Brevet FR2820991A1 — publié le 20020823

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine de l'hydrotraitement de charges hydrocarbonées et a plus particulièrement pour objet un procédé de sulfuration des catalyseurs utilisés à cet effet. Les catalyseurs d'hydrotraitement de charges hydrocarbonées, concernés par la présente invention, sont utilisés dans des conditions appropriées pour convertir en présence d'hydrogène les composés organosoufrés en hydrogène sulfuré, opération que l'on appelle hydrodésulfuration (HDS), et pour convertir les composés organoazotés en ammoniac dans une opération que l'on appelle hydrodéazotation (HDN). Ces catalyseurs sont généralement à base de métaux des groupes VI B et Vill de la classification périodique des éléments, tels que le molybdène, le tungstène, le nickel et le cobalt. Les catalyseurs d'hydrotraitement les plus courants sont formulés à partir des systèmes cobalt-molybdène (Co-Mo), nickel-molybdène (Ni-Mo) et nickel-tungstène (Ni-W), déposés sur des supports minéraux poreux tels que des alumines, des silices, des silices-alumines. Ces catalyseurs fabriqués industriellement à des tonnages très importants sont fournis à l'utilisateur sous leurs formes oxydes (par exemple, les catalyseurs oxyde de cobalt-oxyde de molybdène sur alumine symbolisés par l'abréviation : Co-Mo/alumine). Cependant, ces catalyseurs ne sont actifs dans les opérations d'hydrotraitement que sous forme de sulfures métalliques. C'est pourquoi, avant d'être utilisés, ils doivent être sulfurés. Concernant l'activation des catalyseurs d'hydrotraitement, la sulfuration de ces catalyseurs est une étape importante pour obtenir le maximum de leurs performances en HDS et en HDN. Comme l'indiquent les auteurs de Hydrotreating Catalysis (Catalysis, vol. 11,1996, p. 25, édité par J. R. Anderson et M. Boudart), l'expérience pratique a montré que la procédure de sulfuration peut avoir une influence significative sur l'activité et la stabilité du catalyseur, et beaucoup d'efforts ont été consacrés à améliorer les procédures de sulfuration La méthode de sulfuration d'un catalyseur la plus directe consiste à traiter ce dernier par l'hydrogène sulfuré mélangé à de l'hydrogène. Cependant, cette méthode qui a fait l'objet de plusieurs brevets (US 3 016 347, US 3 140 994, GB 1 309 457, US 3 732 155, US 4 098 682, US 4 132 632, US 4 172 027, US 4 176 087, US 4 334 982, FR 2 476 118) présente des inconvénients majeurs (toxicité aiguë, disponibilité en H2S) ne permettant pas sa mise en oeuvre sur tous les sites industriels. Les procédures industrielles de sulfuration des catalyseurs sont généralement effectuées sous pression d'hydrogène avec des charges liquides contenant déjà des composés soufrés comme agents sulfurants. La méthode principalement utilisée dans le passé par les raffineurs consistait à sulfurer les catalyseurs avec les charges pétrolières soufrées, mais cette technique présentait des inconvénients importants à cause de la difficulté de transformer les composés soufrés en hydrogène sulfuré. Pour éviter la réduction des catalyseurs par l'hydrogène, les sulfurations, démarrées à basse température, devaient être menées lentement pour obtenir une sulfuration complète des catalyseurs à température élevée. Des additifs soufrés ont été proposés pour améliorer la sulfuration des catalyseurs. La méthode consiste à incorporer un composé sulfuré (spiking agent) à une charge telle qu'un naphta ou à une coupe particulière telle qu'un VGO (vacuum gas oil) ou un LGO (light gas oil). Le brevet US 3 140 994 a été le premier à revendiquer l'emploi de composés, liquides à température ambiante, de différentes natures : sulfure de carbone, thiophène, mercaptans, dialkyldisulfures, diaryldisulfures. Les sulfures organiques, en particulier le diméthylsulfure, ont aussi fait l'objet de revendications. Le diméthyldisulfure (DMDS) a été plus particulièrement préconisé pour la sulfuration