Brevet FR2701270A1 — publié le 19940812

La présente invention concerne l'élimination de mercure et éventuellement d'arsenic dans des hydrocarbures avec un catalyseur de transformation des composés contenant du mercure en mercure élémentaire et une masse de captation du mercure, ledit procédé permettant la captation du mercure avec une très grande efficacité dès la période initiale de démarrage du procédé. Il est connu que les condensats liquides (sous produits de la production du gaz) et certains pétroles bruts peuvent contenir de nombreux composés métalliques à l'état de traces et souvent sous forme de complexes organométalliques Ces composés métalliques sont très souvent des poisons des catalyseurs utilisés lors des transformations de ces coupes en produits commerciaux Le mercure est particulièrement toxique pour l'activité des métaux précieux et de plus est un puissant corrosif vis-àvis des pièces en aluminium, des joints et des soudures. Il est donc avantageux d'épurer les charges destinées à être envoyées dans des procédés de transformation de condensats ou de bruts pour éviter un entraînement de mercure et éventuellement d'arsenic L'épuration de la charge en amont des procédés de traitement permet de protéger l'ensemble de l'installation. Des procédés de la demanderesse présentent de bonnes performances pour la démercurisation des hydrocarbures liquides servant comme charges de divers procédés de traitement Le brevet US 4,911,825 de la demanderesse montre clairement l'avantage d'effectuer une captation de mercure dans un procédé en deux étapes o la première étape consiste à mettre en contact la charge en présence d'hydrogène avec un catalyseur renfermant au moins un métal du groupe constitué par le nickel, le cobalt, le fer et le palladium Le mercure n'est pas (ou très peu) capté par le catalyseur mais est capté, dans la deuxième étape, par une masse renfermant du soufre ou un sulfure de métal, ce métal pouvant être le cuivre le fer, l'argent. Le brevet WO-90/10684 de la demanderesse décrit un procédé d'élimination du mercure présent dans des hydrocarbures liquides Cette invention concerne des catalyseurs ayant la propriété de résister à l'empoisonnement par le soufre (thiorésistance) Ces nouveaux catalyseurs permettent la captation du mercure dans des conditions trop sévères pour les catalyseurs décrits dans l'art antérieur. Ce procédé est particulièrement utile pour l'épuration de charges difficiles comme, par exemple, des gasoils provenant d'un fractionnement du pétrole brut dans lequel la teneur en soufre est souvent entre 0,4 et 1,0 % poids. Par contre, le procédé décrit dans le brevet US 4,911,825 est plus performant pour des charges ayant des teneurs en soufre moins élevées, par exemple inférieures à 0,15 % poids. Mais, on a pu constater qu'avec des charges ayant de faibles teneurs en soufre, par exemple inférieures à 0,07 % poids, l'efficacité de captation du mercure au début de la mise en oeuvre du procédé de démercurisation est faible dans les premières centaines d'heures de mise en régime puis augmente Il a été aussi découvert que l'efficacité de captation du mercure est moins bonne pour des charges très pauvres en soufre, par exemple inférieures à 0,02 % pds Dans ce dernier cas, il est nécessaire d'augmenter la température de fonctionnement du réacteur de plusieurs dizaines de degrés et/ou le débit d'hydrogène pour permettre une captation suffisante de mercure. La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients. Il a en effet été découvert que le prétraitement des catalyseurs de transformation des composés contenant du mercure en mercure élémentaire par un agent soufré conduit à une réduction importante de la durée de mise en régime du procédé et à une bonne efficacité de captation de mercure même avec une charge très pauvre en soufre. L'objet de la présente invention est un procédé d'élimination de mercure et éventuellement d'arsenic dans lequel le catalyseur de transformation des composés contenant du mercure en mercure élémentaire est prétraité avant d'être mis en contact avec la charge hydrocarbonée à épurer Selon ce procédé, un mélange de la charge avec de l'hydrogène est mis en contact avec un catalyseur présulfuré renfermant au moins un métal du groupe formé par le fer, le nickel, le cobalt, le chrome, le molybdène, le tungstène et le palladium ou au moins 5 % du métal est à l'état de sulfure, puis le produit obtenu est mis en contact avec une masse de captation de mercure élémentaire renfermant du soufre ou un sulfure de métal. Le catalyseur