Brevet FR2642414A1 — publié le 19900803

PROCEDE DE FABRICATION D'AGGLOMERES D'ALUMINE ACTIVE, AGGLOMERES OBTENUS PAR LE PROCEDE ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE L'invention concerne un procédé de fabrication d'agglomérés d'alumine active, les agglomérés obtenus et un dispositif pour la mise en oeuvre de celui-ci. Elle concerne plus particulièrement un procédé de traitement hydrothermal d'agglomérés d'alumine active. Certains procédés catalytiques, tels que la catalyse hétérogène, par exemple dans le domaine de traitement des coupes pétrolières, ou le traitement des effluents gazeux comme les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, demandent l'utilisation de supports présentant une grande porosité, de bonnes propriétés mécaniques telles qu'une bonne résistance à l'écrasement, à l'attrition, par exemple. Les supports à base d'alumine active répondent à ces critères, notamment quand ils ont subi un traitement hydrothermal. En effet, ce traitement permet d'améliorer de manière sensible les propriétés mécaniques des agglomérés. Ce traitement hydrothermal est déjà connu. Il a été décrit, par exemple dans les brevets frangais n 1385364, 1449904 et 2496631, et les brevets américains n 3628914 et 3480389. Ce traitement hydrothermal consiste à imprégner les agglomérés d'alumine avec de l'eau ou une solution aqueuse acide puis à porter ces agglomérés disposés à l'intérieur d'un autoclave, à une température supérieure à 80 C. Les agglomérés ainsi traités sont ensuite séchés puis subissent un traitement thermique ou calcination à une température donnée. Cette température de calcination est choisie en fonction de la surface spécifique recherchée et de la température d'utilisation de ces supports. La demanderesse a trouvé une amélioration aux procédés de traitement hydrothermal déjà connus qui permet notamment d'améliorer les propriétés mécaniques des produits obtenus, par exemple d'ftFntir une meilleure résistance à l'attrition. A cet effet, l'invention p:ropose un procédé de fabrication d'agglomérés d'alumine active consistant à les soumettre à un traitement hydrothermal dans un autoclave puis à les sécher et les soumettre & un traitement thermique pour obtenir, notamment, la surface spécifique désirée. Selon l'invention, ce traitement hydrothermal consiste à imprégner les agglomérés avec de l'eau ou une solution aqueuse acide, à les disposer dans une enceinte elle-même disposée dans l'autoclave et à pcrter les agglomérés à une température au moins égale & 80 C par chauffage au moyen d'un fluide caloporteur alimenté autour des parois de ladite enceinte, et à l'intérieur de 1 'autoclave. Avantageusement, ce fluide caloporteur est à l'état gazeux ou de vapeur et -de éeree est de la vapeur d'eau. Ainsi, le flux de fluide caloporteur ne rentre pas directement en contact avec les agglomérés, ce qui semble-t-il permet d'obtenir des produits présentant de meilleurs propriétés mécaniques. Cette hypothèse n'est donnée qu'à titre indicatif et explicatif et ne peut être considérée comme une limitation de l'invention. Selcn une autre caractéristique de l'invention, l'enceinte contenant les agglomérés d'alumine n'est pas étanche et comprend de préférence une multitude d'ouvertures permettant ainsi à l'eau de condensaticn de s'écouler à travers le lit d'agglomérés. Avantageusement, l'enceinte est remplie partiellement par les agglomérés d'alumine. En effet, dans certains cas le traitement hydrothermal provoque une expansion des agglomérés. Selon une nouvelle caractéristique de l'invention, les agglomérés sont mis en mouvement les uns par rapport aux autres, par exemple, par mise en mouvement de l'enceinte, avantageusement par sa mise en rotation. