Brevet FR2577217A1 — publié le 19860814

PRODDE D' HYDFDGM ION DE L'ACIDE ACMElE LTa présente invention concerne un procédé d'hydrogénation de l'acide acétique. L'invention a plus particulièrement pour objet un procédé d'hydrogénation de l'acide acétique en phase vapeur pour produire de l'éthanol sous forme libre ou sous la forme combinée de l'acétate d'éthyle. L'hydrogénation de 1 'acide acétique represente une voie 10. intéressante de production de l'éthanol mais le développement à l'échelle industrielle de cette technique a été freiné jusqu'alors par les inconvénients des catalyseurs connus. De nombreux travaux antérieurs concernant l'hydrogénation en phase liquide d'acides gras en esters ou alcools lourds ont mis en évidence l'intérêt de catalyseurs à base d'oxydes mixtes de-cuivre et de chrome, éventuellement dopés par de l'oxyde de zinc (par exemple). Toutefois ces systèmes ne sont efficaces que dans des conditions extrêmement sévères de pression et de température puisqu'il convient généralemennt de travailler sous des pressions supérieures à 200 atmosphères et à des températures situées entre 250 et 350 C. On a également proposé d'hydrogéner l'acide acétique en phase liquide en présence de dioxyde de ruthénium ou de ruthénium sur du charbon (cf US 2 607 807). Toutefois l'intérêt réel de ces techniques est largement compromis par les hautes pressions (supérieures à 200 atm dans le cadre de la technique décrite dans l'US 2 607 807) qui sont requises ainsi que par le manque d'efficacité des catalyseurs en cause. A cela s'ajoute le manque de sélectivité observé lors de la mise en oeuvre de ce type de technique qui grève lourdement l'économie globale de ces procédés. Plus récemment, il a été proposé de conduire l'hydrogénation des acides carboxyliques en phase vapeur sous des pressions et températures relativement modérées, éventuellement en présence d'un excès de vapeur d'eau, sur un catalyseur comprenant des oxydes mixtes du ruthénium et d'au moins l'un des métaux choisis parmi le cobalt et le nickel (cf. US 4 398 039). Toutefois, malgré le recours à des catalyseurs relativement compliqués à préparer et dont la stabilité peut être mise en doute, cette technique est peu efficace tout en nécessitant un très grand excès d'hydrogène par rapport au substrat à hydrogéner. Il apparaît donc clairement qu'il serait très souhaitable de disposer d'un procédé d'hydrogénation de l'acide acétique, capable de fonctionner dans des conditions relativement modérées de pression, qui permettrait d'accéder avec une bonne sélectivité à l'éthanol et/ou à l'acétate d'éthyle sans présenter pour autant les divers inconvénients des procédes antérieurs. Il a maintenant été trouvé et c'est ce qui constitue l'objet essentiel de la présente invention un procédé d'hydrogénation catalytique de l'acide acétique en phase vapeur, dans des conditions relativement modérées de température et de pression, en vue de produire de 1 'éthanol et/ou de l'acétate d'éthyle, caractérisé en ce que le catalyseur est composé de ruthénium déposé sur un support de silice. La présente invention a également pour objet un procédé de préparation d'un tel catalyseur. Le catalyseur en cause comporte donc du ruthénium qui peut être déposé sur un support de silice par tout moyen approprié. En particulier ce catalyseur pourra être préparé par imprégnation du support de silice avec une solution aqueuse d'un précurseur du ruthénium métallique, soluble dans l'eau. A titre d'exemple de tels précurseurs on peut citer: - le trichlorure de ruthénium RuC13, 3 H20 - le tribromure de ruthénium - le pentachlororuthénate d'ammonium - (RUC15, 4H20) (4)2 - le chlorure de rutlhénium chlorohexaimmine: [ RuC(NH3)6] C13. On recourra avantageusement au chlorure de ruthénium notamment