Brevet FR2664891A1 — publié le 19920124

i La présente invention a pour objet un procédé de conversion du méthane en hydrocarbures supérieurs et plus particulièrement en hydrocarbures C 2 à C 7. La conversion du méthane en hydrocarbures supérieurs et hydrogène est défavorisée thermodyna- miquement A ce jour, la voie principale de conversion du méthane est la réaction endothermique de fabrication de gaz de synthèse par réformage à la vapeur Cette voie a des limites liées à la thermodynamique et à la mise en oeuvre qui ont conduit à la recherche d'alternatives. Dans la recherche de réactions thermodynamiques favorables, une solution a été récemment étudiée, le couplage oxydant, qui consiste à faire réagir catalytiquement le méthane en présence d'oxygène pour le convertir en un mélange d'éthane et d'éthylène. Cependant, cette solution s'est révélée insatisfaisante parce qu'elle n'aboutit pas à un procédé suffisamment sélectif pour la production des hydrocarbures supérieurs. En effet, en plus de la formation inévitable d'eau, elle conduit à une formation importante de produits secondaires indésirables et notamment à celle d'oxydes de carbone. La présente invention est basée sur la découverte inattendue que l'on peut obtenir une conversion du méthane sans co-réactif gazeux avec une sélectivité maximale et sans perte importante de matière en contournant les difficultés thermodynamiques et cinétiques par un processus cyclique original associé à un choix de catalyseurs adaptés. Aussi, la présente invention a pour objet un procédé de conversion du méthane en hydrocarbures supérieurs qui consiste à exposer un catalyseur constitué essentiellement d'un métal appartenant à la série des métaux de transition et d'un support de grande surface spécifique qui est constitué notamment d'oxyde d'un métal réfractaire à un flux de méthane, à une température comprise entre environ 100 et 3000 C avec un temps de contact d'au moins une seconde, puis à un flux d'hydrogène à une température comprise entre 100 et 3000 C avec un temps de contact d'au moins une seconde. Selon une caractéristique de l'invention, le catalyseur est constitué d'un métal choisi dans le groupe consistant en Pt, Ru, Pd, Ir, Rh, Re, Co, Ni, Fe, W et leurs mélanges mécaniques et/ou leurs alliages et leurs promoteurs à métaux notamment alcalins ou alcalino-terreux et d'un support de grande surface spécifique qui est constitué d'oxyde d'un métal réfractaire choisi notamment dans le groupe consistant en silice, alumine, silice-alumine, oxydes de zinc, magnésium, chrome, zirconium et terres rares ou de charbon actif. Selon encore une caractéristique de l'invention, la température est comprise entre environ 1300 C et 2500 C. Selon encore une autre caractéristique, le temps de contact est compris entre 12 et 480 secondes. Selon toujours une caractéristique de l'invention, le procédé consiste de plus à récupérer le flux d'hydrogène en séparant l'hydrogène des produits obtenus. Selon une particularité de l'invention, un complément d'hydrogène peut être obtenu par réformage catalytique du mélange des produits obtenus. Selon une autre particularité de l'invention, le procédé consiste en une mise en oeuvre successive et non interrompue des étapes décrites précédemment. D'autres buts, détails et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui va suivre. Plus particulièrement, le cycle élémentaire du procédé consiste à exposer successivement le catalyseur à un flux de méthane et ensuite à de l'hydrogène Le procédé consiste en la répétition successive en continu du cycle élémentaire Ceci peut être réalisé notamment soit en passant sur le catalyseur de façon alternée un flux de méthane et un flux d'hydrogène, soit en faisant circuler le catalyseur successivement dans du méthane puis dans de l'hydrogène. Dans le premier cas, le catalyseur peut être sous la forme d'un lit fixe, en particulier sous forme de monolithe, mais de préférence il est fluidisé pour assurer un temps de contact identique entre toutes les particules de catalyseur et le méthane ainsi qu'une température uniforme. Dans le deuxième cas, le catalyseur est sous forme d'un lit fluidisé circulant. Lorsque la réaction de conversion proprement dite est achevée, un flux gazeux composé d'hydrogène et d'un mélange d'alcanes légers (C 2-C 5) est recueilli Une séparation est effectuée entre l'hydrogène, destiné à être recyclé, et les alcanes légers qui sont les produits recherchés. Il faut noter que bien que le cycle complet de conversion soit globalement producteur d'hydrogène ln CH 4 _-_ Cn H 2 n+ 2 + (n 1)H 21, il est en pratique