Brevet FR2495015A1 — publié le 19820604

PROCEDE POUR LA PREPARATION DE CATALYSEURS A BASE D'OXYDES I)E MOIYBDENE ET/OU DE TUNXSTENE ET D'OXYDES D'AUTRES METAUX. La présente invention a pour objet un perfectionnement à la préparation de catalyseurs. Elle concerne plus particulièrement la préparation de catalyseurs à base d'oxydes de molybdène, et/ou de tungstène. De tels catalyseurs sont connus dans l'art antérieur. Ils sont utilisés, en particulier, pour la préparation d'aldéhydes e-B insa- turés par oxydation d'oléfines en phase gazeuse. C'est ainsi que le brevet français n0 1 514 167 décrit des catalyseurs pour la préparation d'aldéhydes insaturés par oxydation d'oléfines telles que le propylène et l'isopropylène par l'air ou l'oxygène de l'air. répondant à la formule générale Ni Co Fe Bi As P. Mo O a b c d e f g h avec a compris entre 0 et 20, b entre O et2O,(a + b entre 0,5 et ), c entre 0,5 et 8, d entre 0,1 et 7, e entre O et 3, f inférieur à 0,1, g égal à environ 12, h compris entre 36 et 98. Ces catalyseurs sont préparés en ajoutant une solution aqueuse de sels solubles dans l'eau convenables de nickel, cobalt, fer et bismuth, d'un composé d'arsenic convenable et d'un composé du phos- phore convenable à une solution aqueuse d'un molybdate convenable tel que le molybdate d'ammonium. La bouillie résultante est alors chauffée, avec un support si on le désire, pour éliminer l'eau et sécher le gâteau solide qui se forme. Le gâteau solide est ensuite calciné à une température élevée dans l'air. Des sels solubles dans l'eau convenables, mentionnés dans le brevet précité, sont le nitrate de nickel, le nitrate de cobalt, le nitrate ferrique, et le nitrate de bismuth par exemple. Le brevet français n0 1 604 942 se rapporte à un procédé de préparation d'acroléine qui consiste à oxyder le propylène en phase gazeuse, avec un gaz contenant de l'oxygène et de la vapeur d'eau, en présence d'un catalyseur à base d'oxydes de molybdène, de bis- muth, de fer et de cobalt dont la teneur en atome est la sui- vante Mo 40,0 à 67,7 Z; Bi 1,9 à 21,7 %; Fe 1,6 à 6,5 % et Co 21,0 à 48,1 %. Le procédé de préparation de ces catalyseurs décrit dans ce brevet consiste A ajouter dans une solution aqueuse {le molybdate d'ammoniumr vigoureusement agitée une solution aqueuse de nitrate de fer, cobalt et bismuth. Ensuite, on élimine l'eau et on calcine le produit résultant éventuellement sur un support. Un autre document de l'art antérieur, la demande de brevet français n 72. 20810, publiée sous le numéro 2 147 933 fait état d'un procédé de préparation de composés à groupe carbonyle insatu- rés à partir d'oléfines. Selon ce procédé, on conduit l'oxydation catalytique en présence d'un oxyde catalytique dans lequel les rap- ports atomiques des éléments catalytiques constitutifs Co/Fe/Bi/W/Mo/Si/Tl/Z (Z = métaux alcalins et alcalino-terreux) sont 2,0 à 20,0/0,1 à 10,0/0,1 à 10,0/0,5 à 10,0/2,0 à 11,5/ 0,5 à 15,0/0,005 à 3, 0/0 à 3,0 sous réserve que W + Mo soit égal à 12,0. On peut préparer ces catalyseurs en mélangeant des solutions aqueuses de molybdate d'ammonium et de p-tungstate d'ammonium, en ajoutant au mélange les solutions aqueuses de nitrate de cobalt, nitrate ferrique, nitrate de bismuth, nitrate de thallium, ainsi que la solution aqueuse d'un hydroxyde ou d'un nitrate d'un métal alcalin ou alcalino-terreux. On évapore ensuite l'eau et on calcine le produit obtenu éventuellement sur support. On connait encore dans l'art antérieur, la demande de brevet d'invention n 76.27531, publiée sous le numéro 2 364 061 qui dé- crit un catalyseur à base d'oxyde de cobalt, de molybdène, de bis- muth et de fer de formule Co Mo12 Feb Bi Ox avec a compris entre a 12 b c x 