ES2303449B1 - Hidrocraqueo de compuestos organicos utilizando la zeolita itq-33. - Google Patents

Hidrocraqueo de compuestos organicos utilizando la zeolita itq-33. Download PDF

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Abstract

Hidrocraqueo de compuestos orgánicos utilizando la zeolita ITQ-33.
La presente invención se refiere a un procedimiento de hidrocraqueo de compuestos orgánicos caracterizado porque comprende al menos:
a. introducir un catalizador que comprende al menos el material zeolítico ITQ-33 en el interior de un reactor,
b. alimentar el reactor con al menos un compuesto orgánico,
c. dejar en contacto el catalizador que comprende al menos el material zeolitico ITQ-33 y el compuesto orgánico el tiempo necesario para que se produzca la reacción.

Description

Hidrocraqueo de compuestos orgánicos utilizando la zeolita ITQ-33.
Campo técnico de la invención
Catálisis heterogénea.
Estado de la técnica anterior a la invención
El hidrocraqueo de fracciones pesadas del petróleo es un procedimiento de gran importancia dentro de los actuales esquemas de refinería, ya que permite obtener una gran variedad de productos ligeros como jet-fuel, destilados medios y gasoils ligeros a partir de alimentaciones más pesadas y de bajo valor intrínseco. Una ventaja del procedimiento de hidrocraqueo con respecto a otros procedimientos de conversión, como el craqueo catalítico, es que produce destilados medios de una excelente calidad, mientras que la gasolina de hidrocraqueo suele tener un octanaje menor que la obtenida por craqueo catalítico. Por otra parte, la gran flexibilidad del procedimiento de hidrocraqueo permite adaptar la producción de las diferentes fracciones a la demanda del mercado.
Los catalizadores convencionales de hidrocraqueo son de naturaleza bifuncional, es decir, están formados por la combinación de una función hidrogenante y una función ácida. La función hidrogenante viene dada por la presencia de uno o más metales de los grupos VIII de la tabla periódica como paladio o platino, por la presencia en el catalizador de uno o más metales del grupo VIB de los elementos como molibdeno y volframio, o por una combinación de uno o más metales de los grupos VIII (generalmente metales no-nobles) como níquel, cobalto y hierro, con metales del grupo VIB. La función ácida está generalmente asociada a un soporte poroso de elevada superficie específica que posee acidez superficial, como alúmina halogenada, óxidos mixtos como sílice-alúmina amorfa, y zeolitas.
Tanto la actividad como la selectividad a los diferentes productos de un catalizador bifuncional de hidrocraqueo vienen determinadas en gran medida por el balance entre la función hidrogenante y la función ácida. Cuando la función ácida es débil y la función hidrogenante es fuerte el catalizador se caracteriza por poseer una actividad de hidrocraqueo baja, lo que obliga a trabajar a temperaturas de reacción elevadas (por encima de 400ºC) o a velocidades espaciales (volumen de alimentación a tratar por unidad de volumen de catalizador y por hora) muy bajas (generalmente inferiores a 2 h^{-1}), y una elevada selectividad a destilados medios. Por el contrario, si la función ácida es fuerte y la función hidrogenante es débil el catalizador se caracteriza por poseer una elevada actividad de hidrocraqueo pero una baja selectividad a destilados medios. Por tanto, un buen catalizador de hidrocraqueo debe poseer un balance adecuado entre la función ácida y la función hidrogenante.
Entre los soportes con baja función ácida más empleados actualmente en la formulación de catalizadores de hidrocraqueo convencionales destaca la sílice-alúmina amorfa. Los catalizadores de hidrocraqueo basados en sílice-alúmina amorfa presentan una buena selectividad a destilados medios, pero como ya se ha comentado, se caracterizan por poseer una baja actividad.
Entre los soportes que poseen una función ácida más fuerte se encuentran las zeolitas. Las zeolitas, y concretamente la zeolita Y con una estructura tipo Faujasita, forman parte de la formulación de catalizadores de hidrocraqueo de última generación. Así, los catalizadores de hidrocraqueo basados en zeolita Y presentan una mayor actividad que los catalizadores convencionales basados en sílice-alúmina amorfa, aunque su selectividad a destilados medios es generalmente inferior a estos últimos. Algunos procedimientos de hidrocraqueo que utilizan catalizadores basados en zeolita Y se describen, por ejemplo, en las patentes US-3,269,934 y US-3,524,809.
