Brevet FR2766810A1 — publié le 19990205

PROCEDE DE PREPARATION D'UNE ZEOLITHE DE TYPE FERRIERITE ET SON UTILISATION COMME CATALYSEUR D'ISOMERISATION D'UNE OLEFINE LINEAIRE EN ISOOLEFINE La présente invention concerne un procédé de préparation d'une zéolithe synthétique de structure ferrierite (FER), cristallographiquement pure, à taille de cristaux homodispersée, sans l'emploi d'agent structurant, et son utilisation comme catalyseur acide, en particulier pour l'isomérisation squelettale d'oléfines linéaires telles que les butènes ou les pentènes. Il est connu, dans la technique, que des matériaux dénommés zéolithes, qu'ils soient naturels ou synthétiques, possèdent des propriétés catalytiques pour divers types de conversion des hydrocarbures. Typiquement, ces matériaux sont des alumino-silicates cristallins poreux possédant une structure cristalline définie, pourvue d'un nombre important de très petits canaux ou pores de taille uniforme, adaptés pour l'absorption de molécules de dimensions spécifiques. Parmi ces zéolithes du type alumino-silicates naturels, figure la ferrierite. Une grande variété de procédés d'obtention de zéolithes synthétiques a été décrite dans l'art antérieur, en particulier la zéolithe A (brevet US N 2 882 243), la zéolithe Y (brevet US N 3 130 007) et la zéolithe dite ZSM- 5 (brevet US N 3 702 886). De même, le brevet US N 4 016 245 décrit la synthèse d'une zéolithe cristalline à base d'alumino-silicate, dénommée ZSM-35, possédant une structure cristallographique très proche de celle de la ferrierite et pouvant servir de catalyseur pour la conversion des hydrocarbures. Toutefois, cette synthèse met toujours en jeu un composé organo-azoté tel que de l'éthylènediamine ou de la pyrrolidine, qui agit comme agent structurant orientant la synthèse vers une structure déterminée. Cette zéolithe possède un réseau orthorhombique comprenant deux séries de canaux unidimensionnels se coupant perpendiculairement, une série étant composée de canaux à 10 "atomes T " (atomes tétraédriques de Si, Al) de section sensiblement elliptique (4,2 x5,4 À), et l'autre de canaux à 8 "atomes T" (3,5 x 4,8 À). D'autres brevets revendiquent un procédé de fabrication de ce matériau utilisant divers agents structurants tels que des alkylpyridines (brevet US N 4 251 499) ou des alkylpipéridines (brevet US N 4 795 623) ou d'autres agents. Il est connu, par la demande de brevet EP 0523 838 (Lyondell), d'utiliser dans un procédé d'isomérisation squelettale d'oléfines linéaires en isooléfines, telles que le butène-1 ou le pentène-1, un catalyseur du type zéolithe ayant une structure et une dimension de pores adaptées pour réduire les réactions parasites et le cokage. Ce document décrit de nombreux exemples de zéolithes, dont les ferrierites, mais ne mentionne pas leur procédé de fabrication. Une étude récente de WEN QING XU et al., publiée dans J. PHYS.CHEM. 1995, Vol.99, 9443-9451, qui a comparé les structures de différentes zéolithes ZSM-35 du type ferrierite, synthétisées respectivement avec un agent structurant (pyrrolidine) et sans un tel agent, ayant un rapport Si/Al compris entre 5,7 et 9,2, montre que la première catégorie présente des particules dont la taille a une répartition uniforme, alors que la taille des cristallites de la seconde catégorie est très hétérogène, variant de quelques pm à 100 pm. En outre, les zéolithes de la première catégorie présentent une cristallinité plus élevée et comportent moins de mésoporosité que les zéolites obtenues sans agent structurant. Il en résulte une augmentation de la sélectivité dans l'isomérisation squelettale du butène linéaire en isobutène pour les zéolithes synthétisées avec agent structurant. Cette étude précise que la synthèse réussie de zéolithes ZSM-35 du type ferrierite, sans utilisation d'agent structurant organique,nécessite d'avoir des gels précurseurs ayant une plage étroite du rapport Si/Al (égal environ à 9) et des conditions d'agitation pendant le traitement en autoclave. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé permettant d'obtenir, sans utilisation d'agent structurant, une zéolithe du type ferrierite, qui est très bien cristallisée, avec une taille de cristaux faible et monodispersée, et qui possède de bonnes propriétés comme catalyseur dans les réactions acides telles que l'isomérisation des butènes en isobutènes ou des pentènes en isopentènes. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de préparation d'une zéolithe du type ferrierite, à taux de cristallinité élevé et ayant une composition au stade anhydre exprimée par la formule Mx (AlO2)x (SiO2)y, M étant un cation d'un métal alcalin tel que Na ou K, ou un mélange des deux, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'obtention d'un gel, par addition d'acide borique à une solution aqueuse de sulfate d'aluminium et mélange avec une solution aqueuse contenant des oxydes de Na et/ou K et de Si, sans emploi d'agent structurant. De préférence, le mélange des solutions se fait sous agitation, avec acidification jusqu'à pH 8. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de procédé, le gel obtenu est lavé à l'eau distillée. Avantageusement, une solution contenant des hydroxydes de métaux alcalins est ajoutée sous agitation au mélange des solutions. Le gel obtenu peut être soumis à une étape de vieillissement, suivie d'une étape de cristallisation en autoclave, sous agitation et à chaud, pendant plusieurs heures, et le produit cristallisé obtenu peut être lavé à l'eau et séché à chaud. Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé conforme à l'invention, les étapes d'obtention du gel et d'adjonction des hydroxydes de métaux alcalins sont conduites à une température comprise entre 40 et 90 C, tandis que l'étape de vieillissement du gel est conduite à une température comprise entre 25 et 80 C, pendant une durée de 6 à 72 heures. Selon une variante de mise en oeuvre, l'étape de cristallisation s'effectue à pression autogène, à une température comprise entre 150 et 200 C et pendant 2 à 72 heures. Une caractéristique importante du procédé conforme à l'invention réside dans le fait que les atomes de bore ne restent pas dans la structure cristalline, mais se retrouvent à la sortie de l'autoclave dans la phase liquide. L'étape de vieillissement a également une influence importante sur la cristallinité de la zéolithe obtenue, de même que les conditions du traitement en autoclave, notamment sa durée (synthèse hydrothermale). Un avantage important du procédé de préparation de la zéolithe selon l'invention, réside dans la suppression de l'étape usuelle de calcination à 500 C, qui est nécessaire lorsqu'on utilise un agent structurant organique. La zéolithe de structure ferrierite obtenue par le procédé de préparation précédent constitue un autre objet de l'invention. Cette zéolithe, comme indiqué ci-dessus, répond à la formule Mx (AlO2)x (Si O2)y et le rapport y/x est généralement compris entre 8 et 12. La taille moyenne des cristaux de la zéolithe obtenue par le procédé conforme à l'invention est comprise entre 0,1 et lpm. L'invention a également pour objet l'utilisation de la zéolithe obtenue selon le procédé ci-dessus, comme catalyseur d'isomérisation squelettale des oléfines, en particulier des butènes en isobutènes et des pentènes en isopentènes. Avantageusement, la température de la réaction d'isomérisation est comprise entre 250 et 550 C, le poids d'oléfine par poids de catalyseur et par heure (pph) est compris entre 0,5 et 200 h-l, et la pression partielle d'oléfine est comprise entre 10 et 400 kPa. De préférence, l'oléfine est diluée dans un gaz inerte tel que l'azote ou dans de l'hydrogène, ce qui procure une meilleure stabilité au catalyseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description des exemples suivants, qui illustrent différents procédés de préparation, et notamment des exemples 3 à 6, qui se rapportent à des modes de mise en oeuvre de l'invention, utilisant de l'acide borique. EXEMPLE 1 Cet