Brevet FR3059325A1 — publié le 20180601

La présente invention se rapporte à un procédé d'isomérisation d'une coupe aromatique comprenant au moins un composé aromatique à huit atomes de carbone par molécule ledit procédé mettant en oeuvre l'utilisation de deux catalyseurs d'isomérisation : un à base de zéolithe IZM-2 (A) et un autre à base de zéolithe EUO (B). Etat de la technique antérieure Les sources d'aromatiques à huit atomes de carbone sont principalement issues du procédé de reforming (reformat) et de vapocraquage (essences de pyrolyse). La distribution des aromatiques à huit atomes de carbone au sein de ces coupes est variable : généralement de 10 à 30% d'éthylbenzène avec pour complément les trois isomères des xylènes : le para-xylène, le méta-xylène et l'ortho-xylène. Typiquement la distribution au sein de ce complément de xylènes est de 50% en méta-xylène, 25% en ortho-xylène et 25% en para-xylène. Au sein de ce complément de xylènes, le para-xylène est un isomère particulièrement recherché. En effet ce dernier, par l'intermédiaire du diméthyltéréphtalate et de l'acide téréphtalique, permet la production de fibres polyesters utilisées pour les vêtements et résines et films de polyéthylène téréphtalate (PET). Il est ainsi souhaitable de maximiser la production de para-xylène au détriment des autres aromatiques à huit atomes de carbone. Ceci est réalisé par la mise en oeuvre de procédés catalytiques d'isomérisation. Après extraction du para- xylène, la coupe résiduelle, riche en méta-xylène, ortho-xylène et éthylbenzène est envoyée vers une unité catalytique d'isomérisation qui redonne un mélange d'aromatiques à huit atomes de carbone dans lequel la proportion des xylènes est proche de l'équilibre thermodynamique et la quantité d'éthylbenzène amoindrie grâce à la conversion de l'éthylbenzène. Ce mélange est à nouveau envoyé dans une unité d'extraction du para-xylène et la coupe résiduelle envoyée à l'unité d'isomérisation. On crée ainsi une « boucle Cg aromatiques » qui permet de maximiser la production de para-xylène (E. Guillon, P. Leflaive, Techniques de l'Ingénieur, J5920, V3). On peut mettre en oeuvre une unité d'isomérisation pour isomériser les xylènes en para-xylène et convertir l'éthylbenzène en benzène par la réaction de désalkylation de l'éthylbenzène. Dans ce cas on parle d'isomérisation « désalkylante » de la coupe. La coupe résiduelle peut aussi être envoyée vers une unité catalytique d'isomérisation, pour isomériser les xylènes en para-xylène et convertir l'éthylbenzène en xylènes par 3059325 2 la réaction d'isomérisation de l'éthylbenzène. On parle alors d'isomérisation « isomérisante » de la coupe. Ces procédés industriels utilisent généralement des catalyseurs hétérogènes mis en oeuvre en lit fixe et opérant en phase vapeur sous pression d'hydrogène. Ces deux types de procédés se distinguent par les conditions 5 opératoires et par la formulation des catalyseurs mis en oeuvre (par leur nature et/ou leur teneur en fonction hydro-déshydrogénante et/ou en acide). La présente invention s'inscrit dans le domaine de l'isomérisation « isomérisante ». Dans le cas de l'isomérisation « isomérisante », le catalyseur est de type bifonctionnel et présente à la fois une fonction acide (généralement apportée par au moins une 10 zéolithe) et une fonction hydro-déshydrogénante apportée par un métal noble (généralement le platine). Il a en effet été démontré que l'isomérisation de l'éthylbenzène en xylènes implique un mécanisme de type bifonctionnel. L'éthylbenzène est tout d'abord hydrogéné en éthylcyclohéxènes sur les sites métalliques, ces intermédiaires cyclo-oléfiniques sont ensuite isomérisés en 15 diméthylcyclohéxènes sur les sites acides de Bronsted. Enfin les diméthylcyclohéxènes sont déshydrogénés en xylènes sur les sites métalliques. L'utilisation d'une fonction hydro-déshydrogénante forte telle que le platine induit également la production de cycles naphténiques par hydrogénation des cycles aromatiques correspondant. 