La actividad y selectividad de un catalizador de hidrocraqueo basado en zeolita Y se puede alterar modificando la acidez de la zeolita, la cual depende en gran medida de su composición química, y más concretamente de la relación entre átomos de silicio y átomos de aluminio (relación Si/Al) que forman parte de su estructura cristalina. Es bien sabido que la presencia de un átomo de aluminio en coordinación tetraédrica en la red cristalina de la zeolita genera una deficiencia de carga que se compensa por un protón, dando lugar así a la formación de un centro ácido de tipo Brónsted. Por tanto, es posible, en principio, controlar la acidez de la zeolita variando la relación Si/Al en la red.
Los catalizadores de hidrocraqueo basados en zeolita Y con alto contenido en Al en la red (baja relación Si/Al) presentan una elevada actividad debido a que poseen una gran concentración de centros ácidos Brdnsted. Sin embargo, estos catalizadores presentan una baja selectividad a destilados medios ya que la presencia de una gran cantidad de centros ácidos favorece las reacciones de craqueo secundarias favoreciendo la formación de productos más ligeros, como gases y nafta. Por el contrario, los catalizadores de hidrocraqueo que contienen zeolita Y con bajo contenido en Al de red (alta relación Si/Al), y por tanto una baja concentración de centros ácidos, son más selectivos a destilados medios aunque presentan una menor actividad de hidrocraqueo. Con el objeto de disminuir la concentración de Al en la red y conseguir el rango de relaciones Si/Al adecuado en catalizadores de craqueo, la zeolita Y debe someterse a tratamientos postsíntesis de desaluminización ya que esta zeolita no puede sintetizarse con alta relación Si/Al. Dichos tratamientos de desaluminización requieren generalmente el uso de condiciones hidrotérmicas severas que conllevan a una pérdida parcial de la cristalinidad de la zeolita.
\newpage
Por tanto, sería altamente deseable disponer de un catalizador de hidrocraqueo con buena actividad y selectividad a destilados medios, basado en un material zeolítico con una topología tal que le confiera una accesibilidad igual o mayor que la de la zeolita Y, y que pueda ser obtenido con alta relación Si/Al en una única etapa de síntesis, evitando posteriores procesos de desaluminización.
La presente invención se refiere a un procedimiento de hidrocraqueo de compuestos orgánicos y de manera preferente de fracciones de hidrocarburos derivados del petróleo o sintéticas, utilizando el material zeolítico denominado ITQ-33, cuya estructura viene definida por un difractograma de rayos X característico, como componente zeolítico activo. Las posiciones, anchuras, e intensidades relativas de los picos de difracción pueden modificarse según la composición química del material, así como por el grado de hidratación y el tamaño de cristal de la zeolita.
Se mostrará que la particular topología de poros y acidez de esta zeolita ITQ-33 le confieren actividad para el procedimiento de hidrocraqueo de compuestos orgánicos y una buena selectividad a productos en el rango de destilados medios.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento de hidrocraqueo de compuestos orgánicos. Una de las características de este procedimiento es que se utiliza un catalizador que comprende al menos un material zeolítico denominado ITQ-33.
Este material zeolítico utilizado como componente del catalizador en el procedimiento de la presente invención tiene una composición en su forma calcinada y anhidra que viene dada por la siguiente fórmula:
X_{2}O_{3}: n YO_{2} : m GeO_{2}
en la que (n + m) es al menos 5, X es un elemento trivalente, Y corresponde a uno o varios elementos tetravalentes distintos de Ge, la relación Y/Ge es mayor de 1, y que tiene un patrón de difracción de rayos X cuyas líneas principales para su forma sintetizada sin calcinar son las que se incluyen en la tabla 1:
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 1 Zeolita ITQ-33 sin calcinar
1
en las que (mf) significa intensidad relativa 80-100, "d" significa intensidad relativa 20-40 y "md" significa intensidad relativa 0-20, calculadas como el porcentaje respecto del pico más intenso.
\newpage
Una vez calcinada, la estructura cristalina de la zeolita ITQ-33 se caracteriza por un patrón de difracción de rayos X cuyas líneas más características se presentan en la tabla 2.
TABLA 2 Zeolita ITQ-33 calcinada
2
en las que (mf) significa intensidad relativa 80-100, "d" significa intensidad relativa 20-40 y "md" significa intensidad relativa 0-20, calculada como el porcentaje respecto del pico más intenso.