en raison de sa grande plus disponibilité. Le support de silice, second constituant fondamental du catalyseur utilisé dans la mise en oeuvre du procédé d'hydrogénation selon 1' invention, est avantageusement choisi parmi les silices présentant les caractéristiques suivantes: - le volume poreux total, déterminé par porosimètre à mercure 3 -l est compris entre 0,2 et 1,2 cm 3.g91 et, de préférence entre 0,4 et 3 -1 0,8 cm3.g- - la surface spécifique, mesurée selon la méthode B.E.T. est comprise entre 100 et 500 m2.g1 et, de préférence entre 200 et 400 m2.g-1, - la densité de grain est comprise entre 0,50 et 1,50 et, de préférence entre 0,65 et 0,95, - la granulomètrie est comprise entre 1 et 5 mm et, de préférence entre 2 et 4 mm. On utilisera avantageusement des silices dont les caractéristiques sont toutes choisies dans les gamimes de valeurs indiquées ci-avant comme préférentielles. Dans l'ensemble (ruthénium + support de silice) le ruthénium représente en général de 0,5 a 5 % en poids (exprimé en métal). Le catalyseur peut avantageusement être préparé par imprégnrtion du support de silice choisi, à la température ambiante, au dra7eoir par exemple, par un volume de solution aqueuse contenant la quantità de précurseur métallique désirée, sensiblement égale au volume poreux du support L'imprégnation est suivie d'une part d'un séchage, effectu a une température comprise entre environ 110 et 170"C pendant une durée minimale de 2 heures sans qu'il soit utile de dépasser 24 heures, et d'autre part, d'une calcination à une température de 300 à 500"C dont la durée est généralement comprise entre 1 et 4 heures. Avant son utilisation dans le prcédé d'hIdrogénation, objet de la présente invention, le catalyseur doit subir un traitement de réduction. Ce traitement est avantageusement effectué à une température comprise entre 250 et 400 C sous courant d'hydrogène gazeux dont la vitesse spatiale est comprise entre 1500 et 6000-1. - Bien évidemment, ce traitement peut aussi être réalisé par d'autres techniques, par exemple en recourant à un agent réducteur organique tel l'aldéhyde formique ou l'hydrazine. Pour une bonne mise en oeuvre du procédé d'hydrogénation selon l'invention, cn utilisera une quantitée de catalyseur solide (par rapport à l'acide acétiqie à hydrogéner) de telle sorte que l'on puisse hydrogéner par heure de fonctionnement de 0,5 à 3 parties d'acide acétique par partie de catalyseur. Selon la présente invention on met donc à réagir en phase gazeuse de l'acide acétique et de l'hydrogène en présence d'un catalyseur, décrit ci-avant. La température de réaction est en général comprise entre 200 et 500 C et, plus particulièrement entre 250 et 350"C. La pression à la température choisie pour la réaction est en général ccmprise entre 10 et 200 atm, tout en étant compatible avec le maintien des réactifs et produits en phase gazeuse. Cette pression est avantageusement comprise entre 30 et 100 atm. La réaction d'hydrogénation en cause dans le procédé selon l'invention peut être représentée comme suit: CH 3COOH + 2 H2 C3CH2O 2 Le rapport molaire de l'hydrogène à l'acide acétique est au moirns égal à celui indiqué par la stoéchiamètrie de la réaction et, en général, on opère avec un excès d'hydrogène par rapport à cette stoëchicmètrie. Aucun avantage particulier n'est observé lorsque ce rapport molaire excède 50. De manière avantageuse on fixera ce rapport molaire à une valeur comprise entre 10 et 20. Si l'introduction de diluants inertes tel CO02 s'avère possible en principe, elle ne présente cependant guère d'intérêt en pratique dans la mesure o elle conduirait à une baisse de la presssion partielle des réactifs et par là, à une diminution des performances du système. On notera toutefois aue l'introduction