entrant dans la composition de la présente invention est constitué d'au moins un métal M choisi dans le groupe formé par le fer, le nickel, le cobalt, le molybdène, le tungstène et le palladium et d'un support. Le métal M doit se trouver sous forme sulfure pour au moins 5 % en poids de sa totalité On utilise de préférence le nickel ou l'association du nickel avec le palladium. Le dispersant minéral solide (support) peut être choisi dans le groupe formé par l'alumine, les silices-alumines, la silice, les zéolithes, le charbon actif, les argiles et les ciments alumineux Il présentera de préférence une grande surface, un volume poreux suffisant et un diamètre moyen des pores adéquat La surface BET devra être supérieure à 50 m 2/g et de préférence entre environ 100 et 350 m 2/g Le support devra posséder un volume poreux, mesuré par désorption d'azote, d'au moins 0,5 cm 3/g et de préférence entre 0,6 et 1,2 cm 3 fg et un diamètre moyen des pores au moins égal à 7 nm et de préférence supérieur à 8 nm ( 1 nm = 10-9 m). La préparation d'un solide (ou précurseur catalytique) contenant au moins un métal M sous forme métallique ou sous forme d'oxyde méta Ilique supporté est suffisamment connue de l'homme de métier pour ne pas être décrite dans le cadre de la présente invention La teneur en métal M dans le catalyseur est de préférence d'au moins 5 % en poids et au plus de 60 % en poids. L'addition du soufre peut se faire, hors site, en imprégnant le précurseur catalytique soit par le sulfure d'ammonium etou une suspension colloïdale de soufre dans l'eau soit par un agent soufré, c'est à dire le soufre et/ou un ou plusieurs composés soufrés, dans une solution organique Il peut être avantageux de traiter le précurseur catalytique en même temps avec un agent réducteur tel que, par exemple, le formaldéhyde, l'acétaldéhyde, l'hydrazine, le formiate de méthyle, l'acide formique, etc. Avant d'être mise au contact de la charge à traiter, le catalyseur est, si nécessaire, réduit par de l'hydrogène ou par un gaz renfermant de l'hydrogène à une température de 120 à 6000 C et de préférence de 140 à 4000 C. Un autre moyen conduisant à un catalyseur efficace pour la transformation des composés contenant du mercure en mercure élémentaire consiste d'abord à réduire le précurseur catalytique puis à sulfurer celui-ci. L'étape de réduction du précurseur peut être effectuée comme indiqué ci- dessus La sulfuration peut se faire, in situ, par au moins un agent soufré tels que, par exemple, le DMS (diméthylsulfure), le DMDS (diméthyldisulfure), le TPS 37 (ditertiononylpolysulfure) de la société Elf Atochem ou d'un autre agent soufré en présence ou en absence de soufre libre et d'un solvant organique. Le solide ainsi préparé, présulfuré puis réduit constitue le catalyseur dans sa forme active de la présente invention. La masse de captation de mercure qui suit le catalyseur dans le procédé de l'invention devrait avoir une faible solubilité dans la charge à traiter et une forte affinité pour le mercure élémentaire On peut citer comme masses de captation de mercure, à titre indicatif, le sulfure de cuivre, le dichlorure d'étain et l'iodate de potassium. L'ensemble constitué par le catalyseur et la masse de captation de mercure pourra être mis en oeuvre soit dans deux réacteurs soit dans un seul. Lorsqu'un réacteur est utilisé, le catalyseur et la masse de captation sont disposés en deux lits séparés Dans les deux configurations la masse de captation se trouve après le catalyseur. Selon les quantités de mercure et/ou arsenic (calculées sous forme élémentaire) contenues dans la charge, le rapport volumique du catalyseur à la masse de captation pourra varier entre 1:10 et 5:1. Lorsqu'on opère en réacteurs séparés, on pourra, en ce qui concerne le catalyseur, opérer dans un domaine de température pouvant aller de 120 à 2500 C, plus avantageusement de 130 à 2200 C et de façon préférée de 140 à 1800 C Les pressions opératoires seront choisies de préférence de 1 à 40 bars et plus avantageusement de 5 à 35 bars. Pour assurer une bonne efficacité de captation de mercure il est préféré que la masse de captation de mercure fonctionne au dessous de 2200 C, de préférence encore au dessous de 1800 C et de façon plus préférée au dessous de 1500 C Les vitesses spatiales calculées par rapport à la masse de captation peuvent être de 1 à 50 h-1 et plus particulièrement de 1 à 30 h-1 (volume de liquide par volume de masse par heure). Le débit d'hydrogène rapporté au catalyseur est compris par exemple entre 1 et 500 volumes (gaz aux conditions