La zeolita ITQ-33 se puede sintetizar en medio fluoruro o en medio OH^{-}, utilizando un agente orgánico director de estructura, como por ejemplo el catión hexametonio, y formando un gel que contiene en su composición la fuente de al menos un elemento T^{IV}, entre los que se prefiere Si y Ge, y de uno o más elementos T^{III}, entre los que se prefiere Al, B, Fe y Ga, y preferentemente Al, B o mezcla de ambos, siendo la relación T^{IV}/T^{III} de al menos 5. Según este procedimiento de síntesis quedarán ocluidos en el interior de la estructura moléculas orgánicas e iones fluoruro, que se pueden eliminar por medios convencionales. Así; el componente orgánico se puede eliminar, por ejemplo por extracción y/o por tratamiento térmico calentando a temperatura por encima de 250ºC durante un periodo de tiempo comprendido entre 2 minutos y 25 horas. En cualquier caso, finalmente se obtiene la forma ácida que es la forma preferida en la composición catalítica, bien directamente o bien a través de intercambios iónicos convencionales. Opcionalmente, el catalizador de la presente invención puede comprender algunos elementos promotores, como por ejemplo fósforo y/o boro, y al menos un elemento del grupo VIIA, preferentemente flúor.
Para su aplicación como componente ácido de un catalizador de hidrocraqueo se prefiere la forma protónica (ácida) del material zeolítico. Opcionalmente, el material zeolítico puede ser sometido a un tratamiento de calcinación en presencia de vapor de agua y/o una mezcla de vapor de agua y aire o cualquiera de sus componentes, a temperaturas entre 200 y 700ºC durante un tiempo comprendido entre 10 minutos y 5 horas.
El material zeolítico ITQ-33 presente en el catalizador utilizado en el procedimiento de la presente invención, presenta una estructura con un sistema de canales tri-direccional, con canales rectos de poro ultra-grande paralelos al eje c, definidos por aperturas circulares formadas por 18 átomos en coordinación tetraédrica. Estos canales están interconectados por un sistema de canales o ventanas formados por 10 átomos en coordinación tetraédrica situados en el plano ab, y con aperturas de 6.1 x 4.3 \ring{A}.
El catalizador utilizado en el procedimiento de la presente invención se caracteriza porque puede comprender, además de un material zeolítico denominado ITQ-33, al menos un metal de entre los elementos de los grupos VIB y VIII, y al menos un sustrato formado por una matriz de un óxido amorfo o de baja cristalinidad (como alúmina o sílice-alúmina) entre otros.
La presente invención se refiere a un procedimiento de hidrocraqueo de compuestos orgánicos caracterizado porque comprende al menos:
a. introducir un catalizador que comprende al menos el material zeolítico ITQ-33 en el interior de un reactor,
b. alimentar el reactor con al menos un compuesto orgánico,
c. dejar en contacto el catalizador que comprende al menos el material zeolítico ITQ-33 y el compuesto orgánico el tiempo necesario para que se produzca la reacción.
Según el procedimiento de hidrocraqueo de la presente invención, el catalizador utilizado puede comprender además al menos una matriz de al menos un óxido seleccionado entre óxido amorfo, óxido de baja cristalinidad y combinaciones de los mismos.
De manera preferente la matriz puede estar seleccionada entre alúmina, sílice-alúmina, sílice, arcillas, óxido de magnesio, óxido de titanio, óxido de boro, óxido de circonio, fosfatos de aluminio, fosfatos de circonio, carbón, aluminatos y combinaciones de las mismas. De manera más preferente dicha matriz está seleccionada entre un óxido que comprende al menos una forma de alúmina, y de manera más preferente todavía esa matriz es gamma-alúmina.
Según el procedimiento de hidrocraqueo de la presente invención el catalizador puede comprender además, al menos un componente hidrogenante.
Este componente hidrogenante puede estar seleccionado entre metales del grupo VIB y VIII de la tabla periódica y combinaciones de los mismos.
De manera preferente, los metales del grupo VIB están seleccionados entre molibdeno, volframio y combinaciones de los mismos y los elementos del grupo VIII están preferentemente seleccionados entre iridio, rutenio, rodio, renio, paladio, platino, hierro, cobalto, níquel y combinaciones de los mismos.