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'enceinte est mise en rotation autour d'un axe sensiblement horizontal. Les agglomérés d'alumine traités par le procédé de l'invention $ont ades aglomrés obtenus par mise en forme, selon un procédé uelzcnque, d'alumine active obtenue, par exemple, à partir de gels 3 '%, d'alumine, d'alumine obtenue par déshydratation d'hydroxyde d'aluminium. Le procédé s'applique notamment aux agglomérés obtenus à partir d'alumine active produite par le procédé de déshydratation rapide d'un hydroxyde d'aluminium, tel que par exemple la bayérite, l'hydrargillite ou gibbsite, la nordstrandite ou des oxyhydroxydes d'aluminium tels que la boehmite ou le diaspore. Cette déshydratation est obtenue a l'aide d'un courant de gaz chaud permettant d'éliminer et entrainer très rapidement l'eau évaporée. La température des gaz dans l'appareillage varie généralement de 400 à 1 200 C environ avec un temps de contact de l'hydroxyde avec les gaz chauds de l'ordre d'une fraction de seconde à 4 ou 5 secondes. L'alumine ainsi obtenue peut être utilisée telle quelle ou peut subir un traitement pour éliminer notamment les alcalins présents. La surface spécifique mesurée par la méthode BET de l'alumine active obtenue par déshydratation rapide d'hydroxydes ou d'oxyhydroxydes d'aluminium varie généralement entre environ 50 et 400 m 2/g, le diamètre des particules est généralement compris entre 0,1 et 300 microns, de préférence entre 1 at 120 microns. Cette alumine présente un volume poreux de l'ordre de 10 à 3 O cm /g, les pores ayant des dimensions inférieures à 500 A. L'invention s'applique dans les exemples donnés ci-dessous à une alumine active provenant de la déshydratation rapide de l'hydrate de Bayer (hydrargillite) qui est un hydroxyde d'aluminium industriel facilement accessible et très bon marché. Une telle alumine active est bien connue de l'homme de métier et a notamment été décrite dans le brevet français n" 1108011. L'agglomération de l'alumine active est réalisée selon les méthodes connues de l'homme du métier telles que, par exemple, par pastillage, extrusion, mise en forme sous forme de billes au granulateur... Cette agglomération peut être réalisée sur l'alumine active telle qu'elle est obtenue par déshydratation et éventuellement 4:, traitement subséquent, ou sur une alumine active broyée à une ou plusieurs granulométries déterminées. Des agents porogènes peuvent être ajoutés à 'l'alumine active avant ou pendant l'agglomération pour obtenir une porosité élevée et notamment des pores ayant un diamètre supérieur à 60 nm environ. Ces agglomérés, avant de subir un traitement hydrothermal, peuvent être soumis à différents traitements, comme par exemple calcination, maturation etc... Avant de subir le traitement hydrothermal, les agglomérés sont imprégnés par une solution aqueuse. Cette imprégnation peut être réalisée avant l'alimentation des agglomérés dans l'enceinte ou quand les agglomérés sont déjà disposés dans l'autoclave. Dans ce dernier cas, la solution d'imprégnation est injectée à travers le lit d'agglomérés. Dans le premier cas, l'imprégnation est réalisée selon des techniques connues telles que l'imprégnation par immersion, au tonneau ou au granulateur, par exemple. Les solutions d'acides convenables pour l'invention sont, par exemple, les solutions d'acides nitrique, chlorhydrique, perchlorique, sulfurique ou les acides plus faibles, tels que l'acide acétique, dont la solution a un pH inférieur à environ 4, ou un mélange d'acides. Selon un mode de réalisation préférée, l'acide nitrique et l'acide acétique seuls ou en mélange, sont les plus employés. Il est également possible d'imprégner les agglomérés d'alumine mûris par une solution d'acides et de composés apportant un anion capable de se combiner avec les ions aluminium en solution, comme décrit dans le brevet français n 2496631. Ainsi, à titre d'exemple on peut citer les composés comprenant un anion nitrate, chlorure, sulfate, perchlorate, chloroacétate, dichloroacétate, trichloroacétate, bromoacétate, dibromoacétate, et les anions de formule générale: o R à C ----- O comme les formiates, acétates. ; Selon une caractéristique de l'invention, ce traitement hydrothermal est conduit à une température supérieure a 80 C, de préférence comprise entre 150 C et 250 C pendant une durée de préférence comprise entre 20 minutes et 36 heures. Selon un mode préféré du