normales) par volume de catalyseur par heure. Les charges gazeuses ou liquides auxquelles s'appliquent plus particulièrement l'invention renferment de 10-3 à 5 milligrammes de mercure par kilogramme de charge (mg/kg ou ppm) et éventuellement de O à 1000 milligrammes de soufre par kilogramme de charge Elles peuvent également renfermer de l'arsenic, en général de O à 5 mg/kg de charge. Les exemples qui suivent précisent le procédé à titre indicatif sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLES Catalyseur A: Quinze kilogrammes d'un support d'alumine macroporeux sous forme de billes de 1,5-3 mm de diamètre et présentant une surface spécifique de 160 m 2/g, un volume poreux total de 1,05 cm 3/g et un volume macroporeux (diamètre > 0,1 jlm) de 0,4 cm 3/g sont imprégnés par 20 % en poids de nickel sous forme d'une solution aqueuse de nitrate Après séchage à 1200 C durant 5 h et activation thermique à 4500 C pendant 2 h sous balayage d'air, on obtient des billes contenant 25,4 % en poids d'oxyde de nickel. Catalyseur B: Cinq kilogrammes du catalyseur A sont imprégnés à sec par une solution renfermant 175 g de DEODS diéthanoldisulfure (dont 74 g de soufre) dans 5150 cm 3 d'une solution de formiate de méthyle à 15 % dans un white spirit Le catalyseur ainsi préparé est activé à 1500 C pendant 1 h. Masse de captation: Quinze kilogrammes du support utilisé pour la préparation du catalyseur A sont imprégnés par 10 % en poids de cuivre sous forme d'une solution aqueuse de nitrate de cuivre trihydraté Après séchage à 1200 C durant 5 h et activation thermique à 4500 C pendant 2 h sous balayage d'air, on obtient des billes contenant 12,5 % en poids d'oxyde de cuivre Ces billes sont ensuite imprégnées par une solution de 10 % en poids de sulfure d'ammonium Le produit est activé à 1200 C durant 2 h sous courant d'azote. Cette masse a été utilisée dans le réacteur Il pour tous les exemples ci- dessous. Les tests sont effectués avec deux réacteurs en série: un réacteur I dans lequel on place le catalyseur ( 50 cm 3) et un réacteur Il, après le réacteur 1, dans lequel on place la masse de captation ( 50 cm 3) Le catalyseur travaille dans tous les exemples ci-dessous à 180 OC et la masse de captation de mercure à 20 OC Le flux est ascendant dans les deux réacteurs. EXEMPLE 1 (comparatif) Le catalyseur A dans le réacteur I a été réduit à 4000 C sous un débit de I/h de d'hydrogène à 2 bars de pression pendant 4 h Ensuite, le réacteur a été refroidi à la température de réaction 1800 C On fait ensuite passer sur le catalyseur puis sur la masse de captation un condensat lourd de gaz liquéfié avec de l'hydrogène Le débit de la charge est de 400 cm 3/h et celui de l'hydrogène de 3,5 I/h Le test est effectué sous une pression de 35 bars. Le condensat utilisé pendant ce test (condensat A) possède les caractéristiques suivantes: point d'ébullition initial: 210 C point d'ébullition final: 4700 C teneur en mercure: 1680, g/kg ( 1 68 ppm) teneur en soufre: 237 mg/kg teneur en arsenic:65 gg/kg Le test a été conduit pendant une durée de 20,5 jours Un échantillon de l'effluent du procédé a été récupéré et analysé chaque jour Les résultats de captation exprimés en pour cent de l'efficacité sont indiqués sur la Figure 1 On note que l'efficacité de captation est élevée, cependant dans les deux cents premières heures d'opération, l'efficacité de captation est légèrement plus faible qu'à la fin du test Une faible quantité d'arsenic ( 5 à 10 gg/kg) a été détectée pendant les 72 premières heures. EXEMPLE 2 (comparatif) Un deuxième test de captation de mercure a été conduit sur un condensat (condensat B) possédant les caractéristiques suivantes: point d'ébullition initial: 180 C point d'ébullition final: 5200 C teneur en mercure: 120,ug/kg teneur en soufre: 89 mg/kg teneur en arsenic: à celle du test précèdent. EXEMPLE 3 (comparatif) Un troisième test de captation de mercure a été effectué utilisant un condensat (condensat C) ayant les caractéristiques suivantes: point d'ébullition initial: 21 OC point d'ébullition final: 491 C teneur en mercure: 2210 jlg/kg teneur en soufre: 117 mg/kg teneur en arsenic: 80 gg/kg Une fois encore, toutes les conditions de préréduction et d'opération sont identiques à celles du test de l'exemple 1 Les résultats de ce test, indiqués sur la Figure 1, sont intermédiaires par rapport à ceux des exemples 1 et 2 On note, comme dans l'exemple 1, de faibles teneurs d'arsenic ( 5 à g g/kg) pendant les 240 premières heures de mise en régime. EXEMPLE 4 (selon l'invention) Le premier réacteur