d'eau, qui de toutes façons est produite par la réaction, peut être intéressante puisqu'elle permet d'orienter la réaction au profit de l'éthanol en déplaçant 1'équilibre d'estérification: oeDOH + CH CH CE- OoeC H 3 3 2 - CH3CDC25 + H20 En général, la vitesse spatiale gazeuse (rapport du volume gazeux des réactifs, mesuré dans les conditions normales de température et de pression, au volume de catalyseur par unité de temps) est comprise entre 100 et 10 000 h et elle est, de préférence inférieure à 600 h1. Les exemples ci-après illustrent l'invention. DpT;FS PREPARATION ET CARACERISATION DES CATALYSEIUJRS EXEMPLE 1 Cet exemple indique les caractéristiques chimiques et physiques d'un catalyseur massique à base de chromite de cuivre, représentatif des catalyseurs traditionnellement utilisés dans l'art antérieur. La composition de ce catalyseur est la suivante, les pourcentages indiqués étant des pourcentages en poids: - oxyde de chrome Cr 203 44 - oxyde de cuivre CuO 36 % - oxyde de baryum BaO 10 % - silice SiO2 10 % Ce catalyseur se présente sous la forme d'extrudés dont le diamètre est de 3 mm pour une longueur de 3 min. La densité de grain de ce catalyseur mesurée par picnométrie au mercure est de 2,40. Son volume poreux total est de 0,10 cm3.g1 Sa surface spécifique B.E.T. est de 80 m2.g-1. EXEMPLE 2 Cet exemple illustre la préparation d'un catalyseur comos de rhodium déposé sur un support de silice, qui n'entre pas dans le cadre de la présente invention. On imprègne de la silice dont les caractéristiques sont les suivantes par une solution aqueuse de nitrate de rhodium Rh(NC3)3' 2 H20 Le support de silice se présente sous forme de billes concassées dont seule la fraction dont la dimension est comprise entre 2 et 3 mm est conservée. La densité de remplissage tassé mesurée sur une éprouvette de 300 cm3 dont le tassement a été assuré par un vibreur (50 périodes), - est de 0,49. Le volume poreux à l'eau déterminé pour effectuer une imprégnation dite "à sec" du support (et légèrement inférieur au volume poreux total) est de 0,56 cm3.g 1. La surface spécifique B.E.T. est 2 -l de 240 m2.g- On imprègne, au drageoir, à la température ambiante, en deux étapes, 100 cm3 ae support décrit ci-avant, à chaque fois par 55 cm3 d'une solution aqueuse contenant 1,43 g de nitrate de rhodium. Le catalyseur ainsi préparé est alors séché pendant 16 heures à C, puis calciné pendant 2 heures à 450 C. Il présente alors les caractéristiques suivantes: - la teneur en rhodium est de 1 % en poids, - la densité de grain, mesurée comme indiquée à l'exemple 1, est de 0,94, - le volume poreux a l'eau est de 0,51 cm3.g 1, - la surface spécifique B.E.T. est de 220 m2.g 1. EXEMPLE 3 Cet exemple illustre la préparation d'un catalyseur comprenant des oxydes mixtes du ruthénium et du cobalt, répondant à la formule: Ru Co Ni ZnO.4 0 indiquée à l'exemple 17 du brevet américain 04x n 4 398 039. Ce catalyseur n'entre pas dans le cadre de la présente invention. A 250 ml d'eau on ajoute: - 3,8 g de chlorure de ruthénium Ru C13, 3 H20, - 3,6 g de chlorure cobalteux Co C2, 6 H20, - 3,2 g de chlorure palladium Pd Cl2, 2 H20, - 8,1 g de chlorure de zinc Zn C12, soit respectivement 0,015 mole de ruthénium, de cobalt et de palladium et 0,006 mole de zinc. On soumet l'ensemble à agitation pendant 30 minutes. Le pH de la solution est alors amené à 8,3 par ajoût de soude. On porte alors l'ensemble sous agitation, a une température de l'ordre de 90 C pendant minutes, puis on ajuste le pH à 7,5. On filtre et on lave le gâteau, le tout à deux reprises, puis on le sèche pendant 16 heures à 125 C. Le catalyseur est alors calciné pendant 3 heures a 350 C avant d'être concassé et tamisé, seule la fraction dont la granolumétrie est de 3 + 0,5 mm est retenue. EXEMPLE 4 Cet exemple illustre la préparation d'un catalyseur selon OS l'invention. La silice utilisée come support dudit catalyseur est identique à celle utilisée dans la préparation du catalyseur décrite dans l'exemple 2. On imprègne 100 cm3 de cette silice, au drageoir, à la temperature ambiante, par 27,4 cm3 d'une solution aqueuse contenant 1 g de chlorure de ruthénium trihydrate. Le catalyseur ainsi préparé est alors séché pendant 16 heures L C. I1 présente alors les caractéristiques suivantes: - Sa teneur en ruthénium est de 0,8 % en poids, - Sa densité de grain mesurée coame indiqué précédeemment est. de 0, 95, 3 -i - Son volume poreux à l'eau est de à 0,51 cM.g, - Sa surface spécifique BE.T. est de 210 m.2g 1 CXMPARAIS0N DES DIEFEETSS CATALYSEURS D-AlS LA REACTIC9 D'IYDROGEION DE L'ACIDE ACETIQUE, EN PHASE VAP-JR EX>aLE 5 On a réalise une série d'essais sur un mélange de reéctifs comprenant 94 % molaire d'hydrogéne et 6 % d'acide acétique, (H2/CH3COHe = 15066 IDolaire) dans le but de corparer les performances des divers catalyseurs décrits ci-avant en termes d'activité et de sélectivité dans la synthèse d'tbanol et d'acétate d'éthyle. Dans tous les cas la réaction est effectuée en presence de 3-I cm de catalyseur, à la vitesse spatiale de 5300 h 1, à la température de 300 C et sous une pression de 60 bars. Amparavant, le catalyseur subit %%n xraite__nt de réduction à 300 C sous un courant de 100 1.h71 d'r pendant 3 eures. Apres séparation des produits par un condenseur: - les gaz permanents sont analysés par chromatographie en ligne a détection par catharométrie - les liquides sont récupérés toutes les deux heures et analysés par chromatagraphie en phase gazeuse à programmation de température et détection par ionisation de flamme. Ces analyses permettent 'de déterminer: - le taux de conversion de l'acide acétique (%), défini par le rapport: 10.moles de CH3 COOH consaommées t?K) = - x 100 moles de CH3COOH introduites - la sélectivité en acétate d'éthyle (%), définie par le rapport: moles de CH3COOC2H5 formées = x 2 x 100 SAC moles de CH3E XH consommées - la sélectivité en éthanol (%), définie par le rapport: moles de CH3CH2OH formées S. - - - x 100 SEtOH = x 100 EtOH moles de CH3COOH consommées Dans le tableau I, figurent les résultats obtenus sur les 4 catalyseurs décrits précédemment respectivement après 3 heures et 50 heures de fonctionnement dans les conditions qui ont été définies, la productivité indiquée par Pr étant le nombre de grammes d'acétate d'éthyle et d'éthanol obtenu par heure et par litre de catalyseur,- après heures de fonctionnement. TABEAU I I I I I I I tACm (%) I SACOEt(%) S EtOH I Catalyseur _ _ I -- --I-- II I Pr I | I 3h I 50h 3h 1 50h 1 3h 1 50h I 1--I-I--I - ' 1 1--I--I IExemple nl I I I I I IChromite de cuivrel 8,4 1 6,1 I 48,7 I 49,5 I 51,3 50,5 I 58 |Exemple n2 I I I I I IPh/Si02 4,1 I 2,3 I 77,6 I 80,3 I 22,4 1 19,7 I 22 IExemple n3 I I I I I I - IRuCoPdZn0,4Ox 1 7,2 1 6,3 1 63,5 1 67,4 1 36,5 32,6 I 60 I I_ - I I -. I -I - -I- - I--I - -- - I-I |Exemple n4 I i I IRu/SiO2 155,2 154,5 1 47,2.1 48,9 I 52,8 1 51,1 1 515 I I I I I I I I I I C MPORIT4EM D'UN CATALYSEUR SELON L'INVETON DANS DIVERSES ODNDITIONS OPERATOIRES EXMPLE 6 Le catalyseur dont la préparation a été décrite à l'exemple 4 et qui a été réduit comme indiqué à l'exemple 5 est testé à diverses reprises, selon le mode opératoire décrit à l'exemple 5, la vitesse spatiale étant portée successivement aux valeurs de: ll 000 h-1 ( essai 6 a) 9 000 h1 ( essai 6 b) 6 000 h1 ( essai 6 c) 4 000 h1 ( essai 6 d) 257 77217 Les résultats obtenus dans chaque cas figurent dans le tableau II ciaprès dans lequel les conventions utilisées sont les mêmes que précédemment. TABLEAU II I I I i II I IRefiVitesse spatiale ItAoH ISAcOEt ISEtOH Pr I