KUCûDJts U'ti Y Jû UJJtsuLJ^u ATION DE Courts LTAZ,ULÊ,S U JL ILIÛAIN J LUN CATALYSEUR A BASE D'HETEROPOLYANIONS PIEGES DANS UN SUPPORT
SILICIQUE MESOSTRUCTURE
La présente invention se rapporte au domaine des hydrotraitements de charges hydrocarbonées de type gazole.
Elle a principalement pour objet l'utilisation d'un catalyseur dans des procédés permettant l'hydrodésulfuration (HDS) de charges de type gazole.
État de la technique antérieure
Le durcissement des normes de pollution automobile en 2009 dans la communauté européenne contraint les raffineurs à réduire très fortement la teneur en soufre dans les gazoles et les essences, au maximum à 10 parties par million poids (ppm) de soufre dans les gazoles au 1er janvier 2009, contre 50 ppm au 1er janvier 2005 (mesurée par la méthode ASTM D-4294). Ces contraintes se traduisent par un besoin de nouvelles unités de raffinage ou bien par une forte augmentation de l'activité à iso-volume des catalyseurs d'hydrotraitement. Ces nouvelles contraintes vont également entraîner un besoin accru en hydrogène dans la raffinerie, nécessaire aux réactions d'hydrodésulfuration, d'hydrodésazotation et d'hydrodéaromatlsation. D'autre part, ces nouvelles normes sont également accompagnées de contraintes en terme de qualité produit. Ainsi, les gazoles doivent présenter un bon indice de cétane. Les réactions d'hydrotraitement des gazoles entraînent également l'hydrogénation de noyaux aromatiques contenus dans lesdites coupes gazoles, ce qui a pour conséquence d'améliorer l'indice de cétane de ladite coupe gazole finale mais peut entraîner une surconsommation d'hydrogène, si l'indice de cétane est déjà aux spécifications.
L'augmentation des performances de l'hydrotraitement des coupes gazoles peut être en partie due au choix du procédé mais dans tous les cas, l'utilisation d'un système catalytique intrinsèquement plus actif est très souvent un facteur clé. Ainsi, de nouvelles techniques de préparation des catalyseurs d'hydrotraitement ont besoin d'être développées pour améliorer encore les performances de ces catalyseurs et satisfaire les législations à venir.
De façon générale, il est admis qu'un catalyseur d'hydrotraitement présentant un fort potentiel catalytique se caractérise par une fonction hydro-déshydrogénante optimisée, c'est à dire une phase active parfaitement dispersée à la surface du support et présentant une teneur en métal élevée. Idéalement, quelle que soit la nature de la charge hydrocarbonée à
traiter, le catalyseur doit pouvoir présenter une accessibilité des sites actifs vis-à-vis des réactifs et produits de réactions tout en développant une surface active élevée, ce qui conduit à des contraintes spécifiques en terme de structure et de texture propres au support oxyde constitutif desdits catalyseurs.
La composition et l'utilisation de catalyseurs classiques d'hydrotraitement de charges hydrocarbonées sont bien décrits dans l'ouvrage "Hydrocracking Science and Technology", 1996, J. Scherzer, A. J. Gruia, Marcel Dekker Inc et dans l'article de B. S. Clausen, H. T. Topsoe, F. E. Massoth, issu de l'ouvrage "Catalysis Science and Technology", 1996, volume 11 , Springer-Verlag. Ainsi, ces catalyseurs se caractérisent généralement par la présence d'une phase active à base d'au moins un métal du groupe VIB et/ou au moins un métal du groupe VIII du tableau périodique des éléments. Les formulations les plus courantes sont de type cobalt-molybdène (CoMo), nickel-molybdène (NiMo) et nickel-tungstène (NiW). Ces catalyseurs peuvent se présenter sous forme massique ou bien à l'état supporté mettant alors en jeu un solide poreux de nature différente. Dans ce dernier cas, le support poreux est généralement un oxyde amorphe ou mal cristallisé tel que par exemple une alumine, ou un aluminosilicate, éventuellement associé à un matériau zéolithique ou non. Après préparation, au moins un métal du groupe VIB et/ou au moins un métal du groupe VIII constitutif (s) desdits catalyseurs se présente(nt) souvent sous forme d'oxyde. La forme active et stable desdits catalyseurs pour les procédés d'hydrotraitement étant la forme sulfurée, ces catalyseurs doivent subir une étape de sulfuration. Celle-ci peut être réalisée dans l'unité du procédé associé, on parle alors de sulfuration in-situ, ou préalablement au chargement du catalyseur dans l'unité, on parle alors de sulfuration ex-situ. Les méthodes usuelles conduisant à la formation de la phase active des catalyseurs d'hydrotraitement consistent en un dépôt de précurseur(s) moléculaire(s) d'au moins un métal du groupe VIB et/ou au moins un métal du groupe VIII sur un support oxyde par la technique dite "d'imprégnation à sec" suivi des étapes de maturation, séchage et calcination conduisant à la formation de la forme oxydée du(des)dit(s) métal(aux) employé(s). Vient ensuite l'étape finale de sulfuration génératrice de la phase active comme mentionné ci- dessus.
Les performances catalytiques de catalyseurs d'hydrotraitement issus de ces protocoles de synthèse "conventionnels" ont largement été étudiées. En particulier, il a été montré que, pour des teneurs en métal relativement élevées, des phases réfractaires à la sulfuration,
formées consécutivement à l'étape de calcination et dues à un phénomène de frittage apparaissent (B. S. Clausen, H. T. Topsoe, et F. E. assoth, issu de l'ouvrage "Catalysis Science and Technology", 1996, volume 11 , Springer-Verlag). Par exemple, dans le cas des catalyseurs de type CoMo ou NiMo supportés sur un support de nature aluminique, ces phases réfractaires à la sulfuration sont soit des cristallites d'oxydes métalliques de formule Mo03, NiO, CoO, CoMo04 ou Co304, de taille suffisante pour être détectés en DRX, soit des espèces du type AI2(Mo04)3, CoAI204 ou NiAI204 soit les deux. Les trois espèces du type AI2(Mo0 )3, CoAI204 ou NiAI204 contenant l'élément aluminium sont bien connues de l'Homme du métier. Elles résultent de l'interaction entre le support aluminique et les sels précurseurs en solution de la phase active, ce qui se traduit concrètement par une réaction entre des ions Al3+ extraits de la matrice aluminique et lesdits sels pour former des hétéropolyanions d'Anderson de formule [AI(OH)6Mo6018]3", eux-mêmes précurseurs des phases réfractaires à la sulfuration. La présence de l'ensemble de ces espèces conduit à une perte indirecte non négligeable de l'activité catalytique du catalyseur d'hydrotraitement associé car la totalité des éléments appartenant au moins à un métal du groupe VIB et/ou au moins un métal du groupe VIII n'est pas utilisée au maximum de son potentiel puisque une partie de ceux-ci est immobilisée dans des espèces peu ou non actives.
Les performances catalytiques des catalyseurs d'hydrotraitement conventionnels décrits ci- dessus pourraient donc être améliorées, notamment en développant de nouvelles méthodes de préparation de ces catalyseurs qui permettraient :
1) d'assurer une bonne dispersion de la phase active, en particulier pour des teneurs en métal élevées par exemple par le contrôle de la taille des particules à base de métaux de transition et le maintien des propriétés de ces particules après traitement thermique,
2) de limiter la formation des espèces réfractaires à la sulfuration par exemple par l'obtention d'une meilleure synergie entre les métaux de transition constitutifs de la phase active et le contrôle des interactions entre la phase active, et/ou ses précurseurs et le support poreux employé,
3) d'assurer une bonne diffusion des réactifs et des produits des réactions tout en maintenant des surfaces actives développées élevées par exemple par l'optimisation des propriétés chimiques, texturales et structurales du support poreux.
Plusieurs voies de recherches concernant le développement de nouveaux catalyseurs d'hydrotraitement des coupes gazoles ont tenté de répondre aux besoins exprimés ci- dessus.
Les travaux de recherche de la demanderesse l'ont donc conduit à préparer des catalyseurs d'hydrotraitement en modifiant la composition chimique et structurale des espèces métalliques précurseurs des phases actives et ainsi en modifiant les interactions entre le support et la phase active du catalyseur et/ou ses précurseurs oxydes. En particulier, les travaux de la demanderesse l'ont conduit à utiliser des polyoxométallates dont la formule est explicitée ci dessous comme précurseurs oxydes particuliers de la phase active des catalyseurs utilisés dans le procédé d'hydrodésulfuration des coupes gazoles selon l'invention.
Par ailleurs, le support oxyde du catalyseur jouant un rôle non négligeable dans le développement de catalyseurs d'hydrotraitement performants dans la mesure où il va induire des modifications des interactions entre le support et le phase active dudit catalyseur et/ou ses précurseurs oxydes, la demanderesse a également dirigé ses travaux de recherche vers la préparation de catalyseurs d'hydrotraitement utilisant des supports oxydes présentant des propriétés texturales particulières.
La demanderesse a donc mis en évidence qu'un catalyseur comprenant, sous sa forme oxyde, au moins un précurseur de phase active sous forme d'au moins un polyoxométallate de formule (HhXxMmOy)q" explicitée ci-dessous, piégés au sein même d'une matrice oxyde mésostructurée silicique servant de support, présentait une activité catalytique améliorée par rapport à des catalyseurs préparés à partir de précurseurs standards ne contenant pas de polyoxométallates, ledit catalyseur étant sulfuré puis mis en œuvre dans un procédé d'hydrodésulfuration d'au moins une coupe gazole selon l'invention.
Un objectif de la présente invention est de fournir un procédé d'hydrodésulfuration d'au moins une coupe gazole mettant en œuvre un catalyseur présentant des performances catalytiques améliorées.
Un autre objectif de la présente invention est de fournir un procédé d'hydrodésulfuration d'au moins une coupe gazole mettant en œuvre un catalyseur présentant des performances catalytiques améliorées, ledit procédé permettant d'obtenir une activité hydrodésulfurante accrue, de maintenir l'indice de cétane de ladite coupe gazole élevée tout en maintenant la consommation en hydrogène dudit procédé constante.
Résumé de l'invention
L'invention concerne un procédé d'hydrodésulfuration d'au moins une coupe gazole mettant en oeuvre un catalyseur comprenant, sous sa forme oxyde, au moins un métal du groupe VIB et/ou au moins un métal du groupe VIII de la classification périodique présent sous forme d'au moins un polyoxométallate de formule (HhXx mOy)q" dans laquelle X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), O est l'oxygène, H est l'hydrogène, h est un entier compris entre 0 et 12, x est un entier compris entre 0 et 4, m est un entier égal à 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , 12 et 18, y est un entier compris entre 17 et 72 et q est un entier compris entre 1 et 20, lesdits polyoxométallates étant présents au sein d'une matrice oxyde silicique mésostructurée ayant une taille de pore comprise entre 1 ,5 et 50 nm et présentant des parois amorphes d'épaisseur comprise entre 1 et 30 nm ledit catalyseur étant sulfuré avant d'être mis en œuvre dans ledit procédé. Intérêt de l'invention
Un des avantages de la présente invention réside dans la mise en œuvre, dans un procédé d'hydrodésulfuration d'au moins une coupe gazole, d'un catalyseur présentant simultanément les propriétés catalytiques propres à la présence de polyoxométallates et les propriétés de réactivité de surface de la matrice oxyde mésostructurée silicique dans laquelle sont piégés lesdits polyoxométallates. Il en résulte donc des propriétés et des interactions innovantes entre lesdits polyoxométallates et le réseau inorganique mésostructuré silicique de ladite matrice. Ces interactions se traduisent par une activité hydrodésulfurante accrue sans augmentation significative de la consommation d'hydrogène par rapport aux catalyseurs décrits dans l'art antérieur, ceci étant du en particulier à une meilleure dispersion de la phase active grâce à l'utilisation d'une matrice oxyde silicique mésostructurée dans laquelle sont piégés des polyoxométallates.