des catalyseurs et une méthode performante de sulfuration avec le dimé- thyldisulfure est décrite dans le brevet EP 64429. H. Hallie (Oil and Gas Journal, Dec. 20,1982, pp 69-74) a fait le point sur ces procédures de sulfuration sous hydrogène qui sont effectuées directement dans les réacteurs d'hydrotraitement. Ces différentes techniques de sulfuration de catalyseurs, dites"in-situ", ont été comparées et les travaux ont montré que la sulfuration avec une charge liquide additionnée d'un agent sulfurant (spiked feedstock) ayant la propriété de se décomposer à basse température est la meilleure technique de sulfuration. La technique sans agent sulfurant additionnel (nonspiked feedstock) donne un catalyseur sulfuré moins actif. L'agent sulfurant qu'on préfère additionner à la charge est le diméthyldisulfure. Des polysulfures organiques ont aussi été revendiqués comme agents sulfurants pour la sulfuration des catalyseurs. Le brevet US 4 725 569 décrit une méthode d'utilisation des polysulfures organiques de type RSxR' (R et R'pouvant être identiques ou différents, avec x égal ou supérieur à 3) qui consiste à imprégner à température ambiante le catalyseur par une solution contenant le polysulfure, à éliminer ensuite le solvant inerte, et enfin à effectuer la sulfuration sous hydrogène du catalyseur chargé dans le réacteur d'hydrotraitement. Dans le brevet EP 298 111, le polysulfure de type RSxR', dilué dans une charge liquide, est injecté pendant la sulfuration du catalyseur en présence d'hydrogène. Des mercaptans fonctionnalisés, tels que acides ou esters mercaptocarboxyliques, dithiols, aminomercaptans, hydroxymercaptans, de même que des acides ou esters thiocarboxyliques, sont revendiqués dans le brevet EP 289211 pour la sulfuration des catalyseurs. Plus récemment, on a développé de nouvelles techniques de sulfuration des catalyseurs comprenant deux étapes. Dans une première étape, dite"ex-situ", le catalyseur est préactivé en l'absence d'hydrogène à l'extérieur de la raffinerie après avoir été imprégné d'un agent sulfurant. La sulfuration complète du catalyseur est effectuée dans le réacteur d'hydrotraitement en présence d'hydrogène. La présulfu- ration"ex-situ"dispense le raffineur d'injecter un agent sulfurant au cours de la sulfuration du catalyseur sous hydrogène. Les techniques"ex-situ"actuellement dévelop- pées utilisent comme produits soufrés des polysulfures organiques ou du soufre. Une technique industrielle de présulfuration de catalyseurs en"ex-situ", basée sur l'utilisation de polysulfures organiques du type RSxR' (R et R'pouvant être identiques ou différents et x 3), a fait l'objet du brevet EP 130 850. Ce procédé consiste à imprégner le catalyseur sous forme oxyde par une solution de polysulfures organiques, tels que les tertiononylpolysulfures (TPS 37 ou TNPS commercialisés par ATOFINA), dans un hydrocarbure du type white-spirit. Cette étape préliminaire d'incorporation au catalyseur d'un composé soufré de nature particulière est complétée par un traitement thermique du catalyseur en l'absence d'hydrogène à des températures ne dépassant pas 150 C. Cette opération a pour effet d'éliminer le solvant organique et d'assurer la fixation du soufre au catalyseur par l'intermédiaire des polysulfures organiques. A ce stade de présulfuration, le catalyseur est stable à l'air et peut être manipulé sans précaution particulière. Il est fourni dans cet état à l'utilisateur qui, après chargement dans le réacteur d'hydrotraitement, peut achever la sulfuration du catalyseur sous hydrogène pour la transformation totale des métaux en sulfures métalliques. D'autres composés organiques polysulfures, de différentes structures, ont été aussi revendiqués pour la présulfuration des catalyseurs en"ex-situ". Les produits préconisés dans les brevets FR 2 627 104 et EP 329 499 ont pour formule générale : R'- (Sy-R-Sx-R-Sy)-R' et sont obtenus à partir d'oléfines et de chlorure de soufre par