FR3109898A1 - Catalyseur d’hydrogénation sélective comprenant une répartition particulière du nickel et du molybdène - Google Patents

Catalyseur d’hydrogénation sélective comprenant une répartition particulière du nickel et du molybdène Download PDF

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Abstract

Catalyseur d’hydrogénation sélective comprenant une phase active contenant un métal du groupe VIB et un métal du groupe VIII, et un support poreux contenant de l’alumine, la teneur en métal du groupe VIB étant comprise entre 1 et 18% en poids par rapport au poids total du catalyseur, la teneur en métal du groupe VIII de la phase active étant comprise entre 1 et 20% poids par rapport au poids total du catalyseur, caractérisé en ce que le ratio molaire entre ledit métal du groupe VIII de la phase active et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 1,0 et 3,0 mol/mol, en ce que ledit métal du groupe VIII est réparti de manière homogène dans le support poreux avec un coefficient de répartition R compris entre 0,8 et 1,2, mesuré par microsonde de Castaing, et en ce que ledit métal du groupe VIB est réparti en périphérie du support poreux avec un coefficient de répartition R inférieur à 0,80.

Description

Catalyseur d’hydrogénation sélective comprenant une répartition particulière du nickel et du molybdène
Domaine de l’invention
La présente invention concerne un catalyseur d’hydrogénation sélective d’une essence et d’alourdissement des mercaptans légers, et un procédé permettant de réaliser conjointement l’hydrogénation sélective des composés polyinsaturés en composés mono insaturés contenus dans les essence, ainsi que l’alourdissement des composés soufrés légers par réaction avec les composés insaturés.
Etat de la technique
La production d'essences répondant aux nouvelles normes d'environnement nécessite que l'on diminue de façon importante leur teneur en soufre à des valeurs n'excédant généralement pas 50 ppm, et préférentiellement inférieures à 10 ppm.
Il est par ailleurs connu que les essences de conversion, et plus particulièrement celles provenant du craquage catalytique, qui peuvent représenter 30 à 50 % du pool essence, présentent des teneurs en oléfines et en soufre élevées.
Le soufre présent dans les essences est pour cette raison imputable, à près de 90 %, aux essences issues des procédés de craquage catalytique, qu'on appellera dans la suite essence de FCC ("Fluid Catalytic Cracking" selon la terminologie anglo-saxonne que l'on peut traduire par craquage catalytique en lit fluidisé). Les essences de FCC constituent donc la charge préférée du procédé de la présente invention. Plus généralement, le procédé selon l'invention est applicable à toute coupe essence contenant une certaine proportion de dioléfines, et pouvant contenir en outre quelques composés plus légers appartenant aux coupes C3 et C4.
Les essences issues d'unités de craquage sont généralement riches en oléfines et en soufre, mais également en dioléfines dont la teneur, pour les essences issues de craquage catalytique peut aller jusqu’à 5 % poids. Les dioléfines sont des composés instables qui peuvent polymériser facilement et doivent généralement être éliminées avant tout traitement de ces essences tels que les traitements d'hydrodésulfuration destinés à répondre aux spécifications sur les teneurs en soufre dans les essences. Toutefois, cette hydrogénation doit être sélective aux dioléfines et limiter l'hydrogénation des oléfines afin de limiter la consommation d'hydrogène ainsi que la perte d'octane de l'essence. Par ailleurs, comme cela a été décrit dans la demande de brevet EP01077247 A1, il est avantageux de transformer par alourdissement les mercaptans avant l'étape de désulfuration car cela permet de produire une fraction essence désulfurée composée majoritairement d'oléfines à 5 atomes de carbone sans perte d'octane par simple distillation. La quantité de soufre présente dans la charge après l'hydrogénation sélective et l'alourdissement des composés soufrés légers n'est pas modifiée, seule la nature du soufre l'est par alourdissement des mercaptans.
De plus, les composés diéniques présents dans la charge à traiter sont instables et ont tendance à former des gommes par polymérisation. Cette formation de gommes entraîne une désactivation progressive du catalyseur d’hydrodésulfuration situé en aval ou un bouchage progressif du réacteur. Pour une application industrielle, il est donc important d'utiliser des catalyseurs qui limitent la formation de polymères, c'est à dire des catalyseurs présentant une faible acidité ou bien dont la porosité est optimisée pour faciliter l'extraction continue des polymères ou précurseurs de gommes par les hydrocarbures de la charge, afin d'assurer une durée de cycle maximale pour le catalyseur.
La teneur en phase active et la taille des particules de la phase active font partie des critères qui ont une importance sur l'activité et la sélectivité des catalyseurs. Il est également connu que la répartition macroscopique des particules métalliques dans le support constitue un critère important. Par exemple, le document CN104275191 divulgue un catalyseur d’hydrogénation sélective d’une essence de FCC comprenant du nickel et du molybdène déposés sur un support en alumine, le nickel et le molybdène étant répartis sous la forme d’une croûte en périphérie du support.
La présente invention propose un nouveau catalyseur d’hydrotraitement, permettant de réaliser conjointement l’hydrogénation sélective des composés polyinsaturés et plus particulièrement les dioléfines, ainsi que l’alourdissement des composés soufrés légers et plus particulièrement des mercaptans.
Objets de l’invention
La présente invention concerne un catalyseur d’hydrogénation sélective comprenant une phase active contenant au moins un métal du groupe VIB et au moins un métal du groupe VIII, et un support poreux contenant au moins de l’alumine, la teneur en métal du groupe VIB, mesurée sous forme oxyde, étant comprise entre 1 et 18% en poids par rapport au poids total du catalyseur, la teneur en métal du groupe VIII de la phase active, mesurée sous forme oxyde, est comprise entre 1 et 20% poids par rapport au poids total du catalyseur, caractérisé en ce que le ratio molaire entre ledit métal du groupe VIII de la phase active et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 1,0 et 3,0 mol/mol, en ce que ledit métal du groupe VIII est réparti de manière homogène dans le support poreux avec un coefficient de répartition R compris entre 0,8 et 1,2, mesuré par microsonde de Castaing, et en ce que ledit métal du groupe VIB est réparti en périphérie du support poreux avec un coefficient de répartition R inférieur à 0,8.
La Demanderesse a découvert de manière surprenante qu’un catalyseur à base d’au moins un métal du groupe VIII et un métal du groupe VIB répartis de manière spécifique dans le support du catalyseur présente une meilleure activité et une meilleure sélectivité en hydrogénation de dioléfines permettant une accessibilité de la charge à la phase active améliorée tout en permettant une conversion au moins aussi bonne, voire meilleure, des composés soufrés légers par rapport aux catalyseurs divulgués dans l’art antérieur. Sans vouloir être lié par une quelconque théorie, il est envisagé que l’hydrogénation des dioléfines soit limitée par la diffusion des réactifs au sein du support, ainsi la phase active composée d’au moins un métal du groupe VIB présente majoritairement en périphérie du support permet une activité et une sélectivité améliorée en hydrogénation sélective. Par ailleurs, la phase active à base de métal du groupe VIII permettant la conversion des composés soufrés légers ne semble pas être limitée par la diffusion des réactifs au sein du support, ainsi la présence de la phase active de métal du groupe VIII de manière homogène dans l’ensemble du volume du support permet de conserver de bonnes performances pour la conversion des composés soufrés légers.
De préférence, au moins 80 % en poids du métal du groupe VIB est réparti sur une croûte en périphérie dudit support, l’épaisseur de ladite croûte étant comprise entre 200 et 1000 µm.
Dans un mode de réalisation selon l’invention, le support comprend en outre au moins un spinelle MAl2O4où M est choisi parmi le nickel et le cobalt.
De préférence, le ratio molaire entre ledit métal M du support poreux et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 0,5 et 1,5 mol/mol.
De préférence, le ratio molaire entre ledit métal M du support poreux et ledit métal du groupe VIII de la phase active est compris entre 0,3 et 1,5 mol/mol.
