Brevet FR2661114A1 — publié le 19911025

i Cette invention concerne un catalyseur d'hydroraffinage de charges hydrocarbonées et un procédé d'hydroraffinage qui met en oeuvre ledit catalyseur. Le pétrole et les fractions pétrolières sont des mélanges très complexes, o à côté des hydrocarbures, se trouvent des composés renfermant des hétéroatomes, comme le soufre, l'azote et l'oxygène Ce sont généralement des impuretés nuisibles à la bonne qualité des produits pétroliers Ils sont notamment responsables des problèmes liés à la pollution, à la corrosion, à l'odeur et à la stabilité Il est donc important de les éliminer au cours du raffinage Il s'agit en général d'un traitement à l'hydrogène, en présence d'un catalyseur qui favorise la rupture des liaisons carbone-héréroatomes Ce traitement est appelé hydroraffinage. Un effort de recherche considérable a été déployé pour trouver des catalyseurs d'hydroraffinage efficaces Les catalyseurs les plus couramment utilisés sont à base de nickel, de molybdène, de tungstène ou de cobalt. Le reste est préparé par imprégnation d'alumine, en général d'alumine gamma, par une solution aqueuse de sels métalliques Après imprégnation le support est séché puis calciné. La conversion des oxydes métalliques formés, en sulfures, se déroule en présence de composés soufrés, comme l'hydrogène sulfuré, le disulfure de carbone, le soufre élémentaire, les mercaptans ou thioethers En général, cette sulfuration se déroule en présence d'hydrogène. Le sulfure de niobium a suscité jusqu'ici peu d'intérêt comme catalyseur d'hydroraffinage PECORADO et CHIANELLI (J Catal 67 430 ( 1981)) ont montré que le sulfure de niobium massique avait une activité faible pour l'hydrodésulfuration du dibenzothiophène De manière similaire, le sulfure de niobium supporté par le carbone est très peu actif en hydrodésulfuration (VISSERS Bull Soc. Chim Belg 93 813 ( 1984)> et en hydrodésazotation. Dans toutes les études il s'agit de disulfure de niobium, qui est le dérivé soufré du niobium le plus stable et le plus facile à synthétiser. Nous avons trouvé maintenant qu'un autre sulfure de niobium, le trisulfure, difficile à synthétiser et instable en atmosphère peu riche en soufre présente des propriétés catalytiques remarquables. Cette invention concerne donc un catalyseur d'hydroraffinage de charges hydrocarbonées caractérisé en ce qu'il renferme du trisulfure de niobium. Ce catalyseur peut être constitué de sulfure de niobium massique ou bien de sulfure de niobium supporté. Le trisulfure de niobium massique est préparé par chauffage sous pression autogène et en absence d'air, de niobium et de soufre en rapport stoechiométrique Cette réaction est effectuée normalement à une température de 650 à 750 C. Nous avons trouvé qu'en abaissant la température de la réaction, non seulement les pertes de soufre sont évitées mais il y a également augmentation de l'aire spécifique du trisulfure de niobium formé Le trisulfure est donc préparé à une température comprise entre 450 et 750 'C, mais de préférence comprise entre 450 et 550 C En effet, en travaillant à une température voisine de 5000 C, l'aire spécifique du trisulfure de niobium obtenu est d'environ 2,5 m 2/g Même à cette température la réaction est totale, dans la mesure o le traitement est suffisamment long, de l'ordre d'une quinzaine de jours Par contre il n'est pas possible de dépasser l'aire spécifique de 2,5 m 2/g par cette méthode directe. Nous avons trouvé un traitement qui permet d'augmenter l'aire spécifique du trisulfure de niobium Ce traitement consiste à intercaler du lithium dans le réseau cristallin du trisulfure de niobium, puis à