Brevet FR2761904A1 — publié le 19981016

La présente invention concerne un catalyseur de transformation des hydrocarbures aromatiques. De manière plus précise, elle concerne un catalyseur de dismutation du toluène pour produire du benzène et des xylènes, et de transalkylation d'hydrocarbures alkylaromatiques et de préférence de transalkylation du toluène et de composés aromatiques contenant au moins 9 atomes de carbone par molécule, de préférence des triméthylbenzènes, pour produire des xylènes. Le catalyseur de la présente invention contient une mordénite à forte teneur en silicium et en proportion importante par rapport à un liant. Cette mordénite est présente au moins en partie sous forme acide, à raison en général de 40 à 90 % poids et de préférence de 75 à 85 % poids et le liant, qui est de préférence de l'alumine, est présent généralement à raison de 10 à 60 % poids et de préférence de 15 à 25 % poids. La mordénite contient moins de 0,1 % poids et de préférence moins de 0,05 % poids de sodium, et a un rapport molaire SiO2/AI203 supérieur à 70 et de préférence compris entre 80 et 120. La présente invention concerne aussi l'utilisation dudit catalyseur en dismutation et/ou en transalkylation d'hydrocarbures alkylaromatiques. De nombreux catalyseurs de dismutation et de transalkylation ont déjà été décrits dans l'art antérieur, certains d'entre eux sont à base de mordénite et plus particulièrement de mordénite dite "larges pores". Dans le brevet US-A-3.506.731, la mordénite est sous forme hydrogène. II en est également ainsi dans les brevets US-A-4.151.120, US-A-4.1180.693 et US-A-4.210.770 où le catalyseur comprend de la mordénite de rapport SiO2/AI203 compris entre 10 et 100 et au moins un métal choisi dans le groupe formé par Ni, CO, Ag et Pd. Plus récemment, le brevet US-4.665.258 fait état d'un procédé de dismutation d'une charge contenant du toluène sur un catalyseur contenant une mordénite de rapport molaire SiO2/AI203 supérieur à 30, de préférence entre 40 et 60 et de façon encore plus préférée égal à environ 48. II a été découvert par la demanderesse que, de façon surprenante, un catalyseur de transformation d'hydrocarbures aromatiques contenant une zéolithe mordénite de rapport molaire SiO2/AI203 supérieur à 70, et de préférence compris entre 80 et 120, conduisait à des performances nettement améliorées, principalement en termes de conversion du toluène et de stabilité dans le temps, par rapport aux catalyseurs décrits le brevet US-4.665.258, dans la dismutation du toluène pour produire du benzène et des xylènes, et dans la transalkylation du toluène avec des alkylaromatiques contenant au moins 9 atomes de carbone par molécule [AC9(+)] pour produire des xylènes à partir de mélanges toluène-AC9(+) contenant généralement au plus 50 % molaire d'AC9(+). La présente invention concerne un catalyseur de dismutation et/ou de translakylation du toluène et/ou des alkylaromatiques comprenant au moins 9 atomes de carbone par molécule qui contient: - de 40 à 90 % et de préférence de 75 à 85 % en poids d'au moins une zéolithe de structure mordénite au moins en partie sous forme acide caractérisée en ce que son rapport molaire Si/AI est supérieur à 35 et de préference compris entre 40 et 60, ladite mordénite contenant au plus 0,1 % en poids (exprimé par rapport à la zéolithe) de sodium et de préference au plus 0,05 % en poids de sodium, - de 10 à 60 %, de préférence de 15 à 25 % en poids d'au moins un liant, de préférence de l'alumine. La présente invention concerne également un procédé de dismutation et/ou de translakylation du toluène et/ou des alkylaromatiques comprenant au moins 9 atomes de carbone par molécule, de préférence de dismutation du toluène pour produire du benzène et des xylènes et/ou de transalkylation du toluène avec des AC9(+) pour produire des xylènes à partir de mélanges toluène-AC9(+) contenant généralement au plus 50 % molaire