procédé de l'invention, la température du traitement hydrothermal est comprise entre 120 et 220 C pendant -une période de temps comprise entre 15 minutes et 18 heures. Ce traitement hydrothermal permet notamment la transformation d'au moins une partie de l'alumine en boehmite. Il peut être réalisé avantageusement, soit sous pression de vapeur saturante, soit sous une pression partielle de vapeur d'eau au moins égale à 70 % environ de la pression de vapeur saturante correspondant à la température de traitement. Les agglomérés ainsi traités sont ensuite éventuellement séchés à une température généralement comprise entre environ 100 C et 200 C pendant une période de temps suffisante pour enlever l'eau non liée chimiquement à l'alumine. Les agglomérés sont ensuite soumis à un traitement thermique appelé également activation thermique à une température comprise entre environ 4000C et 1 100 C pendant une période de temps comprise entre environ 15 minutes et 2 heures. La température d'activation est choisie en fonction de l'utilisation des agglomérés. Ainsi, pour une application dans le domaine de la catalyse pour le traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, on préférera une activation à une température comprise entre environ 600 et 1 000 C. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de traitement hydrothermal. Ce dispositif comprend un autoclave, une enceinte formant un panier pour recevoir les agglomérés à traiter, cette enceinte étant disposée à l'intérieur de l'autoclave de manière à définir un espace entre au moins la majeure partie des parois de l'autoclave et celles du panier. Le dispositif comprend également une alimentation en fluide caloporteur débouchant dans l'espace ainsi défini. Ainsi, le flux de fluide caloporteur ne rentre pas en contact direct avec les agglomérés, la paroi du panier formant un écran protecteur. Toutefois pour améliorer le chauffage des agglomérés, les parois de l'enceinte ou panier sont, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, munies d'une multitude d'ouvertures, au moins sur une partie de sa paroi. En outre, pour obtenir un traitement plus homogène des agglomérés, le panier est monté dans l'autoclave de manière à pouvoir tourner pour ainsi mettre les agglomérés en mouvement les uns par rapport aux autres. Avantageusement, les axes de symétrie de l'autoclave et du panier sont identiques. L'invention a également pour objet des agglomérés d'alumine active constitués d'un empilement de particules d'alumine obtenue par déshydratation d'hydroxyde d'aluminium. Ces agglomérés présentent après un traitement thermique ou activation à une température supérieure à 4000C, une résistance à l'attrition inférieure à 0,3 %, pour un volume poreux total compris entre 0,55 cm /g et 1,20 cm3/g, et une densité de remplissage tassée (DPT) comprise entre 0,400 et 0,700. La résistance à l'attrition est déterminée selon le test suivant: On introduit un volume donné (60 cm3) de produit à tester dans un erlenmeyer renversé de construction spéciale qui est raccordé à un orifice d'entrée métallique. Sur la partie plate (le fond) de l'erlenmeyer, on place un grand orifice de sortie (2,54 cm) recouvert d'un tamis de 1,168 mm d'ouverture. On envoie par l'orifice d'ouverture un fort courant d'azote sec qui a deux effets: (1) il fait circuler les particules l'une sur l'autre, ce qui entraîne une usure par frottement et (2) il provoque le choc des particules contre la partie supérieure de l'erlenmeyer, ce qui provoque leur dégradation selon l'intensité du choc. Le produit est essayé pendant 5 minutes et on pèse les particules restantes. La diminution de poids après l'essai, exprimée en % de la charge initiale, est appelée pourcentage d'usure par frottement. Selon la densité du produit, on envoie un courant d'azote compris entre environ 99,1 et environ 113,2 dm3/minute. Le débit d'azote doit être suffisant pour que les particules heurtent la partie supérieure de l'erlenmeyer. Les particules fines produites par l'usure par frottement sont entrainées hors de l'erlenmeyer par le