En particulier, le catalyseur décrit selon l'invention permet une hydrodésulfuration ultime des coupes gazoles avec, à iso-activité par rapport aux catalyseurs commerciaux actuels, une consommation en hydrogène réduite. Exposé de l'invention
L'invention concerne un procédé d'hydrodésulfuration d'au moins une coupe gazole.
Charges
La charge mise en oeuvre dans le procédé d'hydrodésulfuration selon l'invention est une coupe gazole contenant du soufre. Les coupes gazoles contiennent généralement une teneur en soufre comprise entre 1 et 5% poids dans le cas d'une coupe gazole issue de la distillation directe (ou gazole straight run selon la terminologie anglo-saxonne) et une teneur en soufre supérieure à 300 ppm dans le cas d'une coupe gazole provenant de procédés de conversion.
Les coupes gazoles mises en oeuvre dans le procédé selon l'invention sont avantageusement choisies parmi les coupes gazoles issues de la distillation directe (ou gazole straight run selon la terminologie anglo-saxonne) seule ou en mélange avec au moins une coupe issue d'une unité de cokéfaction (coking selon la terminologie anglo-saxonne), ou au moins une coupe issue du craquage catalytique (Fluid Catalytic Cracking selon la terminologie anglo-saxonne) ou encore au moins une coupe gazole provenant d'autres procédés de conversion tels que l'hydrocraquage doux ou l'hydrotraitement des résidus. Les coupes gazoles mises en œuvre dans le procédé selon l'invention sont des coupes dont au moins 90% des composés présentent une température d'ébullition comprise entre 250°C et 400°C.
Le procédé d'hydrodésulfuration d'au moins une coupe gazole selon l'invention est avantageusement mis en œuvre à une température comprise entre 250°C et 400°C, de préférence entre 320°C et 380°C à une pression totale comprise entre 2 MPa et 10 MPa et de préférence entre 3 MPa et 9 MPa avec un ratio volume d'hydrogène par volume de charge hydrocarbonée compris entre 100 et 600 litres par litre et de préférence compris entre 200 et 400 litres par litre et à une Vitesse Volumique Horaire (WH) définie par le rapport du débit volumique de charge hydrocarbonée liquide par le volume de catalyseur chargé dans le réacteur comprise entre 1 et 10 h"1, et de préférence entre 2 et 8 h"1.
Selon l'invention, le catalyseur utilisé dans ledit procédé d'hydrodésulfuration comprend sous sa forme oxyde, c'est à dire avant d'avoir subi une étape de sulfuration générant la phase active sulfure, au moins un métal du groupe VIB et/ou au moins un métal du groupe VIII de la classification périodique présent sous forme d'au moins un polyoxométallate de formule (HhXxMmOy)q" explicitée ci-dessus, lesdits polyoxométallates étant présents au sein d'une matrice oxyde silicique mésostructurée.
Plus précisément, lesdits polyoxométallates présents au sein de ladite matrice sont piégés dans les parois de ladite matrice. Lesdits polyoxométallates ne sont donc pas simplement déposés par exemple par imprégnation à la surface des pores de ladite matrice mais sont localisés au sein même des parois de ladite matrice.
La localisation particulière desdits polyoxométallates au sein même des parois de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée permet une meilleure interaction entre ladite matrice servant de support et la phase active et/ou ses précurseurs oxydes comprenant lesdits polyoxométallates. Il en résulte également une amélioration du maintien des propriétés texturales et structurales des matrices oxydes siliciques mésostructurées, une amélioration du maintien de la structure dudit polyoxométallate et de préférence dudit hétéropolyanion après post-traitement du solide final, ainsi qu'une amélioration de la dispersion, de la résistance thermique et de la résistance chimique dudit polyoxométallate.
Par abus de langage et dans toute la suite du texte, nous définissons les polyoxométallates utilisés selon l'invention, comme étant les composés répondant à la formule (HhXxMmOy)q~ dans laquelle X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), O est l'oxygène, H est l'hydrogène, h est un entier compris entre 0 et 12, x est un entier compris entre 0 et 4, m est un entier égal à 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , 12 et 18, y est un entier compris entre 17 et 72 et q est un entier compris entre 1 et 20.
De préférence l'élément M ne peut pas être un atome de nickel ou un atome de cobalt seul.
Les polyoxométallates définis selon l'invention englobent deux familles de composés, les isopolyanions et les hétéropolyanions. Ces deux familles de composés sont définis dans l'article Heteropoly and Isopoly Oxométallates, Pope, Ed Springer-Verlag, 1983.
Les isopolyanions qui peuvent être utilisés dans la présente invention sont des polyoxométallates de formule générale (HhXxMmOy)q" dans laquelle x = 0, les autres éléments ayant la signification précitée.
De préférence, les m atomes M desdits isopolyanions sont soit uniquement des atomes de molybdène, soit uniquement des atomes de tungstène, soit un mélange d'atome de molybdène et de cobalt, soit un mélange d'atomes de molybdène et de nickel, soit un mélange d'atomes de tungstène et de cobalt, soit un mélange d'atomes de tungstène et de
nickel. Parmi les m atomes M desdits isopolyanions, les éléments du groupe VIII se substituent partiellement aux éléments du groupe VIB.
En particulier, dans le cas ou les m atomes M sont soit un mélange d'atome de molybdène et de cobalt, soit un mélange de molybdène et de nickel, soit un mélange d'atomes de tungstène et de cobalt, soit un mélange d'atomes de tungstène et de nickel, les atomes de cobalt et de nickel se substituent partiellement aux atomes de molybdène et de tungstène.
Les m atomes M desdits isopolyanions peuvent également avantageusement être soit un mélange d'atomes de nickel, de molybdène et de tungstène soit un mélange d'atomes de cobalt, de molybdène et de tungstène.
De préférence, dans le cas où l'élément M est le Molybdène (Mo), m est égal à 7. De même, de préférence, dans le cas où l'élément M est le tungstène (W), m est égal à 12.
Les isopolyanons Mo70246" et H2W12O40 6" sont avantageusement utilisés comme précurseurs de phase active dans le cadre de l'invention.
Lesdits isopolyanions se forment avantageusement par réaction des oxoanions de type M04 2" entre eux. Par exemple, les composés molybdiques sont bien connus pour ce genre de réactions, puisque selon le pH, le composé molybdique en solution peut se présenter sous la forme M0O42" ou sous la forme d'un isopolyanion de formule Mo7024 6" qui est obtenu selon la réaction : 7 Mo04 2" + 8 H+→ Mo7024 6" + 4 H20. Dans le cas des isopolyanions dans lesquels M est un atome de tungstène, l'acidification potentielle du milieu réactionnel, en provoquant la formation de tungstates W04 2", peut conduire à générer Γα-métatungstate, 12 fois condensé selon la réaction suivante : 12 W04 2" + 18 H+→ H2W12O40 6" + 8 H20.
Les hétéropolyanions qui peuvent être utilisés dans la présente invention sont des polyoxométallates de formule (HhXxMmOy)q" dans laquelle x = 1 , 2, 3 ou 4, les autres éléments ayant la signification précitée.
Les hétéropolyanions présentent généralement une structure dans laquelle l'élément X est l'atome "central" et l'élément M est un atome métallique pratiquement systématiquement en coordination octaédrique avec X≠ M.
De préférence, les m atomes M sont soit uniquement des atomes de molybdène, soit uniquement des atomes de tungstène, soit un mélange d'atome de molybdène et de cobalt, soit un mélange de molybdène et de nickel, soit un mélange d'atomes de tungstène et de
molybdène, soit un mélange d'atome de tungstène et de cobalt, soit un mélange d'atomes de tungstène et de nickel. De manière préférée, les m atomes M sont soit uniquement des atomes de molybdène, soit un mélange d'atome de molybdène et de cobalt, soit un mélange de molybdène et de nickel. De préférence, les m atomes M ne peuvent pas être uniquement des atomes de nickel, ni uniquement des atomes de cobalt.
Parmi les m atomes M desdits hétéropolyanions, les éléments du groupe VIII se substituent partiellement aux éléments du groupe VIB.
En particulier, dans le cas ou les m atomes M sont soit un mélange d'atome de molybdène et de cobalt, soit un mélange de molybdène et de nickel, soit un mélange d'atomes de tungstène et de cobalt, soit un mélange d'atomes de tungstène et de nickel, les atomes de cobalt et de nickel se substituent partiellement aux atomes de molybdène et de tungstène et de manière préférée aux atomes de molybdène.
De préférence, l'élément X est au moins un atome de phosphore. Les hétéropolyanions sont avantageusement obtenus par polycondensation d'oxoanions de type M04 2" autour d'un ou plusieurs oxoanion(s) de type X04 q" dans lequel la charge q est dictée par la règle de l'octet et la position de l'élément X dans la classification périodique. Il y a alors élimination de molécules d'eau et création de ponts oxo entre les atomes. Ces réactions de condensation sont régies par différents facteurs expérimentaux comme le pH, la concentration des espèces en solution, la nature du solvant, et le rapport m/x étant le rapport du nombre d'atomes d'élément M sur le nombre d'atome d'élément X.
Les hétéropolyanions sont des espèces polyoxométallates chargées négativement. Pour compenser ces charges négatives, il est nécessaire d'introduire des contre-ions et plus particulièrement des cations. Ces cations peuvent avantageusement être des protons H+, ou tout autre cation de type NH4 + ou des cations métalliques et en particulier des cations métalliques de métaux du groupe VIII.
Dans le cas ou les contre-ions sont des protons, la structure moléculaire comprenant l'hétéropolyanion et au moins un proton constitue un hétéropolyacide. Les hétéropolyacides qui peuvent être utilisés comme précurseurs de phase active dans la présente invention peuvent être à titre d'exemple l'acide phosphomolybdique (3H+, PMo12O40 3") ou encore l'acide phosphotungstite (3H+, PW12O40 3").
Dans le cas ou les contre-ions ne sont pas des protons, on parle alors de sel d'hétéropolyanion pour désigner cette structure moléculaire. On peut alors avantageusement
tirer profit de l'association au sein de la même structure moléculaire, via l'emploi d'un sel d'hétéropolyanion, du métal M et de son promoteur, c'est à dire de l'élément cobalt et/ou de l'élément nickel qui peut soit être en position X au sein de la structure de l'hétéropolyanion, soit en substitution partielle d'au moins un atome M de molybdène et/ou de tungstène au sein de la structure de l'hétéropolyanion soit en position de contre ion.
De préférence, les polyoxométallates utilisés selon l'invention, sont les composés répondant à la formule (HhXxMmOy)q" dans laquelle X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), O est l'oxygène, H est l'hydrogène, h est un entier compris entre 0 et 6, x est un entier pouvant être égal à 0, 1 ou 2, m est un entier égal à 5, 6, 7, 9, 10, 11 et 12, y est un entier compris entre 17 et 48 et q est un entier compris entre 3 et 12. De manière plus préférée, les polyoxométallates utilisés selon l'invention, sont les composés répondant à la formule (HhXxMmOy)q" dans laquelle h est un entier égal à 0, 1 , 4 ou 6, x est un entier égal à 0, 1 ou 2, m est un entier égal à 5, 6, 10 ou 12, y est un entier égal à 23, 24, 38, ou 40 et q est un entier égal à 3, 4, 6 et 7, X, M, H et O ayant la signification précitée.