exemple concerne un procédé de préparation connu d'une zéolithe du type ferrierite. On prépare une solution A de silicate de sodium (23 g de silicate de sodium à 26% de SiO2, 8% de Na2O) avec 70 g d'eau. La solution est chauffée à 60 C, pendant 20 minutes. Une solution B contenant 3,15 g de sulfate d'aluminium [A12 (SO4)3, 14H20] avec 50 g d'eau est chauffée pendant 20 minutes à 70 C sous agitation, jusqu'à l'obtention d'une solution claire. La solution B est ajoutée à la solution A sous agitation et un précipité se forme. On ajoute 20 g d'eau à ce mélange, sous agitation, puis, goutte à goutte, de l'acide sulfurique pur, jusqu'à ce que le pH de 8 soit atteint. Au mélange visqueux résultant, on ajoute 20 d'eau et l'on chauffe sous agitation pendant 40 minutes. Le gel obtenu est ensuite lavé à l'eau distillée et centrifugé, l'opération étant répétée 8 fois. Au gel ainsi préparé, on ajoute, sous agitation, un mélange de 0,4 g de NaOH et 0,4 g de KOH dans 10 g d'eau, le tout étant chauffé à 80 C sous agitation pendant 1 heure. Le poids final du gel obtenu est de 54 à 55 g. La cristallisation s'opère en transférant le gel dans un autoclave, qui est scellé, agité et chauffé à 180 C, pendant 3 jours, (vitesse de rotation 300 tr/mn). EXEMPLE 2 Cet exemple est dérivé de l'exemple 1. On utilise une solution A, contenant 23 g de silicate de sodium (26% de SiO2) et 150 g d'eau, qui est chauffée à 60 C, pendant 20 minutes. La solution B contient 3,15 g d'A12 (SO4)3, 14 H2 O avec g d'eau. La solution B est chauffée à 70 C, pendant 20 minutes. Les étapes suivantes sont identiques à celles de l'exemple 1. EXEMPLE 3 Cet exemple illustre une mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. On prépare une solution A identique à celle de l'exemple 1. Une solution B contenant 1,24 g d'acide borique B(OH)3, 2,96 g d'A12(SO4)3,14 H20 et 50 g d'eau est préparée sous agitation à 70 C, pendant 20 minutes. La solution B est ajoutée à la solution A sous agitation. Un précipité se forme, le pH étant voisin de 10. 20 g d'eau sont ajoutés sous agitation. Après 20 minutes, on ajoute au goutte à goutte de l'acide sulfurique, jusqu'à ce que le pH redescende à 8. A ce stade, le mélange est très visqueux et l'on ajoute 20 g d'eau, en maintenant la température à 70 C, sous agitation pendant 40 minutes. Le gel est ensuite lavé 8 fois à l'eau distillée (200 g à chaque fois). A ce gel on ajoute une solution C (0,4 g de NaOH, 0,4 g de KOH et 10 g d'eau) sous agitation à 80 C pendant 1 heure. Le poids final du gel obtenu est de 54 à 55 g. La cristallisation est assurée en autoclave, à pression autogène pendant 3 jours à 180 C, sous agitation (300 tr/mn). EXEMPLE 4 On opère comme dans l'exemple 3, mais, avant la cristallisation en autoclave, le gel est vieilli pendant 2 jours à 25 C. L'étape de cristallisation est identique à celle de l'exemple 3. EXEMPLE 5 Cet exemple concerne également une modification de l'exemple 3. On opère comme dans cet exemple 3, mais, avant la cristallisation, on ajoute 1% en poids de germes de la zéolithe synthétisée dans l'exemple 3. La cristallisation est effectuée pendant 2 jours à 180 C ou pendant 1 jour à 195 C. EXEMPLE 6 On opère comme dans l'exemple 3, mais en diminuant la teneur en aluminium. On prépare une solution A identique à celle de l'exemple 3. On prépare une solution B contenant 2,46g de A12 (SO4)3,14H20 et 1,24 g de B(OH)3 dans 50 g d'eau. La solution B est chauffée sous agitation à 70 C pendant 20 minutes. Les étapes suivantes sont identiques à celles décrites dans l'exemple 3. EXEMPLE 7 La ferrierite de cet exemple est préparée en utilisant, de façon usuelle, un agent structurant: 10,87 g de pyrrolidine sont ajoutés à 48, 4 g de silica-sol (type AS40, 40% de SiO2) sous agitation à température ambiante. Après 15 minutes d'agitation, une solution homogène A est obtenue. Une solution B, constituée de 0,5 g de NaOH, 3g de NaA102 et 136 g d'eau, est préparée à 70 C, sous agitation pendant 40 minutes, afin d'obtenir une solution claire. La solution B est alors ajoutée à la solution A sous agitation, pour obtenir un gel homogène qui est agité pendant 1 heure. Ce gel est transféré dans un autoclave que l'on ferme et que l'on chauffe à 180 C pendant 22 jours. EXEMPLE 8 Cet exemple concerne également une préparation effectuée en utilisant un agent structurant. 