Brevet FR2795404A1 — publié le 20001229

Domaine de l'invention Le procédé selon la présente invention concerne le domaine des procédés d'alkylation du benzène par des oléfines ou des alcools en vue de la synthèse d'alkylaromatiques tels que le cumène ou l'éthylbenzène, en présence d'un catalyseur zéolithique. Art antérieur Le brevet US 5,003,119 décrit un procédé d'alkylation catalytique du benzène par des oléfines, en deux étapes caractérisé en ce que des oléfines fraîches sont rajoutées à la charge lors de chaque étape. Le catalyseur est zéolithique. Le brevet US 4,459,426 décrit un procédé d'alkylation du benzène en présence d'un catalyseur à base de zéolithe Y. Le brevet US 4,169,111 décrit un procédé de synthèse d'éthylbenzène en présence d'un catalyseur à base de zéolithe et comprenant le recyclage du diéthylbenzène dans la zone de réaction. Résumé de l'invention La présente invention concerne un procédé d'alkylation dans lequel on traite, d'une part du benzène et d'autre part une charge comprenant au moins un composé choisi dans le groupe formé par les oléfines contenant de 2 à 3 atomes de carbone par molécule et les alcools contenant de 2 à 3 atomes de carbone par molécule, en présence d'un catalyseur d'alkylation comprenant une zéolithe de type structural EUO, 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 un rapport Si/T atomique global supérieur à 5 et avec une teneur en sodium inférieure à 300 ppm. Le procédé comprend un recyclage des produits polyalkylés dans la zone d'alkylation. Intérêt de l'invention Le procédé selon la présente invention possède un certain nombre d'avantages parmi lesquels on peut citer : les réactions d'alkylation et de transalkylation sont effectuées dans le même réacteur et avec le même catalyseur, ledit catalyseur comprenant une zéolithe de type structural EUO ; le recyclage, en entrée de réacteur R, d'un effluent liquide riche en benzène permet de réduire le taux de benzène allant vers la zone de séparation des polyalkylés, ce qui permet de diminuer la consommation en énergie du procédé. Description de l'invention Le procédé selon l'invention est un procédé d'alkylation dans lequel on traite du benzène en présence d'un catalyseur; ledit procédé comprenant : (voir figure 1) a) l'introduction et la mise en contact dans une zone réactionnelle R avec un catalyseur comprenant une zéolithe de type structural EUO 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 un rapport SiIT atomique global supérieur à 5 et avec une teneur en sodium inférieure à 300 ppm, des composés suivants (i) du benzène (1), à l'entrée de la zone R, (ii) une charge (2) comprenant au moins un composé choisi dans le groupe formé par les oléfines contenant de 2 à 3 atomes de carbone par molécule et les alcools contenant de 2 à 3 atomes de carbone par molécule (de préférence introduite au moins à l'entrée de la zone R), iii) au moins une partie (3) de l'effluent liquide décrit en d), de préférence introduite au moins à l'entrée de la zone R, (iv) au moins une partie et de préférence la majeure partie (4) de l'effluent liquide décrit en c), de préférence introduite au moins à l'entrée de la zone R, b) l'introduction par la ligne (5) de la majeure partie de l'effluent sortant de la zone R vers la zone de séparation S, c) le recyclage d'au moins une partie et de préférence de la majeure partie d'un l'effluent liquide(4) riche en benzène de la zone S vers la zone R, d) le recyclage d'au moins une partie (3) d'un effluent liquide de la zone S comprenant des composés polyalkylés (c'est-à-dire essentiellement di, tri et tétraalkylbenzénes) de la zone S vers la zone R, e) l'obtention de composés monoalkylés à titre de produit (6) de la zone S, f) l'obtention ou récupération éventuelle à partir de la zone S d'un effluent liquide (7) comprenant des composés polyalkylés et pouvant éventuellement comprendre une fraction plus lourde que les tétraalkylés à titre de purge de la zone S, et g) l'obtention ou récupération éventuelle à partir de la zone S de composés gazeux (8) à titre de purge de la zone S. Selon une mise en ceuvre de l'invention, indépendante ou non de la mise en ceuvre précédente, il est possible d'introduire la partie de l'effluent liquide décrit en d) qui est recyclée vers la zone R (composé (iii)), en plusieurs points de la zone réactionnelle R. Ces