8 et 10, b entre 0,5 et 2, c entre 0,5 et 2 et x satisfaisant aux valences dans lequel la phase active contient une phase répondant à la formule Bi2 Mo2 Fe2 O12. Ces catalyseurs permettent d'obtenir des rendements très sensiblement améliorés lors, par exemple, de l'oxydation d'oléfines en aldéhydes a-d insaturés. On prépare ces catalyseurs en faisant réagir une solution d'heptamolybdate d'ammonium et une solution de nitrates de Co, Bi et Fe. On évapore ensuite l'eau et on sèche la pâte. Le solide ob- tenu est soumis après une éventuelle pré-calcinatlon à environ 450 C à une première calcination à une température comprise entre 450 C et 500'C pendant au moins 5 heures puis, après refroidisse- ment, à température ambiante à une deuxième calcination dans les mêmes conditions que la première. On constate donc que dans l'art antérieur, il existe un grand nombre de documents décrivant la mise en oeuvre pour l'oxydation par l'air d'oléfines - et, en particulier, pour l'oxydation de pro- pylène en acroléine - de catalyseurs à base principalement d'oxydes de cobalt, fer, bismuth et molybdène. Un certain nombre d'oxydes d'autres métaux ont été proposés comme adjuvants à la composition de base. On constate également que les procédés de préparation de ces catalyseurs font tous intervenir dans la première étape, la réaction entre l'heptamolybdate d'ammonium et les nitrates de fer, cobalt et bismuth. Il se forme lors de cette réaction du nitrate d'ammonium qui se décomposera thermiquement à environ 220'C lors d'une calcination postérieure. Il est clair que cette décomposition thermique du nitrate d'ammonium pose de sérieux problèmes pratiques. En effet, l'homme de l'art sait bien que le nitrate d'ammonium est un composé explo- sif et, à ce titre, est d'une manipulation à l'échelle industrielle dangereuse. Il est à souligner que dans la pratique industrielle, il est extrêmement difficile, sinon impossible, de s'affranchir de la pré- sence simultanée de sels d'ammonium et de nitrates. On constate donc que subsiste dans l'art antérieur le besoin d'un procédé permettant la préparation de catalyseurs à base notam- ment d'oxydes de molybdène et/ou de tungstène, faisant intervenir la réaction d'au moins un sel d'ammonium et d'au moins un nitrate de ces métaux dans lequel 11 n'y ait pas de risque, lors des opé- rations ultérieures de calcination, de décomposition thermique du nitrate d'ammonium. La demanderesse a découvert un procédé atteignant cet objec- tif. La présente invention a donc pour objet un procédé de prépara- tion de catalyseurs comportant une phase active répondant à la formule générale: A Mo W Co Bb O a c d e bx dans laquelle - A représente au moins un métal choisi parmi le groupe com- prenant le nickel, l.e manganèse, le plomb, - B représente au moins un métal choisi parmi le groupe com- prenant le fer, le bismuth, le chrome, le thallium, - a représentant la somme des indices affectés à chacun des métaux A, est supérieur ou égal à O et inférieur ou égal à environ - c et d sont chacun supérieurs ou égaux à O et inférieurs ou égaux à 12, leur somme c + d étant égale à environ 12; - e est supérieur ou égal à environ 8 et inférieur ou égal à environ 12 - b représentant la somme des indices affectés à chacun des métaux B, est supérieur à O et inférieur ou égal à environ 1,5[(c+d)-(a+e)J - et x satisfait aux valences procédé du type selon lequel dans une première étape, on mélange en phase aqueuse des sels des métaux entrant dans la composition de la phase active, le molybdène et/ou le tungstène étant sous forme de sels d'ammonium et au moins l'un des métaux A et B étant sous forme d'un nitrate, dans une deuxième étape on sèche la pâte obtenue et