Brevet FR2553301A1 — publié le 19850419

Procéde de préparation de catalyseurs à base de zéolite et procédé d'alccylazicn les utilisant. La présente invention concerne un procédé de préparation de catalyseurs à base de zéolite En particulier, l'invention concerne des catalyseurs Al-BSi qui sont appropriés pour l'alcoylation des hydrocarbures aromatiques La présente invention concerne également un procédé pour alcoyler des hydrocarbures aromatiques à l'aide desdits catalyseurs. L'utilisation de composés à base de silicates cristallisés dans l'alcoylation des hydrocarbures aromatiques est connue dans l'art antérieur Par exemple, dans le brevet U S. No 4 285 306 on décrit un silicate cristallisé pour transformer le toluène en paraxylène par méthylation. On connatt également dans l'art antérieur des catalyseurs à base de silicate Sd'aluminium cristalliséspour alcoyler les hydrocarbures aromatiques Le brevet U S NO 2 904 697 concerne un procédé d'alcoylation dans lequel on utilise du silicate d'aluminium métallique Le brevet U S No. 3.251 897 décrit des silicates d'aluminium de type x et y et en particulier ceux qui possèdent comme cations soit l'hydrogène soit un métalde terres rares Dans plusieurs autres brevets, on décrit des silicates d'aluminium qui ont une haute sélectivité pour former des composés aromatiques parasubstitués: par exemple, les brevets U S No 3 702 886, 3.965 207, 4 100 217 et 4 117 024. Dans le brevet U S No 4 117 024, les silicates d'aluminium cristallisés ont été modifiés en utilisant des solutions d'oxydes difficiles à réduire tels que l'antimoine, le phosphore ou le bore. Des procédés d'alcoylation ont été décrits dans de nom- 2 2553301 breux brevets L'alcoylation en phase vapeur à l'aide de catalyseurs à base de silicate d'aluminium richesen siligium conduit généralement à une haute conversion La durée utile des catalyseurs à base de silicates est plutôt longue, et dans de nombreux exemples la pression requise est faible, ce qui rend lesdits procédés économiquement intéressants Des exemples d'alcoylation en phase vapeur sont, entre autres, les brevets U S No 3 751 504 et 3 751 506. La présente invention concerne de nouveaux catalyseurs à base de zéolites contenant du silicium, de l'aluminium et du bore et dans lesquels les pores et les passages ne sont pas obstrués par l'effet d'atomes, de molécules ou d'ions, par exemple d'ions sulfate ou chlorure Ainsi, le mouvement des réactifs dans le silicate n'est pas g 9 né, conduisant à un haut degré de conversion dans le procédé d'alcoylation et à une haute sélectivité. La présente invention concerne une méthode de préparation de tels catalyseurs à base de silicate d'aliminium et de bore qui conviennent particulièrement bien pour être utilisés dans l'alcylation des hydrocarbures aromatiques et qui fournissent un haut degré de conversion et/ou une haute sélectivité pour produire des hydrocarbures parasubstitués L'invention concerne également une méthode d'alcoylation d'hydrocarbures aromatiques utilisant lesdits catalyseurs. Comme il sera vu plus loin, l'invention fournit entre autres des c a t a 1 y S e u r s dans lesquels la proportion molaire Sio 2/A 1203 est située dans l'intervalle 10-150, de préférence dans l'intervalle 10-60, et la proportion molaire A 1203/B 203 est dans l'intervalle 2-200, de préférence dans l'intervalle 19-200. Selon un mode de réalisation, l'invention fournit un catalyseur qui peut être défini par la formule moléculaire suivante: 0,8-1,2 M 2/n O: Al 203:0,005-0,1 B 203:10-15 o Si O 2: x H 20 -3- dans laquelle M est au moins un cation de valence n,et x est dans la gamme 0-60 La méthode est caractérisée en ce qu'on chauffe un mélange réactionnel qui contient un cation avec de l'azote organique, un ou plusieurs oxydes de métal(aux) alcalin(s), de l'oxyde d'aluminium, de bore et de silicium et de l'eau, dans un volume réactionnel