Brevet FR2474485A1 — publié le 19810731

1. Les composés aromatiques à substituant alcényle sont les matières premières importantes pour la production de résines, de matières plastiques, de caoutchoucs, de solvants, de composés chimiques intermédiaires, etc. Des procédés de production de composés aroma- tiques à substituant alcényle sont souvent caractérisés par de faibles taux de transformation qui nécessitent le recyclage de grandes quantités de charges non transformées. De nombreux procédés connus nécessitent la présence d'un grand volume de vapeur d'eau ou d'un autre diluant gazeux, ce qui est un inconvénient du point de vue économique. Dans certains procédés, le rendement de transformation en produit aromatique à substituant alcényle est réduit à cause de la formation d'une proportion relativement grande d'oxydes de carbone et d'autres sous-produits. Dans un procédé industriel bien connu, des hydro- carbures alkylaromatiques à radical alkyle en C2 ou C3 (par exemple l'éthylbenzène, l'éthyltoluène et l'isopropylbenzène) sont convertis en dérivés de styrène par passage de la charge d'hydrocarbure alkylaromatique et de vapeur d'eau sur un catalyseur formé de Fe2O3. La transformation par passage est de 35 à 40 % et des températures relativement hautes sont nécessaires pour la réaction de déshydrogénation par voie d'oxydation. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 299 155, illustrant d'autres procédés de déshydrogénation par voie d'oxydation, décrit un procédé de production d'alcényl- benzènes qui implique la mise en contact d'un mélange d'un composé benzénique à substituant éthyle (ou isopropyle) et d'anhydride sulfureux en phase vapeur avec un catalyseur formé d'un phosphate métallique tel que le phosphate de calcium. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 409 696 décrit un procédé qui implique la mise en contact d'un mélange d'un hydrocarbure alkylaromatique à radical alkyle en C2 à C4 et de vapeur d'eau à une température de 500 à 6500C avec un catalyseur contenant 20 à 60 % en poids d'un composé de bismuth (par exemple l'oxyde de bismuth) fixé sur un support de phosphate de calcium dont au moins 90 % du volume 2. total des pores sont formés par des pores ayant un diamètre de- à 600 nanomètres. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 733 327 décrit un procédé d'oxydéshydrogénation destiné à la transfor- mation d'un composé alkylaromatique à radical alkyle en C2 à C6 en le composé alcénylaromatique à radical alcényle en C2 à C6 correspondant, qui consiste à faire entrer un mélange de la matière première et d'oxygène, à 400-6500C, en contact avec un catalyseur formé de phosphate de cérium ou de phosphate de cérium-zirconium. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 957 897 décrit un procédé d'oxydéshydrogénation de composés alkyl- aromatiques à radical alkyle en C2 à C6, qui implique l'utilisation d'oxygène, d'une température de 450 à 6501C dans la zone de réaction, d'une vitesse spatiale de 55 à 2500 et d'un catalyseur qui est au moins un composé choisi entre les pyrophosphates de calcium, de magnésium et de strontium. Plus récemment, on a attaché une importance croissante aux effets qui risquent de nuire à l'environnement en relation avec la production de résines synthétiques. Dans le moulage d'articles façonnés de grandes dimensions, par exemple, des composants volatils d'une formulation mono- mérique polymérisable tendent parfois à s'évaporer des surfaces exposées de moules fraîchement revêtus. Divers moyens ont été envisagés pour réduire la proportion de vapeurs s'échappant d'une installation de production de résines synthétiques. L'un des procédés implique le remplacement de monomères volatils d'une formulation par des monomères qui ont une plus basse tension de vapeur. Il est ainsi avantageux de remplacer le styrène par un composé alcénylaromatique tel que le tertiobutylstyrène dans une formulation polymérisable qui renferme le styrène volatil comme comonomère. On a trouvé comme autre considération que le tertiobutylstyrène était avantageusement présent comme comonomère dans la préparation de copolymères ou comme agent de maturation pour des matières plastiques renforcées par des fibres, parce qu'il améliore l'aptitude au moulage de 3. formulations polymérisables et parce qu'il réduit le retrait au moulage d'articles moulés en matières plastiques. Les avantages du tertiobutylstyrène en tant que comonomère dans des systèmes de résines ont encouragé la recherche de procédés perfectionnés de synthèse de ce type de composés alcénylaromatiques à poids moléculaire élevé. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 932 549 décrit un procédé de production de tertiobutylstyrène, qui consiste à faire réagir du tertiobutylbenzène avec de l'éthylène et de l'oxygène à 50-300 C en présence d'un catalyseur préparé par traitement à la pyridine de palladium métallique ou d'un sel d'acide gras de ce métal. D'autres procédés connus pour la production du tertiobutylstyrène impliquent une oxydéshydrogénation du tertiobutyléthylbenzène. Les procédés brevetés du type défini ci-dessus pour l'oxydéshydrogénation de composés alkyl- aromatiques à radical alkyle en C2 à C6 sont généralement applicables à la transformation du tertiobutyléthylbenzène en tertiobutylstyrène. Toutefois, la réactivité chimique du tertiobutyl- éthylbenzène dans des conditions d'oxydéshydrogénation est plus complexe que celle de structures chimiques plus simples telles que l'éthylbenzène ou l'éthyltoluène. Le substituant tertiobutyle du tertiobutyléthylbenzène est susceptible d'un craquage dans des conditions d'oxydéshydrogénation en donnant du méthane et un substituant isopropényle résiduel sur le noyau benzénique. En conséquence, l'un des ultimes sous- produits de l'oxydéshydrogénation du tertiobutyléthylbenzène est un dérivé dialcényl-benzénique tel que l'isopropényl- styrène. Du fait de la présence de deux ou plusieurs groupes alcényle polymérisables, un composé tel que l'isopropénylstyrène tend à subir une activité de réticulation et à former des sous-produits insolubles au cours des cycles à haute température de transformation de la matière première et de séparation du produit dans un procédé d'oxydéshydro- génation. Des échangeurs de chaleur et des colonnes de distillation peuvent être rendus inopérants par le dépôt de résidus polymériques de haut poids moléculaire. 4. En outre, la présence d'une impureté du type de l'isopropénylstyrène, notamment d'une quantité variable d'une telle matière, dans le tertiobutylstyrène purifié peut compliquer ou même interdire l'application du âtertiobutyl- styrène contaminé comme comonomère dans des formulations polymérisables. En conséquence, l'invention a pour but de trouver un procédé d'oxydéshydrogénation de composés aromatiques à substituant alkyle en C2 à C6 en dérivés aromatiques à substituant alcényle correspondants. Un autre but de l'invention est de trouver un procédé de transformation du tertiobutyléthylbenzène en tertiobutylstyrène dans des conditions modérées avec un haut degré de transformation de la matière première et de sélectivité à l'égard du produit. Un autre objectif de la présente invention est de trouver un procédé de transformation du tertiobutyléthyl- benzène en tertiobutylstyrène avec une formation faible ou nulle de sous-produits dialcénylbenzéniques. L'invention a pour autre but de trouver un catalyseur nouveau destiné à des procédés d'oxydéshydro- génation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre. Un ou plusieurs des buts de la présente invention peuvent être atteints au moyen d'un procédé qui consiste à faire entrer un courant de charge contenant du tertiobutyl- éthylbenzène et de l'oxygène en phase vapeur en contact avec un catalyseur comprenant du phosphate de nickel-zirconium. Selon une forme de réalisation plus précise, l'invention propose un procédé de production de tertiobutyl- styrène dans des conditions d'oxydéshydrogénation, qui consiste à faire entrer une charge mixte formée de tertiobutyléthylbenzène et d'oxygène à une température comprise dans la plage d'environ 350 à 650 C, en contact avec un catalyseur au phosphate de nickel-zirconium coprécipité, dans lequel la sélectivité de transformation envers