De préférence, le ratio molaire entre la somme des teneurs du métal M et du métal du groupe VIII de la phase active par rapport à la teneur en métal du groupe VIB est compris entre 2,2 et 3,2 mol/mol.
De préférence, le ratio molaire entre ledit métal du groupe VIII de la phase active et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 1,5 et 3,0 mol/mol.
De préférence, la teneur en métal M, mesurée sous forme oxyde, est comprise entre 0,5 et 10% poids par rapport au poids total du catalyseur.
De préférence, la surface spécifique du catalyseur est comprise entre 110 et 190 m²/g
De préférence, le métal du groupe VIII est le nickel et le métal du groupe VIB est le molybdène.
Un autre objet selon l’invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur selon l’invention comprenant les étapes suivantes :
a) on met en contact le support avec une solution aqueuse ou organique comprenant au moins un sel de métal M choisi parmi le nickel et le cobalt ;
b) on laisse maturer le support imprégné à l’issue de l’étape a) à une température inférieure à 50°Cpendant une durée comprise entre 0,5 heure et 24 heures ;
c) on sèche le support imprégné maturé obtenu à l’issue de l'étape b) à une température comprise entre 50°C et 200°C pendant une durée avantageusement comprise entre 1 et 48 heures ;
d) on calcine le solide obtenu à l’étape c) à une température comprise entre 500°C et 1000°C de manière à obtenir un spinelle de type MAl2O4;
e) on réalise les sous-étapes suivantes :
i) on met en contact le solide obtenu à l’issue de l’étape d) avec une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active de métal à base d’un métal du groupe VIII puis on laisse maturer le précurseur de catalyseur à une température inférieure à 50°C pendant une durée comprise entre 0,5 heure et 12 heures ;
ii) on met en contact le solide obtenu à l’issue de l’étape d) avec une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active de métal à base d’un métal du groupe VIB puis on laisse maturer le précurseur de catalyseur à une température inférieure à 50°C pendant une durée comprise entre 0,5 heure et 12 heures ;
les étapes i) et ii) étant réalisées séparément, dans un ordre indifférent, ou simultanément ;
f) on sèche le précurseur de catalyseur obtenu à l'étape e) à une température comprise entre 50°C et 200°C, de préférence entre 70 et 180°C, pendant une durée comprise typiquement entre 0,5 à 12 heures, et de façon encore plus préférée pendant une durée de 0,5 à 5 heures.
Dans un mode de réalisation, ledit procédé comprend en outre une étape g) dans laquelle on calcine le précurseur de catalyseur obtenu à l’étape f) à une température comprise entre 200°C et 550°C pendant une durée comprise avantageusement entre 0,5 à 24 heures.
Un autre objet selon l’invention concerne un procédé d’hydrogénation sélective d'une essence comprenant des composés polyinsaturés et des composés soufrés légers dans lequel procédé on met en contact l’essence, de l’hydrogène avec un catalyseur selon l’invention, ou obtenu selon le procédé de préparation selon l’invention, sous forme sulfure, à une température comprise entre 80°C et 220°C, avec une vitesse spatiale liquide comprise entre 1h-1et 10h-1et une pression comprise entre 0,5 et 5 MPa, et avec un rapport molaire entre l'hydrogène et les dioléfines à hydrogéner supérieur à 1 et inférieur à 10 mol/mol.
De préférence, ladite essence est une essence du craquage catalytique en lit fluide (FCC) et ayant une température d'ébullition comprise entre 0°C et 280°C.
Un autre objet selon l’invention concerne un procédé de désulfuration d’essence comprenant des composés soufrés comprenant les étapes suivantes :
a) une étape d'hydrogénation sélective mettant en œuvre un procédé d’hydrogénation sélective d'une essence comprenant des composés polyinsaturés et des composés soufrés légers selon l’invention ;
b) une étape de séparation de l'essence obtenue à l’étape a) en au moins deux fractions comprenant respectivement au moins une essence légère et une essence lourde ;
c) une étape d’hydrodésulfuration de l’essence lourde séparée à l’étape b) sur un catalyseur permettant de décomposer au moins partiellement les composés soufrés en H2S.
Description détaillée de l’invention
Définitions
Dans la suite, les groupes d'éléments chimiques sont donnés selon la classification CAS (CRC Handbook of Chemistry and Physics, éditeur CRC press, rédacteur en chef D.R. Lide, 81èmeédition, 2000-2001). Par exemple, le groupe VIII selon la classification CAS correspond aux métaux des colonnes 8, 9 et 10 selon la nouvelle classification IUPAC.
On entend par surface spécifique, la surface spécifique BET (SBETen m2/g) déterminée par adsorption d’azote conformément à la norme ASTM D 3663-78 établie à partir de la méthode BRUNAUER-EMMETT-TELLER décrite dans le périodique "The Journal of American Society", 1938, 60, 309.
On entend par volume poreux total du catalyseur ou du support utilisé pour la préparation du catalyseur le volume mesuré par intrusion au porosimètre à mercure selon la norme ASTM D4284-83 à une pression maximale de 4000 bar (400 MPa), utilisant une tension de surface de 484 dyne/cm et un angle de contact de 140°. L'angle de mouillage a été pris égal à 140° en suivant les recommandations de l'ouvrage « Techniques de l'ingénieur, traité analyse et caractérisation », pages 1050-1055, écrit par Jean Charpin et Bernard Rasneur. Afin d'obtenir une meilleure précision, la valeur du volume poreux total correspond à la valeur du volume poreux total mesuré par intrusion au porosimètre à mercure mesurée sur l'échantillon moins la valeur du volume poreux total mesuré par intrusion au porosimètre à mercure mesurée sur le même échantillon pour une pression correspondant à 30 psi (environ 0,2 MPa).
Les teneurs en métaux du groupe VIII et du groupe VIB sont mesurées par fluorescence X.
Définition du coefficient de répartition R
Les profils de répartition des éléments au sein des grains de catalyseurs sont obtenus par microsonde de Castaing. Au moins 30 points d'analyses sont effectués le long du diamètre de la bille ou de l’extrudé à raison d'une dizaine de points sur la croûte d’un élément actif (ici les métaux du groupe VIB et du groupe VIII) et d'une dizaine de point au centre du grain. Il est ainsi obtenu le profil de répartitionc(x)pourx ∈ [-r ;+r]avec c la concentration massique locale de l'élément, r le rayon de la bille ou de l’extrudé et x la position du point d'analyse le long du diamètre du grain par rapport au centre de ce grain.
La répartition des éléments est caractérisée par un coefficient de répartition R adimensionnel pondérant la concentration locale par un poids croissant en fonction de la position sur le diamètre. Par définition :
Ainsi un élément dont la concentration est uniforme présente un coefficient de répartition R égal à 1, un élément déposé en dôme (concentration au cœur plus importante que la concentration aux bords du support) présente un cœfficient supérieur à 1 et un élément réparti en croûte (concentration aux bords plus importante que la concentration au cœur du support) présente un coefficient inférieur à 1. L'analyse par microsonde de Castaing donne les valeurs des concentrations en un nombre fini de valeurs de x, R est ainsi évalué numériquement par des méthodes d'intégration bien connues de l'homme du métier. De préférence, R est déterminé par la méthode des trapèzes.
Définition de l'épaisseur de croûte de métal du groupe VIB
Afin d'analyser la répartition de la phase active de métal du groupe VIB sur le support, on mesure une épaisseur de croûte par microsonde de Castaing (ou microanalyse par microsonde électronique). L'appareil utilisé est un CAMECA® XS100, équipé de quatre cristaux monochromateurs permettant l'analyse simultanée de quatre éléments. La technique d'analyse par microsonde de Castaing consiste en la détection de rayonnement X émis par un solide après excitation de ses éléments par un faisceau d'électrons de hautes énergies. Pour les besoins de cette caractérisation, les grains de catalyseur sont enrobés dans des plots de résine époxy. Ces plots sont polis jusqu'à atteindre la coupe au diamètre des billes ou extrudés puis métallisés par dépôt de carbone en évaporateur métallique. La sonde électronique est balayée le long du diamètre de cinq billes ou extrudés pour obtenir le profil de répartition moyen des éléments constitutifs des solides.