Les polyoxométallates préférés utilisés selon l'invention sont avantageusement choisis parmi les polyoxométallates de formule PMo12O40 3", HPCoMonC o6', HPNiMon04o6", P2M05O236", Co2Mo 0O38H46", CoMo6024H6 3" pris seuls ou en mélange.
Des polyoxométallates préférés qui peuvent avantageusement être utilisés comme précurseurs de phase active du catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention sont les hétéropolyanions dits d'Anderson de formule générale XM6024 q" pour lesquels le rapport m/x est égal à 6 et dans laquelle les éléments X et M et la charge q ont la signification précitée. L'éléments X est donc un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), et q est un entier compris entre 1 et 20 et de préférence compris entre 3 et 12.
La structure particulière desdits hétéropolyanions dits d'Anderson est décrite dans l'article Nature, 1937, 150, 850. La structure desdits hétéropolyanions dits d'Anderson comprend 7
octaèdres situés dans un même plan et reliés entre eux par les arêtes : sur les 7 octaèdres, 6 octaèdres entourent l'octaèdre central contenant l'élément X.
Les hétéropolyanions d'Anderson contenant au sein de leur structure du cobalt et du molybdène ou du nickel et du molybdène sont préférés. Les hétéropolyanions d'Anderson de formule CoMo6024H6 3" et NiMo6024H6 4" sont particulièrement préférés. Conformément à la formule, dans ces hétéropolyanions d'Anderson, les atomes de cobalt et de nickel sont respectivement les hétéroéléments X de la structure.
En effet, lesdits hétéropolyanions combinent dans la même structure le molybdène et le cobalt ou le molybdène et le nickel. En particulier, ceux-ci permettent, lorsqu'ils sont sous forme de sels de cobalt ou de sel de nickel, d'atteindre un rapport atomique dudit promoteur sur le métal M et en particulier un rapport atomique (Co et/ou Ni)/Mo compris entre 0,4 et 0,6. Ce rapport dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo compris entre 0,4 et 0,6 est particulièrement préféré pour maximiser les performances des catalyseurs d'hydrotraitement et en particulier d'hydrodésulfuration mis en œuvre dans le procédé selon l'invention.
Dans le cas où l'hétéropolyanion d'Anderson contient au sein de sa structure du cobalt et du molybdène, un mélange des deux formes monomérique de formule CoMo6024H6 3" et dimérique de formule C02M010O38H46" dudit hétéropolyanion, les deux formes étant en équilibre, peut avantageusement être utilisé. Dans le cas où l'hétéropolyanion d'Anderson contient au sein de sa structure du cobalt et du molybdène, ledit hétéropolyanion d'Anderson est de manière préférée dimérique de formule C02M010O38H46".
Dans le cas où l'hétéropolyanion d'Anderson contient au sein de sa structure du nickel et du molybdène, un mélange des deux formes monomérique de formule
et dimérique de formule ΝΪ2Μθιο038Η48' dudit hétéropolyanion, les deux formes étant en équilibre, peut avantageusement être utilisé. Dans le cas où l'hétéropolyanion d'Anderson contient au sein de sa structure du nickel et du molybdène, ledit hétéropolyanion d'Anderson est de manière préférée monomérique de formule NiMo6024H6 4" .
Des sels d'hétéropolyanions d'Anderson peuvent également être avantageusement utilisés comme précurseurs de phase active selon l'invention. Lesdits sels d'hétéropolyanion d'Anderson sont avantageusement choisis parmi les sels de cobalt ou de nickel de l'ion monomérique 6-molybdocobaltate respectivement de formule CoMoeO^He3", 3/2Co2+ ou CoMo6024H6 3", 3/2Ni2+ présentant un rapport atomique dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo de 0,41 , les sels de cobalt ou de nickel de l'ion dimérique decamolybdocobaltate de formule
Co2Mo1o038H4 , 3Co ou Co2Mo10O38H 3Ni présentant un rapport atomique dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo de 0,5, les sels de cobalt ou de nickel de l'ion 6- molybdonickellate de formule NiMo6024H64", 2Co2+ ou NiMo6024H6 4", 2Ni2+ présentant un rapport atomique dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo de 0,5, et les sels de cobalt ou de nickel de l'ion dimérique decamolybdonickellate de formule Νί2Μο10θ38Η 8", 4Co2+ ou Ni2Mo10O38H4 8", 4Ni2+ présentant un rapport atomique dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo de 0,6.
Les sels d'hétéropolyanions d'Anderson très préférés utilisés dans l'invention sont choisis parmi les sels d'hétéropolyanions dimérique renfermant du cobalt et du molybdène au sein de leur structure de formule Co2Mo10O38H4 6", 3Co2+ et Co2Mo10O38H4 6", 3Ni2+. Un sel d'hétéropolyanions d'Anderson encore plus préféré est le sel d'hétéropolyanion d'Anderson dimérique de formule Co2Mo10O38H4 6", 3Co2+
D'autres polyoxométallates préférés qui peuvent avantageusement être utilisés comme précurseurs de phase active du catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention sont les hétéropolyanions dits de Keggin de formule générale XMi2O40 q" pour lesquels le rapport m/x est égal à 12 et les hétéropolyanions dits de Keggin lacunaire de formule générale XM^C^*1" pour lesquels le rapport m/x est égal à 11 et dans laquelle les éléments X et M et la charge q ont la signification précitée. X est donc un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), et q est un entier compris entre 1 et 20 et de préférence entre 3 et 12.
Lesdites · espèces de Keggin sont avantageusement obtenues pour des gammes de pH variables selon les voies d'obtention décrites dans la publication de A. Griboval, P.
Blanchard, E. Payen, M. Fournier, J. L. Dubois, Chem. Lett., 1997, 12, 1259.
Un hétéropolyanion de Keggin préféré, avantageusement utilisé comme précurseur de phase active selon l'invention, est l'hétéropolyanion de formule PMo12O40 3".
L'hétéropolyanion de Keggin préféré peut également être avantageusement utilisé dans l'invention sous sa forme hétéropolyacide de formule PMo12O40 3", 3H+
Dans lesdits hétéropolyanions de Keggin de formule ci-dessus, au moins un atome de molybdène est substitué respectivement par un atome de nickel, par un atome de cobalt ou par au moins un atome de vanadium.
Lesdits hétéropolyanions mentionnés ci-dessus sont décrits dans les publications de L. G. A. van de Water, J. A. Bergwerff, Bob, G. Leliveld, B. M. Weckhuysen, K. P. de Jong, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 14513 et de D. Soogund, P. Lecour, A. Daudin, B. Guichard, C. Legens, C. Lamonier, E. Payen dans Appl. Catal. B, 2010, 98, 1 , 39.
Des sels d'hétéropolyanions de type Keggin ou Keggin lacunaire peuvent également être avantageusement utilisés comme précurseurs de phase active selon l'invention. Des sels d'hétéropolyanion ou d'hétéropolyacides de type Keggin et Keggin lacunaire préférés sont avantageusement choisis parmi les sels de cobalt ou de nickel des acides phosphomolybdique, silicomolybdique, phosphotungstique ou silicitungstique. Lesdits sels d'hétéropolyanions ou d'hétéropolyacides de type Keggin ou Keggin lacunaire sont décrits dans le brevet US2547380. De préférence, un sel d'hétéropolyanion de type Keggin est le phosphotungstate de nickel de formule 3/2Ni2+ , PW 2O40 3" présentant un rapport atomique du métal du groupe VI sur le métal du groupe VIII, c'est à dire Ni/W de 0,125. D'autres sels d'hétéropolyanions ou d'hétéropolyacides de type Keggin ou Keggin lacunaire pouvant avantageusement être utilisés comme précurseurs de phase active selon l'invention sont les sels d'hétéropolyanions ou d'hétéropolyacides de formule générale ZxXM1204o (ou xZp+, XM1204op x", formule mettant en évidence le contre-ion Zp+),dans laquelle Z est le cobalt et/ou le nickel, X est le phosphore, le silicium ou le bore et M est le molybdène et/ou le tungstène, x prend la valeur de 2 ou plus si X est le phosphore, de 2,5 ou plus si X est le silicium et de 3 ou plus si X est le bore. De tels sels d'hétéropolyanions ou d'hétéropolyacides de type Keggin ou Keggin lacunaire sont décrits dans brevet FR2749778. Ces structures présentent l'intérêt particulier par rapport aux structures décrites dans le brevet US2547380 d'atteindre des rapports atomiques de l'élément du groupe VIII sur l'élément du groupe VI supérieurs et en particulier supérieurs à 0, 25.
Cette augmentation dudit rapport est obtenue par réduction desdits sels d'hétéropolyanions ou d'hétéropolyacides de type Keggin ou Keggin lacunaire. Ainsi la présence d'au moins une partie du molybdène et/ou du tungstène est à une valence inférieure à sa valeur normale de six telle qu'elle résulte de la composition, par exemple, de l'acide phosphomolybdique, phosphotungstique, silicomolybdique ou silicotungstique.
Des rapports atomiques de l'élément du groupe VIII sur l'élément du groupe VI supérieurs sont particulièrement préférés pour maximiser les performances des catalyseurs d'hydrotraitement et en particulier d'hydrodésulfuration mis en œuvre dans le procédé selon l'invention.
Les sels d'hétéropolyanions de Keggin substitué de formule ZxXM1 04oZ'C(Z-2X) dans laquelle Z' est substitué à un atome M et dans laquelle Z est le cobalt et/ou le nickel, X est le phosphore, le silicium ou le bore et M est le molybdène et/ou le tungstène, Z' est le cobalt, le fer, le nickel, le cuivre ou le zinc, et C est un ion H+ ou un cation alkylammonium, x prend la valeur de 0 à 4,5, z une valeur entre 7 et 9, lesdits sels étant décrits dans le brevet FR2764211 peuvent également être avantageusement utilisés comme précurseurs de phase active selon l'invention. Ainsi, lesdits sels d'hétéropolyanions de Keggin correspondent à ceux décrits dans le brevet FR2749778 mais dans lesquels un atome 71 est substitué à un atome M. Lesdits sels d'hétéropolyanions de Keggin substitués sont particulièrement préférés car ils conduisent à des rapports atomiques entre l'élément du groupe VIII et du groupe VI allant jusqu'à 0,5.
Les sels de nickel d'un hétéropolyanion de type Keggin lacunaire décrits dans la demande de brevet FR2935139 peuvent également être avantageusement utilisés comme précurseurs de phase active selon l'invention. Les sels de nickel d'un hétéropolyanion de type Keggin lacunaire comprenant dans sa structure du tungstène présentent une formule générale Nix+y/2XWii-y039.5 2y, zH20 dans laquelle Ni est le nickel, X est choisi parmi le phosphore, le silicium et le bore, W est le tungstène, O est l'oxygène, y = 0 ou 2, x = 3,5 si X est le phosphore, x = 4 si X est le silicium, x = 4,5 si X est le bore et z est un nombre compris entre 0 et 36, et dans laquelle ladite structure moléculaire ne présente aucun atome de nickel en substitution d'un atome de tungstène dans sa structure, lesdits atomes de nickel étant placés en position de contre-ion dans la structure dudit composé. Un avantage de cette invention réside dans la plus grande solubilité de ces sels d'hétéropolyanions.
D'autres polyoxométallates préférés qui peuvent avantageusement être utilisés comme précurseurs de phase active du catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention sont les hétéropolyanions dits de Strandberg de formule HhP2Mo5023(6"h)" dans lequel h est égal à 0, 1 ou 2 et pour lesquels le rapport m/x est égal à 5/2.