courant d'azote, ce qui provoque donc une perte en poids du produit initialement introduit. Pour mesurer la Densité de Remplissage Tassée on utilise la méthode suivante: On introduit les agglomérés dans une éprouvette de volume déterminé. Cette éprouvette est soumise à une vibration pour assurer un tassement de billes. Après remplissage et tassage des agglomérés, on arrase la surface supérieure de celle-ci et on détermine la masse de produits ainsi conditionnée dans l'éprouvette. masse de produits DRT =------------- en g/cm3 volume de l'éprouvette Levolume poreux total (Vpt) des agglomérés est déterminé par la formule suivante: f 1 Vpt =- DRT E dans- laquelle f représente le coefficient volumique d'entassement (pour des billes sphériques f = 0,60 + 0,04) DRT: densité de remplissage tassée E: densité cristalline de l'alumine (compris entre 3 et 3,5 g/cm3 pour les formes cristallines de transition). Ce volume poreux total peut également être déterminé expérimentalement par imprégnation par l'eau d'un poids donné d'agglomérés jusqu'à ce que la surface de ces agglomérés devienne humide et détermination du volume.d'eau ainsi imprégné. On caractérise également les agglomérés d'alumine par leur Densité de Grains (DGR) qui est égal à: DRT = f DGR avec pour la valeur f la signification ci-dessus. La densité de grains (DGR) peut être également mesurée par la détermination du volume occupé par une masse déterminée d'alumine par immersion de cette masse dans un volume déterminé de mercure et détermination du volume de mercure déplacé. Pour éviter une pénétration du mercure dans les pores de l'alumine, on n'exerce aucune pression sur le mercure. Les agglomérés préférés de l'invention ont une forme sphérique et sont employés comme supports de catalyseur dans. le domaine du traitement des effluents gazeux tels que les gaz d'échappement des moteurs à combustion ou les fumées des chaudières ainsi que dans les procédés catalytiques de traitement des coupes pétrolières. Ces agglomérés sont susceptibles d'être obtenus par un traitement hydrothermal conforme à l'invention. D'autres caractéristiques, avantages et but de l'invention apparaitront plus clairement au vu des exemples et de la description détaillée faite en référence aux figures annexées données uniquement à titr9 d'exemple et dans lesquelles: - La figure 1 représente une vue schématique d'un mode de réalisation du dispositif de l'invention, - La figure 2 représente une vue à échelle agrandie de la paroi du panier du dispositif de la figure 1 et, - La figure 3 est une vue d'une coupe d'aggloméré de l'invention prise au Microscope à Balayage électronique avec un agrandissement de 6000 fois. En se référant aux figures 1 et 2, on décrira ci-dessous un mode de réalisation du dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de traitement hydrothermal de l'invention. Ce dispositif comprend un autoclave I comprenant notamment un manomètre 2. Cet autoclave comprend également tous les accessoires classiques montés sur ce type d'appareil. Ces différents accessoires n'ont pas été illustrés pour un but de clarté et correspondent à des éléments connus de l'invention. Le dispositif de l'invention comprend également une enceinte 3 interne, formant un panier dans lequel sont introduits les agglomérés & traiter (non illustré). Cette enceinte 3 définit avec les parois de l'autoclave 1 un espace 4. Dans cet espace 4, un fluide caloporteur, par exemple de la vapeur, est alimenté, dans l'exemple illustré, par des rampes 5. Toutefois, d'autres dispositifs d'alimentation peuvent être utilisés, tels qu'une simple arrivée de vapeur dans cet espace 4. Ces rampes sont connectées & une source de fluide caloporteur non représentée. L'enceinte 3 ou panier est, dans l'exemple illustré, cylindrique et maintenue en position dans l'autoclave 1 par des axes 6 de support. Toutefois, il est possible d'utiliser d'autres systèmes de maintien du panier 3 dans l'autoclave I sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Par ailleurs, la forme cylindrique du panier 3 illustrée est donnée