Lorsque le métal du groupe VIB est reparti en croûte, sa concentration locale diminue généralement progressivement lorsqu'elle est mesurée en partant du bord du grain catalytique vers l'intérieur. Afin de mesurer une épaisseur de croûte qui est significative pour la majorité des particules de métal du groupe VIB, l'épaisseur de croûte est définie comme la distance au bord du grain contenant 80 % en poids de métal du groupe VIB.
Elle est définit dans la publication de L. Sorbieret al.Measurement of palladium crust thickness on catalyst by EPMA”Materials Science and Engineering 32 (2012). Pour mesurer une épaisseur de croûte qui est significative pour la majorité des particules de métal du groupe VIB, l'épaisseur de croûte peut de façon alternative être définie comme la distance au bord du grain contenant 80% en poids de métal du groupe VIB. A partir du profil de répartition obtenu par la microsonde de Castaing (c(x)), on peut calculer la quantité cumuléeQ(y)de métal du groupe VIB dans le grain en fonction de la distance y au bord du grain de rayon r.
Pour une bille :
Pour un extrudé :
avec
r : rayon du grain ;
y : distance au bord du grain ;
x : variable d’intégration (position sur le profil).
On suppose que le profil de concentration suit le diamètre pris de x = - r à x = + r (x = 0 étant le centre).
Q(r)correspond ainsi à la quantité totale de l'élément dans le grain. On résout ensuite numériquement l'équation suivante en y :
c étant une fonction strictement positive, Q est donc une fonction strictement croissante et cette équation possède une seule solution qui est l'épaisseur de croûte.
Catalyseur
Le catalyseur selon l’invention comprend, de préférence est constitué de, une phase active contenant au moins un métal du groupe VIB et au moins un métal du groupe VIII, et un support poreux contenant au moins de l’alumine, la teneur en métal du groupe VIB, mesurée sous forme oxyde, étant comprise entre 1 et 18% en poids par rapport au poids total du catalyseur, la teneur en métal du groupe VIII de la phase active, mesurée sous forme oxyde, est comprise entre 1 et 20% poids par rapport au poids total du catalyseur, dans lequel ledit métal du groupe VIII est réparti de manière homogène dans le support poreux avec un coefficient de répartition R, mesuré par microsonde de Castaing, compris entre 0,8 et 1,2, de préférence entre 0,85 et 1,1, et plus préférentiellement compris entre 0,9 et 1,1 et en ce que ledit métal du groupe VIB est réparti en périphérie du support poreux avec un coefficient de répartition R inférieur à 0,80, de préférence inférieur à 0,70.
Avantageusement, au moins 80% en poids du métal du groupe VIB est réparti dans une croûte à la périphérie dudit support, l'épaisseur de ladite croûte étant comprise entre 200 et 1000 µm, de préférence entre 500 et 800 µm.
La teneur en métal du groupe VIII de la phase active, mesurée sous forme oxyde, est comprise entre 1 et 20% poids par rapport au poids total du catalyseur, de préférence entre 2 et 15% poids, et encore plus préférentiellement entre 4 et 13 % poids. Le métal du groupe VIII est choisi de préférence parmi le nickel, le cobalt, et le fer. De manière plus préférée, le métal du groupe VIII est le nickel.
La teneur en métal du groupe VIB de la phase active, mesurée sous forme oxyde, est comprise entre 1 et 18% poids par rapport au poids total du catalyseur, de préférence entre 1 et 15% poids, et encore plus préférentiellement entre 2 et 13% poids. Le métal du groupe VIB est de préférence choisi parmi le molybdène et le tungstène. De manière plus préférée, le métal du groupe VIB est le molybdène.
De préférence, le ratio molaire entre ledit métal du groupe VIII de la phase active et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 1,0 et 3,0 mol/mol, de préférence entre 1,5 et 3,0 mol/mol, plus préférentiellement entre 1,5 et 2,5 mol/mol.
De préférence, on utilise un catalyseur présentant un volume poreux total mesuré par porosimétrie au mercure compris entre 0,3 et 1,1 cm3/g et de manière très préférée, compris entre 0,35 et 0,7 cm3/g. La porosimétrie au mercure est mesurée selon la norme ASTM D4284-92 avec un angle de mouillage de 140°, avec un appareil modèle Autopore III de la marque Microméritics®.
La surface spécifique du catalyseur est de préférence inférieure à 350 m2/g, et de manière plus préférée comprise entre 80 m2/g et 280 m2/g, de préférence entre 100 m²/g et 250 m²/g, et encore plus préférentiellement entre 110 m²/g et 190 m²/g.
De plus, le volume des pores du catalyseur, mesuré par porosimétrie au mercure, dont le diamètre est supérieur à 0,05 µm est de préférence compris entre 5 et 50% du volume poreux total et de manière préférée, compris entre 10 et 40% du volume poreux total.
Le volume des pores du catalyseur dont le diamètre est supérieur à 0,1 µm est de préférence compris entre 5 et 35% du volume poreux total et de manière plus préférée compris entre 10% et 30% du volume poreux total. Il a notamment été observé par les inventeurs, que cette répartition poreuse permet de limiter la formation de gommes dans le catalyseur.
Support
Le support poreux pouvant être utilisé dans le cadre de l’invention comprend de l'alumine, de préférence choisi parmi les alumines suivantes : alumines gamma, delta, thêta, êta, rho, chi, kappa, prises seules ou en mélange. De manière préférée le support poreux est à base d’alumine êta, thêta, delta, chi, prises seuls ou en mélange. Lorsque le support poreux comprend en outre un aluminate MAl2O4où M est choisi parmi le nickel et le cobalt, le procédé de préparation dudit support est réalisé avantageusement par une imprégnation à sec d’une alumine comprenant de l’alumine gamma.
Avantageusement, le support poreux du catalyseur comprend en outre au moins un spinelle MAl2O4où M est choisi parmi le nickel et le cobalt. La teneur en métal M, mesurée sous forme oxyde, est avantageusement comprise entre 0,5 et 10% poids par rapport au poids total du catalyseur, de préférence entre 0,7 et 8% poids, et encore plus préférentiellement entre 1 et 5% poids.
Lorsque le métal du groupe VIII de la phase active utilisé est le nickel ou le cobalt, le ratio molaire calculé ne prend pas en compte le nickel ou le cobalt engagé lors de la préparation du support.
La présence de spinelle dans le catalyseur selon l’invention peut se mesurer par réduction en température programmée RTP (ou TPR pour "temperature programmed reduction" selon la terminologie anglo-saxonne) tel que par exemple décrit dans Oil & Gas Science and Technology, Rev. IFP, Vol. 64 (2009), No. 1, pp. 11-12. Selon cette technique, le catalyseur est chauffé sous flux d’un réducteur, par exemple sous flux de dihydrogène. La mesure du dihydrogène consommé en fonction de la température donne des informations quantitatives sur la réductibilité des espèces présentes. La présence de spinelle dans le catalyseur se manifeste ainsi par une consommation de dihydrogène à une température supérieure à environ 800°C.
De préférence, lorsque le support du catalyseur selon l’invention comprend un spinelle MAl2O4, le ratio molaire entre la somme des teneurs du métal M et du métal du groupe VIII par rapport à la teneur en métal du groupe VIB est compris entre 2,0 et 3,5 mol/mol, de préférence entre 2,0 et 3,2 mol/mol, plus préférentiellement entre 2,5 et 3,2 mol/mol.
De préférence, lorsque le support du catalyseur selon l’invention comprend un spinelle MAl2O4, le ratio molaire entre ledit métal M du support poreux et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 0,5 et 1,5 mol/mol, de préférence compris entre 0,7 et 1,5 mol/mol, et encore plus préférentiellement entre 0,8 et 1,5 mol/mol.