d'AC9(+), ledit procédé étant caractérisé par l'utilisation du catalyseur selon l'invention. Toute zéolithe de structure mordénite connue de l'homme du métier convient pour la présente invention. Ainsi par exemple la zéolithe utilisée comme base pour préparer le catalyseur de la présente invention est la mordénite dite "larges pores" forme sodique, ou bien encore la mordénite dite "petits pores" forme sodique. Dans le cas où l'on utilise une zéolithe commercialisée et ayant les spécificités requises concernant le rapport Si/AI, on procédera généralement à au moins un échange ionique dans au moins une solution de NH4NO3 de manière à obtenir une zéolithe dont la teneur en sodium est inférieure à 0,1 % et de préférence inférieure à 0,05 % en poids et sous forme NH4+. On pourra également partir d'une mordénite de rapport Si/AI molaire plus faible et généralement compris entre 5 et la valeur désirée. Alors, au moins une étape de désalumination sera nécessaire pour atteindre le rapport Si/AI molaire désiré. Dans ce cadre, on pourra utiliser toute technique de désalumination connue de l'homme du métier. En particulier, selon le mode opératoire décrit dans le brevet US-A-4.780.436, on procédera à une calcination sous flux d'air sec, à au moins un échange ionique par au moins une solution de NH4NO3, de manière à éliminer pratiquement tout cation alcalin, en particulier le sodium, présent en position cationique dans la zéolithe, puis à au moins un cycle de désalumination de charpente, dit de "steaming" (traitement à la vapeur) et d'attaque acide, comportant au moins une calcination en présence de vapeur d'eau, à une température généralement comprise entre 550 et 850"C, suivie d'au moins une attaque acide. Le cycle de désalumination de la charpente comportant au moins une étape de calcination sous vapeur d'eau et au moins une étape d'attaque en milieu acide de la mordénite peut être répété autant de fois qu'il est nécessaire pour obtenir les caractéristiques désirées. De même, après un traitement de calcination sous vapeur d'eau, plusieurs attaques acides successives, avec des solutions en acide de concentrations différentes, peuvent être opérées. La mordénite pourra aussi être désaluminée par attaque acide directe en utilisant tous les acides minéraux ou organiques connus de l'homme du métier. De la même manière que précédemment, plusieurs attaques acides peuvent être nécessaires pour atteindre le rapport Si/AI molaire désiré. Des agents minéraux tels le tétrachlorure de silicium ou l'hexafluorosi licate d'ammonium ou encore organiques tel l'éthylènediaminetétracétique disodique peuvent également conduire à la désalumination recherchée. Enfin, cette étape peut être effectuée en utilisant des diacides carboxyliques comme par exemple l'acide oxalique. On utilisera de manière préférée l'attaque acide directe en au moins une étape. La zéolithe au moins en partie sous forme acide, présentant le rapport Si/AI molaire élevé recherché, doit contenir moins de 0,1 % et de préférence moins de 0,05 % poids de sodium. Le liant (ou matrice) compris dans le catalyseur de la présente invention est choisi généralement parmi les éléments du groupe formé par les argiles, la magnésie, les alumines, les silices, l'oxyde de titane, l'oxyde de bore, la zircone, les phosphates d'aluminium, les phosphates de titane, les phosphates de zirconium et les silices alumines. De préférence le liant est une alumine. La préparation du catalyseur pourra être effectuée par toute méthode connue de l'homme du métier. En général, on réalise un mélange de la matrice et de la zéolithe, suivi d'une mise en forme. La mise en forme est généralement suivie d'une calcination, généralement à une température comprise entre 250 et 600 C. Une des méthodes préférées de préparation du catalyseur selon l'invention consiste à malaxer la zéolithe dans un gel humide de liant (obtenu généralement par mélange d'au moins un acide