différents points d'injection du composé (iii) sont répartis le long de la zone réactionnelle, et un de ces points d'injection est l'entrée de ladite zone. Ladite répartition se fait de façon la plus avantageuse pour le déroulement de la réaction, selon les conditions opératoires et les composés présents dans la zone R. Selon une autre mise en ceuvre de l'invention, indépendante ou non des mises en ceuvre précédentes, il est possible d'introduire la charge d'oléfine(s) et/ou d'alcool(s) (composé (ii)) en plusieurs points de la zone R. Ces différents points d'injection du composé (ii) sont répartis le long de la zone réactionnelle, et un de ces points d'injection est l'entrée de ladite zone. Ladite répartition se fait de la façon la plus avantageuse pour le déroulement de la réaction, selon les conditions opératoires et les composés présents dans la zone R. Selon une mise en oeuvre de l'invention, indépendante ou non des mises en ceuvre précédentes, il est possible d'introduire la partie de l'effluent liquide décrit en c) qui est recyclée vers la zone R (composé (iv)), en plusieurs points de la zone réactionnelle R. Ces différents points d'injection du composé (iv) sont répartis le long de la zone réactionnelle, et un de ces points d'injection est l'entrée de ladite zone. Ladite répartition se fait de façon la plus avantageuse pour le déroulement de la réaction, selon les conditions opératoires et les composés présents dans la zone R. Souvent les composés (1) et (4) sont introduits en totalité à l'entrée de la zone R De préférence, les fractions des composés (2) à (4) décrits en a) qui sont introduites à l'entrée de la zone R sont mélangées ensemble et au moins, en partie, de préférence en totalité avec le composé (1), avant d'être introduites dans ladite zone. Dans une mise en oeuvre préférée de l'invention, indépendante ou non des mises en couvre précédentes, la zone réactionnelle comprend au moins un réacteur fonctionnant en lit(s) fixe(s). La température dans la zone réactionnelle R est généralement comprise entre 30 et 400 C, de préférence entre 50 et 300 C. Les réactions d'alkylation du benzène et transalkylation des polyalkylbenzènes, qui sont mises en couvre dans la zone réactionnelle R, sont habituellement effectuées en phase liquide ou en phase supercritique, c'est à dire entre le passage de l'état liquide à l'état solide. Dans le cadre de la présente invention, la pression dans la zone réactionnelle est comprise entre 0,1 et 10 MPa, bornes incluses et de préférence entre 2 et 7 Mpa bornes incluses. Les réactifs sont introduits de façon à ce que la vitesse spatiale horaire, exprimée en volume d'hydrocarbures liquides introduit(s) par unité de volume du catalyseur et par heure, soit généralement comprise entre 0,5 et 200 h-', et de façon à ce que le rapport molaire benzène/oléfine(s) et/ou alcool(s), soit généralement compris entre 1:1 et 50:1. Dans le procédé selon l'invention, le catalyseur présent dans la zone R contient au moins une zéolithe de type structural EUO, par exemple la zéolithe EU-1 et au moins une matrice. 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 al ont enseigné dans un article de la revue Zeolites (1988, 8, 74) que ces canaux monodimensionnels possèdent des poches latérales de profondeur 8,1 A et de diamètre 6,8 x 5,8 h. Le mode de synthèse de la zéolithe EU-1 et ses caractéristiques physico-chimiques ont été décrits dans le brevet EP- 42 226. 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` 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, 48me 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. L'invention est donc effectuée en présence d'un catalyseur comprenant 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 (ou 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 un rapport atomique global supérieur à environ 5 et ladite zéolithe comprenant une quantité de sodium inférieure à 300 ppm, de préférence inférieure à 150 ppm et de manière encore plus préférée inférieure à 100 ppm. En outre, ce catalyseur mis en forme, par exemple sous forme de billes ou d'extrudés, présente une bonne résistance mécanique. 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. 