dans une troisième étape, on effectue au moins une calcination du solide obtenu éventuellement déposé sur un support, procédé carac- térisé en ce que dans la première étape, l'on acidifie une première solution aqueuse contenant les sels d'ammonium de molybdène et de tungstène en quantités permettant d'atteindre les valeurs c et d jusqu'à un pli compris entre 0," environ et 3 environ; l'on sépare le précipité obtenu que l'on met ensuite en suspension dans de l'eau, de façon à obtenir une suspension ayant un pH compris entre environ 1,5 et environ 2,5; l'on ajoute à la suspension une deu- xième solution aqueuse contenant les sels des métaux A et B en quantités permettant d'atteindre les valeurs a et b; puis, ulté- rieurement, l'on ajoute du carbonate de cobalt sous forme de poudre en quantité permettant d'atteindre la valeur e; et l'on évapore la solution obtenue pour obtenir la dite pate. Le procédé selon l'invention est basé sur le fait que quand on acidifie la solution contenant les sels d'ammonium de molybdène et/ou de tungstène, de l'acide molybdique et/ou tungstique précipite et les ions ammonium restent en solution; ces derniers peuvent être éliminés par filtration par exemple. Les ions ammonium élimi- nés de façon quasi-quantitative, Il n'y a plus de risque de voir se former dans la suite du procédé, du nitrate d'ammonium. Mais la suspension d'acide molybdique et/ou tungstique est acide (son pH est compris entre environ 1,5 et environ 2). Si alors on ajoute les autres métaux (cobalt, A et B) tous sous forme de nitrates, on abaisse encore le pH qui peut devenir inférieur à 0,5. A ce pH, on n'observe pas une précipitation satisfaisante des métaux, en parti- culier du fer, qui repasse en solution avec le molybdène. Pour éviter ce problème, il faut avoir un pH voisin de 2 envi- ron. Il serait possible de rajouter de l'ammoniaque mais alors on en revient au problème de départ puisque du nitrate d'ammonium se formerait. La demanderesse a découvert qu'il fallait ajouter le métal majoritaire autre que le molybdène et/ou le tungstène, c'est-à-dire le cobalt, sous forme d'un sel décomposable par l'aci- dité du milieu. Le carbonate de cobalt répond à cette définltion. On peut citer plus particulièrement comme sel d'ammonium de molybdène pouvant être utilisé dans le cadre du procédé selon l'ilnvention, l'heptamolybdate d'ammonium. Ce dernier peut être mis en oeuvre sous forme d'heptamolybdate d'ammonium cristallisé, soit sous forme d'un mélange de dimolybdate d'ammonium et d'anhydride molybdique. Lorsque la première solution aqueuse contient uniquement de l'heptamolybdate d'ammonium sous une des formes précitées, son pH est de 5,4 environ. On peut citer plus particulièrement comme sel d'ammonium de tungstène, le paratungstate d'ammonium. Lorsque la première solution aqueuse contient uniquement du paratungstate d'ammonium, son pH est de 5,8 environ. Lorsqu'on a un mélange et paratungstate d'ammonium et d'hepta- molybdate d'ammonium, le pH oscille, suivant les proportions rela- tives des deux constituants, entre environ 5,4 et environ 5,8. L'acidification de la première solution aqueuse se fait à l'aide d'un acide assez fort pour atteindre un pH compris entre 0,5 et 3 environ. Il est préférable également que ce soit un acide dont l'anion soit facilement décomposable thermiquement. On peut citer comme exemple d'un tel acide, l'acide nitrique. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, on acidifie la première solution aqueuse jusqu'à obtention d'un pH compris entre environ 0,7 et environ 1,5. Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention le pH de la suspension est égal à environ 2. Selon un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, on utilise une première solution aqueuse contenant uniquement de l'heptamolybdate d'ammonium, une deuxième solution aqueuse ne contenant pas de métaux A et contenant comme métaux B, le fer, le bismuth et du carbonate de cobalt en quantités permettant d'attein- dre la formule catalytique o e est compris entre environ 8 et environ 10, c est égal à environ 12 et b est compris entre environ 1 et 4. Encore plus précisément, le procédé selon l'invention est particulièrement adapté à la mise en oeuvre des mêmes solutions et carbonate de cobalt, en quantités permettant d'atteindre la formule catalytique o e est égal à environ 10, c est égal à environ 12 et b égal à environ 2. Les diverses opérations du procédé selon l'invention sont fai- tes à température ambiante de préférence. L'évaporation finale se fait de préférence à une température comprise entre environ 70'C et 1000C. Les opérations ultérieures de séchage et de calcination(s) éventuellement sur support se font selon les techniques décrites dans l'art antérieur. L'invention va être maintenant plus complètement décrite à l'aide des exemples qui vont suivre. Ces derniers ne sauraient être interprétés comme constituant une limitation quelconque de l'inven- tion. Exemple 1: Préparation de Co 1 Mo01 Fe Bi1 O On prépare une première solution aqueuse d'heptamolybdate d'amavnîum en dissolvant 167,6 g de (NH4)6 Mo7 0241 4H20 dans 760 cm3 d'H20 à température ambiante. On ajoute à cette solution en agitant un mélange de 72,5 cm3 d'HNO3 de densité 1,33 et de 72,5 cm3 d'H20. Le pH de la solution résultante est de 0,8. On filtre. On récupère un solide blanc cristallisé qui est de l'acide molybdique (contenant 93,8 g de Mo 03). Le taux de précipitation du molybdène est de 97%. Les ions NH + de l'heptamolybdate d'ammonium se trouve dans le fliltrat sous forme de nitrate d'ammonium. L'analyse du filtrat montre que la totalité des ions NH4+ ont été éliminés. On met en suspension, ce précipité dans 600 ml d'eau. Le pH de la suspension obtenue est de 1,9. On prépare une deuxième solution aqueuse en mélangeant: - 38,4 g de BI (NO3)3, 5H20 dans 28,5 cm3 d'H20 acidifiée par 4,5 cm3 d'acide nitrique. - 32,1 g de Fe (NO3)3, 9H20 dans 25 cm3 d'H20. On additionne cette deuxième solution aqueuse à la suspension précédente en agitant. Le pH est alors de 0,6. On introduit alors 94 g de Co C03 en poudre tout en agitant. On observe un dégagement de CO2. En fin d'addition, le pH est de 3,4. On poursuit l'agitation pendant 30 minutes. On évapore l'eau en maintenant à 80 C pendant 3 heures. On obtient une pâte non coulante qui, traitée ensuite selon les tech- niques de l'art antérieur, donne un catalyseur éventuellement supporté, de formule Co10 Mo12 Fe1Bi10 O Exemple 2: Préparation de Co8 Mo12 Feo,5 Bio,5 0x On ajoute à la première solution aqueuse obtenue dans l'exem- ple 1, un mélange de 73 cm3 d'HNO3 (densité = 1,33) et de 146 cm3 d'H20. Le pH final est de 1,3. On filtre; on récupère un solide blanc cristallin qui est de l'acide molybdique contenant 95,2 g de Mo 03. Le taux de précipitation du molybdène est de 98,5%. Tous les-ions NH4 se trouvent dans le filtrat sous forme de nitrate d'ammonium. On met en suspension ce précipité dans 750 ml d'H20. Le pH est de 1,8. On prépare une deuxième solution aqueuse en mélangeant: - 19,2 g de Bi (NO3)3, 5 H20 dans 28,5 cm3 d'H20 acidifiée par 4,5 cm3 d'acide nitrique - 16 g de Fe (NO3)3, 9 H20 dans 25 cm3 d'H20. On additionne cette deuxième solution aqueuse à la suspension précédente en agitant. Le pH est alors de 1,3. On introduit alors 75,1 g de carbonate de cobalt en poudre tout en agitant. On observe un dégagement de CO 2 En fin d'addition le pH est de 