le 5. tertiobutylstyrène est au moins égale à 80 moles % et la sélectivité de transformation à l'égard d'un dialcénylbenzène est essentiellement égale à 0 mole %. Dans une autre forme de réalisation particulière, l'invention propose un procédé de production de tertiobutyl- styrène dans des conditions d'oxydéshydrogénation, qui consiste à faire entrer une charge mixte formée de tertiobutyléthylbenzène et d'oxygène à une température comprise dans la plage d'environ 350 à 6500C, en contact avec un catalyseur au phosphate de nickel-zirconium-cérium coprécipité, la sélectivité de transformation envers le tertiobutylstyrène étant au moins égale à 80 moles % et la sélectivité de transformation envers un dialcénylbenzène étant essentiellement égale à 0 mole %. Une température réactionnelle appréciée pour la réaction d'oxydéshydrogénation est une température qui est choisie dans la plage d'environ 400 à 6000C. La charge mixte de tertiobutyléthylbenzène et d'oxygène peut contenir des quantités d'autres hydrocarbures qui ne perturbent pas la réaction d'oxydéshydrogénation de l'invention, par exemple des hydrocarbures tels que des paraffines et/ou des hydrocarbures oléfiniques qui peuvent être présents dans des alkylbenzènes disponibles dans l'industrie. L'oxygène moléculaire entrant dans la composition de la charge mixte est de préférence présent en une quantité d'environ 0,2 à 5 moles par mole de tertiobutyléthylbenzène et notamment dans un rapport molaire de 0,8-2:1. L'oxygène peut être utilisé sous la forme d'air, d'oxygène pur du commerce ou d'air enrichi en oxygène. Il est avantageux d'inclure un diluant gazeux dans le courant de charge. Des exemples de diluants convenables comprennent l'anhydride carbonique, l'azote, des gaz nobles et la vapeur d'eau, individuellement ou en mélange. Le diluant est normalement utilisé en une quantité comprise entre environ 2 et 20 moles par mole de tertiobutyléthylbenzène contenu dans le courant de charge. 6. La pression utilisée dans le procédé d'oxydéshy- drogénation en phase vapeur peut être inférieure, égale ou supérieure à la pression atmosphérique. Une pression avantageuse pour le procédé en phase vapeur est une pression qui se situe dans la plage d'environ 7 à 1400 kPa. Des réacteurs convenables pour le procédé en phase vapeur comprennent des réacteurs à lit fixe ou des réacteurs à lit fluide, qui renferment la composition de catalyseur de l'invention, à base de phosphate denickel-zirconium ou de phosphate de nickel-zirconium-cérium. Le procédé peut être mis en oeuvre en continu ou en discontinu et le catalyseur peut être présent sous diverses formes, par exemple en lit fixe ou selon un système fluidisé. La durée de séjour (c'est-à-dire la durée de contact avec le catalyseur) du courant de charge dans le procédé en phase vapeur varie dans une plage d'environ 0,5 à secondes et elle a de préférence une valeur moyenne comprise dans la plage d'environ 1 à 15 secondes. La durée de séjour est la durée de contact rapportée à 250C et à la pression atmosphérique. La durée de contact se calcule en divisant le volume du lit de catalyseur (y compris les vides) par le débit en volume par unité de temps de la charge de catalyseur dans des conditions normales de température et de pression. Un aspect important du procédé de la présente invention réside dans l'utilisation d'une composition nouvelle de catalyseur formée de phosphate de nickel-zirconium ou de phosphate de nickel-zirconium-cérium coprécipité. Le catalyseur est doué de propriétés remarquables pour la transformation du tertiobutyléthylbenzène en tertiobutyl- styrène avec un rendement élevé de transformation, et avec une formation faible ou nulle de sous-produits du type dialcényl- benzénique. L'addition d'un composant métallique consistant en cérium à un catalyseur au phosphate de nickel-zirconium améliore manifestement la réactivité et la sélectivité du catalyseur envers la transformation du tertiobutyléthyl- benzène en tertiobutylstyrène. 