La préparation desdits hétéropolyanions de Strandberg est décrite dans l'article de W-C. Cheng, N. P. Luthra, J. Catal., 1988, 109, 163. Il a ainsi été montré par J. A. Bergwerff, T. Visser, B. R. G. Leiiveld, B. D. Rossenaar, K. P. de Jong, B. M. Weckhuysen, Journal of the American Chemical Society 2004, 126, 44, 14548.
Un hétéropolyanions de Strandberg particulièrement préféré utilisé dans l'invention est l'hétéropolyanion de formule P2M05O23 6".
Ainsi, grâce à des méthodes de préparation diverses, de nombreux polyoxométallates et leurs sels associés sont disponibles avec des rapports promoteur X/métal M variables. De manière générale, tous ces polyoxométallates et leurs sels associés peuvent être avantageusement utilisés pour la préparation des catalyseurs mis en œuvre dans le procédé selon l'invention. La liste précédente n'est cependant pas exhaustive et d'autres combinaisons peuvent être envisagées. L'utilisation de polyoxométallates pour la préparation de catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention présente de nombreux avantages du point de vue catalytique. Lesdits polyoxométallates qui sont des précurseurs oxydes associant au sein de la même structure moléculaire au moins un élément du groupe VIB, de préférence le molybdène et/ou le tungstène et/ou au moins un élément du groupe VIII, de préférence le cobalt et/ou le nickel, conduisent, après sulfuration, à des catalyseurs dont les performances catalytiques sont améliorées grâce à un meilleur effet de promotion c'est à dire à une meilleure synergie entre l'élément du groupe VIB et l'élément du groupe VIII.
De préférence, le catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention comprend une teneur massique de l'élément du groupe VIB exprimée en pourcentage poids d'oxyde par rapport à la masse totale du catalyseur comprise entre 1 et 30% poids, de préférence comprise entre 5 et 25% poids et de préférence comprise entre 8 et 23% poids.
Lesdites teneurs sont les teneurs totales en élément du groupe VIB quelque soit la forme dudit élément du groupe VIB présent dans ledit catalyseur et éventuellement quelque soit son mode d'introduction. Lesdites teneurs sont donc représentatives de la teneur en élément du groupe VIB présent soit sous forme d'au moins un polyoxométallate au sein de la matrice oxyde silicique mésostructurée, soit sous toute autre forme dépendant de son mode d'introduction, telle que par exemple sous forme oxyde. De préférence, le catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention comprend une teneur massique de l'élément du groupe VIII exprimée en pourcentage poids d'oxyde par rapport à la masse totale du catalyseur comprise entre 0,1 et 10% poids, de préférence comprise entre 1 et 7% poids et de préférence comprise entre 2 et 6% poids.
Lesdites teneurs sont les teneurs totales en élément du groupe VIII quelque soit la forme dudit élément du groupe VIII présent dans ledit catalyseur et éventuellement quelque soit son mode d'introduction. Lesdites teneurs sont donc représentatives de la teneur en élément du groupe VIII présent soit, sous forme d'au moins un polyoxométallate au sein de la matrice oxyde silicique mésostructurée qu'il soit en position M ou en position X, soit présent sous la forme de contre-ion et/ou éventuellement ajoutés à différentes étapes de la préparation de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comme décrit ci-après, soit sous toute autre forme dépendant de son mode d'introduction, telle que par exemple sous forme oxyde. De préférence, le catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention comprend une teneur massique en élément dopant X choisis parmi le phosphore, le bore et le silicium comprise entre 0,1 et 10% poids, de préférence entre 1 et 6% poids, et de manière encore plus préférée entre 2 et 5% poids d'oxyde par rapport au catalyseur final. Lesdites teneurs sont les teneurs totales en élément dopant choisi parmi le phosphore, le bore et le silicium quelque soit la forme dudit élément dopant présent dans ledit catalyseur et quelque soit son mode d'introduction. Lesdites teneurs sont donc représentatives à la fois de la teneur en élément dopant choisi parmi le phosphore, le bore et le silicium présent sous forme d'au moins un polyoxométallate au sein de la matrice oxyde silicique mésostructurée en position X et/ou éventuellement ajoutés à différentes étapes de la préparation de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comme décrit ci-après, soit sous toute autre forme dépendant de son mode d'introduction, telle que par exemple sous forme oxyde.
Selon l'invention, lesdits polyoxométallates définis ci-dessus sont présents au sein d'une matrice oxyde silicique mésostructurée ayant une taille de pore comprise entre 1 ,5 et 50 nm et présentant des parois amorphes d'épaisseur comprise entre 1 et 30 nm et de préférence entre 1 et 10 nm.
Par matrice oxyde mésostructurée, on entend au sens de la présente invention un solide inorganique présentant une porosité organisée à l'échelle des mésopores de chacune des particules élémentaires constituant ledit solide, c'est-à-dire une porosité organisée à l'échelle des pores ayant une taille uniforme comprise entre 1 ,5 et 50 nm et de préférence entre 1 ,5 et 30 nm et de manière encore plus préférée entre 4 et 16 nm et répartis de façon homogène et régulière dans chacune desdites particules constituant la matrice. La matière située entre les
mésopores de chacune des particules élémentaires de la matrice oxyde du précurseur du catalyseur utilisé dans le procédé selon l'invention est amorphe et forme des parois, ou murs, dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 30 nm et de préférence entre 1 et 10 nm. L'épaisseur des parois correspond à la distance séparant un pore d'un autre pore. L'organisation de la mésoporosité décrite ci-dessus conduit à une structuration de la matrice oxyde, laquelle peut être hexagonale, vermiculaire ou cubique et de façon préférée hexagonale.
Généralement, lesdits matériaux dits mésostructurés sont avantageusement obtenus par des méthodes de synthèse dites de "chimie douce" (G. J. de A. A. Soler-lllia, C. Sanchez, B. Lebeau, J. Patarin, Chem. Rev., 2002, 102, 4093) à basse température via la coexistence en solution aqueuse ou dans des solvants de polarité marquée de précurseurs inorganiques avec des agents structurants, généralement des tensioactifs moléculaires ou supramoléculaires, ioniques ou neutres. Le contrôle des interactions électrostatiques ou par liaisons hydrogènes entre les précurseurs inorganiques et l'agent structurant conjointement lié à des réactions d'hydrolyse/condensation du précurseur inorganique conduit à un assemblage coopératif des phases organique et inorganique générant des agrégats micellaires de tensioactifs de taille uniforme et contrôlée au sein d'une matrice inorganique. Ce phénomène d'auto-assemblage coopératif régi, entre autres, par la concentration en agent structurant peut être induit par évaporation progressive d'une solution de réactifs dont la concentration en agent structurant est inférieure à la concentration micellaire critique, ou bien via la précipitation ou la gélification directe du solide lors de l'emploi d'une solution de précurseurs plus concentrée en réactifs. La libération de la porosité est ensuite obtenue par élimination du tensioactif, celle-ci étant réalisée classiquement par des procédés d'extraction chimique ou par traitement thermique.
En fonction de la nature des précurseurs inorganiques et de l'agent structurant employé ainsi que des conditions opératoires imposées, plusieurs familles de matériaux mésostructurés ont été développées. La famille M41 S est constituée de matériaux mésoporeux obtenus via l'emploi de surfactants ioniques comme des sels d'ammonium quaternaire, possédant une structure généralement hexagonale, cubique ou lamellaire, des pores de taille uniforme comprise dans une gamme de 1 ,5 à 10 nm et des parois amorphes d'épaisseur de l'ordre de 1 à 2 nm. La famille 41 S a initialement été développée par Mobil dans l'article J. S. Beck, J. C. Vartuli, W. J. Roth, M. E. Leonowicz, C. T. Kresge, K. D. Schmitt, C. T.-W. Chu, D. H.
Oison, E. W. Sheppard, S. B. McCullen, J. B. Higgins, J. L. Schlenker, J. Am. Chem. Soc, 1992, 114, 27, 10834.
La famille de matériaux dénommée SBA se caractérise par l'utilisation d'agents structurants macromoléculaires amphiphiles de type copolymères à bloc. Ces matériaux sont caractérisés par une structure généralement hexagonale, cubique ou lamellaire, des pores de taille uniforme comprise dans une gamme de 4 à 50 nm et des parois amorphes d'épaisseur comprise dans une gamme de 3 à 7 nm. La matrice oxyde mésostructurée utilisée dans le catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention est purement silicique.
La matrice oxyde silicique mésostructurée utilisée dans le catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention est avantageusement une matrice mésostructurée appartenant à la famille M41S ou à la famille de matériaux dénommée SBA.
De préférence, ladite matrice oxyde silicique mésostructurée est une matrice du type SBA- 15.
Selon l'invention, lesdits polyoxométallates définis ci-dessus sont présents au sein d'une matrice oxyde silicique mésostructurée. Plus précisément, lesdits polyoxométallates présents au sein de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée, sont piégés au sein même de ladite matrice. De préférence, lesdits polyoxométallates sont présents dans les parois de ladite matrice mésostructurée. L'occlusion desdits polyoxométallates dans les parois de ladite matrice mésostructurée est réalisable par une technique de synthèse dite directe, lors de la synthèse de ladite matrice servant de support par ajout de polyoxométallates désirés aux réactifs précurseurs du réseau inorganique oxyde de la matrice.
Ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois mis en œuvre dans le procédé selon l'invention est avantageusement exclusivement préparée par synthèse directe.
Plus précisément, ladite matrice oxyde silicique mésostructurée est avantageusement obtenue selon un procédé de préparation comprenant : a) une étape de formation d'au moins un polyoxométallate de formule précitée selon une méthode connue de l'Homme du métier, b) une étape de mélange en solution d'au moins un tensioactif, d'au moins un précurseur de silice puis d'au moins un polyoxométallate obtenu selon l'étape a) pour obtenir une solution colloïdale, c) une étape de mûrissement de ladite solution colloïdale obtenue à l'issue de
l'étape b) en temps et en température ; d) une étape éventuelle d'autoclavage de la suspension obtenue à l'issue de l'étape c), e) une étape de filtration de la suspension obtenue à l'issue de l'étape c) et après passage éventuel dans l'étape d'autoclavage, de lavage et de séchage du solide ainsi obtenu, f) une étape d'élimination dudit tensioactif conduisant à la génération de la mésoporosité uniforme et organisée de la matrice mésostructurée, g) une étape optionnelle de traitement du solide obtenu à l'issue de l'étape f) afin de régénérer partiellement ou en intégralité l'entité polyoxométallate éventuellement partiellement ou totalement décomposée lors de l'étape f) et h) une étape de séchage optionnelle dudit solide ainsi obtenu constitué de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois.
L'étape a) de formation d'au moins un polyoxométallate de formule précitée est avantageusement mise en œuvre selon une méthode connue de l'Homme du métier. De préférence, les polyoxométallates décrits ci-dessus ainsi que leurs procédés de préparation associés sont utilisés dans le procédé de préparation de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois.
L'étape b) dudit procédé de préparation consiste en le mélange en solution d'au moins un tensioactif, et d'au moins un précurseur de silice puis d'au moins un polyoxométallate obtenu selon l'étape a) pour obtenir une solution colloïdale.
De préférence, au moins un tensioactif et au moins un précurseur de silice sont mélangés en solution pendant une durée comprise entre 15 minutes et 1 heure puis au moins un polyoxométallate obtenu selon l'étape a) en mélange dans un solution de même nature et de préférence la même solution est ajouté au mélange précédent pour obtenir une solution colloïdale.