De préférence, lorsque le support du catalyseur selon l’invention comprend un spinelle MAl2O4, le ratio molaire entre ledit métal M du support poreux et ledit métal du groupe VIII de la phase active est compris entre 0,3 et 1,5 mol/mol, plus préférentiellement entre 0,3 et 1,0 mol/mol.
De manière préférée, on utilise un support présentant un volume poreux total mesuré par porosimétrie au mercure compris entre 0,3 et 1,1 cm3/g et préférentiellement compris entre 0,35 et 0,8 cm3/g.
De plus, le volume des pores du support, mesuré par porosimétrie au mercure, dont le diamètre est supérieur à 0,05 µm est de préférence compris entre 5 et 50% du volume poreux total et de manière plus préférée, compris entre 10 et 40% du volume poreux total.
Le volume des pores du support dont le diamètre est supérieur à 0,1 µm est de préférence compris entre 5 et 35% du volume poreux total et de manière plus préférée entre 5 et 30% du volume poreux total.
La surface spécifique du support est de préférence inférieure à 350 m2/g, et de manière plus préférée comprise entre 80 m2/g et 350 m2/g, de préférence entre 100 m²/g et 330 m²/g, et encore plus préférentiellement entre 120 m²/g et 320 m²/g.
Synthèse d’un support comprenant un aluminate (optionnel)
Le support pouvant être utilisé dans le cadre de l’invention comprend de l'alumine, de préférence choisie parmi les alumines suivantes : alumines gamma, delta, thêta, êta, rho, chi, kappa, prises seules ou en mélange. De manière préférée, le support poreux est à base d’alumine êta, thêta, delta, chi, prises seules ou en mélange.
Lorsque le support poreux comprend en outre un aluminate MAl2O4où M est choisi parmi le nickel et le cobalt, le procédé de préparation dudit support est réalisé avantageusement par une imprégnation à sec d’une alumine telle que mentionnée ci-avant, de préférence comprenant de l’alumine gamma, par une solution aqueuse contenant une quantité appropriée de nitrate de métal tel que le nitrate de nickel ou le nitrate de cobalt. La quantité de nitrate de métal correspond à une teneur en métal (en équivalent oxyde, MO avec M sélectionné dans le groupe constitué par le nickel et le cobalt) de 0,5 et 10% poids par rapport au poids total du catalyseur, de manière préférée comprise entre 0,7 et 8% poids et de manière encore plus préférée, comprise entre 1 et 5% poids sur le solide.
Après imprégnation, le solide est laissé à maturer à une température inférieure à 50°C, de préférence à température ambiante durant 0,5 à 24 heures, de préférence entre 0,5 et 12 heures, puis séché à une température comprise avantageusement entre 50°C et 200°C, de préférence entre 70 et 180°C, pendant une durée comprise avantageusement entre 1 et 48 heures, de préférence entre 2 et 12 heures. Enfin, le solide est calciné sous flux d’air sec ou sous flux d’air humide, de préférence sous flux d’air humide, à une température comprise entre 500 et 1100°C, de préférence entre 600 et 900°C, pendant une durée comprise avantageusement entre 1 à 12 heures, de préférence entre 2 et 8 heures. Cette calcination permet de former l’aluminate MAl2O4où M est choisi parmi le nickel et le cobalt. Le solide obtenu est désigné dans la suite, sous le terme AlNi ou AlCo.
Préparation du catalyseur
Le catalyseur selon l'invention peut être préparé au moyen de toute technique connue de l'homme du métier, et notamment par imprégnation des éléments des groupes VIII et VIB sur le support sélectionné. L’imprégnation peut par exemple être réalisée selon le mode connu de l'homme du métier sous la terminologie d'imprégnation à sec, dans lequel on introduit juste la quantité d'éléments désirés sous forme de sels solubles dans le solvant choisi, par exemple de l'eau déminéralisée, de façon à remplir aussi exactement que possible la porosité du support.
Le précurseur de la phase active à base de métal du groupe VIII et le précurseur de la phase active du métal du groupe VIB peuvent être introduits simultanément ou successivement. L’imprégnation de chaque précurseur peut être avantageusement réalisée en au moins deux fois. Les différents précurseurs peuvent ainsi être avantageusement imprégnés successivement avec un temps d’imprégnation et de maturation différentié. Un des précurseur peut aussi être imprégné en plusieurs fois.
Le support ainsi rempli par la solution est laissé à maturer à maturer à une température inférieure à 50°C, de préférence à température ambiante, pendant une durée comprise entre 0,5 heure et 12 heures, de préférence entre 0,5 heure et 6 heures, et encore plus préférentiellement entre 0,5 et 3 heures. En effet, sans vouloir être lié par une quelconque théorie, la diffusion du précurseur de la phase active comprenant le métal du groupe VIB étant est plus lente que celle du précurseur de la phase active comprenant le métal du groupe VIII, la limitation de la durée de maturation empêche une répartition homogène du métal du groupe VIB, se retrouvant alors majoritairement en périphérie du support, contrairement au métal du groupe VIII réparti de manière homogène dans le support.
A la suite de l’étape de maturation, le précurseur de catalyseur obtenu subit un traitement d’activation.
Ce traitement a généralement pour but de transformer les précurseurs moléculaires des éléments en phase oxyde. Il s’agit dans ce cas d’un traitement oxydant, mais un simple séchage du catalyseur peut également être effectué.
Dans le cas d’un séchage, le précurseur de catalyseur est séché à une température comprise entre 50°C et 200°C, de préférence entre 70 et 180°C, pendant une durée comprise typiquement entre 0,5 à 12 heures, et de façon encore plus préférée pendant une durée de 0,5 à 5 heures.
Dans le cas d'un traitement oxydant, également appelé calcination, celui-ci est généralement mis en œuvre sous air ou sous oxygène dilué, et la température de traitement est généralement comprise entre 200°C et 550°C, de préférence entre 300°C et 500°C, et avantageusement pendant une durée typiquement comprise entre 0,5 à 24 heures, de façon préférée pendant une durée de 0,5 à 12 heures, et de façon encore plus préférée pendant une durée de 0,5 à 10 heures. Des sels de métaux des groupes VIB et VIII utilisables dans le procédé de préparation du catalyseur sont par exemple le nitrate de cobalt, le nitrate de nickel, l'heptamolybdate d'ammonium ou le métatungstate d'ammonium. Tout autre sel connu de l'homme du métier présentant une solubilité suffisante et décomposable lors du traitement d'activation peut également être utilisé. Avantageusement, le séchage et le traitement oxydant sont tous les deux réalisés lors du procédé de préparation du catalyseur.
De manière préférée, le catalyseur selon l’invention est préparé selon les étapes suivantes :
a) on met en contact le support avec une solution aqueuse ou organique comprenant au moins un sel de métal M choisi parmi le nickel et le cobalt ;
b) on laisse maturer le support imprégné à l’issue de l’étape a) à une température inférieure à 50°C, de préférence à température ambiante, pendant une durée comprise entre 0,5 heure et 24 heures, de préférence entre 0,5 heure et 12 heures ;
c) on sèche le support imprégné maturé obtenu à l’issue de l'étape b) à une température comprise entre 50°C et 200°C, de préférence entre 70 et 180°C, pendant une durée avantageusement comprise entre 1 et 48 heures, de préférence entre 2 et 12 heures ;
d) on calcine le solide obtenu à l’étape c) à une température comprise entre 500°C et 1000°C, de préférence entre 600 et 900°C, pendant une durée avantageusement comprise entre 1 et 12 heures, de préférence entre 2 et 12 heures, de manière à obtenir un spinelle de type MAl2O4;
e) on réalise les sous-étapes suivantes :
i) on met en contact le solide obtenu à l’issue de l’étape d) avec une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active de métal à base d’un métal du groupe VIII puis on laisse maturer le précurseur de catalyseur à une température inférieure à 50°C, de préférence à température ambiante, pendant une durée comprise entre 0,5 heure et 12 heures, de préférence entre 0,5 heure et 6 heures, et encore plus préférentiellement entre 0,5 et 3 heures ;
ii) on met en contact le solide obtenu à l’issue de l’étape d) avec une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active de métal à base d’un métal du groupe VIB puis on laisse maturer le précurseur de catalyseur à une température inférieure à 50°C, de préférence à température ambiante, pendant une durée comprise entre 0,5 heure et 12 heures, de préférence entre 0,5 heure et 6 heures, et encore plus préférentiellement entre 0,5 et 3 heures ;
les étapes i) et ii) étant réalisées séparément, dans un ordre indifférent, ou simultanément ;
f) on sèche le précurseur de catalyseur obtenu à l'étape e) à une température comprise entre 50°C et 200°C, de préférence entre 70 et 180°C, pendant une durée comprise typiquement entre 0,5 à 12 heures, et de façon encore plus préférée pendant une durée de 0,5 à 5 heures ;
g) optionnellement, on calcine le précurseur de catalyseur obtenu à l’étape f) à une température comprise entre 200°C et 550°C, de préférence entre 300 et 500°C, pendant une durée comprise avantageusement entre 0,5 à 24 heures, de façon préférée pendant une durée de 0,5 à 12 heures, et de façon encore plus préférée pendant une durée de 0,5 à 10 heures.