désintercaler ce lithium Le trisulfure de niobium obtenu a une surface spécifique très supérieure à celle du produit de départ. Ainsi, en partant d'un trisulfure de niobium dont la surface spécifique est de 2,5 m 2/g, nous avons obtenu un trisulfure de 11,5 m 2/g et un autre de 18 m 2/g selon la quantité de lithium intercalé. L'intercalation du lithium est réalisé par réaction du trisulfure avec un alkyllithium, en général le butyllithium dans un solvant inerte, comme l'hexane. (Mishchenko Zh Neorg Kim 1987,32 ( 7) 1591-5) Il est possible d'intercaler plusieurs atomes de lithium par motif de sulfure La surface spécifique varie en fonction de la quantité de lithium intercalée Cette quantité ne peut pas dépasser trois atomes de lithium par motif de trisulfure. Le lithium est désintercalé par exemple avec une solution d'iode, dans un solvant comme l'acétonitrile. Le trisulfure de niobium supporté est obtenu par imprégnation d'un support inerte par une solution aqueuse de sel de niobium Nous avons trouvé de façon inattendue que l'activité catalytique du trisulfure de niobium est beaucoup plus élevée, si on choisit pour l'imprégnation l'oxalate de niobium plutôt que d'autres sels solubles, comme par exemple le niobate d'ammonium. Il est avantageux d'effectuer cette imprégnation "à sec", c'est-à-dire de telle manière qu'il n'y ait pas de liquide surnageant le solide Après séchage, ce solide imprégné est sulfuré par un mélange de N 2-H 25. La température de sulfuration est comprise entre 300 et 6000 C, et de préférence entre 350 et 450 'C La durée de la sulfuration est d'environ 4 heures. Il est important d'utiliser un support inerte, ne présentant pas d'interaction forte avec le niobium, car la liaison Nb-0 est très forte et donc difficile à rompre Une interaction forte avec le support empêche la sulfuration du niobium Parmi les supports inertes nous pouvons mentionner le carbone et la silice. Il est possible de déposer d'autres métaux sur le support Ainsi le niobium peut être accompagné dans le catalyseur fini par d'autres sulfures métalliques utilisés comme catalyseurs d'hydroraffinage, comme les sulfures de nickel, de molybdène, de cobalt ou de tungstène. Les propriétés catalytiques du trisulfure de niobium massique ou supporté ont été mesurées dans les réactions caractéristiques des procédés d'hydroraffinage, l'hydrodésulfuration et l'hydrodésazotation, c'est-àdire des réactions entraînant la rupture de liaisons carbone-soufre et carbone-azote. L'activité catalytique du trisulfure de niobium supporté dans l'hydrodésulfuration du thiophène est très supérieure à celle du sulfure de molybdène ayant la même teneur en métal Par ailleurs, l'activité catalytique du trisulfure de niobium dans cette réaction est environ cinq fois plus élevée que celle du disulfure de niobium. Plusieurs réactions d'hydrodésazotation ont été étudiées, comme la rupture de la liaison carbone-azote dans une amine aliphatique comme la npentylamine ou dans un hétérocycle comme la pipéridine. L'activité catalytique du trisulfure de niobium est particulièrement remarquable pour les réactions de coupure des liaisons carbone-azote. Dans la conversion de la n-pentylamine, le trisulfure de niobium présente une activité deux fois supérieure à celle du sulfure de rhodium et environ sept fois supérieure à celle du sulfure de molybdène, qui sont les sulfures les plus actifs parmi ceux étudiés La raison de cette activité importante n'est pas encore totalement élucidée Néanmoins, les études de mécanisme des réactions de conversion de la n- pentylamine et de la pipéridine montrent qu'il y a d'abord coordination de l'amine sur le