Brevet FR2697246A1 — publié le 19940429

La présente invention concerne un procédé de production de phénylalcanes par alkylation du benzène au moyen d'oléfine(s) linéaire(s) comprenant de 9 à 16 atomes de carbone par molécule, plus particulièrement de 10 à 14 atomes de carbone par molécule, en présence d'au moins un catalyseur à base de zéolithe Y désaluminée. Les phénylalcanes obtenus selon l'invention constituent des composés pour la formulation, après sulfonation, de détergents biodégradables. Actuellement, les bases pour détergents biodégradables font largement appel aux alkylbenzènes linéaires. La production de ce type de composés est en croissance régulière elle avoisine 650000 tonnes/an à l'échelle de l'Europe de l'ouest par exemple. Une des propriétés principales recherchée pour ces composés, après l'étape de sulfonation, est, outre leur pouvoir détergent, leur biodégradabilité. Pour assurer une biodégradabilité maximale, le groupement alkyl doit être linéaire et long, la distance entre le groupe sulfonate et le carbone terminal de la chaîne linéaire doit être maximal. Les agents d'alkylation du benzène les plus intéressants sont constitués par les oléfines linéaires en Cg-C16, et de préférence en C10 - C14. Les alkylbenzènes linéaires obtenus par alkylation du benzène au moyen d'oléfine(s) linéaire(s) sont préparés aujourd'hui par deux grands procédés. Le premier procédé est licencé par UOP et utilise, lors de l'étape d'alkylation du benzène, de l'acide fluorhydrique comme catalyseur acide. Le second procédé est licencé par ARCO Technology Inc. et utilise un catalyseur de type Friedel-Craft, en particulier à base de AlCl3. Ces deux procédés conduisent à la formation de 2-, 3-, 4-, 5- et 6- phénylalcanes. Le principal inconvénient de ces procédés est lié à des contraintes d'environnement. Le procédé UOP, basé sur l'utilisation d'acide fluorhydrique pose des problèmes de sécurité sévères d'une part et de retraitement de déchets d'autre part. Le procédé ARCO pose le problème classique des procédés basés sur des catalyseurs de type Friedel-Craft, en l'occurrence le problème des rejets ; en effet pour ce type de procédé, il est nécessaire de neutraliser les effluents par une solution basique en sortie de réacteur. A ces divers inconvénients s'ajoutent pour les deux procédés les difficultés liées à la séparation du catalyseur des produits de la réaction. Ces diverses contraintes expliquent l'intérêt qu'il y aurait à mettre au point un procédé d'alkylation du benzène par les oléfines linéaires en présence d'un catalyseur solide permettant d'obtenir des sélectivités voisines de celles obtenues dans les deux procédés décrits ci-avant. L'art antérieur fait essentiellement état de l'utilisation de catalyseurs possédant des propriétés de sélectivité géométrique et conduisant à une sélectivité améliorée en 2- et 3- phénylalcanes. Ils ne permettent pas d'obtenir des distributions de phénylalcanes voisines de celles obtenus avec HF ou AIC13. Lesdits catalyseurs présentant des propriétés de sélectivité géométrique sont constitués de zéolithes. Ainsi le brevet US-A-4301317 a revendiqué toute une série de zéolithes dont : la cancrinite, la gmélinite, la mordénite, I'offrétite et la ZSM-12. Ces zéolithes sont, en particulier, caractérisées en ce que leur ouverture des pores est comprise entre environ 6 et environ 7 en diamètre (1 Â = 10-10 m). Les zéolithes Y qui présentent une ouverture de pores voisine de 7,4 Â n'entrent pas dans le cadre du brevet US-A-4,301,317. Concernant l'emploi de zéolithes Y, le brevet EP-160.144 revendique l'utilisation de zéolithes Y mal cristallisées (cristallinité comprise entre 30 et 80 %), le brevet US-A-5,036,033 revendique l'utilisation de zéolithes Y riches en cations ammonium [teneur supérieure à 