Brevet FR2795403A1 — publié le 20001229

Domaine Technique La présente invention concerne un procédé de production d'au moins un alkylbenzène par alkylation du benzène au moyen de mono-oléfine(s). La mono-oléfine ou le mélange de mono-oléfines de départ peut provenir de toute source connue, par exemple d'unités de vapocraquage ou de craquage catalytique. Art Antérieur On a déjà proposé, pour effectuer cette réaction, l'emploi de zéolithes sous forme acide, en particulier la ZSM5 (EP 0104729). D'autres zéolithes ont été mises en avant, en particulier certaines mordénites, seules ou en mélange avec de la faujasite (US 3 436 432), éventuellement avec un métal du groupe VIII déposé dessus (US 3,851,004). Des brevets japonais JP 58216128 et JP 58159427, préconisent des mordénites seules, de faible rapport Si/AI (4,5 à 5), contenant des ions métalliques tels que Mg 2+, K+, Ca2+, ou sous forme acide (JP 041670). Une demande de brevet français FR 2,638,157 fait état de résultats satisfaisants obtenus en présence de mordénites désaluminées, ayant un rapport atomique SiIAI global compris entre 30 et 80. Le brevet US 5,600,048 enseigne par ailleurs l'utilisation d'une zéolithe de type MCM en alkylation du benzène par une oléfine. Ce procédé comprend une seconde étape dans laquelle les polyalkylbenzenes formés au cours de la première étape sont transalkylés en présence d'une zéolithe qui peut être de la ZSM-50 ou une autre zéolithe. Cet enseignement dissuade l'homme du métier d'utiliser pour la première étape d'alkylation un catalyseur comprenant une zéolithe de type ZSM-50. La demande de brevet EP 537 389 décrit un catalyseur à base de zéolithe EU-1 comprenant plus de 0,1 % d'un métal alcalin ou alcalino-terreux et, son utilisation en synthèse du cumène. La demande de brevet EP 134 331 décrit un mode particulier d'obtention de diverses zéolithes, dont une ZSM-50, comprenant la mise en contact du solide zéolithique avec de la vapeur anhydre de chlorure d'aluminium. Cette procédure conduit à l'obtention d'un solide zéolithe comprenant une proportion importante d'atomes d'aluminium extra réseau dans les pores de petites tailles. Ce solide zéolithique est décrit comme pouvant être utilisé dans diverses réactions telles que par exemple l'alkylation ou la transalkylation. II n'y a cependant aucun exemple de réalisation concernant ces réactions. Résumé La présente invention concerne un procédé de production d'au moins un alkylbenzène dans lequel on fait réagir du benzène avec une charge renfermant au moins une mono-oléfine aliphatique ayant de 2 à 4 atomes de carbone au contact d'au moins un catalyseur solide zéolithique, caractérisé en ce que le catalyseur comprend une matrice et une zéolithe de type structural EUO ladite zéolithe comprenant du silicium et au moins un élément T choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le fer, le gallium et le bore, avec un rapport Si/T atomique global supérieur à 5, avec une teneur en sodium inférieure à 300 ppm et en ce que ladite réaction est effectuée à une température d'environ 30 à environ 450 C, sous une pression absolue d'environ 0,1 environ 10 MPa, une vitesse spatiale horaire d'environ 0,5 à environ 200 h-1 et avec un rapport molaire benzène/mono-oléfines d'environ 1 : 1 à environ 50 : 1. Intérêt La présente invention a pour objet d'améliorer le rendement d'alkylation en mono-alkylbenzènes, en réduisant la proportion des poly-alkylbenzènes formés, grâce à l'utilisation d'un catalyseur à base de zéolithe EUO des performances catalytiques supérieures à celles des catalyseurs décrits dans l'art antérieur. Ces catalyseurs sont notamment à la fois très actifs, très sélectifs et très résistants à la désactivation. Description Selon l'invention, on fait réagir du benzène avec une charge renfermant au moins une mono-oléfine aliphatique ayant de 2 à 4 atomes de carbone au contact d'au moins un catalyseur comprenant une zéolithe de type structural EUO. Le produit obtenu est ensuite fractionné pour recueillir une fraction contenant au moins un mono-alkylbenzène. Cette réaction sera appelée "alkylation" ci-après. Selon une variante préférée de ce procédé, on fait d'abord réagir (première étape ou étape d'alkylation) du benzène avec une charge renfermant au moins une mono-oléfine aliphatique ayant de 2 à 4 atomes de carbone au