L'étape b) de mélange se fait sous agitation à une température comprise entre 25°C et 80°C et de préférence comprise entre 25°C et 50°C pendant une durée comprise entre 5 minutes et 2 h et de préférence entre 30 minutes et 1 h. La solution dans laquelle sont mélangés au moins un tensioactif, au moins un polyoxométallate obtenu selon l'étape a) et au moins un précurseur de silice conformément à l'étape b) dudit procédé de préparation peut avantageusement être acide, basique ou neutre. De préférence, ladite solution est acide ou neutre. Les acides utilisés pour obtenir une solution acide sont avantageusement choisis parmi l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique et
l'acide nitrique. Ladite solution peut avantageusement être aqueuse ou peut avantageusement être un mélange eau-solvant organique, le solvant organique étant de préférence un solvant polaire, de manière préférée un alcool, et de manière plus préférée, le solvant est l'éthanol. Ladite solution peut également être avantageusement pratiquement organique, de préférence pratiquement alcoolique, la quantité d'eau étant telle que l'hydrolyse des précurseurs inorganiques soit assurée. La quantité d'eau est donc de préférence stcechiométrique. De manière très préférée, ladite solution est une solution aqueuse acide. Le tensioactif utilisé pour la préparation du mélange dans l'étape b) dudit procédé de préparation est un tensioactif ionique ou non ionique ou un mélange des deux. De préférence, le tensioactif ionique est choisi parmi les ions phosphonium et ammonium et très préférentiellement parmi les sels d'ammonium quaternaire comme le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB). De préférence, le tensioactif non ionique peut être tout copolymère possédant au moins deux parties de polarités différentes leur conférant des propriétés de macromolécules amphiphiles. Ces copolymères peuvent comporter au moins un bloc faisant partie de la liste non exhaustive des familles de polymères suivantes : les polymères fluorés (-[CH2-CH2-CH2-CH2-O-CO-RI- avec R1 = C4F9, C8F17, etc.), les polymères biologiques comme les polyacides aminés (poly-lysine, alginates, etc.), les dendrimères, les polymères constitués de chaînes de poly(oxyde d'alkylène). De façon générale, tout copolymère à caractère amphiphile connu de l'Homme du métier peut être utilisé (S. Fôrster, M. Antionnetti, Adv. Mater, 1998, 10, 195 ; S. Forster, T. Plantenberg, Angew. Chem. Int. Ed, 2002, 41 , 688 ; H. Colfen, Macromol. Rapid Commun, 2001 , 22, 219). De manière préférée, on utilise un copolymère bloc constitué de chaînes de poly(oxyde d'alkylène). Ledit copolymère bloc est de préférence un copolymère bloc ayant deux, trois ou quatre blocs, chaque bloc étant constitué d'une chaîne de poly(oxyde d'alkylène). Pour un copolymère à deux blocs, l'un des blocs est constitué d'une chaîne de poly(oxyde d'alkylène) de nature hydrophile et l'autre bloc est constitué d'une chaîne de poly(oxyde d'alkylène) de nature hydrophobe. Pour un copolymère à trois blocs, l'un au moins des blocs est constitué d'une chaîne de poly(oxyde d'alkylène) de nature hydrophile tandis que l'un au moins des autres blocs est constitué d'une chaîne de poly(oxyde d'alkylène) de nature hydrophobe. De préférence, dans le cas d'un copolymère à trois blocs, les chaînes de poly(oxyde d'alkylène) de nature hydrophile sont des chaînes de poly(oxyde d'éthylène) notées (PEO)x et (PEO)z et les chaînes de poly(oxyde d'alkylène) de nature hydrophobe sont des chaînes de poly(oxyde
de propylène) notées (PPO)y, des chaînes de poly(oxyde de butylène), ou des chaînes mixtes dont chaque chaîne est un mélange de plusieurs monomères d'oxyde d'alkylène. De manière très préférée, dans le cas d'un copolymère à trois blocs, on utilise un composé de formule (PEO)x-(PPO)y-(PEO)z où x est compris entre 5 et 300 et y est compris entre 33 et 300 et z est compris entre 5 et 300. De préférence, les valeurs de x et z sont identiques. On utilise très avantageusement un composé dans lequel x = 20, y = 70 et z = 20 (P123) et un composé dans lequel x = 106, y = 70 et z = 106 (F127). Les tensioactifs non-ioniques commerciaux connus sous le nom de Pluronic (BASF), Tetronic (BASF), Triton (Sigma), Tergitol (Union Carbide), Brij (Aldrich) sont utilisables en tant que tensioactifs non-ioniques. Pour un copolymère à quatre blocs, deux des blocs sont constitués d'une chaîne de poly(oxyde d'alkylène) de nature hydrophile et les deux autres blocs sont constitués d'une chaîne de poly(oxydes) d'alkylène de nature hydrophobe. De façon préférée, on utilise pour la préparation du mélange de l'étape b) dudit procédé de préparation le mélange d'un tensioactif ionique tel que le CTAB et d'un tensioactif non ionique tel que le P123.
La matrice oxyde mésostructurée utilisée dans le catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention étant purement silicique, le(s) précurseur(s) silicique(s) utilisé(s) pour la formation de la matrice oxyde mésostructurée est(sont) obtenu(s) à partir de toute source de silice et avantageusement d'un précurseur silicate de sodium de formule Na2Si03, d'un précurseur chloré de formule SiCI4, d'un précurseur alcoxyde de formule Si(OR)4 où R = H, méthyle, éthyle ou d'un précurseur chloroalcoxyde de formule Si(OR)4-xClx où R = H, méthyle, éthyle, x étant compris entre 0 et 4. Le précurseur silicique peut également avantageusement être un précurseur alcoxyde de formule Si(OR)4.xR'x où R = H, méthyle, éthyle et R' est une chaîne alkyle ou une chaîne alkyle fonctionnalisée, par exemple par un groupement thiol, amino, β dicétone, acide sulfonique, x étant compris entre 0 et 4.
Un précurseur silicique préféré est le tetraéthylorthosilicate (TEOS) de formule Si(OEt)4 .
Les polyoxométallates décrits ci-dessus et présentant la formule générale précitée sont utilisés dans l'étape b) du procédé de préparation de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois.
Les polyoxométallates préférés sont choisis parmi les sels d'hétéropolyanions d'Anderson de type dimérique contenant au sein de leur structure du cobalt et du molybdène de préférence de formule Co2Mo10O38H4 6", 3Co2+ et Co2Mo1 0O38H 6", 3Ni2+, l'hétéropolyanion de Keggin de formule PMo12O40 3" et l'hétéropolyanion de Strandberg de formule P2M05O236".
L'étape c) dudit procédé de préparation consiste en une étape de mûrissement, c'est à dire à une étape de conservation sous agitation de la dite solution colloïdale obtenue à l'issue de l'étape b) à une température comprise entre 25°C et 80°C et de préférence comprise entre 25°C et 40°C pendant une durée comprise entre 1 h et 48 h et de préférence entre 20 h et 30 h.
A l'issue de l'étape c) de mûrissement, une suspension est obtenue.
L'étape d) optionnelle dudit procédé de préparation consiste en un autoclavage éventuel de la suspension obtenue à l'issue de l'étape c). Cette étape consiste à placer ladite suspension dans une enceinte fermée à une température comprise entre 80°C et 140°C, de préférence comprise entre 90°C et 120°C et de manière encore préférentielle comprise entre 100°C et 110°C de façon à travailler en pression autogène inhérente aux conditions opératoires choisies. L'autoclavage est maintenu pendant une durée comprise entre 12 et 48 heures et de préférence entre 15 et 30 heures. La suspension obtenue à l'issue de l'étape c) est ensuite filtrée selon l'étape e) et le solide ainsi obtenu est lavé et séché. Le lavage dudit solide obtenu après filtration et avant séchage se fait avantageusement avec une solution de même nature que la solution dans laquelle sont mélangés au moins un tensioactif, au moins un hétéropolyanion et au moins un précurseur silicique conformément à l'étape b) dudit procédé de préparation, puis par une solution aqueuse d'eau distillée.
Le séchage dudit solide obtenu après filtration et lavage au cours de l'étape e) dudit procédé de préparation est avantageusement réalisé dans un four à une température comprise entre 25°C et 140°C, de préférence entre 25°C et 100°C et de manière préférée entre 30°C et 80°C et pendant une durée comprise entre 10 et 48 h et de préférence comprise entre 10 et 24 h.
L'étape f) consiste ensuite en une étape d'élimination dudit tensioactif conduisant à la génération de la mésoporosité uniforme et organisée de la matrice mésostructurée.
L'élimination du tensioactif au cours de l'étape f) dudit procédé de préparation afin d'obtenir la matrice mésostructurée utilisé selon l'invention est avantageusement réalisée par traitement thermique et de préférence par calcination sous air à une température comprise entre 300°C et 1000°C et de préférence à une température comprise entre 400°C et 600°C pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures et de préférence pendant une durée comprise entre 6 et 20 heures.
L'étape f) est éventuellement suivie d'une étape g) de traitement du solide afin de régénérer au moins partiellement ou en intégralité l'entité polyoxométallate éventuellement au moins partiellement ou totalement décomposée lors de l'étape f). Dans le cas ou ledit polyoxométallate est totalement décomposée lors de l'étape f), ladite étape g) de régénération est obligatoire. Cette étape consiste avantageusement en un lavage du solide avec un solvant polaire en utilisant un extracteur de type Soxhlet. De manière préférée, le solvant d'extraction est choisi parmi les alcools, l'acétonitrile et l'eau. De préférence le solvant est un alcool et de manière très préférée le solvant est le méthanol. Ledit lavage est réalisé pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures, et de préférence entre 1 et 8 heures à une température comprise entre 65 et 110 °C et de préférence comprise entre 90 et 100°C .
L'extraction au solvant polaire permet non seulement de reformer lesdits polyoxométallates piégés dans les parois de ladite matrice mais aussi d'éliminer lesdits polyoxométallates éventuellement formés à la surface de ladite matrice.
Dans le cas où l'étape g) est obligatoire, ladite étape g) est suivie de l'étape h). L'étape h) consiste en une étape de séchage dudit solide ainsi obtenu ledit solide étant constitué de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois. Le séchage dudit solide est avantageusement réalisé dans un four ou dans une étuve à une température comprise entre 40°C et 140°C de préférence entre 40°C et 100°C et pendant une durée comprise entre 10 et 48 h et de préférence entre 10 et 24 h.
Ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois mise en œuvre dans le procédé selon l'invention présente avantageusement une surface spécifique comprise entre 100 et 1000 m2/g et de manière très avantageuse comprise entre 300 et 500 m2/g.
Ladite matrice oxyde mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois, c'est à dire le catalyseur sous sa forme oxyde, présente une forme de chacune des particules élémentaires la constituant, non homogène, c'est à dire une forme irrégulière et de préférence non sphérique. De préférence, lesdites particules élémentaires constituant ladite matrice comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois sont non sphériques. A l'issue de la méthode de préparation par synthèse dite directe, lesdites particules élémentaires constituant ladite matrice comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois présentent avantageusement une taille moyenne comprise entre 50 nm et 10 microns et de préférence comprise entre 50 nm et 1 micron.