250 ppm calculé sous forme (NH4)2O]. Nous avons découvert que l'utilisation de zéolithes Y désaluminées, de rapport atomique Si/Ai global supérieur à 4, de préférence compris entre 8 et 70 et encore plus avantageusement compris entre 15 et 25, et ne contenant pas d'espèces aluminiques extra-réseau, présentent, en alkylation du benzène au moyen d'oléfine(s) linéaire(s) comprenant de 9 à 16 atomes de carbone par molécule, plus particulièrement de 10 à 14 atomes de carbone par molécule, des performances catalytiques supérieures à celles des catalyseurs décrits dans l'art antérieur. Ces nouveaux catalyseurs sont notamment à la fois très actifs, très résistants à la désactivation et conduisent à des sélectivités en phénylalcanes voisines de celles obtenues dans les procédés classiques utilisant HF ou AlC13 comme catalyseur. La zéolithe Y désaluminée est employée seule ou en mélange avec un liant ou une matrice généralement choisis dans le groupe formé par les argiles, les alumines, la silice, la magnésie, la zircone, l'oxyde de titane, l'oxyde de bore et toute combinaison d'au moins deux de ces oxydes comme la silice-alumine, la silice-magnésie. Toutes les méthodes connues d'agglomération et de mise en forme sont applicables, telles que, par exemple, I'extrusion, le pastillage, la coagulation en gouttes etc.. On utilise ainsi dans le procédé selon l'invention au moins un catalyseur à base de zéolithe Y dés aluminée de rapport atomique Si/Al global supérieur à 4, de préférence compris entre 8 et 70, contenant généralement 1 à 100 %, de préférence 20 à 98 % et, par exemple 40 à 98 % de ladite zéolithe Y dés aluminée et 0 à 99 %, de préférence 2 à 80 %, et, par exemple, 2 à 60 % en poids d'une matrice. Les zéolithes Y désaluminées et leur préparation sont bien connues. On pourra par exemple se référer au brevet US-A-4,738,940. La zéolithe Y utilisée dans la présente invention est une zéolithe acide HY caractérisée par différentes spécifications, dont les méthodes de détermination sont précisées dans la suite du texte: un rapport atomique Si/Ai global supérieur à 4, de préférence compris entre 8 et 70 ; une teneur en sodium inférieure à 0,25 % poids ; un paramètre cristallin aO de la maille élémentaire inférieur à 24,55 10- 10 m et, de manière préférée, compris entre 24,39 10-10 m et 24,21 10-10 m; une surface spécifique déterminée par la méthode B.E.T. supérieure à environ 300 m2/g et, de préférence, supérieure à environ 450 m2/g; une capacité d'adsorption de vapeur d'eau à 250 C, pour une pression partielle de 3,46 mbar, supérieure à environ 0,5 %, et, de préférence, supérieure à environ 3 %. La proportion d'espèces aluminiques extra-réseau de la zéolithe Y désaluminée utilisée dans la présente invention est très faible voire nulle ; la teneur en espèces aluminiques est telle que l'on ne détecte pas de signal attribuable à de telles espèces, soit par résonance magnétique nucléaire de 2 7 Al en utilisant la technique de la rotation à l'angle magique, soit par spectroscopie infrarouge dans la région des groupes hydroxyles ; de manière plus quantitative, le rapport de l'intensité des signaux correspondant aux espèces aluminiques hors charpente (extra réseau) sur l'intensité des signaux correspondant aux espèces aluminiques de charpente est inférieur à 0,05, pour les deux techniques de caractérisation. Les différentes caractéristiques précédentes peuvent être mesurées par les méthodes suivantes - le rapport atomique Si/Al global peut être mesuré par analyse chimique. Quand les quantités d'aluminium sont faibles, par exemple inférieures à 2 %, pour plus de précision, il est opportun d'utiliser une méthode de dosage par spectrométrie d'adsorption atomique. - le paramètre de maille peut être calculé à partir du diagramme de diffraction des