contact d'au moins un catalyseur comprenant une zéolithe de type structural EUO, on fractionne le produit de manière à recueillir séparément une première fraction renfermant du benzène non converti et au moins un mono-alkylbenzène et une seconde fraction renfermant au moins un polyalkylbenzène. Dans une seconde étape (étape de transalkylation), on fait réagir, en présence d'un catalyseur de transalkylation, au moins une partie de ladite fraction renfermant au moins un polyalkylbenzène avec du benzène, par exemple avec du benzène dont au moins une partie est constituée de benzène non-converti dans la première étape (c'est-à-dire de benzène non-converti provenant de ladite première fraction obtenue dans la première étape) ou par exemple avec du benzène dont au moins une partie n'est pas constituée de benzène non converti dans la première étape, et on recueille ensuite par séparation au moins une fraction contenant au moins un mono-alkylbenzène et au moins une autre fraction contenant au moins un polyalkylbenzène. Le benzène excédentaire de la première étape qui n'est pas envoyé à la seconde étape est avantageusement recyclé à la première étape, tandis que, après la seconde étape, la fraction renfermant au moins un polyalkylbenzène non converti peut être recyclée dans cette même seconde étape. Ainsi, les mono-alkyl benzènes obtenus par la variante préférée (en deux étapes) du procédé selon la présente invention proviennent, d'une part, de la première fraction obtenue à la première étape (cette fraction pouvant être elle-même fractionnée en benzène non-converti et en au moins une fraction contenant au moins un mono-alkylbenzène), et, d'autre part, de la réaction (seconde étape) de la seconde fraction renfermant au moins un polyalkylbenzène obtenue à la première étape avec du benzène. Le catalyseur utilisé dans la présente invention comporte au moins une zéolithe de type structural EUO, par exemple la zéolithe EU-1, au moins en partie sous forme acide, au moins une matrice (liant), ladite zéolithe comprenant du silicium et au moins un élément T choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le fer, le gallium et le bore, de préférence l'aluminium et le bore, avec le rapport Si/T atomique global supérieur à 5. En outre, ce catalyseur mis en forme, par exemple sous forme de billes ou d'extrudés, présente une bonne résistance mécanique. La zéolithe EU-1 de type structural EUO, déjà décrite dans l'art antérieur, présente un réseau microporeux monodimensionnel, dont le diamètre des pores est de 4,1 x 5,7 Â (1 Â = 1 Angstrdm - 10-10 m) ("Atlas of Zeolite Structure Types ", W.M. Meier et D.H. Oison, 4ème Edition, 1996). D'autre part, N.A. Briscoe et a! ont enseigné dans un article de la revue Zeolites (1988, 8, 74) que ces canaux monodimensionnels possèdent des poches latérales de profondeur 8,1 Â et de diamètre 6,8 x 5,8 Â. Le mode de synthèse de la zéolithe EU-1 et ses caractéristiques physico-chimiques ont été décrits dans le brevet EP- 42226. Le brevet U.S.-4 640 829 concerne la zéolithe ZSM-50, qui, d'après l' "Atlas of Zeolite Structure Types ", W.M. Meier et D.H. Oison, 4e`"e Edition, 1996, présente le même type structural EUO que la zéolithe EU-1. Ledit brevet présente un mode de synthèse de la ZSM-50 différent de celui décrit dans le brevet EP-42 226 sur la zéolithe EU-1. La demande de brevet EP-51 318 traite de la zéolithe TPZ-3, qui présente, d'après l' " Atlas of Zeolite Structure Types ", W.M. Meier et D.H. Oison, 4e` Edition, 1996, le même type structural EUO que la zéolithe EU-1, et de son utilisation en tant que catalyseur contenant la zéolithe telle quelle ou mise en forme. Dans ledit document la mise en forme de la zéolithe TPZ-3 est exemplifiée par la préparation de pastilles, obtenues par pastillage d'un mélange mécanique de poudres de zéolithe et de liant. Les pastilles comprennent la zéolithe TPZ-3, un liant et éventuellement au moins un élément choisi dans le groupe formé par le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le zinc, le ruthénium, le rhodium, le palladium, le rhénium, l'osmium, l'iridium et le platine, sous forme de métal ou d'oxyde de métal. De façon surprenante, il a été découvert par la demanderesse que l'utilisation d'un catalyseur mis en forme, comprenant # au moins une zéolithe de type structural EUO, par