D'autres éléments peuvent avantageusement être ajoutés à différentes étapes de la préparation de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée utilisée dans l'invention. Lesdits éléments sont de préférence choisis parmi les éléments du groupe VIII appelés promoteurs, les éléments dopants et les composés organiques. De manière très préférée, ledit métal du groupe VIII est choisi parmi le nickel et le cobalt et de manière plus préférée, le métal du groupe VIII est constitué uniquement de cobalt ou de nickel. De manière encore plus préférée, le métal du groupe VIII est le cobalt. Les éléments dopants sont de préférence choisis parmi le bore, le silicium, le phosphore et le fluor. Lesdits éléments peuvent avantageusement être ajoutés seuls ou en mélange au cours d'une ou de plusieurs étapes du procédé de préparation de ladite matrice choisies parmi les étapes i), ii), iii) et iv) suivantes. i) Lesdits éléments peuvent avantageusement être introduits lors de l'étape b) de mélange en solution d'au moins un tensioactif, d'au moins un précurseur de silice puis d'au moins un polyoxométallate obtenu selon l'étape a) pour obtenir une solution colloïdale, du procédé de préparation de ladite matrice.
ii) Lesdits éléments peuvent avantageusement être introduits après l'étape f) et avant l'étape g) dudit procédé de préparation. Lesdits éléments peuvent avantageusement introduites par toute technique connue de l'Homme du métier et de manière avantageuse par imprégnation à sec. iii) Lesdits éléments peuvent avantageusement être introduits après l'étape h) de séchage dudit procédé de préparation avant mise en forme. Lesdits éléments peuvent avantageusement être introduits par toute technique connue de l'Homme du métier et de manière avantageuse par imprégnation à sec. iv) Lesdits éléments peuvent avantageusement être introduits après l'étape de mise en forme de ladite matrice. Lesdits éléments peuvent avantageusement être introduits par toute technique connue de l'Homme du métier et de manière avantageuse par imprégnation à sec.
Après chacune des étapes ii) iii) ou iv) décrites ci-dessus, le solide obtenu constitué de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois peut avantageusement subir une étape de séchage et éventuellement une étape
de calcination sous air éventuellement enrichi en 02 à une température comprise entre 200 et 600°C et de préférence comprise entre 300 et 500°C pendant une durée comprise entre 1 et 12 heures et de façon préférée pendant une durée comprise entre 2 et 6 heures. Les sources d'éléments du groupe VIII qui peuvent avantageusement être utilisées, sont bien connues de l'Homme du métier. Les nitrates de préférence choisis parmi le nitrate de cobalt et le nitrate de nickel, les sulfates, les hydroxydes choisis parmi les hydroxydes de cobalt et les hydroxydes de nickel, les phosphates, les halogénures choisis parmi les chlorures, les bromures et les fluorures, les carboxylates choisis parmi les acétates et les carbonates peuvent avantageusement être utilisés comme sources d'éléments du groupe VIII.
Les éléments promoteurs du groupe VIII sont avantageusement présents dans le catalyseur à des teneurs comprises entre 0,1 et 10% poids, de préférence entre 1 et 7% poids d'oxyde par rapport au catalyseur final.
Les éléments dopants pouvant avantageusement être introduit sont avantageusement choisis parmi le bore, le silicium, le phosphore et le fluor pris seuls ou en mélange. L'élément dopant est un élément ajouté, qui en lui-même ne présente aucun caractère catalytique mais qui accroît l'activité catalytique du(des) métal(taux).
Ledit élément dopant peut être avantageusement introduit seul ou en mélange lors de la synthèse dudit matériau utilisé dans l'invention. Il peut également être introduit par imprégnation du matériau utilisé selon l'invention avant ou après séchage, avant ou après réextraction. Enfin, ledit dopant peut-être introduit par imprégnation dudit matériau utilisé dans l'invention après mise en forme.
Les éléments dopants sont avantageusement présents dans le catalyseur utilisé selon la présente invention à une teneur comprise entre 0,1 et 10% poids, de préférence entre 0,5 et 8% poids, et de manière encore plus préférée entre 0,5 et 6% poids d'oxyde par rapport au catalyseur final.
La source de bore peut avantageusement être l'acide borique, de préférence l'acide orthoborique H3B03, le diborate ou le pentaborate d'ammonium, l'oxyde de bore, les esters boriques. Le bore peut également être introduit en même temps que le(s) élément(s) du groupe VIB sous la forme d'hétéropolyanions de Keggin, Keggin lacunaire, Keggin substitués tel que par exemple sous la forme de l'acide boromolybdique et de ses sels, ou de l'acide borotungstique et de ses sels lors de la synthèse de ladite matrice. Le bore, lorsqu'il n'est pas introduit lors de la synthèse de ladite matrice mais en post-imprégnation, peut
avantageusement être introduit par exemple par une solution d'acide borique dans un mélange eau/alcool ou encore dans un mélange eau/ethanolamine. Le bore peut également avantageusement être introduit sous la forme d'un mélange d'acide borique, d'eau oxygénée et un composé organique basique contenant de l'azote tels que l'ammoniaque, les aminés primaires et secondaires, les aminés cycliques, les composés de la famille de la pyridine et des quinoléines et les composés de la famille du pyrrole.
La source de phosphore peut avantageusement être l'acide orthophosphorique H3P0 , les sels et esters correspondants ou les phosphates d'ammonium. Le phosphore peut également avantageusement être introduit en même temps que le(s) élément(s) du groupe VIB sous la forme d'hétéropolyanions de Keggin, Keggin lacunaire, Keggin substitué ou de type Strandberg tel que par exemple sous la forme d'acide phosphomolybdique et de ses sels, de l'acide phosphotungstique et ses sels, lors de la synthèse de ladite matrice. Le phosphore, lorsqu'il n'est pas introduit lors de la synthèse de ladite matrice mais en post- imprégnation, peut avantageusement être introduit sous la forme d'un mélange d'acide phosphorique et d'un composé organique basique contenant de l'azote tels que l'ammoniaque, les aminés primaires et secondaires, les aminés cycliques, les composés de la famille de la pyridine et des quinoléines et les composés de la famille du pyrrole. Les sources de fluor qui peuvent avantageusement être utilisées sont bien connues de l'Homme du métier. Par exemple, les anions fluorures peuvent être introduits sous forme d'acide fluorhydrique ou de ses sels. Ces sels sont formés avec des métaux alcalins, l'ammonium ou un composé organique. Dans ce dernier cas, le sel est avantageusement formé dans le mélange réactionnel par réaction entre le composé organique et l'acide fluorhydrique. Le fluor, lorsqu'il n'est pas introduit lors de la synthèse de ladite matrice mais en post-imprégnation, peut avantageusement être introduit par exemple par imprégnation d'une solution aqueuse d'acide fluorhydrique, ou de fluorure d'ammonium ou encore de difluorure d'ammonium. Une fois l'élément dopant introduit par post-imprégnation, l'Homme du métier peut procéder avantageusement à un séchage à une température avantageusement comprise entre 90 et 150°C et par exemple à 120°C, et éventuellement ensuite à une calcination de façon préférée sous air en lit traversé, à une température avantageusement comprise entre 300 et 700°C et par exemple à 450°C pendant 4 heures.
Les composés organiques ajoutés sont de préférence choisis parmi les agents chélatants, les agents non chélatants, les agents réducteurs et les additifs connus de l'Homme du métier. Lesdits composés organiques sont avantageusement choisis parmi les mono-, di- ou polyalcools éventuellement éthérifiés, les acides carboxyliques, les sucres, les mono, di ou polysaccharides non cycliques tels que le glucose, le fructose, le maltose, le lactose ou le sucrose, les esters, les éthers, les éthers-couronnes, les composés contenant du soufre ou de l'azote comme l'acide nitriloacétique, l'acide éthylènediaminetétraactique, ou la diéthylènetriamine. Ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois et servant de support du catalyseur peut être obtenue sous forme de poudre, de billes, de pastilles, de granulés ou d'extrudés, les opérations de mises en forme étant réalisées selon les techniques classiques connues de l'Homme du métier. De préférence, ladite matrice oxyde silicique mésostructurée utilisé selon l'invention est obtenue sous forme de poudre et utilisée mise en forme sous forme d'extrudés ou de billes.
Lors de ces opérations de mise en forme, il est également possible d'ajouter à ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois, au moins un matériau oxyde poreux de préférence choisi dans le groupe formé par l'alumine, la silice, la silice-alumine, la magnésie, l'argile, l'oxyde de titane, l'oxyde de zirconium, l'oxyde de lanthane, l'oxyde de cérium, les phosphates d'aluminium, les phosphates de bore, ou un mélange d'au moins deux des oxydes cités ci-dessus et les combinaisons alumine-oxyde de bore, les mélanges alumine-titane, alumine-zircone et titane-zircone. Il est également possible d'ajouter les aluminates, tels que par exemple les aluminates de magnésium, de calcium, de baryum, de manganèse, de fer, de cobalt, de nickel, de cuivre et de zinc, les aluminates mixtes tels que par exemple ceux contenant au moins deux des métaux cités ci-dessus. Il est également avantageusement possible d'ajouter les titanates, tels que par exemple les titanates de zinc, nickel, cobalt. Il est également avantageusement possible d'employer des mélanges d'alumine et de silice et des mélanges d'alumine avec d'autres composés tels que par exemple les éléments du groupe VIB, le phosphore, le fluor ou le bore. Il est également possible d'employer des argiles simples synthétiques ou naturelles de type phyllosilicate 2:1 dioctaédrique ou phyllosilicate 3:1 trioctaédrique telles que la kaolinite, l'antigorite, la chrysotile, la montmorillonnite, la beidellite, la vermiculite, le talc, l'hectorite, la saponite, la laponite. Ces argiles peuvent être
éventuellement délaminées. Il est également avantageusement possible d'utiliser des mélanges d'alumine et d'argile et des mélanges de silice-alumine et d'argile.
Ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois est caractérisée par plusieurs techniques d'analyses et notamment par diffraction des rayons X aux bas angles (DRX aux bas angles), par diffraction des rayons X aux grands angles (DRX), par volumétrie à l'azote (BET), par microscopie électronique à transmission (MET) éventuellement couplée à une analyse X, par microscopie électronique à balayage (MEB), par fluorescence X (FX) et par toute technique connue de l'Homme du métier pour caractériser la présence de polyoxométallates comme les spectroscopies Raman en particulier, UV-visible ou encore infrarouge ainsi que les microanalyses. Des techniques telles que la résonance magnétique nucléaire (RMN) ou encore la résonance paramagnétique électronique (RPE) (notamment dans le cas de l'utilisation d'hétéropolyanions réduits), pourront aussi également être utilisées selon le type d'hétéropolyanions employés.
A l'issu du procédé de préparation décrit ci-dessus, le catalyseur se présente, sous sa forme oxyde, sous la forme d'un solide constitué d'une matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois.
Conformément à l'invention, ledit catalyseur, sous sa forme oxyde, est sulfuré avant d'être mis en œuvre dans le procédé d'hydrodésulfuration selon l'invention.
Cette étape de sulfuration génère la phase sulfure active. En effet, la transformation d'au moins un polyoxométallate piégé dans la matrice oxyde mésostructurée en sa phase active sulfurée associée est avantageusement réalisée par sulfuration, c'est à dire par un traitement en température de ladite matrice au contact d'un composé organique soufré décomposable et générateur d'H2S ou directement au contact d'un flux gazeux d'H2S dilué dans H2 à une température comprise entre 200 et 600°C et de préférence comprise entre 300 et 500°C selon des procédés bien connus de l'Homme du métier. Plus précisément, la sulfuration est réalisée 1 ) dans une unité du procédé elle-même à l'aide de la charge à traiter en présence d'hydrogène et d'hydrogène sulfuré (H2S) introduit tel quel ou issu de la décomposition d'un composé soufré organique, on parle alors de sulfuration in-situ ou 2) préalablement au chargement du catalyseur dans l'unité, on parle alors de sulfuration ex-situ. Dans le cas d'une sulfuration ex-situ, des mélanges gazeux peuvent avantageusement être mis en œuvre tels que les mélanges H2/H2S ou N2/H2S. Le catalyseur sous sa forme oxyde peut
aussi avantageusement être sulfuré ex-situ à partir de composés modèles en phase liquide, l'agent sulfurant étant alors choisi parmi le diméthyldisulfure (DMDS), le diméthylsulfure, le n- butylmercaptan, les composés polysulfures de type tertiononylpolysulfure, ceux-ci étant dilués dans une matrice organique composée de molécules aromatiques ou alkyles.