rayons X, selon la méthode décrite dans la fiche ASTM D 3942-80. I1 est clair que pour effectuer ce calcul correctement il faut que la cristallinité du produit soit suffisante. - la surface spécifique est par exemple déterminée par mesure de l'isotherme d'adsorption d'azote à la température de l'azote liquide et calculée selon la méthode classique B.E.T. Les échantillons sont prétraités, avant la mesure, à 5000 C sous balayage d'azote sec. - les pourcentages de reprise en eau (ou capacité d'adsorption de vapeur d'eau) sont par exemple déterminés à l'aide d'un appareillage classique de gravimétrie. L'échantillon est prétraité à 4000 C sous vide primaire, puis porté à une température stable de 250 C. On admet ensuite une pression d'eau de 3,46 mbar, ce qui correspond à un rapport P/Po d'environ 0,10 (rapport entre la pression partielle d'eau admise dans l'appareil et la pression de vapeur saturante de l'eau à la température de 25 C). On a découvert dans la présente invention que les zéolithes Y désaluminées répondant aux spécifications précitées avaient des propriétés remarquables pour la production de phénylalcanes par alkylation du benzène au moyen de mono-oléfines. Ces zéolithes sont par exemple fabriquées, généralement à partir d'une zéolithe NaY, par une combinaison appropriée de deux traitements de base: (a) un traitement hydrothermique qui associe température et pression partielle de vapeur d'eau, et (b) un traitement acide par, de préférence, un acide minéral fort et concentré. Généralement la zéolithe NaY à partir de laquelle on prépare la zéolithe Y utilisée dans l'invention possède un rapport atomique Si/AI global compris entre environ 1,8 et 3,5 ; il conviendra au préalable d'en abaisser la teneur pondérale en sodium à moins de 3 % et, de préférence, à moins de 2,5 %. L'abaissement de la teneur en sodium peut s'effectuer par échanges ioniques de la zéolithe NaY dans des solutions de sel d'ammonium (nitrate, sulfate, oxalate etc..) de concentration en ammonium comprise entre 0,01 et 10 N, à une température comprise entre 10 et 1800 C (échange sous pression autogène éventuellement), pendant une durée supérieure à 10 minutes environ. La zéolithe NaY possède en outre généralement une surface spécifique comprise entre environ 750 et 950 m2/g. Selon une variante préférée du procédé de l'invention, on fait réagir, dans une zone de réaction, du benzène avec une charge renfermant au moins une oléfine linéaire comprenant de 9 à 16 atomes de carbone par molécule, de préférence de 10 à 14 atomes de carbone par molécule, au contact d'un catalyseur à base d'une zéolithe Y désaluminée ayant les caractéristiques définies précédemment (réaction d'alkylation), puis on fractionne le produit obtenu de manière à recueillir séparément une première fraction renfermant du benzène non converti, une deuxième fraction renfermant au moins une oléfine linéaire Cg-C16 (de préférence Cî - C C10-Cl4) non convertie, une troisième fraction renfermant des 2-, 3-, 4-, 5- et 6- phénylalcanes et une quatrième fraction renfermant au moins un poly-alkylbenzène (ou fraction poly-alkylbenzène), celle ci étant ensuite, au moins en partie, recyclée vers ladite zone de réaction où elle réagit donc avec du benzène au contact dudit catalyseur, afin d'être au moins en partie transalkylée (réaction de transalkylation), et on recueille un mélange de 2-, 3-, 4-, 5- et 6phénylalcanes. Cette variante de l'invention est donc notamment caractérisée par le fait que les réactions d'alkylation et de transalkylation ont lieu conjointement dans la même zone de réaction (c'est-à-dire) dans le même réacteur) en présence du même catalyseur. De manière préférée, la première fraction renfermant du benzène non converti est au moins en partie recyclée vers ladite zone de réaction. De