Sulfuration du catalyseur.
Avant mise en contact avec la charge à traiter, les catalyseurs subissent une étape de sulfuration. La sulfuration est réalisée en milieu sulforéducteur, c'est à dire en présence d'H2S et d'hydrogène, afin de transformer les oxydes métalliques en sulfures tels que par exemple, le MoS2et le NiS. La sulfuration est réalisée en injectant sur le catalyseur un flux contenant de l'H2S et de l'hydrogène, ou bien un composé soufré susceptible de se décomposer en H2S en présence du catalyseur et de l'hydrogène. Les polysulfures tel que le diméthyldisulfure sont des précurseurs d'H2S couramment utilisés pour sulfurer les catalyseurs. La température est ajustée afin que l'H2S réagisse avec les oxydes métalliques pour former des sulfures métalliques. Cette sulfuration peut être réalisée in situ ou ex situ (en dedans ou dehors du réacteur) du réacteur d’hydrodésulfuration à des températures comprises entre 200 et 600°C et plus préférentiellement entre 250 et 500°C. Pour être actifs, les métaux doivent être substantiellement sulfurés. Un élément est considéré comme substantiellement sulfuré lorsque le rapport molaire entre le soufre (S) présent sur le catalyseur et le dit élément est au moins égal à 50% du rapport molaire théorique correspondant à la sulfuration totale de l’élément considéré. Le taux de sulfuration global est défini par l’équation suivante :
avec:
(S/élément)catalyseurrapport molaire entre le soufre (S) et l’élément présent sur le catalyseur, à l'exclusion du métal (Ni ou Co) utilisé lors la préparation du support
(S/élément)théoriquerapport molaire entre le soufre et l’élément correspondant à la sulfuration totale de l’élément en sulfure.
Ce rapport molaire théorique varie selon l’élément considéré:
- (S/Fe)théorique= 1
- (S/Co)théorique= 8/9
- (S/Ni)théorique= 1/1
- (S/Mo)théorique=2/1
- (S/W)théorique=2/1
Le catalyseur comprenant, plusieurs métaux, le rapport molaire entre le S présent sur le catalyseur et l’ensemble des éléments doit également être au moins égal à 50% du rapport molaire théorique correspondant à la sulfuration totale de chaque élément en sulfure, le calcul étant effectué au prorata des fractions molaires relatives de chaque élément, à l'exclusion du métal (Ni ou Co) engagé lors de la préparation du support.
Par exemple, pour un catalyseur comprenant du molybdène et du nickel avec une fraction molaire respective de 0,7 et 0,3, le rapport molaire minimal (S/Mo+Ni) est donné par la relation suivante:
De façon très préférée, le taux de sulfuration des métaux sera supérieur à 70%.
La sulfuration est mise en œuvre sur les métaux sous forme d'oxyde sans que soit réalisée une étape préalable de réduction des métaux. En effet, il est connu que la sulfuration de métaux réduits est plus difficile que la sulfuration de métaux sous forme d'oxydes.
Procédé d’hydrogénation sélective
L'invention concerne également un procédé de traitement d'une essence comprenant tout type de familles chimiques et notamment des dioléfines, des mono-oléfines, et des composés soufrés sous forme de mercaptans et de sulfures légers. La présente invention trouve particulièrement son application dans la transformation des essences de conversion, et en particulier des essences en provenance du craquage catalytique, du craquage catalytique en lit fluidisé (FCC), d’un procédé de cokéfaction, d’un procédé de viscoréduction, ou d’un procédé de pyrolyse. Les charges pour lesquelles s'applique l'invention ont une température d'ébullition comprise entre 0°C et 280°C. Les charges peuvent également contenir des hydrocarbures à 3 ou 4 atomes de carbone.
Par exemple, les essences issues d'unités de craquage catalytique (FCC) contiennent, en moyenne, entre 0,5% et 5% poids de dioléfines, entre 20% et 50% poids de mono-oléfines, entre 10 ppm et 0,5% poids de soufre dont généralement moins de 300 ppm de mercaptans. Les mercaptans se concentrent généralement dans les fractions légères de l'essence et plus précisément dans la fraction dont la température d'ébullition est inférieure à 120°C.
Le traitement de l'essence décrit dans le présent procédé d'hydrogénation sélective consiste principalement à :
- hydrogéner sélectivement les dioléfines en mono-oléfines;
- transformer les composés soufrés légers saturés et principalement les mercaptans, en sulfures ou mercaptans plus lourds par réaction avec les mono-oléfines;
- isomériser les composés mono-oléfines ayant leur double liaison C=C externe en leur isomère à double liaison C=C interne.
Les réactions d'hydrogénation des dioléfines en mono-oléfines sont illustrées ci-dessous par la transformation du 1,3 pentadiène, composé instable, qui peut facilement être hydrogéné en pent-2-ène. Toutefois, on cherche à limiter les réactions secondaires d'hydrogénation des mono-oléfines qui dans l'exemple ci-dessous conduiraient à la formation de n-pentane et donc à une baisse de l'indice d'octane.
Les composés soufrés que l'on cherche à transformer sont principalement les mercaptans. La réaction principale de transformation des mercaptans consiste en une réaction de thioéthérification entre les mono-oléfines et les mercaptans. Cette réaction est illustrée ci-dessous par l'addition du propane-2-thiol sur le pent-2-ène pour former un propyl-pentyl sulfure.
En présence d'hydrogène, la transformation des composés soufrés peut également passer par la formation intermédiaire d'H2S qui peut ensuite s'additionner sur les composés insaturés présents dans la charge. Cette voie est toutefois minoritaire dans les conditions préférées de la réaction.
Outre les mercaptans, les composés susceptibles d'être ainsi transformés et alourdis sont les sulfures et principalement le CS2, le COS, le thiophane et le méthyl-thiophane.
Dans certains cas, on peut également observer des réactions d'alourdissement des composés azotés légers, et principalement des nitriles, du pyrrole et de ses dérivés.
Selon l'invention, le catalyseur permet également de réaliser une isomérisation des composées mono-oléfiniques ayant leur double liaison C=C en position externe en leur isomère ayant leur double liaison C=C en position interne.