20 En plus des réactions d'isomérisation désirées, il est souhaitable de limiter les réactions parasites de type : désalkylation de l'éthylbenzène en benzène et éthylène; dismutation de l'éthylbenzène en diéthylbenzène et benzène, ou des xylènes en toluène et aromatiques à 9 atomes de carbone; 25 transfert d'alkyles entre l'éthylbenzène et les xylènes; ouverture de cycles naphténiques et craquage. L'ensemble de ces réactions engendre la production de molécules moins valorisables, qui ne sont pas recyclées dans la « boucle Cg aromatiques » et sont considérées comme des pertes nettes pour le procédé. Sont ainsi considérées comme pertes 30 nettes toutes les molécules autres que les molécules cycliques à huit atomes de carbone. 3059325 3 Les réactions d'isomérisation ainsi que les réactions parasites sont principalement catalysées par la fonction acide. Les propriétés de la zéolithe (nombre et force des sites acides de Bronsted, topologie du réseau microporeux, etc...), faisant office de fonction acide, ont ainsi un impact direct sur les propriétés du catalyseur bifonctionnel, 5 et notamment sa sélectivité. La catalyse de l'isomérisation d'une coupe Cg aromatiques en xylènes a ainsi fait l'objet de nombreux brevets portant sur différentes zéolithes. Parmi les zéolithes utilisées en isomérisation d'une coupe Cg aromatiques, on trouve la ZSM-5, utilisée seule ou en mélange avec d'autres zéolithes, comme par exemple la mordénite. Ces 10 catalyseurs sont notamment décrits dans les brevets US 4 467 129 B et US 4 482 773 B. D'autres catalyseurs principalement à base de mordénite ont été décrits par exemple dans le brevet FR 2 477 903 B. Il a également été proposé un catalyseur à base d'une zéolithe de type structural EUO (EP 923 987) ou à base d'une zéolithe de type structural MTW (WO 2005 065380 A, WO 2010 000652 A, US 2014 0296601 A) 15 ou encore à base d'une zéolithe UZM-8 dans le brevet US 7 091 390 B. Plus récemment des brevets revendiquent l'utilisation de catalyseurs à base de zéolithe IZM-2 (brevet FR 2 934 793 B). D'autres brevets revendiquent des procédés d'isomérisation de coupes Cg aromatiques mettant en oeuvre des étapes séquencées d'isomérisation. Le brevet EP 1 620 374 B1 décrit ainsi une première étape 20 d'isomérisation de la coupe sur un premier catalyseur d'isomérisation comprenant une zéolithe choisie parmi les zéolithes ZSM, MCM, PSH-3 et SSZ-25, dans des conditions opératoires d'isomérisation des xylènes pour produire un effluent avec une concentration en para-xylène accrue ; au moins une partie dudit effluent subit une seconde étape d'isomérisation sur un second catalyseur d'isomérisation comprenant 25 une zéolithe choisie parmi les zéolithes ZSM, SAPO-11 et NU-87, dans des conditions opératoires d'isomérisation de l'éthylbenzène afin d'isomériser au moins partiellement l'éthylbenzène en para-xylène et ainsi obtenir un effluent présentant une concentration en para-xylène au sein des xylènes supérieure à sa concentration à l'équilibre thermodynamique dans les conditions opératoires d'isomérisation de l'éthylbenzène. 30 Le brevet US 2007 0004947 Al décrit une isomérisation séquentielle en deux étapes pouvant se distinguer par les conditions opératoires mises en oeuvre, le catalyseur d'isomérisation de la première étape ne contenant substantiellement pas métal du groupe du platine, au contraire du second catalyseur. La concentration en para-xylène au sein des xylènes dans l'effluent final est supérieure à sa concentration à l'équilibre 3059325 4 thermodynamique dans les conditions opératoires de la seconde étape d'isomérisation. Ces exemples illustrent la recherche continue effectuée pour développer des procédés toujours plus performants pour l'isomérisation de coupes Cg aromatiques pour 5 maximiser la production de para-xylène et limiter la production de pertes. Ces procédés peuvent mettre en oeuvre un catalyseur d'isomérisation ou alors des combinaisons de catalyseurs