7. La proportion atomique des métaux nickel:zirconium:cérium dans la composition de catalyseur peut varier dans la plage d'environ 5-20:1:0-1. Le composant phosphate est présent en une quantité au moins suffisante pour satisfaire les valences des éléments métalliques contenus dans lecatalyseur. On peut préparer le catalyseur en mélangeant un composé du type phosphate (par exemple l'acide phosphorique) avec des composés hydrosolubles des métaux respectifs nickel, zirconium (et cérium). Des exemples de composés hydrosolubles et partiellement hydrosolubles sont les chlorures, nitrates et sulfates de nickel, zirconium et cérium. Selon un mode opératoire apprécié, on ajuste le pH de la solution résultante de composés de nickel, de zirconium (de cérium) et du type phosphorique à environ 7 avec un réactif alcalin tel que l'hydroxyde d'ammonium. le coprécipité qui se forme est recueilli, lavé à l'eau puis séché. On a trouvé que l'activité de la composition de catalyseur était améliorée si la préparation de coprécipi- tation était calcinée dans une atmosphère inerte à une température comprise entre environ 300 et 6000C pendant une période d'environ 1 à 24 heures. La composition coprécipitée de phosphate de nickel-zirconium ou de phosphate de nickel-zirconium-cérium décrite ci-dessus peut être utilisée telle quelle, comme catalyseur, ou bien ladite composition peut être associée avec un diluant interne ou un substrat de support convenable. Le substrat de support est de préférence incorporé au cours de l'étape de formation du coprécipité dans la préparation du catalyseur. Le substrat de support doit être relativement réfractaire aux conditions utilisées dans le procédé de l'invention. Des substrats de support convenables comprennent (1) la silice ou le gel de silice, le carbure de silicium, des argiles et des silicates tels que ceux qui sont préparés par synthèse et ceux que l'on rencontre à l'état naturel, qui peuvent ou non être traités avec un acide, tels que l'attapulgite, la kaolinite, la terre de diatomées, la terre 8. de Fuller, le kaolin, l'amiante et le kieselguhr, (2) des matières céramiques, la porcelaine, de la brique réfractaire pilée et de la bauxite; (3) des oxydes inorganiques réfrac- taires tels que l'alumine, le bioxyde de titane, le bioxyde de zirconium, l'oxyde de chrome, l'oxyde de béryllium, l'oxyde de vanadium, l'oxyde de césium, l'oxyde d'hafnium, l'oxyde de zinc, l'oxyde de molybdène, l'oxyde de bismuth, l'oxyde de tungstène, l'oxyde d'uranium, la magnésie, l'oxyde de bore, l'oxyde de thorium, le mélange silice-alumine, silice- magnésie, oxyde de chrome-alumine, alumine-oxyde de bore et silicezircone; (4) des aluminosilicates zéolitiques cristallins tels que la mordénite et/ou la faujasite naturelles ou préparées par voie de synthèse, sous la forme hydrogène ou sous une forme qui a été traitée avec des cations multivalents; et (5) des spinelles tels que MgAl204, FeAl204, ZnAl204, MnAl204, CaAl204 et d'autres composés similaires qui répondent à la formule MO.A1203 dans laquelle M est un métal ayant la valence 2. Tel qu'on l'utilise dans le procédé de l'invention, le catalyseur peut être sous la forme de granules, de pastilles, de corps extrudés, de poudres, de tablettes, de fibres ou sous une autre forme physique avantageuse. Une composition appréciée du catalyseur de la présente invention répond à la formule: Ni5_20Zr1Ce01 (P04)x dans laquelle x est un nombre suffisant pour satisfaire les valences des composants métalliques. La composition appréciée du catalyseur de la présente invention convient à l'oxydéshydrogénation de composés hydrocarbonés tels que des alcènes en C3 à C10, des cyclo-alcènes en C4 à C10 et des composés alkylaromatiques à radical alkyle en C2 à C6 et elle offre un avantage particulier pour l'oxydéshydrogénation du tertiobutyléthyl- benzène et de l'éthyltoluène dans des conditions douces d'oxydation. 