Según una realización particular del procedimiento de la presente invención en la que la función hidrogenante del catalizador viene dada por la combinación de al menos un metal no-noble del grupo VIII y al menos un metal del grupo VIB, de entre los metales del grupo VIII se prefieren metales no-nobles, preferentemente cobalto y níquel, y de entre los metales del grupo VIB se prefiere molibdeno y volframio. Las combinaciones preferidas son: níquel-molibdeno, cobalto-molibdeno y níquel-volframio, aunque opcionalmente se pueden usar combinaciones de tres elementos, como níquel cobalto-molibdeno. Por otra parte, cuando la función hidrogenante sólo viene dada por al menos un metal del grupo VIII, estos metales del grupo VIII se seleccionan entre platino, paladio, iridio, rutenio, rodio y renio y combinaciones de los mismos, y de manera preferente entre paladio, platino y combinaciones de los mismos. Los metales del grupo VIII y del grupo VIB pueden estar total o parcialmente en forma metálica y/o en forma de óxido y/o en forma de sulfuros.
Según el procedimiento de la presente invención, el catalizador puede comprender además al menos un elemento promotor, que puede estar seleccionado entre fósforo, boro y combinaciones de los mismos. De manera preferente dicho elemento promotor es fósforo.
También, el catalizador utilizado en la presente invención puede comprender al menos un elemento del grupo VIIA, preferentemente flúor.
Según el procedimiento de la presente invención, el catalizador descrito puede tener unos porcentajes en peso respecto al peso total de catalizador:
- 0.1 y 99% del material zeolitico ITQ-33;
- 0.1 y 99% de al menos una matriz formada por al menos un óxido seleccionado entre óxido amorfo y óxido de baja cristalinidad;
- 0.1 y 60% de un componente hidrogenante.
Y de manera preferente, dichos porcentajes están entre:
- 0.1 y 60% del material zeolitico ITQ-33;
- 0.1 y 98% de al menos una matriz formada por al menos un óxido seleccionado entre óxido amorfo y óxido de baja cristalinidad;
- 0.1 y 50% de un componente hidrogenante.
Según una realización preferente de la presente invención, el porcentaje en peso respecto al peso total de catalizador está entre 0,1 y 40% de un componente hidrogenante.
Según otra realización preferente, los porcentajes en peso respecto al peso total de catalizador del elemento promotor y del elemento del grupo VIIA están entre:
- 0 y 20% de al menos un elemento promotor;
- 0 y 20% de al menos un elemento del grupo VIIA.
El catalizador de la presente invención puede prepararse por cualquiera de los métodos que son bien conocidos por aquellos que son expertos en la técnica. Una forma ventajosa de preparar el catalizador consiste en mezclar el material zeolítico ITQ-33 con la matriz seleccionada y a continuación formar la mezcla.
Según una realización particular, el componente hidrogenante puede incorporarse sobre una mezcla de matriz y del material zeolítico ITQ-33.
Según otra realización particular, el componente hidrogenante se incorpora directamente sobre la matriz antes de mezclarse con el material zeolítico ITQ-33. Según esta realización particular, en primer lugar se incorpora el componente hidrogenante sobre la matriz seleccionada y a continuación se realiza la mezcla con el material zeolítico ITQ-33 para posteriormente proceder al formado de la mezcla.
El formado se puede llevar a cabo por extrusión, pastillado, por el método de la gota de aceite o por cualquier otro método bien conocido para aquellos que son expertos en la técnica. Después del formado se lleva a cabo una etapa de calcinación. El componente hidrogenante puede incorporarse total o parcialmente (por ejemplo en el caso de utilizar una combinación de elementos de los grupos VIII y VIB) antes o después de la calcinación. La preparación del catalizador se completa con una etapa de calcinación a temperaturas comprendidas entre 150ºC y 800ºC.
La incorporación del componente hidrogenante puede realizarse mediante una o más etapas de intercambio fónico en el caso de que la incorporación se lleve a cabo sobre la mezcla del material zeolítico y la matriz.
Cuando la incorporación del componente hidrogenante se realiza sobre la matriz o sobre la mezcla de matriz y material zeolítico, ésta puede llevarse a cabo mediante uno o más procesos de impregnación con una disolución que comprende al menos un precursor de al menos un óxido de al menos un metal seleccionado entre los metales del grupo VIB, VIII y combinaciones de los mismos. Cuando la función hidrogenante está formada por la combinación de al menos un elemento del grupo VIB y al menos un elemento del grupo VIII, la impregnación del precursor (o precursores) del óxido(s) del elemento(s) del grupo VIII se realiza preferentemente después o al mismo tiempo que la impregnación del precursor(es) del óxido(s) del elemento(s) del grupo VIB.