d'isomérisation. Au cours de ses travaux, la demanderesse a ainsi découvert que de façon surprenante l'utilisation successive d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre 10 une zéolithe IZM-2 (A) puis d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe de type structural EUO (B), permet d'obtenir des performances en termes de couple activité/pertes nettes supérieures à celles obtenues lorsque lesdits catalyseurs à base de IZM-2 (A) et à base de zéolithe de type structural EUO (B) sont utilisés individuellement et séparément ou en mélange ou dans un ordre différent du procédé 15 selon l'invention. Résumé de l'invention La présente invention concerne un procédé d'isomérisation d'une coupe aromatique comprenant au moins un composé aromatique à huit atomes de carbone par molécule, ledit procédé mettant en oeuvre deux catalyseurs d'isomérisation et 20 comprenant les étapes suivantes : (a)mise en contact de ladite coupe aromatique avec un catalyseur d'isomérisation comprenant au moins une zéolithe IZM-2 à une température comprise entre 300°C et 500°C, une pression partielle d'hydogène comprise entre 0,3 et 1,5 MPa, une pression totale comprise entre 0,45 et 1,9 MPa et une vitesse 25 spatiale d'alimentation, exprimée en kilogramme de coupe aromatique introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, de 0,25 à 6011-1 pour produire un effluent hydrocarboné isomérisé, (b)mise au contact d'au moins une partie de l'effluent hydrocarboné isomérisé issu de l'étape (a) avec un second catalyseur d'isomérisation comprenant au 30 moins une zéolithe de type structural EUO à une température comprise entre 300°C et 500°C, une pression partielle d'hydogène comprise entre 0,3 3059325 5 et 1,5 MPa, une pression totale comprise entre 0,45 et 1,9 MPa et une vitesse spatiale d'alimentation, exprimée en kilogramme de coupe aromatique introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, de 0,25 à 60 h-1 pour produire un effluent isomérisé. 5 L'enchaînement d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe IZM-2 (A) puis d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe de type structural EUO (B) selon l'invention permet d'obtenir une activité envers la production du para-xylène plus importante que celle obtenue avec le catalyseur à base d'IZM-2 (A) utilisé seul, sans augmenter la production de pertes nettes pour un même 10 rendement en para-xylène. L'enchaînement d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe IZM-2 (A) puis d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe de type structural EUO (B) selon l'invention permet de diminuer la production de pertes nettes pour un même rendement en para-xylène comparativement au catalyseur à base de zéolithe de type structural EUO (B) utilisé 15 seul. Enfin, l'enchainement d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe IZM-2 (A) puis d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe de type structural EUO (B) selon l'invention présente de manière surprenante une diminution de la production de pertes nettes à iso-rendement en para-xylène comparativement à un mélange de catalyseur A et de catalyseur B, ou à une 20 enchainement d'ordre différent, à savoir l'enchainement d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe de type structural EUO (B) puis d'un catalyseur d'isomérisation mettant en oeuvre une zéolithe IZM-2 (A). Description détaillée de l'invention Charge traitée 25 Conformément à l'invention, la charge traitée dans le procédé selon la présente invention est une coupe hydrocarbonée comprenant un composé aromatique à huit atomes de carbone par molécule. De préférence, ladite charge est choisie parmi les coupes issues du reformage catalytique et/ou du vapocraquage. De préférence, la charge traitée dans la présente 30 invention peut contenir de l'éthylbenzène et/ou un mélange de xylènes pauvre en para-xylène ou exempt de para-xylène par exemple après extraction sélective du para- 3059325 6 xylène ou