une série d'étapes successives qui font intervenir une réaction avec un monohalogénure organique suivie d'une réaction avec un polysulfure alcalin. Dans le brevet EP 338 897, les produits revendiqués sont synthétisés à partir d'oléfines et de chlorure de soufre avec une réaction complémentaire avec un mercaptide alcalin ou un mercaptate polysulfure alcalin. Le développement d'une technique de présulfuration"ex-situ"des catalyseurs utilisant du soufre en suspension dans une huile (US 4 943 547) a posé de tels problèmes d'application industrielle qu'il a fallu mettre au point un nouveau procédé de sulfuration au soufre qui consiste à mettre le catalyseur en contact avec du soufre et une oléfine de point d'ébullition élevé. Le catalyseur ainsi imprégné est ensuite traité thermiquement à une température supérieure à 150'C, puis la sulfuration du catalyseur est achevée sous hydrogène à des températures supérieures à 200oC. Très récemment, dans le brevet FR 2 758 478, il a été indiqué que l'utilisation conjointe d'un mercaptan tertiaire et d'un autre agent de sulfuration, tel que le diméthyldisulfure par exemple, permet d'obtenir des catalyseurs d'hydrotraitement plus actifs en hydrodésulfuration de charges hydrocarbonées que des catalyseurs sulfurés en l'absence de mercaptan tertiaire. Selon ce brevet, le mercaptan tertiaire peut être incorporé lors d'une sutfuration"in situ"sous courant d'hydrogène, avant ou pendant l'introduction des agents de sulfuration habituellement utilisés. Pour l'homme de l'art, une sulfuration"in situ"du catalyseur s'effectue toujours sous courant d'hydrogène. Dans ce type d'opération, le catalyseur est introduit dans le réacteur d'hydrotraitement sous forme oxyde et est sulfuré en présence de l'agent de sulfuration sous courant d'hydrogène par opposition aux présulfurations"ex situ"où le catalyseur est présulfuré en dehors du réacteur d'hydrotraitement. La présente invention concerne maintenant un mode particulier de mise en oeuvre"in situ"de ce mercaptan tertiaire. Il a en effet été trouvé, de manière surprenante, que l'introduction préalable"in situ"du mercaptan tertiaire en l'absence d'hydrogène, suivie de l'introduction consécutive et dans le même réacteur de l'autre agent de sulfuration (par exemple, le diméthyldisulfure) en présence d'hydrogène cette fois, permettait également d'obtenir des catalyseurs significativement plus actifs que ceux sulfurés au diméthyidisuifure seul. L'invention a donc pour objet un procédé de sulfuration in situ d'un catalyseur métallique d'hydrotraitement comprenant une étape de traitement du catalyseur avec un mercaptan tertiaire en l'absence d'hydrogène, suivie dans le même réacteur d'une étape de traitement avec un autre agent de sulfuration en présence d'hydrogène. Les mercaptans tertiaires relatifs à la présente invention sont les mêmes que ceux mentionnés dans le brevet FR 2 758 478 et répondent à la formule générale : dans laquelle les symboles R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 et R8, identiques ou différents, représentent chacun un atome d'hydrogène ou un radical alkyle, linéaire ou ramifié, aryle, alkylaryl ou aralkyl, ces radicaux pouvant contenir un ou plusieurs hétéroatomes tels que l'oxygène et/ou le soufre. Les mercaptans tertiaires préférés de l'invention sont ceux qui contiennent de 4 à 16 atomes de carbone. De tels mercaptans sont fabriqués industriellement à partir d'hydrogène sulfuré et d'oléfines par des procédés catalytiques tels que ceux décrits notamment dans les brevets US 4 102 931, EP 101 356 et EP 329 521. On fabrique ainsi le tertiobutylmercaptan (TBM) à partir de l'isobutène, le tertiononylmercaptan (TNM) à partir du tripropylène et le tertiododécylmercaptan (TDM) à partir du tétrapropylène ou du triisobutylène. Le TDM est le mercaptan tertiaire le plus particulièrement préféré. La première étape du procédé selon l'invention (traitement in situ du catalyseur avec un