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 (gm) souvent inférieure à 0,5 Nm, et le plus souvent inférieure à 0,2 Nm. Ces cristaux ou cristallites sont souvent au moins en partie regroupés en agrégats présentant une granulométrie telle que la valeur de Dv,90 est inférieure ou égale à 500 Nm, souvent inférieure à 400 Nm le plus souvent inférieure à 200 Nm et de manière encore plus préférée inférieure ou égale à 50 pm. 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 environ 5 et dont la teneur en sodium est inférieure à 300 ppm, de préférence inférieure à 150 ppm et de manière encore plus préférée inférieure à 100 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 catalyseur contenant au moins une zéolithe de type structural EUO et en particulier la zéolithe EU1, 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 microporosité de la zéolithe, puis on procède à au moins une étape d'échange ionique par exemple par au moins une solution de NH,N03, 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 en mélangeant la matrice et la zéolithe préparée précédemment puis on met en forme. La mise en forme du catalyseur utilisé dans le cadre de l'invention est généralement telle que le catalyseur est de préférence sous forme d'extrudés ou de billes. 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 de métier, de manière à obtenir un catalyseur de préférence sous forme d'extrudés ou de billes. La préparation du catalyseur 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. L'utilisation du procédé selon l'invention concerne plus particulièrement la production d'éthylbenzène par alkylation du benzène par exemple par l'éthylène ou la production de cumène par alkylation du benzène par exemple par le propylène et/ou l'alcool isopropylique. La figure 1 jointe illustre l'invention, et plus précisément une mise en ceuvre préférée du procédé selon l'invention, sans en limiter la portée. Elle concerne la production de l'un des composés suivants : l'éthylbenzène ou le cumène, par alkylation du benzène selon le procédé de la présente invention. On fait réagir, dans une zone de réaction R contenant au moins un lit fixe de catalyseur comprenant une zéolithe de type structural EUO telle que définie ci-devant dess-us, du benzène avec une charge renfermant au moins un composé choisi de préférence dans le groupe formé par les monooléfines (éthylène et propylène notamment) et les alcools (l'isopropanol notamment). Le mélange en phase liquide, comprenant du benzène (ligne 1) et ladite charge (ligne 2), est introduit par la ligne (9) dans la zone réactionnelle R. Au moins la majeure partie de l'effluent liquide sortant de la zone R par la ligne (5) est introduit dans une zone de séparation S. On soutire par la ligne (3) une partie d'un effluent liquide riche en composés polyalkylés provenant de la zone de séparation S. Ladite partie est mélangée d'une part avec les effluents des lignes (1) et (2), c'est à dire le benzène et la charge d'oléfine(s) et/ou d'alcool(s) et d'autre part avec l'effluent de la ligne (4) ; ledit effluent de la ligne (4) contient un effluent riche en benzène provenant de la zone S. Finalement, le mélange ainsi obtenu des lignes (1), (2), (3) et (4) forme l'effluent de la ligne (9) qui entre dans la zone de la réaction R. La zone de séparation S, qui peut être constituée de plusieurs sections différentes de séparation ou de fractionnement, permet d'obtenir par exemple les effluents suivants - un effluent liquide riche en benzène extrait de la zone S par la ligne (4) et qui est recyclé vers la zone réactionnelle R, - un effluent liquide très riche en composé aromatique monoalkylé (éthylbenzène ou cumène par exemple) que l'on extrait de l'unité par la ligne (6) au titre de produit désiré, - un effluent liquide riche en composés polyalkylés qui est extrait de la zone S, et dont une partie (3) est recyclée vers la zone de réaction R pour produire une quantité supplémentaire de composé aromatique monoalkylé (éthylbenzène ou de cumène par exemple) par réaction de transalkylation, - un effluent liquide éventuel, riche en composés polyalkylés et qui peut contenir des composés de poids moléculaires plus élevés, qui est extrait de la zone S, et de l'unité, par la ligne (7) à titre de purge, et, - un effluent gazeux éventuel contenant des composés plus légers que le benzène, tels que l'éthane, le propane, une partie de la charge d'oléfine(s) et/ou d'alcool(s) non converti(e), qui est extrait de la zone S, et de