consommateur puisque l'hydrogène est produit de façon très dilué, et donc non récupérable, dans le flux de méthane lors de la première étape du procédé qui correspond à l'adsorption et à la condensation du méthane adsorbé La seconde étape, c'est-à-dire le balayage à l'hydrogène est consommatrice d'hydrogène La limite supérieure de la consommation d'hydrogène peut être évaluée en considérant que tous les alcanes qui sont alors produits sont adsorbés sous forme d'oléfines La consommation d'hydrogène est la quantité nécessaire pour transformer les oléfines en alcanes On aboutit ainsi à environ 70 tonnes d'hydrogène consommées par tonne de produit C 2 C 5 soit une quantité comparable à celles qui sont rencontrées en hydrotraitement de coupes pétrolières La consommation d'hydrogène joue un rôle important dans la compétitivité des procédés. Le rendement dépend de la fréquence à laquelle le processus cyclique peut être répété Les temps de contact les plus brefs possibles sont donc recherchés tels que des temps de contact de 12 à 480 secondes ou moins Les catalyseurs les plus actifs permettent de réduire le temps de contact nécessaire à l'adsorption, à la conversion du méthane et à la désorption des produits obtenus Après la désorption, le catalyseur est ainsi régénéré et le processus cyclique prêt à être à nouveau engagé. Comme on va le mettre en évidence ci-après, la nature du ou des métaux, du ou des supports, du ou des promoteurs, et l'état de dispersion du métal sur le support conditionnent l'activité du catalyseur et donc les temps de contact. Un certain nombre d'essais ont été réalisés avec différents types de catalyseurs Les résultats de ces essais sont rapportés dans le tableau ci-après. TABLEAU I Nature du 15 % Ru/charbon l C 1 o Ru/ 1 5 % Ru/ I Co/Kieselguhr 5 /%Pt/charbon 5 /Pt/Si O 1 5 /%Pt/Si O j catalyseur lactif Si O 2 A 1203 actif I Masse du catalyseur,g O 1 06 0,5 0,6 0,6 0,6 0,1,1 0,1 i Température,OC C 200 130 150 250 275 | 250 250 Durée d'expo I I I isition e I I I CH S 480 300 480 480 480 300 30 1 1 Durée d'expo | I I I sition à H 2, S 12 12 12 12 12 12 10 Débit CH 4, 1/h 15,0 6,0 15,0 18,0 12,0 24,0 24,0 Débit H 2, 1/h | 7,2 7, 2 7,2 7,2 7,2 7,2 7, 2 I Quantité de CH 4 I Iconverti/g cata 1,28 103 0,11 10-3 1,34 10-3 0,58 1073 0,95 103 0,24 1073 2,4 1073 I Conversion,% l I(CH 4 converti/ CH 4 entrant) 10,10 0,03 0,11 1 0, 04 0,08 0,16 1,7 Cn t Ji om co Comme cela ressort du tableau ci-dessus, les meilleures conversions et donc les meilleurs rendements puisque la sélectivité en mélange d'alcanes supérieurs est de 100 % sont obtenus avec un catalyseur à base de platine sur un support de silice. Il faut noter que l'on peut adapter le présent procédé à la production d'hydrocarbures plus lourds (jusqu'à C 7) en augmentant le temps de contact avec le catalyseur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples donnés ci-dessus. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Procédé de conversion du méthane en hydrocarbures supérieurs, caractérisé en ce qu'il consiste à exposer un catalyseur constitué essentiellement d'un métal appartenant à la série des métaux de transition et d'un support de grande surface spécifique qui est constitué notamment d'oxyde d'un métal réfractaire, à un flux de méthane à une température comprise entre environ 1000 et 3000 C avec un temps de contact d'au moins une seconde, puis à un flux d'hydrogène à une température comprise entre 100 et 3000 C avec un temps de contact d'au moins une seconde. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est choisi dans le groupe consistant en Pt, Ru, Pd, Ir, Rh, Re, Co, Ni, Fe, W, leurs mélanges mécaniques et/ou leurs alliages, et leurs promoteurs à métaux notamment alcalins ou alcalino-terreux. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support de grande surface spécifique est constitué d'oxyde de métal réfractaire choisi notamment dans le groupe consistant en silice, alumine, silice-alumine, oxyde de zinc, oxyde de magnésium, oxyde de chrome, oxyde de zirconium et oxyde de terres rares, ou de charbon actif. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température est de préférence comprise entre 1300 C et 2500 C. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps de contact est de préférence compris entre 12 secondes et 480 secondes. 6 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste de plus à récupérer le flux d'hydrogène en séparant l'hydrogène des produits obtenus. 7 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste en une mise en oeuvre successive et non interrompue des étapes de la revendication i.