français 1.323.453) ont pu améliorer sensiblement la productivité en éthanol, en conduisant cette réaction à 400 bars, et vers 200 G en présence simultanée d'acétate de cobalt et d'iode, le rapport molaire CG / H2 étant égal à 0,5.- Les mêmes auteurs ont par la suite élevé encore nettement cette productivité en conduisant la réaction d'homologation dans les conditions rappelées ci-avant, en ajoutant une infime proportion d'un halogénure de ruthénium au système catalytique à base d'acétate de cobalt et d'iode. (Cf. Brevet des ETATS UNIS D'AMERIQUE n0 3.285.948). En effet, les meilleurs résultats sont obtenus avec environ 0,05 à 0,12 atome-gramme de ruthénium pour un atome-gramme de cobalt et correspondent à des productivités de l'ordre de 350 à 400 g d'éthanol par heure et par litre de milieu réactionnel et de l'ordre de 200 g d'éthanol par heure et par gramme de cobalt. (Cf. les exemples n0 4, 7 et 12 du brevet américain précité). Néanmoins, la possibilité d'exploitation industrielle d'un tel procédé est compromise par la pression élevée nécessaire pour atteindre des productivités horaires acceptables. Il a maintenant été trouvé de manière tout à fait inattendue qu'il est possible d'homologuer le méthanol, sous une pression totale inférieure à 400 bars, avec une productivité horaire acceptable en éthanol, en présence d'un catalyseur à base de cobalt. La présente invention a donc pour objet un procédé d'hydro- carbonylation du méthanol en présence simultanée d'une quantité efficace de cobalt, d'au moins un halogénure ionique, d'au moins un halogénure cavalent, et d'au moins 2 atomes-grammes de ruthénium par atome-gramme de cobalt. Les recherches, qui ont abouti à la présente invention, ont montré d'une manière en soi remarquable que l'adjonction au système catalytique à base de cobalt et de ruthénium, d'un halogénure ionique et d'un halogénure covalent, le rapport Ru / Co étant supérieur à deux, accroit substantiellement l'activité d'un tel système, ce qui permet de réaliser l'homologation du méthanol sous une pression totale de l'ordre de 250 bars environ, tout en ayant une productivité horaire satisfaisante. Le procédé selon l'invention exige la mise en oeuvre d'au moins un halogénure ionique. Par halogénure ionique on entend les chlorures, bromures, ou, de préférence, les iodures minéraux ou organiques dont les cations sont choisis parmi les cations des métaux alcalins, les cations des métaux alcalino-terreux, les cations ammonium, ammonium quaternaires, les cations phosphonium et phosphonium quaternaires. La nature précise du cation ammonium ou phosphonium n'est pas fondamentale dans le cadre de la présente invention. Le choix parmi ces composés est davantage orienté par des considérations d'ordre pratique telles que la solubilité, la disponi- bilité et la commodité d'emploi. A ce titre, les halogénures d'ammonium quaternaires dérivés des trialcoylamines inférieures, telles que la triméthylamine, la triéthylamine, la tributylamine, ou bien correspondant soit à des alcoylarylamines telle que la diméthylaniline, soit à des amines tertiaires cycliques telles que les N-alcoyl-pyrrolidines ou pipéridines, les N-alcoyl-hexaméthylène imines, le pyrrole, la pyridine, les alcoyl-pyridines, quaternisées par traitement avec des esters des acides halohydriques et d'alcools aliphatiques conviennent particulièrement bien. Les halogénures d'ammonium bisquaternaires, dérivés par exemple des tétraalcoylalcoylène diamines peuvent également être utilisés dans le cadre de la présente invention. L'utilisation des halogénures de phosphonium dérivés par exemple des triarylphosphines, d'accès facile, telles que la triphényl- phosphine, la tritolylphosphine, la trixylylphosphine ou des trialkyl- phosphines d'accès facile telles que la triméthylphosphine, la tribytyl- phosphine ou la tricyclohexylphosphine et quaternisés par des halogé- nures d'alcoyles ou d'aralcoyles, est également envisagée dans le cadre du présent procédé. Les halogénures de phosphonium bis-quater- naires, dérivés par exemple des bis-o(,uJ (diphénylphosphino) alcanes peuvent également être utilisés dans le cadre de la présente invention. Un mode préféré de réalisation de la présente invention comprend l'utilisation d'iodures des métaux alcalins ou alcalino-terreux, tels que: LiI, NaI, KI, CsI, CaI2 et MgI2. De préférence on utilise un ou plusieurs iodures des métaux alcalins et de manière encore plus avantageuse, NaI ou HI Selon la présente invention, le rapport molaire X_ / Co, X provenant de l'halogénure ionique doit être au moins égal à 5. Il n'est pas souhaitable que ce rapport dépasse la valeur de 200. Des résultats très satisfaisants sont obtenus pour rapport X_/Co de l'ordre de 10 à 100. Le procédé selon l'invention exige également la mise en oeuvre d'au moins un halogénure covalent. Par halogénure covalent, on- entend d'une part les chlorures, les bromures et, de préférence, les iodures d'hydrocarbyle., c'est-à-dire des composés formés par remplacement, au moyen d'halogène d'au moins un atome d'hydrogène d'une molécule organique ne contenant que du carbone et de l'hydrogène, et, d'autre part, tout composé qui dans les conditions de réaction est susceptible de conduire à l'apparition d'un halogénure de méthyle dans le milieu réactionnel, en particulier C12, Erp, I2 y HCl, HBr, HI CoBr2, CoI2, RuCl3 et RuI3 - L'invention envisage notamment l'utilisation des chlorures, bromures et iodures d'alcoyles inférieurs ayant de 1 à 4 atomes de carbone dans la molécule, tels que le bromure et l'iodure de méthyle, le bromure et l'iodure d'éthyle. De préférence, on utilise l'iodure de méthyle et/od. l'une. de ses sources potentielles choisies parmi l'iode, l'acide iodhydrique, l'iodure de cobalt, et l'iodure de ruthénium. Selon la présente invention, le rapport molaire X / Co X provenant de l'halogénure covalent est au moins égal à 2. Il n'est pas souhaitable de dépasser la valeur de 100 pour ce rapport, notamment pour des raisons technologiques, en particulier pour limiter les risques de corrosion de l'appareillage. De bons résultats sont obtenus pour un rapport X / Co de l'ordre de 10 à 50. Le procédé selon l'invention est réalisé en présence de cobalt. N'importe quelle source de cobalt susceptible de réagir avec l'oxyde de carbone dans le milieu de réaction pour donner des complexes carbonyles du cobalt peut être utilisée dans le cadre de. la présente invention. / Des sources typiques de cobalt sont par exemple le cobalt métallique finement divisé, des sels inorganiques tel que le carbonate de cobalt, des sels organiques, en particulier d'un acide gras. Peuvent également être employés les cobalt-carbonyles, hydrocarbonyles, ou leurs complexes. Parmi. les dérivés du cobalt convenant pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut citer l'acétate et le formiate de cobalt, les halogénures de cobalt, en particulier l'iodure de cobalt, le dicobaltoctacarbonyle. On opère avec une quantité efficace de cobalt. En général cette quantité est comprise entre 0,1 et 100, et de préférence, entre 0,5 et milliatomes-grammes de cobalt par litre de milieu réactionnel. Le procédé selon l'invention nécessite également la présence de ruthénium. La forme précise sous laquelle le ruthénium est engagé à la réaction n'est pas fondamentale, dans le cadre de la présente invention. On peut utiliser le ruthénium métallique sous forme finement divisée, ou des composés du ruthénium, tels que RuCl3, RuI3, RuO2, Ru3(CO)12 et RU(C5H702)3 La quantité de ruthénium à mettre en oeuvre dans le cadre du présent procédé doit être d'au moins 2 atomes-grammes de ruthénium par atome-gramme de cobalt engagé à la réaction. De préférence, le rapport du ruthénium au cobalt est supérieur ou égal à 5. Il n'est pas utile de dépasser la valeur de 20 pour ce rapport. Le procédé de carbonylation selon la présente invention est conduit de préférence en phase liquide. Comme on opère le plus souvent avec du méthanol en excès, l'emploi simultané d'un solvant supplémen- taire est généralement superflu mais on peut en principe faire usage de tels solvants, par exemple