Avant ladite étape de sulfuration, ledit catalyseur sous sa forme oxyde constitué d'une matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates piégés dans ses parois peut avantageusement être prétraité thermiquement selon des méthodes bien connues de l'Homme du métier, de préférence par calcination sous air à une température comprise entre 300 et 1000°C et de préférence une température comprise entre 500 à 600°C pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures et de préférence pendant une durée comprise entre 6 et 15 heures.
Selon un mode de réalisation préféré, les polyoxométallates piégés dans les parois de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée peuvent avantageusement être sulfurés partiellement ou totalement au moment du procédé de préparation par synthèse directe de ladite matrice oxyde silicique mésostructurée comprenant lesdits polyoxométallates utilisée selon l'invention et de préférence au cours de l'étape b) dudit procédé de préparation, par l'introduction dans la solution, en plus d'au moins un tensioactif, d'au moins un polyoxométallate et d'au moins un précurseur de silice, de précurseurs soufrés avantageusement choisis parmi la thiourée, la thioacétamide, les mercaptans, les sulfures et les disulfures. La décomposition à basse température, c'est à dire à une température comprise entre 80 et 90°C desdits précurseurs soufrés, soit lors de l'étape c) de mûrissement soit lors de l'étape d) d'autoclavage entraine la formation de H2S permettant ainsi la sulfuration desdits polyoxométallates.
Selon un autre mode de réalisation préféré, la sulfuration partielle ou totale desdits polyoxométallates peut avantageusement être réalisée par introduction desdits précurseurs soufrés dans l'étape g) de régénération partielle ou totale desdits polyoxométallates piégés dans ladite matrice oxyde silicique mésostructurée du catalyseur utilisé dans l'invention.
Le catalyseur mis en œuvre dans le procédé d'hydrodésulfuration selon l'invention peut avantageusement être utilisé dans tout procédé, connu de l'Homme du métier, permettant de désulfurer des coupes hydrocarbonées, et de préférence des coupes essences de craquage catalytique. Le procédé d'hydrodésulfuration selon l'invention peut avantageusement être
mis en œuvre dans tout type de réacteur opéré en lit fixe ou en lit mobile ou en lit bouillonnant. De préférence, ledit procédé d'hydrodésulfuration est mis en uvre dans un réacteur opéré en lit fixe. L'invention est illustrée au moyen des exemples qui suivent. Exemples
Les exemples qui suivent précisent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Exemple 1 (non conforme) : préparation d'un catalyseur A1 de formulation CoMo à base de cobalt et de molybdène déposée par imprégnation à sec du support alumine d'une solution contenant les précurseurs moléculaires classiques correspondants.
Le support utilisé est une alumine de transition présentant des propriétés texturales (surface spécifique, volume poreux, diamètre de pores) respectivement de (260 m2/g, 0,58 ml/g, 8,2 nm donnée max à la désorption). Le catalyseur A1 est préparé selon la méthode qui consiste à réaliser une imprégnation à sec en deux étapes d'une solution aqueuse préparée à partir d'heptamolybdate d'ammonium
et de nitrate de cobalt Co(N03)2,6H20. Une étape de séchage de 2 heures à 120°C est réalisée de manière intermédiaire entre les deux imprégnations à sec. Après une maturation de 2 heures, les extrudés sont séchés à 100°C une nuit, puis calcinés sous oxygène à 500°C pendant 4 heures.
Le catalyseur A1 de formulation CoMo, ainsi obtenu à l'état oxyde a une teneur en molybdène de 16,3 exprimé en % poids d'oxyde Mo03 par rapport à la masse totale du catalyseur et une teneur en cobalt de 4,10 exprimé en % poids d'oxyde CoO, les pourcentages étant exprimés en pourcentage d'oxyde par rapport à la masse totale du catalyseur. Le ratio molaire Co/Mo de ce catalyseur est de 0,48.
Le catalyseur A1 présente des propriétés texturales de surface spécifique, de volume poreux, et de diamètre de pores respectivement de 210 m2/g, 0,48 ml/g et 8 nm. Le catalyseur A1 obtenu a été analysé par spectroscopie Raman. Aucune bande caractéristique de la présence d'un hétéropolyanion n'est détectée.
Exemple 2 (non conforme) : préparation d'un catalyseur A2 de formulation CoMoP à base de cobalt, de molybdène et de phosphore déposée par imprégnation à sec du support alumine d'une solution contenant l'hétéropolvanion de Strandberq de formule P^MosO^
Le support utilisé est une alumine de transition présentant des propriétés texturales de surface spécifique, de volume poreux et de diamètre de pores respectivement de 260 m2/g, 0,58 ml/g et 8,2 nm. Le catalyseur A2 est préparé selon la méthode qui consiste à réaliser une imprégnation à sec d'une solution aqueuse contenant l'hétéropolyanion de Strandberg de formule P2M05O236" ledit hétéropolyanion étant obtenu par solubilisation du trioxyde de molybdène (Mo03) par l'acide orthophosphorique (H3P04) à reflux dans les proportions stcechiométriques, et de l'hydroxyde de cobalt Co(OH)2 est ensuite ajouté à la solution limpide.
Le volume de la solution contenant les précurseurs des métaux est rigoureusement égal au volume poreux de la masse de support. Les concentrations en précurseurs de la solution aqueuse sont ajustées de manière à déposer sur le support les teneurs pondérales souhaitées.
Le spectre Raman de la solution préparée présente bien les bandes caractéristiques de l'hétéropolyanion de Strandberg
Les concentrations en précurseurs de la solution aqueuse sont ajustées de manière à déposer sur le support les teneurs pondérales souhaitées. Le catalyseur est ensuite séché pendant 12 heures à 120°C.
Le catalyseur A2 ainsi obtenu à l'état oxyde, de formulation CoMoP a une teneur en molybdène de 18% exprimée en % poids de trioxyde de molybdène Mo03, une teneur en cobalt de 3,5 exprimé en % poids d'oxyde de cobalt et une teneur en phosphore de 3,55 exprimée en % poids d'oxyde de P205. Le ratio atomique Co/Mo de ce catalyseur est de 0,37 et le rapport molaire P/Mo est de 0,4. Ce catalyseur est non conforme à l'invention.
Le catalyseur A2 présente des propriétés texturales (surface spécifique, volume poreux, diamètre de pores) respectivement de (205 m2/g, 0,42 ml/g, 8 nm). Ce catalyseur est non conforme à l'invention.
Le catalyseur obtenu a été analysé par spectroscopie Raman. Il révèle une bande dissymétrique à 953 et 929 cm"1, ainsi que les bandes secondaires à 878, 399, and 371 cm"1 caractéristiques de l'hétéropolyanion de Strandberg P2Mo50236", en accord avec les précédents résultats publiés par J. A. Bergwerff, T. Visser, B. R. G. Leliveld, B. D. Rossenaar, K. P. de Jong, B. M. Weckhuysen, J. Am. Chem. Soc, 2004, 126, 44, 14548.
Exemple 3 (non conforme) : préparation d'un catalyseur B1 de formulation CoMo à base de cobalt et de molybdène déposée par imprégnation à sec du support silicique mésostructuré de type SBA-15 d'une solution contenant les précurseurs moléculaires classiques correspondants.
Un matériau silicique mésostructuré de type SBA-15 est synthétisé conformément à l'enseignement de la publication D. Zhao, J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, G. H. Frederickson, B. F. Chmelka, G. D. Stucky, Science, 1998, 279, 548, de la façon suivante :
2 g de F127 (PEC oPPO-ioePEOyo) et 1 ,3 g de PPO (polyoxyde de propylène) sont dispersés dans 75 ml d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique à 1 ,7 mol/l sous agitation. 4,25 g de tetraéthylorthosilicate (Si(OEt) , TEOS) sont ajoutés à la solution homogène et l'ensemble est laissé sous agitation à 40°C pendant 24 heures. La suspension ainsi obtenue est alors versée dans un autoclave tefloné de 250 ml et laissée à 100°C pendant 24 heures. Le solide est alors filtré. La poudre est ensuite séchée à l'air à 100°C puis calcinée à 550°C sous air pendant 4 h afin de décomposer le copolymère et ainsi libérer la porosité. Le solide présente des propriétés texturales de surface spécifique, de volume poreux, et de diamètre de pores respectivement de 450 m2/g, 0,8 ml/g, 8 nm.
Le catalyseur B1 est préparé selon la méthode qui consiste à réaliser une imprégnation à sec d'une solution aqueuse préparée à partir d'heptamolybdate d'ammonium et de nitrate de cobalt, le volume de la solution contenant les précurseurs des métaux étant rigoureusement égal au volume poreux de la masse de support. Les concentrations en précurseurs de la solution aqueuse sont ajustées de manière à déposer sur le support les teneurs pondérales souhaitées. Le catalyseur est ensuite séché pendant 12 heures à 120°C puis calciné sous air à 500°C pendant 2 heures.
Le catalyseur B1 ainsi obtenu à l'état oxyde, de formulation CoMo a une teneur en molybdène de 18 exprimée en % poids d'oxyde Mo03, et une teneur en cobalt de 4,2% exprimée en % poids d'oxyde CoO. Le ratio atomique Co/Mo de ce catalyseur est de 0,45. Ce catalyseur est non conforme à l'invention.
L'analyse isotherme d'adsorption d'azote révèle une surface BET de 360 m2/g pour un volume poreux de 0,62 ml/g avec un diamètre moyen poreux de 9,1 nm. Ce catalyseur est non conforme à l'invention.
Exemple 4 (non conforme) : préparation d'un catalyseur B2 CoMoP à base de cobalt, de molybdène et de phosphore déposée par imprégnation à sec du support silicique
mésostructuré de type SBA-15 d'une solution contenant l'hétéropolvanion de Strandberq de formule ΡΜθζΟ& ' .
Un matériau silicique mésostructuré de type SBA-15 est synthétisé comme dans l'exemple 3. Le solide obtenu présente les propriétés texturales suivantes et en particulier une surface spécifique, un volume poreux, et un diamètre de pores respectivement de 450 m2/g, 0,8 ml/g et 8 nm. Le catalyseur B2 est préparé selon la méthode qui consiste à réaliser une imprégnation à sec d'une solution aqueuse contenant l'hétéropolyanion de Strandberg de formule P2M05O23 6" obtenu par solubilisation du trioxyde de molybdène Mo03 par l'acide orthophosphorique H3P04 à reflux, dans les proportions stœchiométriques et de l'hydroxyde de cobalt Co(OH)2.
Le volume de la solution contenant les précurseurs des métaux est rigoureusement égal au volume poreux de la masse de support. Les concentrations en précurseurs de la solution aqueuse sont ajustées de manière à déposer sur le support les teneurs pondérales souhaitées.
Le spectre Raman de la solution préparée présente bien les bandes caractéristiques de l'hétéropolyanion de Strandberg
Les concentrations en précurseurs de la solution aqueuse sont ajustées de manière à déposer sur le support les teneurs pondérales souhaitées. Le catalyseur est ensuite séché pendant 12 heures à 120°C.