exemple la zéolithe EU-1, au moins en partie et de préférence pratiquement totalement sous forme acide, contenant du silicium et au moins un élément T choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le fer, le gallium et le bore, de préférence l'aluminium et le bore, et tel que le rapport atomique global SiIT est supérieur à 5, et telle que la teneur en sodium est inférieure à 300 ppm. # au moins une matrice (ou liant), par exemple l'alumine, a des propriétés remarquables pour la production de mono-alkyl benzène par alkylation du benzène au moyen de mono-oléfines aliphatiques ayant de 2 à 4 atomes de carbone. La matrice (ou liant) consiste plus particulièrement en au moins un élément choisi dans le groupe formé par les argiles naturelles (comme par exemple le kaolin ou la bentonite), les argiles synthétiques, la magnésie, les alumines, les silices, les silice-alumines, l'oxyde de titane, l'oxyde de bore, la zircone, les phosphates d'aluminium, les phosphates de titane, les phosphates de zirconium, de préférence parmi les éléments du groupe formé par les alumines et les argiles. La zéolithe de type structural EUO, par exemple la zéolithe EU-1, comprise dans le catalyseur selon l'invention, est au moins en partie, de préférence pratiquement totalement, sous forme acide, c'est-à-dire sous forme hydrogène (H+), la teneur en sodium étant inférieure à 300 ppm, de préférence inférieure à 150 ppm, de manière encore plus préférée inférieure à 100 ppm. Selon une forme préférée de réalisation de l'invention on utilisera un catalyseur comprenant une zéolithe de type structural EUO dont la taille des cristaux est inférieure à 5 micromètres (um), de manière préférée inférieure à 0,5 pm, de manière encore plus préférée inférieure à 0,2 Nm. Ces cristaux ou cristallites sont souvent regroupés en agrégats présentant une granulométrie telle que la valeur de Dv,90 est inférieure ou égale à 500 Nm, souvent inférieure à 400 pm et le plus souvent inférieure à 200 pm et de manière préférée inférieure à 50 Nm. La taille des agrégats est déterminée par granulométrie à diffraction laser. Cette mesure est réalisée sur la poudre de zéolithe mise en suspension dans de l'eau. Après une première mesure, la suspension est soumise à des ultrasons pendant trente secondes puis une nouvelle mesure est réalisée. Les ultrasons utilisés sont caractérisés par une puissance de 50 W et une fréquence de 50 kHz. Cette procédure est répétée jusqu'à ce que le résultat ne varie plus (à 5 %). La distribution en taille des agrégats définie en volume est calculée à partir des signaux lumineux collectés par les détecteurs et avec la théorie de Fraunhofer. On définit Dv,X comme étant le diamètre de la sphère équivalente telle que X% en volume des agrégats a une taille inférieure audit diamètre. Ces caractéristiques seront obtenues directement lors de la synthèse de la zéolithe et/ou par toute méthode permettant de diminuer la taille des agrégats comme par exemple le broyage post-synthèse ou encore un malaxage adéquat avant mise en forme. Le catalyseur utilisé dans le procédé selon l'invention contient plus particulièrement # en teneur pondérale, de 1 à 95% bornes incluses, et de préférence de 3 à 90% bornes incluses, et de manière encore plus préférée de 5 à 85% bornes incluses d'au moins une zéolithe de type structural EUO, par exemple la zéolithe EU-1, au moins en partie sous forme acide, comprenant du silicium et au moins un élément T choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le fer, le gallium et le bore, de préférence l'aluminium et le bore, dont le rapport SiIT atomique global est supérieur à 5, et telle que la teneur en sodium est inférieure à 300 ppm. # au moins une matrice, ou liant, assurant le complément à 100% dans le catalyseur. Ledit catalyseur présente de préférence une valeur d'écrasement en lit, déterminée selon la méthode Shell (SMS 1471-74) et caractérisant sa résistance mécanique, supérieure à 0,5 MPa. Le catalyseur utilisé dans le procédé selon l'invention peut être préparé par toute méthode connue des hommes du métier et en particulier par celles décrites dans l'art antérieur concernant les catalyseurs contenant au moins une zéolithe de type structural EUO et en particulier la zéolithe EU 1, ZSM-50 et TPZ-3. Pour préparer le catalyseur utilisé dans le procédé selon