9. La présence du cérium comme composant métallique dans une composition de catalyseur au phosphate de nickel- zirconium-cérium de l'invention améliore manifestement la réactivité et prolonge la vie utile du catalyseur dans des conditions d'oxydéshydrogénation d'hydrocarbures. Les exemples suivants illustrent la présente invention. Les corps réactionnels et autres ingrédients particuliers ne sont que des exemples représentatifs et diverses modifications peuvent être apportées, à la lumière des indications données ci-dessus, sans sortir du cadre de l'invention. EXEMPLE 1 Cet exemple illustre la préparation et l'application d'un catalyseur d'oxydation au phosphate de nickel-zirconium. A. On prépare une suspension en mélangeant grammes de nitrate de zirconium (0,04 M) avec 50 grammes d'eau et en ajoutant de l'acide phosphorique (1,3 M) sous agitation. On ajoute à la suspension une solution de 11,6 grammes de nitrate de nickel (0,04 M) dans 20 g d'eau et on ajuste le pH du mélange en suspension à 7 par addition d'hydroxyde d'ammonium. On ajoute lentement en agitant au mélange en suspension une quantité additionnelle de 105 grammes de nitrate de nickel (0,36 M) dans 100 grammes d'eau, puis on ajuste le pH de la suspension à 7,2 avec de l'hydroxyde d'ammonium. On chauffe la suspension à une température d'environ 501C, on la maintient à cette température pendant une période d'environ 1 heure, puis on la laisse refroidir à la température ambiante. Le précurseur de catalyseur solide qui a précipité est séparé par filtration. Le précurseur de catalyseur recueilli est lavé à l'eau, puis séché dans une étuve à vide à 1200C. Le précurseur de catalyseur séché est calciné à 5500C sous une atmosphère d'azote pendant une période de 5 heures. 10. Lorsqu'on utilise un substrat de support, on l'incorpore de préférence au cours de l'étape initiale de formation de la suspension aqueuse. B. Une portion du catalyseur au phosphate de nickel- zirconium est broyée et tamisée en particules de 0,84 à 2,00 mm. On charge un volume de 1 cm3 du catalyseur dans un réacteur chauffé à l'électricité et on chauffe le réacteur à une température d'environ 4601C. On introduit par l'admission du réacteur un courant d'air de 10 ml/minute et un courant de tertiobutyl- éthylbenzène de 1 ml/heure. L'effluent du réacteur est refroidi et les composants liquides résultants sont recueillis. Le pourcentage de transformation du tertiobutyl- éthylbenzène est égal à 29 et le pourcentage molaire de sélectivité envers le tertiobutylstyrène est de 87,1. Le rendement de sélectivité relative envers des dialcényl- benzènes est inférieur à environ 0,28 mole %. EXEMPLE 2 Cet exemple illustre la préparation et l'utilisation d'un catalyseur d'oxydation au phosphate de nickel-zirconium-cérium. En suivant le mode opératoire de l'exemple 1, on ajoute de l'acide phosphorique (1,3 M) à une suspension aqueuse de 10 grammes de nitrate de zirconium (0,04 M), puis on ajoute 18 grammes de nitrate de cérium (III) (0,04 M). On ajoute à la suspension une solution aqueuse de 117 g de nitrate de nickel (0,4 M) et on ajuste le pH du milieu en suspension à environ 7,2 avec de l'hydroxyde d'ammonium. Le mélange en suspension ainsi obtenu est chauffé à une température de 500C pendant environ 1 heure, puis il est refroidi à la température ambiante. Le précurseur de catalyseur solide précipité est recueilli par filtration, séché à 1201C dans une étuve à vide, puis calciné à 5500C sous une atmosphère d'azote pendant une période de 5 heures. En suivant le mode opératoire de l'exemple 1, on fait entrer un courant de charge de tertiobutyléthylbenzène et 11. d'air en contact, à une température d'environ 450-460 C, avec le catalyseur au phosphate de nickel-zirconium-cérium décrit ci-dessus. Les liquides et les gaz de l'effluent de produit sont analysés par chromatographie en phase gazeuse. Le pourcentage de transformation du tertiobutyl- éthylbenzène est de 43 % et le pourcentage molaire de sélectivité à l'égard du tertiobutylstyrène est de 87,8 %. Le rendement de sélectivité relative envers des dialcényl- benzènes est inférieur à environ 0,16 mole %. Lorsqu'un catalyseur au phosphate de nickel- zirconium-cérium contient comme composant métallique Ce(IV) plutôt que Ce(III), le rendement en sous-produits dialcényl- benzéniques tend à croître. EXEMPLE 3 On prépare un catalyseur au phosphate de nickel- zirconium-cérium en suivant le mode opératoire de l'exemple 2 et en multipliant par trois les proportions