29 g de silicate de Na (26% de SiO2) sont dissous dans 70 g d'eau, la solution A étant chauffée sous agitation à C pendant 20 minutes. Une solution B (2,97g de A12 (SO4)3,14H20 + 50 g d'eau) est chauffée à 70 C pendant 20 minutes. La solution B est ajoutée à la solution A sous agitation. Un précipité se forme. On ajoute 20 g d'eau au gel résultant, sous agitation, puis l'on ajoute goutte à goutte de l'acide sulfurique pour que le pH redescende à 8. g d'eau sont ajoutés sous agitation pendant 40 minutes à 70 C. Le gel est récupéré et lavé 8 fois à l'eau. On ajoute au gel lavé 3 g de pyrrolidine, sous agitation, puis 0,47 g de NaOH (sous forme de poudre) sous agitation, pendant 1 heure, à température ambiante. Le gel est ensuite transféré dans un autoclave scellé, chauffé à 180 C sous agitation pendant 3 jours (vitesse de rotation 300 tr/mn). Il est à noter que l'étape de cristallisation du procédé conforme à l'invention, ou synthèse hydrothermale, peut se faire en utilisant d'autres sources d'énergie et en particulier les microondes, qui permettent de réduire la durée de cette étape, tout en restant à la même température. Tous les matériaux synthétisés obtenus dans ces exemples présentent la structure cristalline de la ferrierite et leurs caractéristiques cristallographiques sont rassemblées dans le Tableau 1 ci-après. TABLEAU 1 Exemple 1 2 3 4 5 6 7 8 Si/Al 9,2 9,1 10,8 il11 10,7 9,3 8,8 8,9 (analyse chimique) Si/Al 9,8 9,9 11,8 11,5 10 10,5 / 9 (RMN) a) Taille des 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 20 1 cristaux à à à à à à à à (MEB) en 1 1 1 1 1 1 30 2 Mm b) Hauteur de 53 52 60 100 40 55 20 80 la raie RX à pour 20 = 30 9,4 degrés c) a) valeur mesurée à partir du spectre de 29Si. b) estimée par microscopie électronique à balayage MEB(moyenne). c) la hauteur est fixée à 100 pour l'échantillon le mieux cristallisé. Si l'on admet, comme l'expose SZOSTAK R., dans MOLECULAR SIEVES, Editeur VAN NOSTRAND REINHOLD, NEW YORK, 1989 p 290, que la hauteur des raies de diffraction (pics) de RX est en relation directe avec le degré de cristallisation, pour des cristaux dont la taille est supérieure à 0, 3 pm, il apparaît, en comparant les hauteurs des pics à 20=9,45 , dans le Tableau 1, que les matériaux des Exemples 1 à 8 sont bien cristallisés (se référer à l'ouvrage " Collection of simulated XRD powder patterns for zeolites " de TRACY- HIGGINS and VON BALLMOOS, Editeur ELSEVIER 1996). Cependant, le degré de cristallinité le plus élevé est obtenu pour l'Exemple 4. En outre, l'examen des clichés des échantillons de zéolithe correspondant aux divers exemples de préparation, obtenus par microscopie électronique à balayage, a permis d'évaluer la taille des cristaux de ces échantillons, qui est indiquée dans ce Tableau 1. Propriétés catalytiques des ferrierites obtenues dans l'isomérisation du butène-1 en isobutène. Tous les échantillons de zéolithe des Exemples 1, 3 à 5 et 8, sont testés dans les mêmes conditions expérimentales: - Poids de catalyseur: 0,1-0,2 g, - T: 400 C, - pph (poids de butène-1/poids de catalyseur/heure): h-1, - pression partielle du butène-1:26 kPa (complément à la pression atmosphérique,soit 101 kPa, par N2). Au cours de la réaction d'isomérisation, un équilibre est atteint entre les butènes linéaires, butène-1 et butène- 2 cis et trans. Les progrès de l'isomérisation, en fonction du temps de réaction sont rapportés dans le Tableau II ci-après, dans lequel sont spécifiés: - le rendement en isobutène, c'est-à-dire le rapport du poids d'isobutène obtenu à celui du butène-1 initial, exprimé en %, - la conversion des butènes linéaires, c'est-à-dire le rapport de la différence