2,8. On poursuit l'agitation pendant 30 minutes. On évapore à 80'C pendant 3 heures. On obtient une pâte non coulante qui traitée selon les techniques de l'art antérieur, donne un catalyseur éventuellement supporté, de formule CO8 Mo12 Fe0,5 Bi0,5 0x 2 4950 15 REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de catalyseurs comportant une phase active répondant à la formule générale A Mo W Co Bb O a c d eh x dans laquelle: A représente au moins un métal choisi parmi le groupe comprenant le nickel, le manganèse, le plomb, - B représente au moins un métal choisi parmi le groupe comprenant le fer, le bismuth, le chrome, le thallium, - a représentant la somme des indices affectés à chacun des métaux A, est supérieur ou égal à O et inférieur ou égal à environ - c et d sont chacun supérieurs ou égaux à O et inférieurs ou égaux à 12, leur somme c + d étant égale à environ 12; - e est supérieur ou égal à environ 8 et inférieur ou égal à environ 12; - b représentant la somme des indices affectés à chacun des métaux B, est supérieur à O et inférieur ou égal à environ 1,5[(c+d)-(a+e)] - et x satisfait aux valences procédé du type selon lequel dans une première étape on mélange en phase aqueuse des sels des métaux entrant dans la composition de la phase active, le molybdène et/ou le tungstène étant sous forme de sels d'ammonium et au moins l'un des métaux A et B étant sous forme d'un nitrate, dans une deuxième étape on sèche la pâte obtenue et dans une troisième étape on effectue au moins une calcination du solide obtenu éventuellement déposé sur un support, procédé carac- térisé en ce que dans la première étape, l'on acidifie une première solution aqueuse contenant les sels d'ammonium de molybdène et de tungstène en quantités permettant d'atteindre les valeurs c et d jusqu'à un pH compris entre 0,5 environ et 3 environ; l'on sépare le précipité obtenu que l'on met ensuite en suspension dans de l'eau de façon à obtenir une suspension ayant un pH compris entre environ 1,5 et environ 2,5; l'on ajoute à la suspension une deu- xième solution aqueuse contenant les sels des métaux A et B en quantités permettant d'atteindre les valeurs a et b; puis, ulté- rieurement, l'on ajoute du carbonate de cobalt sous forme de poudre en quantité permettant d'atteindre la valeur e; et l'on évapore la solution obtenue pour obtenir la dite pâte. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première solution aqueuse contient uniquement de l'heptamolybdate d 'ammonium. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première solution aqueuse contient uniquement du paratungstate d'ammonium. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première solution aqueuse contient un mélange d'heptamolybdate d'ammonium et de paratungstate d'ammonium; 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on acidifie la première solution aqueuse avec de l'acide nitrique. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 5 caractérisé en ce que l'on acldifie la première solution aqueuse jusqu'à un pH compris entre 0,7 et environ 1,5. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pH de la suspension est égal à environ 2. 8. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise une première solution aqueuse contenant uniquement de l'heptamolybdate d'ammonium, une deuxième solution aqueuse ne contenant pas de métaux A et contenant comme métaux B, le fer et le bismuth et du carbonate de cobalt en quantité permettant d'at- teindre la formule catalytique o e est compris entre environ 8 et environ 10, c est égal à environ 12 et b est compris entre I et 4. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que e est égal à environ 10 et b est égal à environ 2.