l'invention, on opère par exemple d'abord un traitement de la zéolithe de type structural EUO, par exemple la zéolithe EU-1, brute de synthèse, selon toute méthode connue de l'homme du métier, par exemple on procède à une étape de calcination sous flux d'air sec, qui a pour but d'éliminer le structurant organique occlus dans la mïcroporosité de la zéolithe, puis on procède à au moins une étape d'échange ionique par exemple par au moins une solution de NH4N03, de manière à éliminer au moins en partie, de préférence pratiquement totalement, tout cation alcalin, en particulier le sodium, présent en position cationique dans la zéolithe. On poursuit la préparation du catalyseur, utilisé dans la présente invention, en mélangeant la matrice et la zéolithe préparée précédemment puis on met en forme. La mise en forme du catalyseur selon l'invention est généralement telle que le catalyseur est de préférence sous forme d'extrudés ou de billes, en vue de son utilisation. Les conditions de mise en forme de la zéolithe, le choix de la matrice, éventuellement le broyage préalable de la zéolithe, le procédé de peptisation, l'ajout d'agents porogènes, le temps de malaxage, la pression d'extrusion si le catalyseur est mis sous forme d'extrudés, la vitesse et le temps de séchage, sont déterminés, pour chaque matrice, selon les règles bien connues de l'homme du métier, de manière à obtenir un catalyseur de préférence sous forme d'extrudés ou de billes. La préparation du catalyseur, utilisé dans la présente invention, se poursuit généralement par une calcination, habituellement à une température comprise entre 250 C et 600 C bornes incluses, de préférence précédée d'un séchage, par exemple à l'étuve, à une température généralement comprise entre la température ambiante et 250 C bornes incluses, de préférence entre 40 C et 200 C bornes incluses. Ladite étape de séchage est de préférence menée pendant la montée en température nécessaire pour effectuer ladite calcination. La mise en forme de la zéolithe de type structural EUO utilisée dans le procédé selon l'invention, par exemple la zéolithe EU-1, peut être effectuée sur la zéolithe brute de synthèse, c'est-à-dire contenant le structurant organique et des cations alcalins, généralement le sodium. Dans ce cas l'étape de calcination sous flux d'air sec, ayant pour but d'éliminer le structurant organique, et les étapes d'échanges ioniques par au moins une solution de NH4N03 sont réalisées sur le catalyseur mis en forme comprenant la zéolithe et la matrice. La réaction dite d'alkylation est habituellement effectuée en phase liquide, en phase supercritique ou en phase gazeuse, en présence d'au moins un catalyseur comprenant une zéolithe de type structural EUO définie plus haut, disposé en lit fixe, à une température d'environ 30 à environ 450 C (de préférence d'environ 30 à 350 C), sous une pression absolue d'environ 0,1 à environ 10 Mpa (de préférence d'environ 2 à environ 7 MPa), avec un débit d'hydrocarbures liquides d'environ 0,5 à environ 200 volumes par volume de catalyseur et par heure, et avec un rapport molaire benzènelmono-oléfines compris entre environ 1 : 1 et environ 50 : 1 bornes incluses (de préférence bornes incluses, entre 3 : 1 et 7 : 1 pour le propène et entre 7 : 1 et 12 : 1 pour l'éthylène). Dans le cas ou la charge referme de l'éthylène on forme de l'éthylbenzène et dans le cas ou elle renferme du propylène on forme du cumène encore dénommé isopropylbenzène ou 2-phenylpropane. La réaction dite de transalkylation des polyalkylbenzènes, lors de la deuxième étape quand elle mise en ceuvre est habituellement effectuée en présence d'un catalyseur disposé en lit fixe, à une température d'environ 100 à 500 C (de préférence d'environ 150 à 400 C), sous une pression de 1,5 à 10 MPa (de préférence de 2 à 7 MPa), avec un débit d'hydrocarbures liquides (vitesse spatiale) d'environ 0,5 à 5 volumes par volume de catalyseur et par heure, et avec un rapport molaire benzènelpolyalkylbenzènes d'environ 2:1 à50:1. Bien que l'on puisse mettre en oeuvre l'invention avec un mélange de mono-oléfines, par exemple un effluent de craquage catalytique, on préfère, afin de faciliter le fractionnement entre mono-alkyl benzènes et poly-alkyl benzènes lorsqu'on opère avec une transalkylation subséquente, opérer avec une seule mono-oléfine, par