fermé,tout d'abord à une température qui est à une température plus élevée, et ensuite à une température de réaction plus faible pendant un temps suffisamment long pour permettre la formation d'un catalyseur cristallisé à base de silicate d'aluminium et de bore. Dans la formule ci -dessus, M est au moins un cation de valence n M peut être également un mélange de cations de métaux alcalins, de préférence de cations sodium et potassium Le cation organique contenant de l'azote peut être un cation ammonium, tel qu'un cation tétraéthyl-, tétrapropyl-ou tétrabutylammonium Le cation contenant de l'azote peut être également un cation dérivé de la pyrrolidine. Lorsqu'on prépare un catalyseur à base de zéolite selon la présente invention, on chauffe tout d'abord dans un réacteur un mélange réactionnel contenant un cation avec de l'azote organique, un oxyde alcalin,de l'oxyde d'aluminium, de bore et de silicium et de l'eau Selon les circonstances, la pression requise dans la réaction varie dans l'intervalle de 1 à 15 bars La température supérieure de départ est choisie dans l'intervalle de 175-220 C, o de préférence dans l'intervalle de 190-200 C Lorsqu'on utilise une température de départ supérieure, on obtient un mélange réactionnel homogène en un temps plus court et la formation de cristaux commence plus tôt La durée de chauffage à la température de départ est comprise de préférence entre 30 minutes et 6 heures On continue le chauffage à une température de réaction plus basse dal,é 4- l'intervalle de loo-190 o C La durée de chauffage à la température inférieure est choisie de préférence dans la gamme de 1 à 6 jours. Il est possible dans le catalyseur selon l'invention d'échanger des ions contre d'autres cations, en appliquant la technique connue de l'échange d'ions Une pratique recommandable consiste à échanger un ion de métal alcalin contre un ion hydrogène, ce qui augmente l'activité du catalyseur dans l'alcoylation aromatique. Comme il est montré dans un mode de réalisation de l'invention, le catalyseur produit de la manière décrite dans ce qui précède peut 9 tre encore modifié en utilisant des composés contenant du bore, produisant ainsi un catalyseur qui conduit dans l 'alcoylation à des composés aromatiques substitués en para avec un rendement élevé On peut effectuer la modification en mélangeant un catalyseur comme décrit ci-dessus avec de l'acide borique, de l'oxyde de bore ou leur mélange à l'état sec Puis on chauffe le mélange à o 300-700 C, de préférence à 500-600 C, en mélangeant de temps en temps La durée de chauffage n'est pas critique Lorsqu'on utilise un catalyseur modifié de cette manière, on obtient des composés aromatiques substitués en para avec un haut rendement d'alcoylation. Les catalyseurs de l'invention peuvent 8 tre utilisés, bien s 1 r, sait tels quels,soit associés avec des charges et des agents de liaison classiques. L'invention concerne également un procédé d'alcoylation dans lequel on utiliseles catalyseurs Al-B-Si produits selon le procédé de l'invention Avec ce procédé, on peut alcoyler divers hydrocarbures tels que les benzènes, les naphtalènes, les anthracènes et des dérivés substitués tels que le toluène et l'éthylbenzène. -5- Comme agent d'alcoylation dans le procédé de l'invention, on peut utiliser de nombreux composés qui possèdent au moins un radical alcoyle réactif, tel que l'éthylène, le propylène, le formaldéhyde, des halogénures d'alcoyle et des alcools. Les conditions opératoires pour l'alcoylation, telles que la température, la pression et le débit sont généralement critiques, selon les matériaux de départ, et sont décrits plus en détail par la suite. Le procédé d'alcoylation selon l'invention est réalisé en phase vapeur Comme réacteur on utilise soit un réacteur à lit fluidisé, soit un réacteur à lit stationnaire e silicate d'aluminium et de bore utilisable comme