uniquement à titre d'exemple. En effet, on peut utiliser des paniers de forme quelconque, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Le panier ou l'enceinte 3 peut être animé d'un mouvement, par exemple d'un mouvement rotatif, par tout moyen tel que moteur électrique, entraînement crémaillère, etc.... Le panier 3 comprend, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, une multitude d'ouverture 7. Dans l'exemple illustré, ces ouvertures sont constituées par des perforations. Toutefois. ces ouvertures peuvent être constituées, par exemple, par des fentes, des grilles dispersées sur une partie de la paroi de l'enceinte et leur nombre peut être quelconque. Ainsi, un panier comprenant deux fentes permettant l'écoulement des fluides est également convenable pour l'invention. Enfin, l'autoclave 1 comprend des ouvertures pour permettre l'installation du panier 3 et la vidange de celui-ci, soit par sortie du panier et vidange du panier à l'extérieur de l'autoclave, soit par vidange du panier à l'intérieur de l'autoclave. Ces ouvertures ne sont pas illustrées dans les figures annexées pour p7us de clarté. De maniére analogue, le panier 3 comprend des ouvertures pour permettre son remplissage et sa vidange. Le traitement hydrothermal d'agglomérés d'alumine est réalisé par remplissage du panier 3 avec des agglomérés d'alumine. Ces agglomérés d'alumine peuvent être, préalablement à leur alimentation dans le panier 3, imprégnés par une solution d'kydrotraitement à savoir, de l'eau ou une solution aqueuse acide. Mais, il est également possible de disposer les agglomérés dans le panier 3 et d'alimenter directement la solution d'hyàrotraitement dans le panier 3 disposé dans l'autoclave, soit par les rampes d'alimentation 5 soit par un système d'alimentation (non illustré) de la solution directement à l'intérieur du panier 3. Après avoir fermé l'autoclave, de la vapeur d'eau est a!irentée dans celui-ci par les rampes d'alimentation 5 pour obtenir la pression de vapeur saturante, et la température désirée. Ces pressions et températures sont maintenues pendant une durée déterminée avec ou sans rotation du panier 3. Les agglomérés ainsi traités sont retirés de l'autoclave 1 et du panier 3 pour être ensuite séchés et activés par un traitement thermique. On donnera ci-dessous, & titre indicatif uniquement, des exemples d'agglomérés obtenus par le procédé de l'invention et les conditions du traitement hydrothermal. 2642 4 14 Exemple 1 Des billes d'alumines de diamètre compris entre 2,4 et 4 mm obtenues par agglomération d'alumine provenant de la déshydratation rapide d'hydrargillite, sont traitées selon le procédé de 1l'invention. Ces billes ont, avant traitement hydrothermal, les caractéristiques suivantes: Surface spécifique: 190 m2/g Vpt (volume poreux total):0,90 cm3/g Vmp (volume microporeux):0,45 cm3/g (0 ( 0,1 Pam) VMp (volume macroporeux):0,45 cm /g (0 > 0,1 pm) - 0,35 cm /g ( g > 1 pm) Puis, elles sont imprégnées par immersion avec des solutions acides contenant de l'acide acétique et de l'acide nitrique dans des proportions telles que les billes imprégnées contiennent 7 % en poids d'acide acétique et entre 5 et 17 % d'acide nitrique. Ces pourcentages sont exprimés par rapport a la masse d'alumine de la bille. Ces billes sont soumises à un traitement hydrothermal par introduction dans le panier 3 puis envoi de la vapeur d'eau par les rampes de distribution 5. La température de traitement est de 210 C pendant 2,25 heures. Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-dessous. 