métal de transition par le doublet de l'azote, suivie par une abstraction d'hydrogène en position béta de l'azote Le trisulfure de niobium comportant des groupements ( 52)2 et 52 serait plus actif que les sulfures comportant uniquement des groupements 52-, pour cette étape. Le trisulfure de niobium est également très actif comme catalyseur d'hydrogénation et de craquage du biphényle. Le trisulfure présente une activité catalytique environ cinq fois plus grande que celle du disulfure. La sélectivité du craquage du biphényle en cyclohexane et benzène est remarquable Elle est de 90 % comparée à 20 % pour les catalyseurs habituels, tels que les sulfures de molybdène ou de tungstène. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter. EXEMPLE 1 L'oxalate de niobium Nb(Nb (HC 204)5) de NIOBIUM PRODUCTS CO. INC est dissous dans une solution tampon, solution aqueuse à 0,01 M d'acide oxalique et d'oxalate d'ammonium Un support inerte de grande surface, le carbone C-NORIT R X 3, de 1200 m 2/g est introduit dans cette solution de telle manière qu'il n'y ait pas de liquide surnageant le solide (imprégnation dite à sec) Après séchage, le solide est ensuite sulfuré par une mélange N 2-H 2 S durant quatre heures à 400 C Le catalyseur obtenu contient 9 % poids de niobium. EXEMPLE 2 (comparatif) Un catalyseur similaire, renfermant 9 % poids de niobium a été préparé par imprégnation avec une solution de niobate d'ammonium (NH 4 Nb O 3,H 2 O). EXEMPLE 3 On introduit dans un réacteur 92,91 g de niobium et 96 g de soufre Le mélange est chauffé sous pression autogène à 500 C On obtient cette température en trois jours, et elle est maintenue pendant trois semaines Le mélange est lentement refroidi à la température ambiante La réaction est complète, le produit obtenu est homogène. La mesure de diffraction aux rayons X par un diffractomètre SIEMENS D 500 est en accord avec la structure Nb 53. La surface spécifique déterminée par BET est de 2,5 m 2/g. EXEMPLE 4 On introduit dans une fiole 0,75 g de Nb 53 dont la surface spécifique est de 2,5 m 2/g, 25 ml d'hexane et 8 ml de butyllithium La réaction se déroule durant 5 jours sous agitation Le produit est ensuite filtré, rincé à l'hexane et séché La structure du produit obtenu correspond à Li 3 Nb 53. Il est désintercalé par une solution de iode dans l'acétronitrile selon l'équation = Li 3 Nb 53 + 3/2 12 > Nb 53 + 3 Li-I La surface spécifique mesurée par BET après désintercalation et de 18 m 2/g. En utilisant 1,5 mole d'iode par mole de Nb 53 on obtient un produit dont la surface spécifique est de 11,5 m 2/g. EXEMPLE 5 Nous avons comparé les activités catalytiques en hydrodésulfuration du thiophène à 573 K sous une pression totale de 1 atmosphère et une pression du réactif de 24 102 Pa des Nb 53 supportés préparés selon l'exemple 1 et l'exemple comparatif 2 Tous les catalyseurs renferment 9 % poids de niobium. TABLEAU I Catalyseur Activité 10-8 mol S-1 g-1 EXEMPLE 1 105 EXEMPLE 2 (comparatif) 18 Sulfure de molybdène sur alumine commercial 32 ( 9 % Mo) EXEMPLE 6 Nous avons comparé la vitesse intrinsèque de la conversion de la pipéridine, mesurée par la vitesse de disparition du réactif Nous avons opéré à 3000 C, sous une pression partielle de 3 M Pa d'hydrogène, une pression partielle de pipéridine de 0,026 M Pa et une pression partielle d'H 25 de 0,006 M Pa Les catalyseurs testés ont été Nb 53 selon l'exemple 4, Nb 52 et d'autres sulfures métalliques TABLEAU 2 Catalyseur Surface* Vitesse Vitesse spécifique intrinsèque (m 2/g) 10-9 mol s-1 g 1 10-9 mol s-lm-2 Nb 53 (Ex 4) 11,5 1070 93,0 Nb 52 9 520 57,8 Mo 52 29 1150 39,6 W 52 58 820 14,1 Co 958 12 110 9,2 Ni 