I (h-l) (%) I(%) (%) i I-i I 16a1 11 000 37,6 42,4 57,6 737 I-I I I -I I |6b 9 000 42,1 45,3 54,7 675 II II i6c 1 6 000 52,3 49,8 50,2 560 I I I I - I 16d 4 000 61,6 59,2 40,8 439 I I I I EXEMLE 7 Le catalyseur dont la préparation a été décrite à l'exemple 4 et qui a été réduit come indiqué a l'exemple 5 est testé à diverses reprises, selon le mode opératoire décrit à l'exemple 5, le rapport molaire H2/CH3(COH étant porté successivement au valeurs de: (essai 7 a) (essai 7 b) (essai 7 c) Les résultats obtenus dans chaque cas figurent dans le tableau III ci-après dans lequel les conventions utilisées sont les mêmes que précédemment. TABLEAU III I I I. I IRefIRapport Molaire ItAcOH ISAcot SEtoH. Pr I IH2/cE 3a:EO I (%) I (%)! (%) I I I--t - -I - 1 i I t - 17a 1 5 t 15,3 67,6 i 32,4 463 I-_-] _I 11 _ i,i 17b 1 10 I 32,5 58,7 t 41,3 491 I-.-I ______-It- II 17c - 50 I 77,1 50,6 1 49,4 233 I tI I I t t EXEMPLE 8 On reproduit l'exemple 5 avec le catalyseur dont la préparation est décrite à l'exemple 4 en ajoutant cette fois-ci de l'acide acetique en présence d'eau dans un rapport molaire H O/C3COOHx de 5. La composition molaire du gaz à l'entrée est donc la suivante - - CE-3COOH: 4,5 % -H20:-22,5 % - H2: 73,0 % Les résultats ainsi obtenus sont les suivants - taux de conversion de C"3COOH: 22,6 % - sélectivité en ETOH: 91,2 % - sélectivit en AmOET: 8,8% Ce qui correspond à une productivité de 160g d'(AcoET + ETOH) par heurs et -ar litre de catalyseur. REVENDICATIONS 1 ) Procédé d'hydrogénation catalytique de l'acide acétique en phase vapeur dans des conditions relativement modérées de température et de pression, en vue de produire de l'éthanol et/ou de l'acétate d'éthyle caractérisé en ce que le catalyseur est composé de ruthénium déposé sur un support de silice. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support est une silice coaportant les caractéristiques suivantes: 3 -1 - volume poreux total compris entre 0,2 et 1,2 cm.g, - surface epécifique comprise entre 100 et 500 m2.g-1, - densité de grain comprise entre 0,5 et 1,50, granulométrie comprise entre 1 et 5 min. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le support est une silice comportant les caractéristiques suivantes: 3 -1 - volume poreux total compris entre 0,4 et 0,8 cm.g - surface spécifique comprise entre 200 et 400 m2.g-1, - densité de grain comprise entre 0,65 et 0,95, granulométrie comprise entre 2 et 4 min. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ruthénium représente de 0,5 à 5 % en poids du catalyseur. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de réaction est comprise entre 200 et 500 C. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression est ccmprise entre 10 et atmnospheres. 7 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport molaire H 2/CH3COOH est compris entre 2 et 50. 8 ) Procédé selon 1 'une quelconque des revendicaticns précédentes, caractérisé en ce que la vitesse spatiale gazeuse est -1 comprise entre 100 et 10 000 h 1. 9 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur subit une réduction au moins partielle, avant son utilisation. ) Procédé de préparation d'un catalyseur pour la mise en oeuvre du procédé selon 1 'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par la succession d'étapes suivantes: a) on imprègne une silice comportant les caractéristiques suivantes:) 3 -1 - volume poreux total ctompris entre 0,2 et 1,2 cm.g, - surface spécifique comprise entre 100 et 500 m2.g-1, - densité de grain comprise entre 0,5 et 1,50,. - granulométrie comprise entre 1 et 5 mmn. au moyen d'une solution aqueuse d'un précurseur du ruthénium soluble dans l'eau, b) on sèche l'ensemble, c) on le calcine, le cas échéant, et d) on réduit le ruthénium à 1' état de métal au moyen d'hydrogène.