catalyseur est présent sous la forme hydrogénée -La pression du réacteur peut varier, selon le type de réacteur, la quantité de catalyseur, la taille des particules du catalyseur et d'autres facteurs, de la pression atmosphérique jusqu'à 10 barg. La température peut varier dans l'intervalle de 200-700 OC,, de préférence dans l'intervalle de 300600 O C Avant de mettre en contact les matériaux d'alimentation avec le catalyseur, on les chauffe à la température de réaction désirée. Le débit qui est utilisé dépend des agents de réaction, du réacteur et varie généralement dans l'intervalle de 1-100 h-1 (PHSV) La proportion molaire d'hydrocarbure aromatique et d'agent d'alcoylation peut varier dans l'intervalle de 0,5-20 La proportion molaire recommandée dans la monoalcoylation est de 1-4 De plus, on peut utiliser un gaz de dilution, par exemple l'azote et/ou des agents réduisant la formation de coke, par exemple l'hydrogène. Le flux de produit chaud émergeant du réacteur est refroidi à la température ambiante ou à une température plus basse, après quoi on sépare les phases liquide et gazeuse On peut conserver et réutiliser les gaz qui n'ont pas réagi Les composants liqui&es qui n'ont pas participé dans la réaction -6- tels que le toluène, sont séparés du mélange de produits, par exemple par distillation et réutilisés. Dans les exemples suivats, la préparation du catalyseur de l'invention est décrite plus en détail. Exemple 1 Dans cet exemple, on prépare le catalyseur à base de silicate d'aluminium et de bore portant la référence BOA-1. On dissout 4,05 g de Na OH dans 165 ml d'eau A la solution, on ajoute 87, 85 g de bromure de tétrapropylammonium à la température ambiante, obtenant ainsi la solution A. On prépare la solution B en dissolvant 4,2 g de Na Al O 2 (contenant 28,4 % en poids de Na 20, 46,8 % en poids de A 1203, et 24,8 % en poids de H 20) et 0,19 g de Na 2 B 407 x 10 H 20 (contenant 16,3 % en poids de Na 20, 36,5 % en poids de B 203 et 47,2 % en poids de H 20) dans 405,5 g de H 20 On mélange ensuite les solutions A et B et on les introduit dans un autoclave, dans lequel on met en plus 34,2 g de Si O 2 (silicagel) et 82, 8 g d'eau La composition du mélange est la suivante: 0,02 mole de Na 20, 0,02 mole de A 1203, 0,001 mole de B 203, 0,57 mole de Si O 2, 0,33 mole de N(CH 3 CH 2 CH 2)4 et 36,3 moles d'eau. On chauffe le mélange à 2000 C pendant deux heures, et ensuite à latempérature de 1600 C pendant trois jours. Après refroidissement à la température ambiante, on filtre le produit cristallisé et on le lave à l'aide de 2 litres d'eau On sèche les cristaux à 1000 C et ensuite on les calcine à 5300 C pendant 18 heures. On met le catalyseur ainsi obtenu au contact d'une solution à 5 % en poids de chlorure d'ammonium à 800 C pendant 1,5 heures On répète le mode opératoire troisfois, en utilisant chaque fois 15 ml de solution par gramme de catalyseur. -7 ? 2553301 On filtre le produit et on le lave avec de l'eau jusqu' à ce qu'il soit exempt de chlorure on effectue le séchage à 1000 C, et après le séchage on effectue la calcination dans l'air à 530 C pendant la nuit, obtenant ainsi la forme hydrogénée du catalyseur BOA-1. La surface du catalyseur est de 345 m 2/g. Exemple 2 Cet exemple concerne la synthèse du catalyseur base de silicate d'aluminium et de bore BOA-2. On mélange dans l'eau ( 265 g) les ingrédiants suivants: 6,5 g de Na A 102 (contenant 28,4 % en poids de Na 20, 46,8 % en poids de A 1203 et 24, 8 % en poids de H 20) et 0,29 g de Na 2 B 407 (contenant 16,3 % en poids de Na 20, 36,5 % en poids de B 203 et 47,2 % en poids de H 20) on ajoute au mélange 2,78 g de Na OH,et on mélange bien On place le mélange dans un autoclave, et on ajoute 900 g de H 20, 395 g de Si O 2 et 141 g de pyrrolidine on chauffe le mélange à 2000 C pendant trois heures,-et ensuite à 165 C pendant trois Jours, après quoi on le refroidit