même, de manière préférée, la deuxième fraction renfermant au moins une oléfine linéaire Cg-C16 (habituellement C10-Cl4) non convertie est au moins en partie recyclée vers ladite zone de réaction. La partie recyclée de la quatrième fraction contient de préférence essentiellement au moins un dialkylbenzène et est de préférence sensiblement exempte d'alkyl-aromatiques lourds qui peuvent être éliminés par fractionnement éventuellement. Le procédé selon la présente invention peut être effectué à une température inférieure à 3000 C, par exemple inférieure à 600 C, sous une pression de 1 à 10 MPa, avec un débit d'hydrocarbures liquides (vitesse spatiale) d'environ 0,5 à 30 volumes par volume de catalyseur et par heure et avec un rapport molaire benzène/oléfine(s) compris entre 1 et 20. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Exemple 1: Préparation d'un catalyseur non conforme à l'invention On utilise une mordénite larges pores de la société Tosoh, sous forme sodique référencée TSZ600NAA. Sa formule chimique, à l'état anhydride, est Na,AlO2(SiO2)5,1 et sa teneur en sodium est de 5 % en poids. 100 grammes de cette poudre sont portés à reflux à 1000 C pendant 2 heures dans une solution de nitrate d'ammonium 4 M avec un rapport V/P égal à 4 cm3/g. Cette opération d'échange cationique est recommencée 3 fois. La teneur pondérale en sodium du produit obtenu est d'environ 500 ppm. Ce produit est ensuite soumis à une attaque acide à l'aide d'une solution aqueuse d'acide nitrique 4,5 N, le produit est porté à reflux dans la solution aqueuse d'acide nitrique pendant 2 heures, avec un rapport V/P égal à 4 cm3/g. Après attaque acide, le produit est lavé à l'eau. La mordénite ainsi obtenue possède une teneur pondérale en sodium égale à 25 ppm, un rapport atomique Si/AI global de 40, un volume microporeux de 0,272 cm3/g. La mordénite est ensuite mélangée avec un gel d'alumine (80 % en poids de mordénite et 20 % en poids de gel d'alumine). Le mélange obtenu est mis sous forme d'extrudés de diamètre égal à environ 1,8 mm par passage au travers d'une filière. Les extrudés sont ensuite séchés dans une étuve à 120"C pendant une nuit, puis calcinés sus air sec jusqu'à 5500 C environ. Ce catalyseur est noté A. Exemple : préparation du catalyseur B conforme à l'invention On utilise comme matière première une zéolithe NaY de formule NaAlO2(SiO2)2,5. Cette zéolithe présente les caractéristiques suivantes - rapport atomique Si/AI global : 2,5 - paramètre cristallin aO : 24,69 10-10 m - capacité d'adsorption de vapeur d'eau à 25 C (P/Po=0,1) : 26 % - surface spécifique : 880 m2/g. Elle est soumise à cinq échanges successifs dans des solutions de nitrate d'ammonium de concentration 2 M, à une température de 950 C, pendant un temps de 1,5 heure, et avec un rapport volume de solution sur poids de zéolithe égal à 8 cm3/g. Le taux de sodium de la zéolithe NH4Y obtenu est de 0,95 %. Ce produit est ensuite introduit rapidement dans un four préchauffé à 7700 C et laissé pendant 4 heures en atmosphère statique (traitement stabilisant). La zéolithe est soumise ensuite à un traitement acide dans les conditions suivantes : le rapport entre le volume de solution d'acide nitrique 3N et le poids de solide est de 9 cm3/g, la température est de 950 C et la durée du traitement de 3 heures. Ensuite un autre traitement dans les mêmes conditions est effectué, mais avec une solution d'acide nitrique 0,5 N. La zéolithe obtenue possède une teneur pondérale en sodium de 0,2 %, un rapport atomique Si/A1 global de 28, un paramètre cristallin aO égal à 24,24 10-10 m, une surface spécifique de 770 m2/g et une capacité de reprise en eau de 5 % (à P/Po=0,1). La zéolithe ainsi obtenue est mise en forme par extrusion avec de l'alumine (80 % de zéolithe et 20 % d'alumine). Les