d'hydrocarbures, d'esters, d'éther et des produits de la réaction. Dans le cadre du présent procédé, il n'est pas nécessaire de purifier ou de déshydrater le méthanol au préalable. On peut utiliser du méthanol de qualité technique. Selon le présent procédé, on fait réagir sur le méthanol un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Il est essentiel que ledit mélange renferme au moins 25 % en mole d'hydrogène. En général, / on peut utiliser des mélanges renfermant jusqu'à 95 % d'hydrogène. On utilise de préférence des mélanges renfermant de 40 à 80 % d'hydrogène. Le mélange de gaz peut renfermer des impuretés telles que, par exemple, du dioxyde de carbone, de l'oxygène, du méthane et de l'azote. La réaction est mise en oeuvre sous une pression totale généra- lement comprise entre 50 et 400 bars. De préférence cette pression est comprise entre 100 et 350 bars. La température de réaction est d'au moins 18Q G environ et peut atteindre 2400C lorsqu'on opère sans solvant. Lorsqu'on met en oeuvre un solvant, ce qui demeure facultatif dans le cadre de la présente invention la température peut atteindre 3001C. De préférence on opère dans la gamme de température allant de 200 à 2400 C. Lés exemples ci-après illustrent la présente invention sans toutefois en limiter le domaine ou l'esprit. N.B. Par éthanol "réalisable" on entend la quantité totale d'éthanol libre ou bloqué sous forme d'éthers et d'esters. Exemple 1 Dans un autoclave en acier inoxydable Z8 - CNDT 17-12 (norme AFNOR), de 250 ml de capacité, on charge: 95 ml de méthanol, 5 ml d'eau, 521 mg d'iodure de méthyle (3,67 m Mol), 1,8 g d'iodure de sodium (12 m Mol), 0,127 m At-g de cobalt sous la forme de dicobalt- octacarbonyle et 0,657 m At-g de.ruthénium sous la forme de triru- thénium dodécacarbonyle. Après fermeture de l'autoclave on établit une pression de 140 bars-à:l'aide d'un.mélange CO / H2 équimoléculaire. L'agitation par un système de va et vient est alors mise en route et l'autoclave est porté à 215'C, en 25 minutes environ. La pression dans l'autoclave atteint alors 210 bars et elle est maintenue entre 220 et 260 bars par des recharges périodiques d'un mélange CO I H2: 1/2. Après 1 heure 15 minutes de réaction à la température indiquée, le chauffage et l'agitation sont arrêtés; l'autoclave est refroidi et dégazé. Le mélange réactionnel est dilué et analysé par chromatographie gazeuse. Il contient 15,2 g d'éthanol, 4,48 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle et 0,88 g d'éther diéthylique. La productivité exprimée par rapport à l'éthanol réalisable est de 160 g par heure et par litre, et de 2100 g par heure et par gramme de cobalt. Les essais ci-après ne rentrent pas dans le cadre de la présente invention et ne sont donnés qu'à titre comparatif. Essai témoin a: On a reproduit l'exemple 1 ci-avant en l'absence de triru- thénium dodécacarbonyle on nta pas obtenu d'éthanol. Essai témoin b On a reproduit l'exemple 1 ci-avant en l'absence de dicobalt- octacarbonyle (la pression étant maintenue entre 220 et 260 bars par des recharges périodiques d'un mélange CO / H2 équimoléculaire). Après 1 heure 30 minutes de réaction on a obtenu 1,63 g d'éthanol et 0,83 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. Essai témoin c On a reproduit l'exemple 1 ci-avant en ne chargeant que 0,117 m At-g de ruthénium sous forme de triruthénium dodécacarbonyle. On a obtenu 6 g d'éthanol et 2,15 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La productivité en éthanol réalisable n'est que de 55 g/h x 1. Exemple 2 En suivant le mode opératoire décrit précédemment on a chargé 0,118 m Atg de cobalt sous forme de dicobalt octacarbonyle, 0,94 m At-g de ruthénium sous forme de triruthénium dodécacarbonyle, 12 m Mol d'iodure de potassium, 4,67 m Mol d'iodure de méthyle et 100 ml de méthanol. La température était dE 205'C et la pression dans l'autoclave a été maintenue entre 220 et 250 bars par des recharges périodiques d'un mélange CO / H2: 2/3. En une heure de réaction on a obtenu 15,1 g - d'éthanol et 7,33 