1 2: TABLEAU I I t:: Z I I i I: I I ' I I ' I i! i. I i [ i I lEssais!4M P.dto-.ave f-- (I, NIJ IRJ M b I M PM t. ï Pelci. M It jet 414- 1, s? t. m D, 723 2, i g P i I I '' I I I It ti t t I t II I I I II I I I I I I I I q l t d tr te t h t i sl e i t Ce esasot églmn ontré I qu lui isa io d'n p ie I I I iIt I I I I I 5, r9Q PeiF 2 1b E2 Và 42 U2,6 O1B 1'4 1 û, 7D C,8 102 roa ie i, de l II i I i I I I 0. a. ' pe '. .. , ":,',em. l col particulièrement l'empilement des particules i d '.h'129,i.Ii3 '?2 '2 ' 't :.D I p I i I tr I t utiiésdnceesas la bhite et su om 'iule dans le bret e n 84 et ll p la figue I 1 I I ' - ::;: i: i " SI ' i'an,, ', 11)?,E3 ', 4!2 C-:' ab" {5,4 1," |17 ' I I I! tI! I! I qu lt té' o d'u tatemet hyrthra seo l'neto i o t t tI qu I i I roai e don de jla mis en mouvement des4 bi'e le une par : À a a p I d I le patculèesmesnai l'montrentmntamnt ees patcompardauisn aec,'xml queDe rplisa asle odtions d'u traitement hydrothermalseolinntn rotatif.et donc des la mis e ent muen deso biuls lre,,iun l p rpot:u aure perme t de diiurcnidéalmn le olg gui créent une structure type bogue de châtaigne telle que décrite dans le brevet europée. r 98764 et illustré par la figure 3, 2642 4 14 13, - REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'agglomérés d'alumine activée consistant à les soumettre & un traitement hydrothermal dans un autoclave puis à les sécher et les soumettre à un traitement thermique pour obtenir la surface spécifique désirée, caractérisé en ce que le traitement hydrothermal consiste à imprégner les agglomérés avec de l'eau ou une solution aqueuse acide, à les disposer dans une enceinte, a disposer ladite enceinte dans l'autoclave et à porter les agglomérés à une température au moins égale à 80eC par alimentation-d'un fluide chaud autour des parois de ladite enceinte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte précitée n'est pas étanche. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte précitée est remplie partiellement par les agglomérés d'alumine. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que - la température du traitement hydrothermal est comprise entre c et 250 c, de préférence entre 150 C et 2500C. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la durée du traitement hydrothermal est comprise entre 20 minutes et 35 heures. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution aqueuse acide d'imprégnation comprend un - ou plusieurs acides choisis dans le groupe comprenant l'acide nitrique, chlorhydrique, perchlorique, sulfurique, les acides faibles, dont la solution a un pH inférieur à 4 tel que l'acide acétique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qua la solution acide comprend un composé libérant un anion capable de se combiner avec les ions aluminium, ce composé étant choisi dans le groupe comprenant les anions nitrate, chlorure, sulfate, perchlorate, chloroacétate, dichloroacétate, bromoacétate, dibromoacétate et les anions de formule générale p- C- 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé ern ce que l'on met en mouvement les agglomérés les uns par rapport aux autres pendant au moins une partie du traitement hydr.therma2. g. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que cette mise en mouvement est générée par le mouvement de l'enceinte dans l'autoclave. !C. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est constitué par de la vapeur d'eau. 11. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de traitement hydrothermal selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un autoclave (1), une enceinte (3) formant panier disposée dans ledit autoclave (1) de manière à définir un espace (4) entre au moins la majeure partie des parois de l'autoclave (1) et celles dudit panier (3), et une alimentation (5) en fluide caloporteur débouchant dans ledit espace défini. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le panier précité comprend une multitude d'ouvertures (7) sur au moins une partie de la paroi. 13. Dispcsitif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que le panier est monté de manière rotative dans l'autoclave !SE 14. Agglomérés d'alumine activée susceptibles d'être obtenus par le procédé selon l'une des revendications 1 à 11l caractérisé en ce qu'il consisW en un empilement de particules d'alumine obtenue par déshydratation d'hydroxyde d'aluminium, et présente un volume poreux total compris entre 0,55 cm3/g et 1,15 cm /g, une densité de remplissage tassée comprise entre 0,400 et O,700, et une résistance à l'attrition inférieure à 0,3 t après un vieillissement de 24 heures à 980 C.