relatives des composants chimiques. On charge une portion de 100 cm3 (62 g) du catalyseur en poudre (particules de 0,84 à 2,00 mm) dans un réacteur qui consiste en un tube d'acier inoxydable de 1,27 cm de diamètre sur 60,96 cm de longueur. Le réacteur et une partie de la conduite de charge plonge dans un bain de sel fondu. Le courant de charge consiste en un mélange de 86 g/heure de tertiobutyléthylbenzène, 750 ml/minute d'air et 1100 ml/minute d'azote et la température maximale dans la zone de réaction d'oxydation est d'environ 490WC. Le pourcentage de transformation du tertiobutyl- éthylbenzène est de 34 % et le pourcentage molaire de sélectivité à l'égard du tertiobutylstyrène est de 86,4 %. L'analyse chromatographique en phase gazeuse du mélange sortant de produits ne donne aucun indice de la présence de composés dialcénylbenzéniques quelconques. Si l'on remplace le tertiobutyléthylbenzène par l'éthyltoluène dans le procédé d'oxydation décrit ci-dessus, on note une sélectivité à l'égard du vinyltoluène d'au moins moles %. 12. REVENDICATIONS 1. - Procédé de production de tertiobutylstyrène, caractérisé en ce qu'il consiste à faire entrer un courant de charge contenant du tertiobutyléthylbenzène et de l'oxygène en phase vapeur en contact avec un catalyseur contenant du phosphate de nickel-zirconium. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur est un phosphate de nickel-zirconium-cérium. 3. - Procédé de production de tertiobutylstyrène dans des conditions d'oxydéshydrogénation, caractérisé en ce qu'il consiste à faire entrer une charge mixte formée de tertiobutyléthylbenzène et d'oxygène, à une température comprise dans la plage d'environ 350 à 650 C, en contact avec un catalyseur au phosphate de nickel-zirconium coprécipité, la sélectivité de transformation à l'égard du tertiobutylstyrène étant au moins égale à 80 moles % et la sélectivité de transformation à l'égard du divinylbenzène étant essentiel- lement égale à 0 mole %. 4. - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la charge mixte contient 0,2 à 5 moles d'oxygène moléculaire par mole de tertiobutyléthylbenzène. 5. - Procédé suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que la charge mixte contient un diluant inerte gazeux. 6. - Procédé suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que la charge mixte contient de l'azote et/ou de l'anhydride carbonique et/ou de la vapeur d'eau comme diluant inerte gazeux. 7. - Procédé suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que la durée de contact entre le courant de charge et le catalyseur se situe dans la plage d'environ 0,5 à secondes. 8. - Procédé suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que le catalyseur est du phosphate de nickel- zirconium-cérium. 9. - Procédé suivant la revendication 8, carac- térisé en ce que les éléments métalliques respectifs nickel, 13. zirconium et cérium sont présents dans le catalyseur dans une proportion atomique d'environ 5-20:1:0-1. 10. - Procédé suivant la revendication 9, carac- térisé en ce que le catalyseur est porté par un substrat de support. 11. Procédé de production de vinyltoluène, caractérisé en ce qu'il consiste à faire entrer un courant de charge contenant de l'éthyltoluène et de l'oxygène en phase vapeur en contact avec un catalyseur comprenant du phosphate de nickel-zirconium. 12. - Procédé suivant la revendication 11, carac- térisé en ce que le catalyseur consiste en phosphate de nickel-zirconiumcérium. 13. - Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la sélectivité de transformation envers le vinyltoluène est au moins égale à 80 moles %. 14. - Catalyseur coprécipité convenant à des réactions d'oxydéshydrogénation, caractérisé en ce qu'il répond à la formule: Ni5_20Zr1Ce0o_1 (PO4)x dans laquelle x est un nombre suffisant pour satisfaire les valences des éléments métalliques contenus dans le catalyseur. 15. - Catalyseur coprécipité suivant la revendi- cation 14, caractérisé en ce que le cérium est sensiblement à l'état de valence plus trois. 16. - Catalyseur coprécipité suivant la revendi- cation 14, en association avec un substrat de support.