par adsorption sélective sur tamis moléculaire. Ladite charge peut également contenir des hydrocarbures non aromatiques tels que des napthènes ou des paraffines. Etape a) 5 Conformément à l'invention, ledit procédé comprend une étape a) de mise en contact de ladite coupe aromatique avec un catalyseur d'isomérisation comprenant au moins une zéolithe IZM-2 (A) à une température comprise entre 300°C et 500°C, une pression partielle d'hydrogène comprise entre 0,3 et 1,5 MPa, une pression totale comprise entre 0,45 et 1,9 MPa et une vitesse spatiale d'alimentation, exprimée en 10 kilogramme de coupe aromatique introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, de 0,25 à 60 h-1 pour produire un effluent hydrocarboné isomérisé. De préférence, ladite étape a) est mise en oeuvre à une température comprise entre 350°C et 450°C, une pression partielle d'hydrogène comprise entre 0,4 et 1 MPa, une pression totale comprise entre 0,6 et 1,2 MPa et une vitesse spatiale 15 d'alimentation, exprimée en kilogramme de coupe aromatique introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, de 1 à 30 h-1. Description du catalyseur d'isomérisation A à base de zéolithe IZM-2 Conformément à l'invention, le catalyseur d'isomérisation A mis en oeuvre dans l'étape a) du procédé selon l'invention comprend au moins une zéolithe IZM-2. De 20 préférence, ledit catalyseur A comprend également au moins une matrice et au moins un métal du groupe VIII de la classification périodique des éléments. Zéolithe IZM-2 La zéolithe IZM-2 présente un diagramme de diffraction de rayons X incluant au moins les raies inscrites dans le tableau 1. IZM-2 présente une structure cristalline. 25 Avantageusement, le diagramme de diffraction est obtenu par analyse radiocristallographique au moyen d'un diffractomètre en utilisant la méthode classique des poudres avec le rayonnement KOE, du cuivre (X = 1,5406 Â). A partir de la position des pics de diffraction représentée par l'angle 20, on calcule, par la relation de Bragg, les équidistances réticulaires dhk, caractéristiques de l'échantillon. L'erreur de 30 mesure A.(cInki) sur clnk, est calculée grâce à la relation de Bragg en fonction de l'erreur 3059325 7 absolue 4(20) affectée à la mesure de 20. Une erreur absolue 4(20) égale à ± 0,02° est communément admise. L'intensité relative Ire, affectée à chaque valeur de dhk, est mesurée d'après la hauteur du pic de diffraction correspondant. Le diagramme de diffraction des rayons X de IZM-2 selon l'invention comporte au moins les raies aux 5 valeurs de dhk, données dans le tableau 1. Dans la colonne des dhki, on indique les valeurs moyennes des distances inter-réticulaires en Angstrôms (Â). Chacune de ces valeurs doit être affectée de l'erreur de mesure A(dhkI) comprise entre ± 0,6Â et ± 0,01 À. Tableau 1: valeurs moyennes des dhk, et intensités relatives mesurées sur un 10 diagramme de diffraction de rayons X du solide cristallisé IZM-2 calciné. 2 thêta ( °) cliki (À) Ire' 2 thêta ( °) ci-iki (À) 1 rel 5,07 17,43 ff 19,01 4,66 ff 7,36 12,01 FF 19,52 4,54 ff 7,67 11,52 FF 21,29 4,17 m 8,78 10,07 F 22,44 3,96 f 10,02 8,82 ff 23,10 3,85 mf 12,13 7,29 ff 23,57 3,77 f 14,76 6,00 ff 24,65 3,61 ff 15,31 5,78 ff 26,78 3,33 f 15,62 5,67 ff 29,33 3,04 ff 16,03 5,52 ff 33,06 2,71 ff 17,60 5,03 ff 36,82 2,44 ff 18,22 4,87 ff 44,54 2,03 ff où FF = très fort ; F = fort ; m = moyen ; mf = moyen faible ; f = faible ; ff = très faible. L'intensité relative Ire, est donnée en rapport à une échelle d'intensité relative où il est attribué une valeur de 100 à la raie la plus intense du diagramme de diffraction des rayons X : ff REVENDICATIONS1. Procédé d'isomérisation d'une coupe aromatique comprenant au moins un composé aromatique à huit atomes de carbone par molécule, ledit procédé mettant en oeuvre deux catalyseurs d'isomérisation et comprenant les étapes suivantes : (a)mise en contact de ladite coupe aromatique avec un catalyseur d'isomérisation comprenant au moins une