exemple l'éthylène, le propylène, un n-butène ou l'isobutène. Le traitement de mélanges de mono-oléfines renfermant du monoxyde de carbone, par exemple 0,1 à 2,0 % en poids, ce qui est souvent le cas des effluents de cracking, présente un intérêt particulier. En effet la présence du monoxyde de carbone n'a pas d'effet néfaste, contrairement à ce qui est observé avec les catalyseurs conventionnels renfermant du nickel. Quand l'invention comprend une deuxième étape de transalkylation, pour simplifier la mise en oeuvre de l'invention, on peut utiliser une zone de distillation unique pour les effluents des deux étapes éventuelles du procédé (alkylation et transalkylation) selon toute technique bien connue de l'homme du métier. REVENDICATIONS 1) Procédé de production d'au moins un alkylbenzène dans lequel on fait réagir du benzène avec une charge renfermant au moins une mono-oléfine aliphatique ayant de 2 à 4 atomes de carbone au contact d'au moins un catalyseur solide zéolithique, caractérisé en ce que le catalyseur comprend une matrice et une zéolithe de type structural EUO ladite zéolithe comprenant du silicium et au moins un élément T choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le fer, le gallium et le bore, avec un rapport SiIT atomique global supérieur à 5, et avec une teneur en sodium inférieure à 300 ppm et caractérisé en ce que ladite réaction est effectuée à une température d'environ 30 à environ 450 C, sous une pression absolue d'environ 0,1 environ 10 MPa, une vitesse spatiale horaire d'environ 0,5 à environ 200 h-1 et avec un rapport molaire benzène/mono-oléfines d'environ 1 : 1 à environ 50 : 1. 2) Procédé selon la revendication 1 dans lequel le produit de la réaction du benzène avec une charge renfermant au moins une mono-oléfine aliphatique ayant de 2 à 4 atomes de carbone est ensuite fractionné, de manière à recueillir séparément une première fraction renfermant du benzène non converti et au moins un mono-alkylbenzène et une seconde fraction renfermant au moins un polyalkylbenzène et on fait réagir au moins une partie de ladite seconde fraction avec du benzène au contact d'au moins un catalyseur de transalkylation, et on recueille par séparation une fraction contenant au moins un mono-alkylbenzène et au moins une autre fraction contenant au moins un polyalkylbenzène. 3) Procédé selon la revendication 2 tel que la température est d'environ 100 à 500 C, la pression est d'environ 1,5 à 10 MPa, le débit d'hydrocarbrues liquides d'environ 0,5 à 5 volumes par volume de catalyseur et par heure et un rapport molaire benzène/polyalkylbenzènes 2 : 1 à 50 : 1. 4) Procédé selon l'une des revendications 2 à 3 dans lequel au moins une partie du benzène avec lequel on fait réagir au moins une partie de ladite seconde fraction est constituée de benzène non-converti provenant de ladite première fraction. 5) Procédé selon l'une des revendications 2 à 4 dans lequel la fraction renfermant au moins un polyalkylbenzène non-converti lors de l'étape de réaction du benzène avec au moins une partie de ladite seconde fraction sont recyclés dans cette étape de transalkylation.. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel chaque catalyseur est disposé en lit fixe. 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la charge renferme 0,1 à 2,0 en poids de monoxyde de carbone. 8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel la charge est un effluent de craquage catalytique. 9) Procédé de production d'éthylbenzène selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel, lors de la réaction du benzène avec une charge renfermant de l'éthylène, le rapport molaire benzène/éthylène est compris bornes incluses entre 7 : 1 et 12 : 1. 10) Procédé de production de cumène selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel, lors de la réaction du benzène avec une charge renfermant du propène, le rapport molaire benzène/propène est compris bornes incluses entre 3 : 1 et 7 : 1. 11) Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel le catalyseur contient une zéolithe de type structural EUO dont la taille des cristaux est inférieure à 5 micromètres (grm). 12) Procédé selon la revendication 11 dans lequel les cristaux sont regroupés en agrégats présentant une granulométrie telle que la valeur de Dv,90 est inférieure ou égale à 500 Nm.