Cette réaction est illustrée ci-après par l'isomérisation du hexène-1 en hexène-2 ou hexène-3 :
Dans le procédé d'hydrogénation sélective selon l'invention, la charge à traiter est mélangée à de l'hydrogène avant d'être mise en contact avec le catalyseur. La quantité d'hydrogène injectée est telle que le rapport molaire entre l'hydrogène et les dioléfines à hydrogéner soit supérieur à 1 (stœchiométrie) et inférieure à 10, et de préférence compris entre 1 et 5 mol/mol. Un trop large excès d'hydrogène peut entraîner une forte hydrogénation des mono-oléfines et par voie de conséquence, une diminution de l'indice d'octane de l'essence. La totalité de la charge est généralement injectée à l'entrée du réacteur lorsque le procédé est effectué en lit fixe. Toutefois, il peut être avantageux, dans certains cas d'injecter une fraction ou la totalité de la charge entre deux lits catalytiques consécutifs placés dans le réacteur. Ce mode de réalisation permet notamment de continuer à opérer le réacteur si l'entrée du réacteur se trouve bouchée par dépôts de polymères, de particules, ou de gommes présentes dans la charge.
Le mélange constitué de l'essence et de l'hydrogène est mis en contact avec le catalyseur à une température comprise entre 80°C et 220°C, et de préférence entre 90°C et 200°C, avec une vitesse spatiale liquide (LHSV) comprise entre 1h-1et 10 h-1, l'unité de la vitesse spatiale liquide étant le litre de charge par litre de catalyseur et par heure (l/l.h). La pression est ajustée afin que le mélange réactionnel soit majoritairement sous forme liquide dans le réacteur. La pression est comprise entre 0,5 MPa et 5 MPa et de préférence entre 1 et 4 MPa.
L'essence traitée dans les conditions énoncées ci-dessus, présente une teneur en dioléfines et en mercaptans réduite. Généralement, l'essence produite contient moins de 1 % poids de dioléfines, et de préférence moins de 0,5% poids de dioléfines. Les composés soufrés légers dont la température d'ébullition est inférieure à celle du thiophène (84°C) sont généralement convertis à plus de 50%. Il est donc possible de séparer la fraction légère de l'essence par distillation et d'envoyer directement cette fraction au pool essence sans traitement complémentaire. La fraction légère de l'essence a généralement un point final inférieur à 120°C, et de préférence inférieure à 100°C et de façon très préférée inférieure à 80°C.
Le procédé d'hydrogénation sélective selon l'invention est particulièrement adapté pour être mis en œuvre dans le cadre du procédé de désulfuration décrit dans la demande de brevet EP 1 077 247.
La présente demande a également pour objet un procédé de désulfuration d’essence comprenant des composés soufrés, comprenant au moins les étapes suivantes:
a) une étape d'hydrogénation sélective mettant en œuvre le procédé décrit précédemment;
b) une étape de séparation de l'essence obtenue à l’étape a) en au moins deux fractions comprenant respectivement au moins une essence légère et une essence lourde ;
c) une étape d’hydrodésulfuration de l’essence lourde séparée à l’étape b) sur un catalyseur permettant de décomposer au moins partiellement les composés soufrés en H2S.
L'étape b) de séparation est réalisée de préférence au moyen d’une colonne de distillation classique appelée aussi splitter. Cette colonne de fractionnement doit permettre de séparer une fraction légère de l'essence contenant une faible fraction du soufre et une fraction lourde contenant de préférence la majeure partie du soufre initialement présent dans l'essence initiale.
Cette colonne opère généralement à une pression comprise entre 0,1 et 2 MPa et de préférence entre 0,2 et 1 MPa. Le nombre de plateaux théoriques de cette colonne de séparation est généralement compris entre 10 et 100 et de préférence entre 20 et 60. Le taux de reflux, exprimé comme étant le rapport du débit liquide dans la colonne divisé par le débit de distillat exprimé en kg/h, est généralement inférieur à l'unité et de préférence inférieur à 0,8.
L’essence légère obtenue à l'issue de la séparation contient généralement au moins l'ensemble des oléfines en C5, de préférence les composés en C5 et au moins 20 % des oléfines en C6. Généralement, cette fraction légère présente une faible teneur en soufre, c'est à dire qu'il n'est pas en général nécessaire de traiter la coupe légère avant de l'utiliser comme carburant.
L'étape c) de désulfuration est de préférence une étape d’hydrodésulfuration réalisée par passage de l’essence lourde, en présence d'hydrogène, sur un catalyseur d’hydrodésulfuration comprenant au moins un élément du groupe VIII et/ou au moins un élément du groupe VIB au moins en partie sous formes sulfures, à une température comprise entre environ 210°C et environ 350°C, de préférence entre 220°C et 320°C, sous une pression généralement comprise entre environ 1 et environ 4 MPa, de préférence entre 1,5 et 3 MPa. La vitesse spatiale du liquide est comprise entre environ 1 et environ 20 h-1(exprimée en volume de liquide par volume de catalyseur et par heure), de préférence entre 1 et 10 h-1, de manière très préférée entre 3 et 8 h-1. Le rapport H2/charge est compris entre 100 à 600 Nl/l et préférentiellement entre 300 et 600 Nl/l.
La teneur en métal du groupe VIII exprimée en oxyde est généralement comprise entre 0,5 et 15% poids, préférentiellement entre 1 et 10 % poids par rapport au poids du catalyseur d’hydrodésulfuration. La teneur en métal du groupe VIB exprimée en oxyde est généralement comprise entre 1,5 et 60% poids, préférentiellement entre 3 et 50% poids par rapport au poids de catalyseur d’hydrodésulfuration.
L’élément du groupe VIII, lorsqu’il est présent, est de préférence le cobalt, et l’élément du groupe VIB, lorsqu’il est présent, est généralement le molybdène ou le tungstène. Des combinaisons telles que cobalt-molybdène sont préférées. Le support du catalyseur d’hydrodésulfuration est habituellement un solide poreux, tel que par exemple une alumine, une silice-alumine ou d'autres solides poreux, tels que par exemple de la magnésie, de la silice ou de l'oxyde de titane, seuls ou en mélange avec de l'alumine ou de la silice-alumine. Pour minimiser l'hydrogénation des oléfines présentes dans l’essence lourde, il est avantageux d'utiliser préférentiellement un catalyseur dans lequel la densité de molybdène, exprimée en % poids de MoO3(le % en poids étant exprimé par rapport au poids total du catalyseur) par unité de surface spécifique est supérieure à 0,07 et de préférence supérieure à 0,12. Le catalyseur selon l’étape c) présente de préférence une surface spécifique inférieure à 250 m²/g, de manière plus préférée inférieure à 230 m²/g, et de manière très préférée inférieure à 190 m²/g.
Le dépôt des métaux sur le support est obtenu pour toutes méthodes connues de l'homme de l'art telles que par exemple l'imprégnation à sec, par excès d'une solution contenant les précurseurs de métaux. La solution d'imprégnation est choisie de manière à pouvoir solubiliser les précurseurs de métaux dans les concentrations désirées. Par exemple, dans le cas de la synthèse d'un catalyseur CoMo, le précurseur de molybdène peut être l'oxyde de molybdène, l'heptamolybdate d'ammonium et tandis que le précurseur de cobalt peut être par exemple le nitrate de cobalt, l'hydroxyde de cobalt, le carbonate de cobalt. Les précurseurs sont généralement dissous dans un milieu permettant leur solubilisation dans les concentrations désirées.
Après introduction du ou des éléments et éventuellement mise en forme du catalyseur, le catalyseur est dans une première étape activé. Cette activation peut correspondre soit à un séchage et/ou une calcination puis à une réduction, soit à une réduction directe, soit à un séchage ou une calcination uniquement. L’étape de calcination est généralement réalisée à des températures allant d’environ 100 à environ 600°C et de préférence comprises entre 200 et 450°C, sous un débit d’air. L’étape de réduction est réalisée dans des conditions permettant de convertir au moins une partie des formes oxydées du métal de base en métal. Généralement, elle consiste à traiter le catalyseur sous un flux d’hydrogène à une température de préférence au moins égale à 300°C. La réduction peut aussi être réalisée en partie au moyen de réducteurs chimiques.