zéolithe IZM-2 à une température comprise entre 300°C et 500°C, une pression partielle d'hydogène comprise entre 0,3 et 1,5 MPa, une pression totale comprise entre 0,45 et 1,9 MPa et une vitesse spatiale d'alimentation, exprimée en kilogramme de coupe aromatique introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, de 0,25 à 6011-1 pour produire un effluent hydrocarboné isomérisé, (b)mise au contact d'au moins une partie de l'effluent hydrocarboné isomérisé issu de l'étape (a) avec un second catalyseur d'isomérisation comprenant au moins une zéolithe de type structural EUO à une température comprise entre 300°C et 500°C, une pression partielle d'hydogène comprise entre 0,3 et 1,5 MPa, une pression totale comprise entre 0,45 et 1,9 MPa et une vitesse spatiale d'alimentation, exprimée en kilogramme de coupe aromatique introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, de 0,25 à 6011-1 pour produire un effluent isomérisé. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la charge traitée est une coupe hydrocarbonée comprenant des molécules aromatiques à 8 atomes de carbone issues du reformage catalytique et/ou du vapocraquage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la charge traitée contient de l'éthylbenzène et/ou un mélange de xylènes pauvre en para-xylène ou exempt de para-xylène. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étape (a) est mise en oeuvre à une température comprise entre 350°C et 450°C, une pression partielle d'hydrogène comprise entre 0,4 et 1 MPa, une pression totale comprise entre 0,6 et 1,2 MPa et une vitesse spatiale d'alimentation, exprimée en kilogramme de coupe aromatique introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, de 1 à 30 h-1. 3059325 33 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étape (b) est mise en oeuvre à une température comprise entre 350°C et 450°C, une pression partielle d'hydrogène comprise entre 0,4 et 1 MPa, une pression totale comprise entre 0,6 et 1,2 MPa et une vitesse spatiale d'alimentation, exprimée en 5 kilogramme de coupe aromatique introduite par kilogramme de catalyseur et par heure, de 1 à 30 h-1. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la quantité de catalyseur A mise en oeuvre dans l'étape (a) est supérieure ou égale à la quantité de catalyseur B mise en oeuvre dans l'étape (a). 10 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'effluent isomérisé issu de l'étape (a) est intégralement envoyé dans l'étape (b). 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les étapes (a) et (b) sont effectuées dans un réacteur en lit fixe. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le catalyseur 15 d'isomérisation A utilisé dans l'étape (a) comprend: - de 1 à 90%, de préférence de 3 à 80% poids de zéolithe IZM-2, - de 0,01 à 4% poids d'au moins un métal du groupe VIII de la classification périodique des éléments, - éventuellement de 0,01 à 2% poids d'au moins un métal additionnel choisi 20 dans le groupe formé par les métaux des groupes IIIA, IVA et VI IB, - éventuellement une teneur en soufre, - au moins une matrice assurant le complément à 100% dans le catalyseur. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel le rapport entre le nombre de moles de silicium et le nombre de moles d'aluminium de la zéolithe IZM-2 utilisée dans 25 l'étape (a) est compris entre 60 et 150. 3059325 34 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le catalyseur d'isomérisation B mis en oeuvre dans l'étape (b) comprend: - de 1 à 90% poids de zéolithe de type structural EUO, de préférence de zéolithe EU-1, 5 - de 0,01 à 4% poids d'au moins un métal du groupe VIII de la classification périodique des éléments, - éventuellement de 0,01 à 2% poids d'au moins un métal additionnel choisi dans le groupe formé par les métaux des groupes IIIA, IVA et VIIB, - éventuellement une teneur en soufre, 10 - au moins une matrice. 12. Procédé selon la revendication 9 ou 11 dans lequel la matrice est l'alumine.