et d'une poudre de liant), par exemple l'alumine, pendant une durée nécessaire à l'obtention d'une bonne homogénéité de la pâte ainsi obtenue, soit par exemple pendant une dizaine de minutes, puis à passer la pâte à travers une filière pour former des extrudés, par exemple de diamètre compris entre 0,4 et 4 mm. La pâte extrudée est séchée pendant quelques minutes à 100"C en étuve et calcinée par exemple pendant deux heures à 400"C. La mise en forme du catalyseur selon l'invention est généralement telle que le catalyseur est obtenu de préférence sous forme de pastilles, d'agrégats, d'extrudés ou de billes en vue de son utilisation ultérieure. La préparation du catalyseur se termine généralement par une calcination dite finale, habituellement à une température comprise entre 250 et 600"C, de préférence précédée d'un séchage, par exemple à l'étuve, à une température comprise entre la température ambiante et 250"C, de préférence entre 40 et 200"C. Ladite étape de séchage est de préférence menée pendant la montée en température nécessaire pour effectuer ladite calcination. Le catalyseur de la présente invention est utilisé dans un procédé de Idismutation du toluène pour produire du benzène et des xylènes, et/ou dans la transalkylation d'alkylaromatiques, de préférence du toluène avec des AC9(+) pour produire des xylènes, à partir de mélanges toluène AC9(+) contenant généralement au plus 50 % molaire d'AC9(+). Ledit procédé est mis en oeuvre généralement selon les conditions opératoires suivantes: une température comprise entre 250 et 600"C, de préférence entre 330 et 50000 ; une pression comprise entre 10 et 60, de préférence entre 20 et 45 bar (1 bar = 0,1 MPa) ; une vitesse spatiale d'alimentation, exprimée en kilogramme de charge introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, comprise entre 0,1 et 10 et de préférence entre 0,5 et 4; un rapport molaire hydrogène sur hydrocarbure(s) compris entre 2 et 20 et de préférence entre 3 et 12. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. ExemPle 1: Préparation du catalyseur C1 non conforme à l'invention. La zéolithe de départ est une mordénite forme sodique, de rapport Si/AI = 20,2 et de volume de maille élémentaire de 2,737 nm3. La zéolithe est soumise à un échange ionique dans une solution de NH4NO3 10N à environ 10000 pendant 4 heures. Le solide ainsi obtenu contient 25 ppm de de sodium. Cette zéolithe forme hydrogène est ensuite mise en forme par extrusion avec un gel d'alumine de manière à obtenir, après séchage et calcination sous air sec, un catalyseur C1 qui contient en poids 80% de zéolithe mordénite forme H et 20 % d'alumine. ExemPle 2: Préparation du catalyseur C2 conforme à l'invention. La matière première utilisée est une zéolithe mordénite, qui possède un rapport atomique Si/AI global égal à 7,6, et une teneur pondérale en sodium par rapport au poids en zéolithe mordénite sèche d'environ 3,8 %. Cette zéolithe mordénite subit une attaque acide, à l'aide d'une solution d'acide nitrique 8N, à environ 100"C, pendant 4 heures, de manière à extraire partiellement les atomes d'aluminium présents dans la charpente zéolithique de la mordénite. La zéolithe mordénite ainsi désaluminée est ensuite soumise à un échange ionique dans une solution de NH4NO3 10N à environ 100"C pendant 4 heures de manière à retirer le sodium résiduel. A l'issue de ces traitements, la zéolithe mordénite sous forme H a un rapport Si/AI atomique global égal à 47,9, et une teneur pondérale en sodium par rapport au poids de zéolithe mordénite sèche de 48 ppm. Cette zéolithe est ensuite mise en forme par extrusion avec un gel d'alumine de manière à obtenir, après séchage et calcination sous air sec, un catalyseur C2 qui contient en poids 80% de zéolithe mordénite forme H et 20 % d'alumine. Exemple 3 : Evaluation des propriétés catalytiques des catalyseurs C1 (non conforme) et C2 (conforme). Les performances des