extrudés obtenus sont ensuite séchés puis calcinés à 5500 C. le catalyseur ainsi obtenu, catalyseur conforme à l'invention, est noté B. Exemple3 Les deux catalyseurs, A et B, sont chacun testés en alkylation du benzène par le dodécène-1, dans les conditions opératoires suivantes - température : 50 C - pression : 4 MPa - débit horaire de charge liquide égal à 3 fois le volume du catalyseur - rapport molaire benzène/dodécène-1 : 5,5 Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 1. Tableau 1 Catalyseur A (non conforme) B (conforme) Composition de la charge (% poids) Benzène 71,7 72,3 Dodécène-l 28,3 27,7 Composition du produit obtenu (% poids) 2-phénylalcane 77,34 26,92 3-phénylalcane 10,83 20 4-phénylalcane 0,98 19 5-phénylalcane 0 11,5 6-phénylalcane 0 11,48 Didocécylbenzène 10,10 10 Résidu lourd 0,75 1,1 On peut ainsi constater que seul le catalyseur contenant une zéolithe Y désaluminée (catalyseur B) permet d'obtenir une distribution de phénylalcanes relativement homogène et relativement proche de celle généralement obtenue avec les procédés utilisant HF ou AIC13 comme catalyseur. Le catalyseur A produit essentiellement des 2- et 3phénylalcanes. REVENDICATIONS 1.- Procédé de production simultanée de 2-, 3-, 4-, 5-, 6-phénylalcanes par alkylation du benzène au moyen d'au moins une oléfine linéaire comprenant de 9 à 16 atomes de carbone par molécule, en présence d'un catalyseur solide zéolithique, caractérisé en ce que le catalyseur est constitué d'une matrice et de zéolithe HY désaluminée, ne contenant pratiquement pas d'espèces aluminiques extra-réseau, présentant une teneur en sodium inférieure à 0,25 % poids, un paramètre cristallin de la maille élémentaire inférieur à 24,55.10-1 m, une surface spécifique B.E.T. supérieure à 300 m2/g, et que ledit procédé est effectué à une pression de 1 à 10 MPa, une température inférieure à 300 C, une vitesse spatiale de 0,5 à 50 et un rapport molaire benzène/oléfine(s) compris entre 1 et 20. 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le(s) oléfine(s) linéaire(s) contient de 10 à 14 atomes de carbone par molécule. 3.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la matrice est choisie dans le groupe formé par les argiles, les alumines, la silice, la magnésie, le zircone, I'oxyde de titane, I'oxyde de bore et leurs combinaisons. 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport Si/Al est compris entre 8 et 70. 5.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport Si/AI est compris entre 15 et 25. 6.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la teneur pondérale en zéolithe dans le catalyseur est comprise entre 20 et 98 %. 7.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la teneur pondérale en zéolithe dans le catalyseur est comprise entre 40 et 98 %. 8.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le paramètre cristallin de la maille élémentaire est compris entre 24,39.10-10 m et 24,21.10'10 m. 9.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface spécifique est supérieure à 450 m2/g. 10.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le produit obtenu à l'issue de la zone d'alkylation est fractionné en une première fraction renfermant du benzène non converti, une seconde fraction renfermant au moins une oléfine linéaire non convertie, une troisième fraction renfermant les phénylalcanes et une quatrième fraction renfermant au moins un polyalkylbenzène, ladite quatrième fraction étant au moins en partie recyclée vers la zone d'alkylation. 11.- Procédé selon la revendication 10, dans lequel la première fraction est au moins en partie recyclée vers la zone d'alkylation. 12.- Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, dans lequel la deuxième fraction est au moins en partie recyclée vers la zone d'alkylation.