l'unité, par la ligne (8) à titre de purge REVENDICATIONS 1. Procédé d'alkylation du benzène comprenant les étapes suivantes a) l'introduction et la mise en contact dans une zone réactionnelle R, avec un catalyseur comprenant une matrice, au moins une zéolithe de type structural EUO, au moins en partie sous forme acide, au moins une matrice, 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, des composés suivants: (i) du benzène (1), à l'entrée de la zone R, (ii) une charge (2) comprenant au moins un composé choisi dans le groupe formé par les oléfines contenant de 2 à 3 atomes de carbone par molécule et les alcools contenant de 2 à 3 atomes de carbone par molécule, (iii) au moins une partie (3) de l'effluent liquide décrit en d), (iv) au moins une partie (4) de l'effluent liquide décrit en c) b) l'introduction par la ligne (5) de la majeure partie de l'effluent sortant de la zone R en zone de séparation S, c) le recyclage d'au moins une partie d'un effluent liquide (4) riche en benzène de la zone S vers la zone R, d) le recyclage d'au moins une partie (3) d'un effluent liquide comprenant des composés polyalkylés de la zone S vers la zone R, et e) l'obtention de composés monoalkylés à titre de produit (6) en sortie de la zone S, 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on récupère à partir de la zone S un effluent liquide (7) comprenant des composés polyalkylés à titre de purge de la zone S. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on récupère à partir de la zone S des composés gazeux (8) à titre de purge de la zone S. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel l'un au moins des composés choisis dans le groupe formé par les composés (2), (3) et (4) décrits en a), est introduit dans la zone R en plusieurs points, dont au moins l'entrée de ladite zone R. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel les composés (1) et (4) sont introduits en totalité à l'entrée de la zone R. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel les fractions des composés (2) à (4) décrits en a) qui sont introduites ensemble à l'entrée de la zone R sont mélangées ensemble et au moins en partie avec le composé (1), avant d'être introduites dans ladite zone R. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la zone réactionnelle R comprend au moins un réacteur fonctionnant en lit(s) fixe(s). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le catalyseur comprend une matrice choisie dans le groupe formé par les argiles naturelles,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, les argiles, les alumines, la silice, la magnésie, le zircone, l'oxyde de titane, l'oxyde de bore et leurs combinaisons. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le catalyseur est mis en forme sous forme de billes ou d'extrudés. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le catalyseur présente une résistance mécanique telle que la valeur de l'écrasement en lit est supérieure à 0,5 MPa. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le catalyseur comprend une zéolithe de type structural EUO qui est la zéolithe EU-1. 13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12 caractérisé en ce que l'élément T du catalyseur est choisi dans le groupe formé par l'aluminium et le bore. 14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13 caractérisé en ce que la matrice du catalyseur est de l'alumine 15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que le catalyseur contient de 1 % à 95% en poids d'au moins une zéolithe de type structural EUO. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15 dans lequel le catalyseur contient une zéolithe de type structural EUO dont la taille des cristaux est inférieure à 5 micromètres (gm). 17. Procédé selon la revendication 16 dans lequel les cristaux sont au moins en partie regroupés en agrégats présentant une granulométrie telle que la valeur de Dv,90 est inférieure ou égale à 500 Nm. 18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 17 effectué sous une pression d'environ 0,1 à10 MPa, une température d'environ 30 à 400 C, une vitesse spatiale horaire d'environ 0,5 à 200 h-1, un rapport molaire benzène/oléfine(s) et/ou alcool(s) d'environ 1:1 et 50:1. 19. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 18 pour la production de l'un des composés suivants : l'éthylbenzène, le cumène.