mercaptan tertiaire en l'absence d'hydrogène) consiste essentiellement à incorporer le mercaptan tertiaire dans les pores du catalyseur et à soumettre le catalyseur ainsi imprégné à une activation thermique sous atmosphère d'un gaz inerte (par exemple, azote ou méthane). Pour l'imprégnation du catalyseur, on peut utiliser le mercaptan tertiaire pur, mais il est avantageux de l'employer sous forme d'une solution dans un solvant organique (de préférence un alcane ou un gazole désulfuré) la concentration en mercaptan tertiaire de cette solution pouvant varier dans de larges limites selon la nature du mercaptan tertiaire, sa teneur en soufre et le volume poreux du catalyseur à sulfurer. L'activation thermique est effectuée à une température qui peut aller de 50 à 250OC, mais est de préférence comprise entre 100 et 175OC. Pour cette opération, la pression n'est pas un paramètre critique et peut aller de la pression atmosphérique jusqu'à 35 bars. Les composés soufrés à utiliser comme agents de sulfuration dans la deuxième étape du procédé selon l'invention peuvent être de différentes natures : charge à désulfurer, sulfure de carbone, mercaptans légers (par exemple, éthylmercaptan et n-butylmercaptan), diméthylsulfure, diméthyidisulfure (DMDS), et éventuellement des polysulfures comme le ditertiononylpolysulfure ou encore le ditertiobutylpolysulfure ; peuvent aussi être utilisés des polysulfures obtenus à partir de soufre et d'oléfines. Le DMDS est l'agent de sulfuration le plus particulièrement préféré. Cet agent de sulfuration est généralement introduit en mélange avec un gazole, sous une pression d'hydrogène qui peut aller de la pression atmosphérique jusqu'à 200 bars, mais est de préférence comprise entre 10 et 50 bars, domaine de pression couramment utilisé industriellement. Cette seconde étape du procédé selon l'invention (traitement in situ du catalyseur avec l'autre agent de sulfuration en présence d'hydrogène) s'effectue à une température qui peut aller jusqu'à 350OC ; une température plus élévée réduirait la durée de sulfuration, mais augmenterait les risques de cokage. Il est avantageux de mener cette seconde étape en deux stades : - une sulfuration primaire effectuée à une température comprise entre 150 et 250OC, de préférence entre 210 et 230oC de façon à minimiser le temps nécessaire à l'obtention de la percée d'H2S dans les gaz de sortie sans risquer une réduction prématurée, puis - une sulfuration secondaire effectuée à une température comprise entre 250 et 350oC, de préférence entre 290 et 330OC, et d'une durée suffisante pour avoir une concentration constante en H2S dans les gaz de sortie. La couverture d'hydrogène exprimée par le rapport du débit volumique d'hydrogène en litres normaux sur le débit volumique du gazole en litres peut être comprise entre 50 et 500 NI/1, de préférence entre 100 et 300 NI/1. La vitesse volumique horaire (WH), définie comme le rapport entre le débit volumique horaire de gazole et le volume de catalyseur, peut aller de 0,1 à 5 h-1 et est de préférence comprise entre 1 et 3 h-1, intervalle couramment utilisé industriellement. La quantité totale de soufre apportée par le mercaptan tertiaire et l'autre agent de sulfuration peut aller de 100 à 250 % du poids de soufre stoechiométriquement requis pour la transformation totale en sulfures des oxydes du catalyseur. La proportion de mercaptan tertiaire, utilisée dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, peut représenter de 1 à 100 % du poids de soufre total nécessaire à la sulfuration du catalyseur. Le soufre apporté par le mercaptan tertiaire a un effet particulièrement sensible à partir de 10% en poids du soufre total nécessaire à la sulfuration du catalyseur. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la partie expérimentale qui suit à titre illustratif. Les exemples présentés ont pour but de montrer les gains d'activité catalytique qui peuvent être obtenus dans une réaction test d'hydrotraitement, l'hydrodésulfuration (HDS) du thiophène, avec un catalyseur industriel Co-Mo/alumine qui a été soumis à une sulfuration"in-situ"dans des conditions classiques de sulfuration (exemple 1) et à une sulfuration"in-situ"dans des conditions propres à la présente invention (exemple 2). EXEMPLE 1 de référence (Sulfuration au diméthyidisulfure) Le catalyseur utilisé est un catalyseur commercial d'hydrodésulfuration (KF756 de la société AKZO), constitué d'oxydes de cobalt et de molybdène supportés sur alumine et présentant les caractéristiques suivantes : - forme : quadrilobe - diamètre : 1, 3 mm - densité : 760 g/i - volume poreux : 0,6 ml/g - soufre stoechiométrique pour sulfurer 100 g de catalyseur : 11 g Procédure de sulfuration au DMDS : On a opéré dans un réacteur (volume interne : 120 ml) placé dans un four à trois zones de chauffe et muni à sa sortie d'un dispositif permettant de séparer la phase liquide et la phase gaz et de les recycler. Un échantillonneur permet de collecter des liquides afin d'en déterminer le taux de soufre total présent dans le gazole et d'effectuer ensuite des analyses par chromatographie en phase gazeuse. Dans le réacteur, on a introduit 30 g de catalyseur (soit environ 40 ml) entre deux couches de carborundum (SiC), agent inerte favorisant le mouillage du catalyseur et servant également de tampon thermique. Après séchage sous azote à 150 C, le catalyseur a été mouillé avec un gazole issu de la distillation atmosphérique d'un pétrole brut (Straight Run GasOil ; ci-après SRGO) et présentant les caractéristiques rassemblées dans le tableau suivant : Tableau 1 Type de charge SRGO Densité 15 C g/cm3 0,8741 Azote ppm 239 Soufre % pds 1,1 ASTM D86 P. I. oc 227,3 5 % vol. oc 274,5 10 % vol. oC 292,0 30 % vol. oC 315,5 50 % vol. C 332,0 70 % vol. C 348,0 90 % vol. C 367,0 9 % vol. oc 373,0 P. F. oc 373,7 Après avoir mis le réacteur sous pression d'hydrogène, on a injecté le DMDS de manière à rajouter 1, 5% de soufre dans le SRGO. La sulfuration au DMDS a été réalisée dans les conditions suivantes : - Pression H2= 35 bars - H2/SRGO = 250 Nl/l - Vitesse volumique horaire VVH = 2 h-1 Après une sulfuration primaire avec un palier à 220OC maintenu jusqu'à l'obtention d'une percée d'H2S d'au moins 3000 ppmV, on a procédé à une sulfuration à haute température (320OC), température maintenue tant qu'il y a fixation de soufre. Le catalyseur a ensuite été récupéré, lavé et séché, puis une partie du catalyseur a été broyée sous argon pour obtenir des particules de 0,2 à 0,5 mm que l'on a mélangé avec du SiC en vue du test d'activité. Test d'activité (HDS du thiophène) : La réaction d'hydrodésulfuration du thiophène a été effectuée à pression atmosphérique selon le protocole opératoire suivant : La température du réacteur est maintenue à 400OC, tandis qu'un mélange H2S-H2 avec une teneur en H2S de 2 % en volume et un débit gazeux réglé à 5,4 I/h est introduit dans le réacteur. Avant le mélange avec l'H2S, l'hydrogène est envoyé à un saturateur contenant le thiophène liquide thermostaté à une température telle que la pression partielle du thiophène dans le gaz entrant dans le réacteur soit de 60 torr (8 kPa). Ces conditions de réaction permettent de mesurer la conversion du thiophène en régime dynamique dans des conditions différentielles pour obtenir de faibles taux de transformation du thiophène. Les effluents gazeux sortant du réacteur sont analysés par chromatographie pour déterminer le thiophène non converti et les hydrocarbures en C4 formés. La réaction est suivie pendant 3 heures avec des analyses périodiques des effluents gazeux. Evaluation de l'activité du catalyseur en HDS du thiophène Le taux de conversion du thiophène est calculé à partir des analyses chromatographiques des effluents de réaction. L'évaluation de l'activité du catalyseur pour la réaction-test d'hydrodésuifu- ration est déterminée par la vitesse de disparition du