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La productivité en éthanol réalisable est de 210 g par heure par litre et 3000 g par heure par gramme de cobalt. Exemple 3 En suivant le mode opératoire décrit précédemment on a chargé 3 m Mol d'iodure de sodium, 6,8 m Mol d'iodure de méthyle, 95 ml de méthanol, 5 ml d'eau, 2,64 m At-g de ruthénium sous forme de triru- thénium dodécacarbonyle, et 0,48 m At-g de cobalt sous forme de dicobalt octacarbonyle. La température de réaction était de 215 C et la pressiondans l'autoclave a été maintenue entre 145 et 155 bars par des recharges périodiques d'un mélange GO / H2: 1/2. En 30 minutes de réaction on a obtenu 4,15 9 d'éthanol et 2,9 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. Pr: 130 g-AT;xl et 450 g/h x g (Co). Exemple 4 En suivant le mode opératoire décrit précédemment on a chargé ml de méthanol, 0,128 m At-g de cobalt sous forme d'iodure de cobalt, 1,66 m Atg de ruthénium sous forme d'iodure de ruthénium, 12 m Mol d'iodure de potassium. La température de réaction était de 205 C et la pression dans l'autoclave a été maintenue entre 180 et 250 bars par des recharges périodiques d'un mélange C0 / H2 équimo- léculaire. En 40 minutes de réaction on a obtenu 11,2 g d'éthanol et 7,7 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La productivité en éthanol réalisable est de 270 g/h x 1 et de 3600 g /h x g (Co). Exemple 5 En reproduisant le mode opératoire décrit précédemment on a chargé 3,58 m Mol d'iodure de méthyle, 90 ml de méthanol, 10 ml d'eau, 12 m Mol de bromure de sodium, 0,66 m At-g de ruthénium sous forme de triruthénium dodécacarbonyle, et 0,132 m At-g de cobalt sous la forme de dicobalt octacarbonyle. La température de réaction étant de 215 C et la pression dans l'autoclave a été maintenue entre 230 et 250 bars par des recharges périodiques d'un mélange CO / H2: 1/2. En 40 minutes de réaction on a obtenu 5,24 g d'éthanol et 1,9 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La productivité en éthanol réalisable est de 100 g/h x 1 et de 1300 g/h x g (Co>. / Exemple 6 En reproduisant le mode opératoire décrit précédemment on a chargé 12 m Mol d'iodure de lithium, 3,85 m Mol de bromure de butyle, 0,117 m At-g de cobalt sous forme de dicobalt octacarbonyle, 0,66 m At-g de ruthénium sous la forme de triruthénium dodécarbonyle, 90 ml de méthanol et 10 ml d'eau. La température de réaction était de 225 0C et la pression dans l'autoclave a été maintenue entre 200 et 235 bars au moyen de recharges périodiques d'un mélange CO / H2: 1/2. En 40 minutes de réaction on a obtenu 10,4 g d'éthanol et 0,5 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La productivité en éthanol réalisable est de 170 g/h x i et de 2500 g/h x g (Co). Exemple 7 En suivant le mode opératoire décrit précédemment on a chargé 95 ml de méthanol, 5 ml d'eau, 0,126 m At-g de cobalt sous la forme de dicobalt octacarbonyle, 0,66 m At-g de ruthénium sous forme de triruthé- nium dodécarbonyle, 1,5 m Mol d'iodure de sodium et 3,46 m Mol d'iodure de méthyle. La température de réaction était de 215 0C et la pression dans l'autoclave a été maintenue entre 220 et 260 bars au moyen de recharges périodiques d'un mélange CO / H2: 1/2. En 30 minutes de réaction on a obtenu 11,7 g d'éthanol et 5,45 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La productivité en éthanol réalisable est de 330 g/h x 1 et de 4400 g/h x g (Co). Exemple 8 En suivant le mode opératoire décrit précédemment on a chargé 12 m Mol d'iodure de tétraéthylammonium, 3,57 m Mol d'iodure de méthyle 0,126 m Atg de cobalt sous forme de dicobalt octacarbonyle, 0,66 m At-g de ruthénium sous la forme de triruthénium dodécacarbonyle, 90 ml de méthanol et 10 ml d'eau. La température était de 220 C et la pression dans l'autoclave a été maintenue entre 210 et 260 bars au moyen de recharges périodiques d'un mélange CO / H2: 1/2. En 40 minutes de réaction on a obtenu 11,5 g d'éthanol et 3,40 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La productivité en éthanol réalisable est de 220 g/h x 1 et de 3000 g/h x g (Co). / Exemple 9 En utilisant le mode opératoire décrit précédemment on a chargé 1,3 m Atg de ruthénium sous forme de triruthénium dodécacarbonyle, 0,12 m At-g de cobalt sous la forme de dicobalt octacarbonyle, 90 ml de méthanol, lO ml d'eau, 3,64 m Mol d'iodure de méthyle, 6 m Mol d'iodure de sodium. Après fermeture de l'autoclave on a établit une pression de 140 bars à l'aide d'un mélange CO / H2: 1/2. Après mise en route de l'agitation, on porte l'autoclave à 2151C. La pression dans l'autoclave atteint alors 220 bars, et elle est maintenue entre 220 et 260 bars par des recharges périodiques de ce mélange CO / H2. Dans ces conditions et après 1 heure 15 minutes de réaction on a obtenu 14,1 9 d'éthanol et 4,8 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La produc- tivité en éthanol réalisable est de 150 g/h x 1 et de 2100 g/h x g (Co). Exemple 10 On a reproduit l'exemple 7, en chargeant une quantité double d'iodure de sodium. Toutes conditions égales par ailleurs on a obtenu 13,2 g d'éthanol et 5,10 g d'oxyde de méthyle et d'éthyle. La productivité en éthanol réalisable est de 350 g/h x 1 et de 47G00 g/h x g (Co). . - N REVENDICATIONS 1 - Procédé d'hydrocarbonylation du méthanol en éthanol en Cprésence de cobalt, caractérisé en ce qu'on opère en présence simultanée de ruthénium, d'un halogénure ionique et d'un halogénure covalent, le rapport molaire Ru/Co étant supérieur à 2. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on opère en phase liquide. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogénure ionique est un iodure. 4 - Procédé selon les revendications I ou 3, caractérisé en ce que le cation de l'halogénure ionique est choisi parmi les cations ammonium, les cations ammonium quaternaires, les cations phosphonium et les cations phosphoniums quaternaires. - Procédé selon les revendications I ou 3 caractérisé en ce que le cation de l'halogénure ionique est choisi parmi les cations alcalins et les cations alcalino-terreux. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogénure covalent est choisi parmi les chlorures, les bromures et les iodures d'alcoyle (s) ayant de I à 4 atomes de carbone dans la molécule. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogénure covalent est choisi parmi le chlore, le brome et l'iode moléculaires et les acides halohydriques correspondants. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogénure covalent est choisi parmi le bromure et l'iodure de cobalt, le bromure et l'iodure de ruthénium. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 6, 7 ou 8 caractérisé en ce que l'halogénure covalent est un iodure. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'halogénure covalent est choisi parmi l'iodure de méthyle, acide iodhydrique et l'iode; 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport molaire X / Co, X provenant de l'halogénure ionique, est supérieur ou égal à 5. 12 - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le rapport X / Co est compris entre 10 et 100 environ. 13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport molaire X / Co, X provenant de 1'halogénure covalent est supérieur ou égal à 2. - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le rapport X / Co est compris entre 10 et 50. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on opère en présence de 0,1 à 100, de préférence de 0,5 à 50 milliatomes-grammes de cobalt par litre de milieu réactionnel. 16 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport molaire Ru / Co est compris entre 5 et 20. - Procédé selon précédentes, caractérisé en entre 50 et 400 bars. - Procédé selon précédentes, caractérisé en entre 100 et 200 bars. - Procédé selon précédentes, caractérisé en DC. - Procédé selon précédentes, caractérisé en et 240'C. l'une quelconque des revendications ce que la pression totale est comprise l'une quelconque des revendications ce que la pression totale est comprise l'une quelconque des revendications ce que la température est d'au moins l'une quelconque des revendications ce que la température est comprise entre