Le catalyseur B2 ainsi obtenu à l'état oxyde, de formulation CoMoP a une teneur en molybdène de 18% exprimé en % poids de trioxyde de molybdène Mo03, une teneur en cobalt de 3,7 exprimé en % poids d'oxyde de cobalt et une teneur en phosphore de 3,6 exprimé en % poids d'oxyde de P2O5. Le ratio atomique Co/Mo de ce catalyseur est de 0,4 et le rapport molaire P/Mo est de 0,4. Ce catalyseur est non conforme à l'invention.
L'analyse isotherme d'adsorption d'azote révèle une surface BET de 356 m2/g -pour un volume poreux de 0,6 ml/g avec un diamètre moyen poreux de 9,0 nm. Ce catalyseur est non conforme à l'invention.
Le catalyseur obtenu a été analysé par spectroscopie Raman. Il révèle une bande dissymétrique à 952 et 928 cm"1, ainsi que les bandes secondaires à 877, 398, and 370 cm"1 caractéristiques de l'hétéropolyanion de Strandberg P2Mo50236", en accord avec les précédents résultats publiés par J. A. Bergwerff, T. Visser, B. R. G. Leliveld, B. D. Rossenaar, K. P. de Jong, B. M. Weckhuysen, J. Am. Chem. Soc, 2004, 126, 44, 14548.
Exemple 5 (conforme à l'invention) : préparation d'un catalyseur C de formulation CoMoP comprenant l'hétéropolvanion de Strandberg de formule PgMosO? " Piégé dans une matrice silicique mésostructurée de type SBA-15
La matrice silicique mésostructurée SBA-15 comprenant l'hétéropolvanion de Standberg de formule P2M05O236" piégé dans ses parois est obtenue par synthèse directe selon le procédé de préparation suivant : l'hétéropolyanion de Standberg de formule P2M05O23 6" est obtenu par solubilisation du trioxyde de molybdène M0O3 par l'acide orthophosphorique H3P04 à reflux, dans les proportions stcechiométriques.
0,1 g de tensioactif bromure de cétyltriméthylammoniuim (CTAB) et 2,0 g de tensioactif Pluronic P123 (PEO20PPO70PEO20) sont dissous dans 62,5 g d'une solution d'acide chlorhydrique à 1 ,9 mol/l. 4,1 g de précurseur de silice tetraéthylorthosilicate (TEOS) de formule Si(OEt)4 sont alors ajoutés, puis le milieu est agité pendant 45 min. 0,27 g de trioxyde de molybdène M0O3 sont solubilisés dans 0,07 g d'acide orthophosphorique H3P04 à reflux pour obtenir l'hétéropolyanion de Strandberg de formule P2M05O23 6" dans une solution S1. La solution S1 est ensuite ajoutée au mélange ci-dessus. La solution colloïdale obtenue est ensuite laissée sous agitation pendant 20 heures à 40°C. La suspension est transvasée dans un autoclave téfloné pour un traitement à une température de 100°C pendant 24 heures. La suspension ainsi obtenue est alors filtrée puis le solide, après lavage avec 30 ml de la solution d'acide chlorhydrique à 1 ,9 mol/l et 60 ml d'eau distillée, est séché une nuit à l'étuve à 40°C. Le solide obtenu est alors calciné à une température palier de 490°C pendant 19 heures de manière à éliminer les tensioactifs et à libérer la mésoporosité dudit solide.
Le solide obtenu est ensuite introduit dans un extracteur de type Soxhlet et le système est porté à reflux en présence de méthanol pendant 4 heures de manière à régénérer partiellement l'hétéropolyanion partiellement décomposé lors de l'étape de calcination. Le solide est ensuite séché pour évacuer le solvant à une température de 90°C pendant 12 heures.
Le solide obtenu constitué de la matrice silicique mésostructurée SBA-15 comprenant l'hétéropolyanion de Standberg de formule P2Mo5023 6" piégé dans ses parois est alors imprégné à sec par une solution de nitrate de cobalt puis séché à 120°C pendant 12 heures pour évacuer l'eau. Les teneurs finales exprimées en % poids d'oxydes CoO, M0O3 et P205 sont respectivement de 3,6/18.0/3,55 par rapport à la masse totale du catalyseur. Le ratio atomique Co/Mo du catalyseur C est de 0,4 et le rapport molaire P/Mo est de 0,4. Le
catalyseur C présente les propriétés texturales suivantes et en particulier une surface spécifique, un volume poreux, et un diamètre de pores respectivement de 348 m2/g, 0,97 ml/g, et 7,5 nm et est conforme à l'invention.
Le catalyseur C obtenu a été analysé par spectroscopie Raman. Il révèle une bande dissymétrique à 954 et 928 cm"1, ainsi que les bandes secondaires à 877, 394, and 370 cm"1 caractéristiques de l'hétéropolyanion de Standberg de formule P2M05O23 6". Le léger déplacement des bandes du catalyseur C par rapport à une solution contenant l'hétéropolyanion seul provient de l'interaction dudit hétéropolyanion avec le support.
Les catalyseurs A1 , A2, B1 , C1 , et C obtenus dans les exemples 1 , 2, 3, 4 et 5 se présentent sous forme de poudre. Afin de tester ces catalyseurs, ils sont préalablement mis en forme. Pour chaque exemple, les poudres obtenues sont pastillées puis concassées. Les catalyseurs sont alors testés sous forme de particules de granullométrie comprise entre 1 et 2 mm.
Le tableau 1 résume les formulations des catalyseurs, conformes et non conformes à l'invention.
Tableau 1 : descriptif des catalyseurs conformes et non conformes à l'invention.
Exemple 7 : comparaison des catalyseurs en tests sur charges réelles
Les catalyseurs précédemment décrits ont été comparés en hydrodésulfuration d'un gazole issu de la distillation directe.
Les principales caractéristiques de la charge sont données ci-après :
Densité à 15°C : 0,8484
Soufre : 1 ,21% en poids
Distillation Simulée
PI 165°C
10% 253°C
50% 308°C
90% 370°C
PF 409°C
Le test est mené dans un réacteur pilote isotherme à lit fixe traversé, les fluides circulant de bas en haut. Après sulfuration in situ à 350°C dans l'unité sous pression au moyen du gazole du test auquel est additionné 2% en poids de diméthyldisulfure, le test d'hydrodésulfuration a été conduit dans les conditions opératoires suivantes :
Rapport H2/HC : 400 l/l
Pression totale : 7 MPa
Volume de catalyseur : 40
Température : 340°C
Débit d'hydrogène : 32 l/h
Débit de charge : 80 cm3/h
- Vitesse Volumique Horaire : 2 h"1.
Les performances catalytiques des catalyseurs testés sont données dans le tableau suivant. Elles sont exprimées en activité relative, en posant que celle du catalyseur A1 est égale à 100 et en considérant qu'elles sont d'ordre 1 ,5. La relation liant l'activité et la conversion en hydrodésulfuration (%HDS) est la suivante :
- 100 η ς _
Ahds " [ (100 - %HDS) ] ' 1
Tableau 2 : activité des catalyseurs en hydrodésulfuration de gazole
L'imprégnation d'une solution contenant l'hétéropolyanion de Standberg de formule P2Mo5023 6" sur un support alumine (catalyseur A2, non conforme) permet d'améliorer l'activité d'un catalyseur par rapport au catalyseur de référence A1.
L'utilisation d'une silice mésoporeuse de type SBA15, sans précaution particulière de préparation, c'est à dire en imprégnant sur ladite silice une solution contenant les précurseurs de cobalt et de molybdène, entraine une chute d'activité de près de 50% (catalyseur B1 , non conforme) par rapport au catalyseur de référence A1.
L'imprégnation sur cette même silice d'une solution contenant l'hétéropolyanion de Standberg de formule P2Mo5023 6" (catalyseur B2, non conforme) permet d'augmenter l'activité par rapport au catalyseur B1 non conforme sans pour autant atteindre celle du catalyseur de référence A1.
Enfin le fait de piéger la phase active, sous la forme d'un hétéropolyanion de Standberg de formule P2Mo5023 6" (catalyseur C, conforme) permet d'augmenter fortement l'activité par rapport au catalyseur de référence A1 et d'obtenir une activité améliorée par rapport aux autres catalyseurs non conformes de l'art antérieur.
Exemple 8 : comparaison des catalyseurs en tests d'hydrogénation d'une charge molécule modèle aromatique
Les catalyseurs précédemment décrits, sont sulfurés in situ en dynamique dans un réacteur tubulaire à lit fixe traversé, les fluides circulant de haut en bas. Les mesures d'activité hydrogénante sont effectuées immédiatement après la sulfuration sous pression sans remise à l'air avec la charge d'hydrocarbures qui a servi à sulfurer les catalyseurs.
La charge de sulfuration et de test est composée de 5,8% de diméthyldisulfure (DMDS), 20% de toluène et 74,2% de cyclohexane (en poids).
On mesure ainsi les activités catalytiques stabilisées dans la réaction d'hydrogénation du toluène.
Les conditions de mesure d'activité sont les suivantes :
Pression totale : 6,0 MPa
Pression de toluène : 0,38 MPa
Pression de cyclohexane : 1 ,55 MPa
Pression d'hydrogène : 3,64 MPa
Pression d'H2S : 0,22 MPa
Volume de catalyseur : 40 cm3
Débit de charge : 80 cm3/h
Vitesse spatiale horaire : 2 l/l/h"1
Débit d'hydrogène : 36 l/h
Température de sulfuration et de test : 350°C (rampe de 3°C/min).
Des prélèvements de l'effluent liquide sont analysés par chromatographie en phase gazeuse. La détermination des concentrations molaires en toluène non-converti (T) et des concentrations des produits d'hydrogénation (le méthylcyclohexane (MCC6), l'éthyl- cyclopentane (EtCC5) et les diméthylcyclopentanes (DMCC5)) permettent de calculer un taux d'hydrogénation de toluène XHYD défini par :
( MCCC6 + EtCC5 + DMCC5)
XHYD (%)
(T+MCC6 + EtCCS + DMCC5)
La réaction d'hydrogénation du toluène étant d'ordre 1 dans les conditions de test mises en œuvre et le réacteur se comportant comme un réacteur piston idéal, on calcule l'activité hydrogénante AHYD des catalyseurs en appliquant la formule :
AHYD = ln(100/(100-XHYD))
Le Tableau 3 compare les activités hydrogénantes relatives, égales au rapport de l'activité du catalyseur considéré sur l'activité du catalyseur A1 pris comme référence (activité 100 %).
Tableau 3 : activités relatives comparées en hydrogénation du toluène des catalyseurs
Le tableau 3 montre le gain important d'activité hydrogénante relative à iso-volume obtenu sur les catalyseurs préparés à partir de l'imprégnation d'une solution contenant l'hétéropolyanion de Standberg de formule P2M05O236" (catalyseur A2 par rapport au catalyseur de référence A1).
L'activité en hydrogénation du toluène évolue dans la plupart des cas de façon parallèle à l'activité en hydrodésulfuration. Elle est également représentative de l'hydrogénation des aromatiques, et donc de la consommation en hydrogène induite par le catalyseur en question.
Dans le cas du catalyseur C conforme à l'invention, il convient de noter que, d'après le tableau 2, l'activité en hydrodésulfuration est supérieure à celle du catalyseur de référence A1 , et à celle du catalyseur A2, tandis que l'activité en hydrogénation du toluène est inférieure à celle du catalyseur A2 ce qui permet de prédire une consommation d'hydrogène modérée pour les catalyseurs conformes à l'invention.