Le catalyseur est de préférence utilisé au moins en partie sous sa forme sulfurée. L’introduction du soufre peut intervenir avant ou après toute étape d’activation, c’est-à-dire de calcination ou de réduction. Le soufre ou un composé soufré peut être introduit ex situ, c’est-à-dire en dehors du réacteur où le procédé selon l’invention est réalisé, ou in situ, c’est-à-dire dans le réacteur utilisé pour le procédé selon l’invention. Dans le premier cas, la sulfuration ex-situ se caractérise par une étape finale de passivation. En effet, les phases sulfures présentent une très grande réactivité vis-à-vis de l'air ambiant (caractère auto-échauffant par oxydation) interdisant leur manipulation ultérieure sans un traitement complémentaire visant à limiter cette réactivité. Parmi les procédures de sulfurations ex situ commerciales, citons le procédé TOTSUCAT® de la société Eurecat (EP 0 564 317 B1 et EP 0 707 890 B1) et le procédé XpresS® de la société TRICAT (brevet US-A-5 958 816). Dans le second cas (sulfuration in-situ), le catalyseur est de préférence réduit dans les conditions décrites précédemment, puis sulfuré par passage d'une charge contenant au moins un composé soufré, qui une fois décomposé conduit à la fixation de soufre sur le catalyseur. Cette charge peut être gazeuse ou liquide, par exemple de l’hydrogène contenant de l’H2S, ou un liquide contenant au moins un composé soufré.
D’une façon préférée, le composé soufré est ajouté sur le catalyseur ex situ. Par exemple, après l’étape de calcination, un composé soufré peut être introduit sur le catalyseur en présence éventuellement d’un autre composé. Le catalyseur est ensuite séché, puis transféré dans le réacteur servant à mettre en œuvre le procédé selon l’invention. Dans ce réacteur, le catalyseur est alors traité sous hydrogène afin de transformer au moins une partie du métal principal en sulfure. Une procédure qui convient particulièrement à l’invention est celle décrite dans les brevets FR-B- 2 708 596 et FR-B- 2 708 597.
Exemples
L’invention est décrite ensuite par les exemples suivant sans en limiter la portée.
Exemple 1 : Préparation des solutions aqueuses de précurseurs de Ni et de Mo
La solution aqueuse de précurseurs de Ni et de Mo (solution S1) utilisée pour la préparation des catalyseurs A et B est préparée en dissolvant à chaud 57,64 grammes de nitrate de nickel (Ni(NO3)2,6H2O, fournisseur Merck®, pureté 98,5%) et 18,95 grammes d’heptamolybdate d’ammonium (Mo7(NH4)6O24,4H2O, fournisseur Merck®, pureté 99%) jusqu’à un volume de total de 100 mL complété à l’eau distillée. On obtient la solution S1 dont la concentration en Ni est de 1,95 mol de Ni par litre de solution et en Mo est de 1,06 mol de Mo par litre de solution.
La solution aqueuse de précurseurs de Ni et de Mo (solution S2) utilisée pour la préparation du catalyseur C est préparée en dissolvant à chaud 25,65 grammes de nitrate de nickel (Ni(NO3)2,6H2O, fournisseur Merck®, pureté 98,5%) et 18,95 grammes d’heptamolybdate d’ammonium (Mo7(NH4)6O24,4H2O, fournisseur Merck®, pureté 99%) jusqu’à un volume de total de 100 mL complété à l’eau distillée. On obtient la solution S2 dont la concentration en Ni est de 0,87 mol de Ni par litre de solution et en Mo est de 1,06 mol de Mo par litre de solution.
Exemple 2 : Préparation du catalyseur A (conforme)
On imprègne une solution de nitrate de nickel (Ni(NO3)2,6H2O, à 0,94 mol Ni par litre de solution) sur un support d’alumine (SBET= 296 m²/g ; Volume poreux total = 0,55 g/cm3), puis le solide est séché en étuve pendant 12 h à 120°C, et calciné dans un réacteur tubulaire en lit fixe à 800°C pendant 2 heures. Cette calcination à haute température permet de former le spinelle aluminate de nickel appelée ici NiAl (4,0% poids de nickel sous sa forme oxyde). La phase alumine est majoritairement de l’alumine delta.
Sur ce solide NiAl est imprégné la solution S1 de l’exemple 1. Le précurseur de catalyseur obtenu est laissé à maturation à température ambiante pendant 1 heure. Le précurseur obtenu est ensuite séché en étuve pendant 12 heures, puis calciné sous air dans un réacteur tubulaire en lit fixe à 420°C pendant 2 heures. On obtient le catalyseur A de formule NiO/MoO3/NiAl (11,1% poids de nickel total et 7,5% poids en molybdène mesuré par fluorescence X sous leurs formes oxydes). Les propriétés du catalyseur A sont données au tableau 1.
Exemple 3 : Préparation du catalyseur B (non-conforme)
Dans cet exemple, le catalyseur est non conforme car l’étape de maturation est réalisé pendant un temps supérieur à 12 heures (cf. étape f) du procédé de préparation du catalyseur selon l’invention).
Sur le solide NiAl de l’exemple 2 est imprégné la solution S1 de l’exemple 1. Le précurseur de catalyseur obtenu est laissé à maturation à température ambiante pendant 24 heures. Le précurseur obtenu est ensuite séché en étuve pendant 12 heures, puis calciné sous air dans un réacteur tubulaire en lit fixe à 420°C pendant 2 heures. On obtient le catalyseur B de formule NiO/MoO3/NiAl (11,1% poids de nickel total et 7,7% poids en molybdène mesuré par fluorescence X sous leurs formes oxydes). Les propriétés du catalyseur B sont données au tableau 1.
Exemple 4 : Préparation du catalyseur C (non-conforme)
Dans cet exemple, le catalyseur est non conforme car le ratio molaire entre le nickel de la phase active et le molybdène est inférieur à 1 mol/mol. On imprègne une solution de nitrate de nickel (Ni(NO3)2,6H2O, à 0,26 mol Ni par litre de solution) sur un support d’alumine (SBET= 296 m²/g ; Volume poreux total = 0,55 g/cm3), puis le solide est séché en étuve pendant 12 h à 120°C, et calciné dans un réacteur tubulaire en lit fixe à 800°C pendant 2 heures. Cette calcination à haute température permet de former le spinelle aluminate de nickel appelée ici NiAl (1,1% poids de nickel sous sa forme oxyde). La phase alumine est majoritairement de l’alumine delta.
Sur ce solide NiAl est imprégné la solution S2 de l’exemple 1. Le précurseur de catalyseur obtenu est laissé à maturation à température ambiante pendant 1 heure. Le précurseur obtenu est ensuite séché en étuve pendant 12 heures, puis calciné sous air dans un réacteur tubulaire en lit fixe à 420°C pendant 2 heures. On obtient le catalyseur C de formule NiO/MoO3/NiAl (3,9% poids de nickel total et 7,5% poids en molybdène mesuré par fluorescence X sous leurs formes oxydes). Les propriétés du catalyseur C sont données au tableau 1.
Catalyseur A
conforme
B
Non-conforme
C
Non-conforme
RNi 0,95 0,99 0,61
RMo 0,64 0,92 0,62
Epaisseur de croûte de Mo (µm) 750 n.d. 730
Surface spécifique (m2/g) 135 133 142
Ratio molaires Nispinelle/Mo 0,87 0,85 0,25
Nispinelle/Niphase active 0,44 0,44 0,34
Nitotal/Mo 2,85 2,78 1,00
Niphase active/Mo 1,98 1,93 0,75
Exemple 5 : Mise en œuvre des catalyseurs en hydrogénation sélective
L'activité des catalyseurs A, B et C est évaluée par un test d’hydrogénation sélective d'un mélange de molécules modèles effectué dans un réacteur autoclave agité de 500 ml. Typiquement entre 2 et 6 g de catalyseur sont sulfurés à pression atmosphérique en banc de sulfuration sous mélange H2S/H2constitué de 15% volumique d'H2S à 1 l/g.h de catalyseur et à 400°C durant deux heures (rampe de 5°C/min) suivi d’un palier de 2 heures sous hydrogène pur à 200°C. Ce protocole permet d’obtenir des taux de sulfuration supérieurs à 70% pour l'ensemble des catalyseurs conformément à l’invention. Le catalyseur ainsi sulfuré est transféré dans le réacteur à l'abri de l'air puis mis au contact de 250 ml de charge modèle sous une pression totale de 1,5 MPa et une température de 160°C. La pression est maintenue constante durant le test par apport d'hydrogène. La charge utilisée pour le test d’activité présente la composition suivante : 1000 ppm poids de soufre de composés thiophéniques sous forme méthyl 3-thiophène, 500 ppm poids de soufre de mercaptans sous forme de propane-2-thiol, 10% poids oléfine sous forme de hexène-1, et 1% poids dioléfine sous forme d’isoprène, dans du n-heptane.