thiophène dans ces conditions. Pour le catalyseur Co-Mo/alumine KF 756, présulfuré selon les conditions décrites dans cet exemple 1 avec du diméthyldisulfure, on obtient dans ce test de référence une vitesse de transformation du thiophène (kref) de 5, 39 kg par heure et par litre de catalyseur. Pour faciliter la comparaison des résultats d'activité catalytique des différents tests qui ont été effectués pour mettre en évidence les gains de vitesse de conversion du thiophène obtenus dans le cadre de la présente invention, on a affecté à ce test de référence une activité relative exprimée en RVA (Relative Volumic Activity) de valeur égale à 100. EXEMPLE 2 selon l'invention 40 ml (30g) de catalyseur KF756 ont été introduits dans le réacteur, puis imprégnés par 21,7 g d'une solution à 15% en masse de tertiododécylmercaptan (TDM) dans l'hexane à température ambiante. Le catalyseur imprégné a ensuite été séché sous azote à une pression de 7 bars et une température de 150oC. Le catalyseur sec a ensuite été soumis à une sulfuration au DMDS identique à celle décrite dans l'exemple 1, puis l'activité du catalyseur ainsi sulfuré en HDS du thiophène a été testée comme à l'exemple 1. Dans ce test, on a obtenu avec le catalyseur sulfuré selon l'invention une vitesse de transformation du thiophène (k) de 6,77 kg par heure et par litre de catalyseur, soit une RVA, exprimée par la relation : RVA = 100 xk/kref de 126. Tableau 2 : Résultats EXEMPLE 1 2 Procédure de sulfuration DMDS/H2 1 : TDM/N2 2 : DMDS/H2 RVA à 4000C 100 126 Un gain très significatif d'activité hydrodésulfurante est donc obtenu lorsque l'on utilise la procédure de sulfuration relative à l'invention (exemple 2) par rapport à une méthode classique de sulfuration (exemple 1). REVENDICATIONS 1. Procédé de sulfuration in situ d'un catalyseur métallique d'hydrotraitement comprenant une étape de traitement du catalyseur avec un mercaptan tertiaire en l'absence d'hydrogène, suivie dans le même réacteur d'une étape de traitement avec un autre agent de sulfuration en présence d'hydrogène. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le catalyseur métallique à sulfurer est un mélange d'oxydes de cobalt et de molybdène, un mélange d'oxydes de nickel et de molybdène ou un mélange d'oxydes de nickel et de tungstène ou toute autre combinaison de ces oxydes, ce mélange d'oxydes étant supporté par une alumine, une silice ou une silice-alumine. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le mercaptan tertiaire est le tertiododécylmercaptan. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel l'autre agent de sulfuration est le diméthyidisulfure. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la première étape comprend une imprégnation du catalyseur par le mercaptan tertiaire, puis une activation thermique sous atmosphère inerte. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel l'activation thermique est effectuée à une température comprise entre 100 et 175OC. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la seconde étape est effectuée en deux stades, d'abord à une température comprise entre 150 et 250oC jusqu'à l'obtention d'une percée d'H2S dans les gaz de sortie, puis à une température comprise entre 250 et 350OC jusqu'à l'obtention d'une concentration constante d'H2S dans les gaz de sortie. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel la quantité totale de soufre apportée par le mercaptan tertiaire et l'autre agent de sulfuration va de 100 à 250 % du poids de soufre stoechiométriquement requis pour la transformation totale en sulfures des oxydes du catalyseur. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel la proportion de mercaptan tertiaire correspond à plus de 10 % en poids du soufre total nécessaire à la sulfuration du catalyseur. 10. Utilisation d'un catalyseur métallique, sulfuré par un procédé selon l'une des revendications 1 à 9, pour l'hydrotraitement de charges hydrocarbonées.