352 12 28 2,3 *mesurée par la méthode BET sur le catalyseur sulfuré et avant test catalytique. EXEMPLE 7 Nous avons comparé la vitesse intrinsèque de la conversion de la npentylamine, mesurée par la vitesse d'apparition des hydrocarbures en C 5 Nous avons opéré à 275 C sous une pression partielle d'hydrogène de 0,1 M Pa, une pression partielle de n-pentylamine 0,133 K Pa et une pression partielle d'H 2 S de 4 K Pa Les catalyseurs testés ont été Nb 53 selon l'exemple 4 Nb 52 et d'autres sulfures métalliques. TABLEAU 3 Catalyseur Surface Vitesse Vitesse spécifique intrinsèque (m 2/g) 10-9 mol s-1 g-1 10-9 mol s-1 m-2 Nb 53 (Ex 4) 11,5 880 76,5 Nb 52 9 92 10,2 Mo 52 64 61 9,6 W 52 58 331 5,7 Co 958 40 93 2,3 Ni 352 6 22 3,7 Rh 253 89 960 10,8 Pour la même réaction nous avons comparé un catalyseur à 9 % de niobium selon l'exemple 1, un catalysseur à 9 % de molybdène sur alumine et un catalyseur commercial nickel- molybdène sur alumine (HR 346 de la société Procatalyse). Nous avons déterminé la vitesse spécifique ainsi que la sélectivité en apparition des C 5 pour une conversion de 20 %. TABLEAU 4 Catalyseur Vitesse spécifique Sélectivité en C 5 -7 mol s-1 g 9 & à 20 % conversion Nb/C(Ex 1) 8 60 Mo/Al 8 36 HR 346 10 46 La sélectivité meilleure du trisulfure de niobium apparaît clairement. EXEMPLE 8 Nous avons comparé la vitesse intrinsèque de la conversion du biphényle à 530 K, une pression totale de 23 105 Pa, une pression du réactif de 8 102 Pa et une pression partielle d'H 2 S ajoutée de 4,3 102 Pa Les catalyseurs testés sont Nb 53 selon l'exemple 4, Nb 52 et d'autres sulfures métalliques. TABLEAU 5 Catalyseur Nb 53 (Ex 4) Nb 52 Mo 52 W 52 Co 958 Ni 352 Surface (m 2/g) 11, 5 Vitesse Vitesse spécifique intrinsèque -10 mol s-1 g-1 10-10 mol s 2 480 41,8 250 27,8 510 11,2 760 12,1 4,6 76 3,8 REVENDICATIONS 1 Catalyseur d'hydroraffinage de charges hydrocarbonées caractérisé en ce qu'il renferme du trisulfure de niobium. 2 Catalyseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le trisulfure de niobium est utilisé sous forme massique. 3 Catalyseur selon la revendication 2 caractérisé en ce que le trisulfure de niobium est préparé par chauffage de niobium et de soufre sous pression autogène à une température comprise entre 450 et 7500 C et de préférence entre 450 et 5500 C. 4 Catalyseur selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que l'aire spécifique du trisulfure de niobium est augmentée par intercalation de lithium suivi d'une désintercalation. Catalyseur selon la revendication 4 caractérisé en ce que le lithium est intercalé à l'aide d'un alkyllithium, comme le butyllithium et la désintercalation est effectuée par traitement avec de l'iode dans un solvant. 6 Catalyseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le trisulfure de niobium est déposé sur un support inerte. 7 Catalyseur selon la revendication 7 caractérisé en ce que le support est du carbone ou de la silice. 8 Catalyseur selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce qu'il est préparé par imprégnation d'un support inerte par une solution d'oxalate de niobium, séchage et sulfuration. 9 Catalyseur selon la revendication 6, 7 ou 8 caractérisé en ce qu'il renferme au moins un sulfure métallique, comme les sulfures de nickel, de molybdène, de cobalt ou de tungstène. Procédé d'hydroraffinage catalytique caractérisé en ce qu'on utilise un catalyseur selon les revendications 1 à 9. 11 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la réaction d'hydroraffinage est l'hydrodésulfuration. 12 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la réaction d'hydroraffinage est l'hydrodésazotation.