catalyseurs C1 et C2 ont été évaluées dans la transformation du toluène pour produire du benzène et des xylènes. Les conditions opératoires sont les suivantes: - température: 450 C, - pression :30 bar, (1 bar= 0,1 MPa) - rapport molaire hydrogène/toluène: 5. Les conversions, les rendements en xylènes et les sélectivités en benzène+xylènes sont reportées dans le tableau 1 suivant. Tableau 1 Catalyseur Conversion Rendement Sélectivité en en xylènes Benzène+Xylènes (%poids) (%poids) (%poids) C1 I 49,1 22,5 88,9 (non conforme) C2 50,6 ~1 22,8 89,5 (conforme) On constate que le catalyseur C2 selon l'invention, est plus actif que le catalyseur C1 non conforme à l'invention, et que, de plus, le catalyseur C2 conduit à un rendement en xylènes et à une sélectivité en benzène+xylènes améliorés par rapport au catalyseur C1. Par ailleurs, la stabilité des catalyseurs C1 et C2 a été évaluée en mesurant la conversion du toluène après avoir maintenu l'injection de la charge pendant 14 jours. Les conversions après 5 jours et 14 jours de fonctionnement sont indiquées dans le tableau 2 suivant. Tableau 2 Conversion du toluène Catalyseur C1 Catalyseur C2 (%poids) (comparatif) (selon l'invention) 5 jours de 50,2 51,1 fonctionnement 14 jours de 45,4 48,8 fonctionnement Pourcentage de 9,6 4,5 1 désactivation i 1 Le pourcentage de désactivation représente la différence entre la conversion à 14 jours de fonctionnement et celle à 5 jours de fonctionnement, rapportée à la conversion à 5 jours de fonctionnement. On constate que le catalyseur C2 selon l'invention subit une désactivation de 4,5 % seulement tandis que le catalyseur C1 subit une désactivation de 9,6 % pendant le même temps. Le catalyseur C2 conforme à l'invention présente donc une stabilité temporelle nettement améliorée par rapport au catalyseur C1 comparatif. REVENDICATIONS 1 - Catalyseur de dismutation et/ou de translakylation du toluène et/ou des alkylaromatiques comprenant au moins 9 atomes de carbone par molécule qui contient: - de 40 à 90 % en poids d'au moins une zéolithe de structure mordénite au moins en partie sous forme acide caractérisée en ce que son rapport molaire Si/AI est supérieur à 35, ladite mordénite contenant au plus 0,1 % en poids (exprimé par rapport à la zéolithe) de sodium, - de 10 à 60 % en poids d'au moins un liant. 2 - Catalyseur selon la revendication 1 qui comprend de 75 à 85 % en poids de zéolithe et de 15 à 25 % en poids de liant. 3 - Catalyseur selon l'une des revendications 1 ou 2 tel que le rapport molaire Si/AI de la zéolithe est compris entre 40 et 60. 4 - Catalyseur selon l'une des revendications 1 à 3 tel que le liant est choisi parmi les éléments du groupe formé par les argiles, la magnésie, les alumines, les silices, l'oxyde de titane, l'oxyde de bore, la zircone, les phosphates d'aluminium, les phosphates de titane, les phosphates de zirconium et les silices alumines. 5 - Catalyseur selon l'une des revendications 1 à 4 tel que le liant est une alumine. 6 - Procédé de dismutation et/ou de translakylation du toluène et/ou des alkylaromatiques comprenant au moins 9 atomes de carbone par molécule, ledit procédé étant caractérisé par l'utilisation du catalyseur selon l'une des revendications 1 à 5. 7 - Procédé selon la revendication 6 pour la dismutation du toluène pour produire du benzène et des xylènes et/ou la transalkylation du toluène avec des AC9(+) pour produire des xylènes à partir de mélanges toluène AC9(+) contenant généralement au plus 50 % molaire d'AC9(+). 8 - Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7 mis en oeuvre selon les conditions opératoires suivantes: une température comprise entre 250 et 600"C ; une pression comprise entre 1 et 6 MPa ; une vitesse spatiale d'alimentation exprimée en kilogramme de charge introduite par kilogramme de catalyseur et par heure comprise entre 0,1 et 10 ; un rapport molaire hydrogène sur hydrocarbure(s) compris entre 2 et 20.