entre le poids initial en butène-1 et le poids final en butène-1 et butène-2, au poids initial de butène-1, exprimé en %, - la sélectivité en isobutène, c'est-à-dire le rapport du poids d'isobutène obtenu au poids de butène-1 converti, exprimé en %. Tableau II Exemple 1 3 4 5 8 Temps de la 1 6 12 24 36 1 6 12 24 36 1 6 12 24 36 1 6 12 24 36 1 6 12 24 36 réaction (h) Rendement en 16,5 24 31, 34,5 23 23 30,8 37 40 40 29 38,5 40 40 40 26 37,7 39 28,5 20 34,8 38 37,5 15 - isobutène (%) Conversion 68,5 60 43 40 25,5 72 61,5 49 46 44 58 48 43 43 42,5 56 49,6 44 31 21,7 58 47,5 43 16 - des n-butènes (%_ Sélectivité 24 40 73 86 90 32 50 75,5 87 91 50 80 93 93 94 46,5 76 88 92 92 60 80 87 95 - en isobutène (%) -4 O0 O Le graphique de la figure 1 annexée illustre le rendement en isobutène( en %) en fonction du temps de réaction (en heures), pour les exemples du Tableau II. On constate que ce sont les catalyseurs des exemples 3 et 4, selon l'invention, qui sont les plus performants, notamment en rendement en isobutène au-delà de 12 heures de réaction, et qu'ils conservent cette efficacité bien après 36 heures. Les essais effectués ont également montré que les zéolithes obtenues sans agent structurant possèdent une meilleure activité d'isomérisation que les catalyseurs classiques utilisés dans ce domaine. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'une zéolithe du type ferrierite, à taux de cristallinité élevé, et ayant une composition au stade anhydre exprimée par la formule Mx (A102)x (SiO2)y, M étant un cation d'un métal alcalin tel que Na ou K, ou un mélange des deux, caractérisé en ce qu' il comprend une étape d'obtention d'un gel, par addition d'acide borique à une solution aqueuse de sulfate d'aluminium et mélange avec une solution aqueuse contenant des oxydes de Na et/ou K et de Si, sans emploi d'agent structurant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange des solutions se fait sous agitation, avec acidification jusqu'à pH 8. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gel obtenu est lavé à l'eau distillée. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une solution contenant des hydroxydes de métaux alcalins est incorporée sous agitation dans le mélange. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gel obtenu est soumis à une étape de vieillissement, suivie d'une étape de cristallisation en autoclave, sous agitation et à chaud, pendant plusieurs heures. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le produit cristallisé obtenu est lavé à l'eau et séché à chaud. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les étapes d'obtention du gel et d'adjonction des hydroxydes de métaux alcalins se déroulent à une température comprise entre 40 et 90 C. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'étape de vieillissement du gel est effectuée à une température comprise entre 25 et 80 C et pendant 6 à 72 heures. 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'étape de cristallisation s'effectue à pression autogène, à une température comprise entre 150 et C et pendant 2 à 72 heures. 10. Zéolithe de structure ferrierite obtenue par le procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Zéolithe selon la revendication 10, de formule Mx (A102)x (SiO2)y, caractérisée en ce que le rapport y/x est compris entre 8 et 12. 12. Zéolithe selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce qu'elle est constituée de cristaux de dimension moyenne comprise entre 0,1 et 1 gm. 13. Utilisation de la zéolithe obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 9, comme catalyseur d'isomérisation squelettale des oléfines, en particulier des butènes en isobutènes et des pentènes en isopentènes. 14. Utilisation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la température de réaction est comprise entre 250 et 550 C, le poids d'oléfine par poids de catalyseur et par heure (pph) est compris entre 0, 5 et 200 h-1, et la pression partielle d'oléfine est comprise entre 10 et 400 kPa.