a été chargé de 50 cm 3 du catalyseur B, présulfuré comme décrit ci-dessus Toutes les autres conditions de test sont identiques à celles indiquées dans l'exemple 1 incluant la charge (condensat A) Les résultats obtenus en présence du catalyseur B ont montré une efficacité de captation élevée dès le départ du test et le maintien de cette efficacité pendant toute la durée du test La teneur en arsenic reste inférieure à la limite de détection ( EXEMPLE 5 (selon l'invention) Comme dans l'exemple 4, le premier réacteur a été chargé de 50 cm 3 du catalyseur B Cette fois ci, le catalyseur a été réduit à 3000 C sous un débit de 20 I/h de d'hydrogène à 2 bars de pression pendant 6 h avant de le refroidir à la température de réaction 1800 C Le condensat B a été employé comme charge à purifier Les autres conditions opératoires sont les mêmes que celles de l'exemple 1 Les résultats de ce test montrent clairement une amélioration nette de la performance de la captation de mercure selon l'invention. EXEMPLE 6 (selon l'invention) On a procédé d'une manière identique à celle de l'exemple 5 mais avec le condensat C comme charge à traiter Les résultats de ce test sont aussi bons que ceux obtenus dans l'exemple 5 On note aussi que la teneur en arsenic dans l'effluent est inférieure à la limite de détection pendant tout le texte. Les résultats de ces tests (captation du mercure en fonction du temps) sont reportés sur la figure 1. On note également que les résultats des exemples 4, 5 et 6 sont presque toujours superposables; les résultats des exemples 1 et 3-6 sont très proches après le 10 dixième jour de marche. Figure 1 * *À e a a a t I a ala 1 II M a a ia aiia Ila I I i i i i I i i i l 7 14 Jours de marche * Exemple 1 * Exemple 2 * Exemple 3 X Exemple 4 à Exemple 5 O Exemple 6 Cu Co 14- (> o. Co o 1 1 REVENDICATIONS 1 Procédé d'élimination du mercure et éventuellement d'arsenic dans une charge hydrocarbonée, dans lequel la charge en présence d'hydrogène est mise au contact d'un catalyseur constitué d'au moins un métal et un support, puis le produit obtenu est mis au contact d'une masse de captation du mercure renfermant du soufre ou un sulfure métallique, procédé caractérisé en ce que le catalyseur renferme au moins un métal choisi dans le groupe formé par le fer, le nickel, le cobalt, le molybdène, le tungstène, le chrome et le palladium et que au moins 5 % (en poids) dudit ou desdits métaux sont combinés à l'état de sulfure. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mise en contact avec le catalyseur a lieu à une température de 120 à 250 OC et une pression de 1 à 40 bars, et que la mise en contact avec la masse de captation a lieu à une température inférieure à 220 OC et une vitesse spatiale de 1 à 50 h-1. 3 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit d'hydrogène rapporté au catalyseur est compris entre 1 et 500 volume de gaz par volume de catalyseur et par heure. 4 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge renferme 10-3 à 5 mg de mercure par kg de charge. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge contient également de O à 1000 mg de soufre par kg de charge. 6 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport volumique du catalyseur à la masse de captation est compris entre 1:10 et 5:1. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal du catalyseur est le nickel. 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les métaux du catalyseur sont le nickel et le palladium. 9 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support est choisi dans le groupe constitué par l'alumine, les silice-alumines, la silice, les zéolithes, le charbon actif, les argiles et les ciments alumineux. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'état de sulfure est obtenu par imprégnation, hors du réacteur, du précurseur catalytique à l'aide d'au moins un liquide contenant du soufre choisi dans le groupe constitué par le sulfure d'ammonium, une suspension colloïdale de soufre dans l'eau, une solution organique de soufre, une solution organique de composé(s) soufré(s) puis une réduction sous hydrogène à 120-600 OC. 11 Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'état de sulfure est obtenu par réduction du précurseur catalytique sous hydrogène à 120-600 OC puis mise en contact, dans le réacteur, avec au moins un agent soufré choisi dans le groupe formé par le diméthylsuflure, le diméthyldisulfure et le ditertiononylpolysulfure. 12 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge renferme de O à 5 mg d'arsenic par kg de charge.