Le temps t=0 du test correspond à la mise en contact du catalyseur et de la charge. La durée du test est fixée à 200 minutes et l’analyse chromatographique en phase gaz de l’effluent liquide obtenu permet d’évaluer les activités des différents catalyseurs en hydrogénation de l’isoprène (formation des méthylbutènes), hydrogénation du héxène 1 (formation du n-hexane) et alourdissement du propane-2-thiol (disparition du propane-2-thiol).
L’activité du catalyseur pour chaque réaction est définie par rapport à la constante de vitesse obtenue pour chaque réaction normalisée par gramme de catalyseur. Les constantes de vitesse sont calculées en considérant un ordre 1 pour la réaction. Les activités sont normalisées à 100% pour le catalyseur A.
La sélectivité du catalyseur vis à vis de l’hydrogénation de l’isoprène est égale au rapport des activités du catalyseur en hydrogénation de l'isoprène et de l'hexène-1 : A(isoprène)/A(héxène 1). La sélectivité est normalisée à 100% pour le catalyseur A.
Les résultats obtenus sur les différents catalyseurs sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous.
Catalyseur A B C
Activité en hydrogénation de dioléfine 100 75 53
Activité en alourdissement de mercaptans 100 96 77
Sélectivité en hydrogénation de dioléfine 100 72 110
On constate que le catalyseur A selon l’invention présente une activité en hydrogénation de dioléfine systématiquement supérieure à celles des autres catalyseurs. De plus, les activités en alourdissement de mercaptans ainsi que les sélectivités sont toujours parmi les plus élevées pour le catalyseur A selon l’invention.

Claims (15)

  1. Catalyseur d’hydrogénation sélective comprenant une phase active contenant au moins un métal du groupe VIB et au moins un métal du groupe VIII, et un support poreux contenant au moins de l’alumine, la teneur en métal du groupe VIB, mesurée sous forme oxyde, étant comprise entre 1 et 18% en poids par rapport au poids total du catalyseur, la teneur en métal du groupe VIII de la phase active, mesurée sous forme oxyde, est comprise entre 1 et 20% poids par rapport au poids total du catalyseur, caractérisé en ce que le ratio molaire entre ledit métal du groupe VIII de la phase active et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 1,0 et 3,0 mol/mol, en ce que ledit métal du groupe VIII est réparti de manière homogène dans le support poreux avec un coefficient de répartition R compris entre 0,8 et 1,2, mesuré par microsonde de Castaing, et en ce que ledit métal du groupe VIB est réparti en périphérie du support poreux avec un coefficient de répartition R inférieur à 0,8.
  2. Catalyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins 80 % en poids du métal du groupe VIB est réparti sur une croûte en périphérie dudit support, l’épaisseur de ladite croûte étant comprise entre 200 et 1000 µm.
  3. Catalyseur selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le support comprend en outre au moins un spinelle MAl2O4où M est choisi parmi le nickel et le cobalt.
  4. Catalyseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ratio molaire entre ledit métal M du support poreux et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 0,5 et 1,5 mol/mol.
  5. Catalyseur selon des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le ratio molaire entre ledit métal M du support poreux et ledit métal du groupe VIII de la phase active est compris entre 0,3 et 1,5 mol/mol.
  6. Catalyseur selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le ratio molaire entre la somme des teneurs du métal M et du métal du groupe VIII de la phase active par rapport à la teneur en métal du groupe VIB est compris entre 2,2 et 3,2 mol/mol.
  7. Catalyseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ratio molaire entre ledit métal du groupe VIII de la phase active et ledit métal du groupe VIB de la phase active est compris entre 1,5 et 3,0 mol/mol.
  8. Catalyseur selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la teneur en métal M, mesurée sous forme oxyde, est comprise entre 0,5 et 10% poids par rapport au poids total du catalyseur.
  9. Catalyseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la surface spécifique du catalyseur est comprise entre 110 et 190 m²/g
  10. Catalyseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le métal du groupe VIII est le nickel et le métal du groupe VIB est le molybdène.
  11. Procédé de préparation d’un catalyseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 comprenant les étapes suivantes :
    a) on met en contact le support avec une solution aqueuse ou organique comprenant au moins un sel de métal M choisi parmi le nickel et le cobalt ;
    b) on laisse maturer le support imprégné à l’issue de l’étape a) à une température inférieure à 50°Cpendant une durée comprise entre 0,5 heure et 24 heures ;
    c) on sèche le support imprégné maturé obtenu à l’issue de l'étape b) à une température comprise entre 50°C et 200°C pendant une durée avantageusement comprise entre 1 et 48 heures ;
    d) on calcine le solide obtenu à l’étape c) à une température comprise entre 500°C et 1000°C de manière à obtenir un spinelle de type MAl2O4;
    e) on réalise les sous-étapes suivantes :
    i) on met en contact le solide obtenu à l’issue de l’étape d) avec une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active de métal à base d’un métal du groupe VIII puis on laisse maturer le précurseur de catalyseur à une température inférieure à 50°C pendant une durée comprise entre 0,5 heure et 12 heures ;
    ii) on met en contact le solide obtenu à l’issue de l’étape d) avec une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active de métal à base d’un métal du groupe VIB puis on laisse maturer le précurseur de catalyseur à une température inférieure à 50°C pendant une durée comprise entre 0,5 heure et 12 heures ;
    les étapes i) et ii) étant réalisées séparément, dans un ordre indifférent, ou simultanément ;
    f) on sèche le précurseur de catalyseur obtenu à l'étape e) à une température comprise entre 50°C et 200°C, de préférence entre 70 et 180°C, pendant une durée comprise typiquement entre 0,5 à 12 heures, et de façon encore plus préférée pendant une durée de 0,5 à 5 heures.
  12. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre une étape g) dans laquelle on calcine le précurseur de catalyseur obtenu à l’étape f) à une température comprise entre 200°C et 550°C pendant une durée comprise avantageusement entre 0,5 à 24 heures.
  13. Procédé d’hydrogénation sélective d'une essence comprenant des composés polyinsaturés et des composés soufrés légers dans lequel procédé on met en contact l’essence, de l’hydrogène avec un catalyseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, ou obtenu selon le procédé de préparation selon l’une des revendications 11 ou 12, sous forme sulfure, à une température comprise entre 80°C et 220°C, avec une vitesse spatiale liquide comprise entre 1h-1et 10h-1et une pression comprise entre 0,5 et 5 MPa, et avec un rapport molaire entre l'hydrogène et les dioléfines à hydrogéner supérieur à 1 et inférieur à 10 mol/mol.
  14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel ladite essence est une essence du craquage catalytique en lit fluide (FCC) et ayant une température d'ébullition comprise entre 0°C et 280°C.
  15. Procédé de désulfuration d’essence comprenant des composés soufrés comprenant les étapes suivantes :
    a) une étape d'hydrogénation sélective mettant en œuvre un procédé selon l'une des revendications 13 ou 14 ;
    b) une étape de séparation de l'essence obtenue à l’étape a) en au moins deux fractions comprenant respectivement au moins une essence légère et une essence lourde ;
    c) une étape d’hydrodésulfuration de l’essence lourde séparée à l’étape b) sur un catalyseur permettant de décomposer au moins partiellement les composés soufrés en H2S.
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