à la température ambiante pendant 15 heures On filtre les cristaux et on les lave avec de l'eau ( 3 litres) La suite de la préparation du catalyseur BOA-2 est effectuée comme dans l'exemple 1: avec la différence qu'aux températures supérieures à 100 C on utilise une atmosphère d'hydrogène à la place de l'air. Exemple 3 Dans cet exemple, on effectue la modification avec des composés boriques des catalyseurs BOA-1 et BOA-2. Aux catalyseurs préparés dans les exemples 1 et 2 ( 5 g de ceux-ci) on ajoute en mélangeant 0,5 g de B 203, puis on chauffe dans l'air à 550 C pendant une heure Pendant le chauffage, on mélange les composants cinq fois Après ce traitement, les cataly- 8 2553301 seurs sont prêts à l'emploi. Des essais d'éthylation du toluène sont réalisés en utilisant les catalyseurs non modifiés et modifiés BOA-1 et BOA-2 produits dans les exemples 1-3. Exemples 4-8 Dans ces exemples on utilise un réacteur à lit fluidisé dans lequel on introduit 5 g du catalyseur non modifié BOA-1 de l'exemple 1 Dans tous les exemples, la température de réaction est de 600 C, et on fait varier le débit d'entrée et la proportion molaire toluène/éthylène Les résultats sont présentés dans le tableau I ci-dessous. Tableau I Exemples Temp Moles PHSV conv tol p-éthyltol éthyltol. O tol /éth -1 par éthylto L par comp. o C t o t h 1 % total % arom % 4 6 oo 00 0,S 24 25 26 67 600 1,1 22 26 24 85 6 6 oo 00 1,9 20 30 27 91 7 600 1,4 38 13 45 90 8 6 oo 00 1,9 50 9 58 96 Exemples 9-13 Dans les exemples suivantson introduit 5 g du catalyseur modifié BOA-1 de l'exemple 3 dans un réacteur à lit fluidisé. Les résultats sont présentés dans le tableau II. -9- Tableau II Exemples Temp tol: PHSV conv tol p-éthyltol éthyltol. éthk. moles h par éthylto L parcomp. h-1 mls h O total % arom 9 520 1,9 61 12 go 91 520 2,3 59 13 90 100 11 520 1,4 32 22 84 95 12 520 1,4 37 22 90 97 13 470 1,2 33 17 93 100 Il ne se forme pas d'o-éthyltoluène. Exemples 14-15 Dans ces exemples, on utilise le catalyseur BOA-1 ( 5 g) de l'exemple 1 comme catalyseur dans i réacteur à lit stationnaire Les résultats sont présentés dans le tableau III. Tableau III Exemples Temp. ?c tol: éth. moles PHSV h-1 conv tol p-éthyltol éthyltol. par éthyltol par comp _, % total % atom % 14 15 500 600 oo 2,1 2,1 6 7 74 72 92 98 Exemples 16-18 Dans les exemples suivants, on introduit 5 g du catalyseur non modifié BOA-2 de l'exemple 2 dans un réacteur à lit fluidisé La température de réaction utilisée est de 600 C. Les résultats sont présentés dans le tableau i V. - Tableau IV Exemples Temp tol: PHSV conv tol p-éthyltol éthyltol. éth par éthyltol parcomp. C toles % total % arop % 17 18 600 600 oo 6 oo 1,1 22 1,5 42 1,9 50 22 17 27 39 53 84 87 78 Exemples 19-21 On modifie 5 g du catalyseur BOA-2 de l'exemple 2 comme dans l'exemple 3, et on utilise dans les essais d'alcoylation un réacteur à lit fluidisé et une température de réaction de 6000 C les résultats sont présentés dans le tableau V. Tableau V Exemples Temp tol: PHSV conv tol p-éthyltol éthyltol. éth par éthyltol par comp. C moles h-1 % total % arom % 19 20 21 600 600 oo 6 oo 2,3 1,9 1,5 20 42 9 ? 92 89 7 o 65 5 o Exemple 22 On réalise la méthylation du toluène avec du méthanol en utilisant une proportion molaire toluène/méthanol de 2:1. Le catalyseur est le BOA-2 de l'exemple 2, modifié comme dans l'exemple 3 La réaction est effectuée dans un réacteur à lit stationnaire, à 500 C Le rendement est de 1 % de p-xylène pur exempt d'isomère. ll - Revendications 1 Procédé pour préparer un catalyseur a base de silicate d'aluminium et de bore de composition moléculaire: 0,8-1,2 M 2/n 0: A 1203: 0,005-0,1 B 203:10-150 Si O 2: x H 20 caractérisé en ce qu'un mélange réactionnel qui comprend un cation contenant de l'azote organique, un oxyde de métal alca, lin ou un mélange de tels oxydes, de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde bore et du dioxyde de silicium et de l'eau, est chauffé dans un réacteur fermé tout d'abord à une température de départ plus élevée, et ensuite à une température de réaction plus basse pour former le catalyseur à base de silicate d'aluminium et de bore. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de départ est au moins de 165 C et pas supérieure à 2200 C, et que le temps de chauffage à la température de départ est situé dans l'intervalle de 30 minutes à 6 heures. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température inférieure de réaction est située dans l'intervalle de 100 190 o C, de préférence dans l'intervalle de 130- 170 C, et que la durée du chauffage à cette température est d'au moins 8 heures et de préférence de 1-6 jours. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cation contenant de l'azote organique est dérivé de la pyrrolidine, ou du chlorure de tétraéthyl-, tétrapropyl ou tétrabutylammonium, ou d'un mélange de ceux-ci. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cation contenant de l'azote organique est totalement ou partiellement substitué par un proton pour former un catalyseur ayant la forme d'un acide. 12 55331 6 Catalyseur à base de silicate d'aluminium et de bore dans lequel la proportion molaire Si 02/A 1203 est dans l'intervalle o 10150 et la proportion molaire A 1203/B 203 est dans l'intervalle 2-200, résultant de la modification d'un catalyseur préparé selon l'une des revendications 1 à 4, par de l'acide borique, de l'oxyde de bore ou 1 e u r s mélanges. 7 Catalyseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la quantité de composé du bore utilisée dans la modification est de 0,1-30 % en poids, de préférence 0,5-10 % en poids. 8 Procédé pour préparer un catalyseur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'un mélange réactionnel qui contient un cation avec de l'azote organique, un oxyde de métal alcalinou un mélange de tels oxydes, de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de bore, du dioxyde de silicium et de l'eau, est chauffé pour produire un catalyseur à base de silicate d'aluminium, et de bore, et en ce qu'on modifie le catalyseur ainsi obtenu par mise en contact avec de l'acide borique, de l'oxyde de bore ou avec leur mélange, en n'utilisant pas d'eau ou d'autre solvant. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la modifiuation est réalisée à 500-7000 C. Procédé pour alcoyler les hydrocarbures aromatiques, selon lequel on utilise comme catalyseur un catalyseur Al-B-Si obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5 ou un catalyseur Al-B-Si modifié selon la revendication 6 sous sa forme modifiée par l'hydrogène, ou un catalyseur modifié obtenu selon le procédé de la revendication 8 ou 9. ll.Procédé d'alcoylation selon la revendication 10, carac- 1 l 2553301 térisé en ce qu'il est réalisé soit dans un réacteur à lit fluidisé/soit dans un réacteur à lit stationnaire. 12 Procédé d'alcoylation selon la revendication l O ou il, caractérisé en ce que les hydrocarbures sont des benzènes, des naphtalènes, des anthracènes ou des dérivés substitués, tels que le toluène, le xylène, l'éthylbenzène et des phénols. 13 Procédé d'alcoylation selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'agent d'alcoylation contient au moins un radical alcyle réactif, par exemple éthylène, propylène, alcool, formaldéhyde ou halogénure d'alcoyle. 14 Procédé d'alcoylation selon l'une des revendications o 10 à 13, caractérisé en ce que la température de réaction est situ Sdans l'intervalle 200-700 C, le débit (PHSV) dans l'intervalle 1-100 h-1 et la pression de réaction est la pression atmosphérique ou plus élevée. Procédé d'alcoylation selon l'une des revendications lo à 14, caractérisé en ce qu'on utilise un gaz de dilution inerte, par exemple l'azote et/ou des substances réduisant la formation de coke, par exemple l'hydrogène.