La impregnación de estos elementos puede llevarse a cabo mediante el método de volumen de poro, también conocido como impregnación "seca", en el cual el volumen de los poros del soporte se llena con una disolución que contiene al menos un precursor de al menos uno de los metales de los grupos VIB y VIII. La impregnación también puede realizarse con un exceso de disolución que comprende al menos un precursor de al menos uno de los metales de los grupos VIB y VIII. En este caso el exceso de disolvente se elimina lentamente por evaporación en condiciones controladas.
En el caso de que la incorporación de estos elementos se lleve a cabo en varias etapas de impregnación, es preferible realizar una etapa intermedia de calcinación entre cada impregnación a una temperatura comprendida entre 150ºC y 800ºC.
Pueden usarse diferentes precursores para los elementos del grupo VIB. Por ejemplo, en el caso de molibdeno y volframio pueden usarse diferentes óxidos y sales, tales como molibdato amónico, heptamolibdato amónico y volframato amónico.
Como fuentes de los elementos del grupo VIII suelen usarse típicamente los correspondientes nitratos, sulfatos y haluros entre otros.
En el caso particular en que el catalizador comprende al menos un elemento promotor como por ejemplo fósforo y/o boro, y al menos un elemento del grupo VIIA, como por ejemplo flúor, éstos pueden incorporarse en cualquier momento de la preparación del catalizador, preferentemente sobre el soporte que ya comprende el material zeolítico y la matriz y más preferentemente después de la incorporación de al menos uno de los elementos seleccionados entre los elementos de los grupos VIB y VIII. También es posible incorporar el(los) elemento(s) promotor(es) y del grupo VIIA sobre la matriz, preferentemente después de la incorporación de al menos uno de los elementos de los grupos VIB y VIII, y a continuación realizar la mezcla con el material zeolítico.
Estos elementos pueden incorporarse mediante cualquiera de los métodos conocidos, aunque se prefiere el método de impregnación, bien a volumen de poro (impregnación "seca") o en exceso de disolvente.
Como fuente de fósforo se prefiere ácido ortofosfórico, H_{3}PO_{4}, aunque también pueden utilizarse algunas de sus sales y ésteres, como fosfatos amónicos.
Como fuente del elemento del grupo VIIA puede utilizarse cualquiera de las que son bien conocidas por aquellos que son expertos en la técnica. Por ejemplo, en el caso de flúor puede utilizarse como fuente ácido fluorhídrico o sus sales. También es posible utilizar compuestos de flúor que pueden dar lugar a la formación de fluoruro por hidrólisis en presencia de agua, como fluorosilicato amónico, (NH_{4})_{2}SiF_{6}, tetrafluoruro de silicio, SiF_{4}, o tetrafluoruro de sodio, Na_{2}SiF_{6}. El flúor puede incorporarse al catalizador, por ejemplo, por impregnación a partir de una solución acuosa de ácido fluorhídrico o fluoruro amónico.
Como etapa final de la preparación del catalizador se lleva a cabo una calcinación a temperaturas comprendidas entre 150ºC y 800ºC.
Según el procedimiento de la presente invención el catalizador descrito en los párrafos anteriores puede someterse a una etapa de pretratamiento como por ejemplo una etapa de sulfuración o una etapa de reducción.
La temperatura de reacción según el procedimiento de la presente invención, puede ser superior a 200ºC, y de manera preferente está entre 250ºC y 500ºC. La presión de reacción puede ser superior a 0.1 MPa, preferentemente entre 0,1 y 20 MPa, y de manera más preferente superior a entre 2.0 y 20 MPa. La relación H_{2}/hidrocarburo del procedimiento de la presente invención, es decir la cantidad de hidrógeno respecto a la cantidad de alimentación, puede ser de al menos 10 Nm^{3} de hidrógeno por m^{3} de alimentación, preferentemente entre 20 y 5000 Nm^{3} de hidrógeno por m^{3} de alimentación, y de manera más preferente entre 30 y 1500 Nm^{3} de hidrógeno por m^{3} de alimentación. La velocidad espacial (LHSV) puede estar comprendida entre 0.01 y 20 volúmenes de alimentación por volumen de catalizador y por hora y de manera preferente, la velocidad espacial está comprendida entre 0,05 y 5 volúmenes de alimentación por volumen de catalizador y por hora.
Según una realización preferente, la corriente de alimentación según el procedimiento de la presente invención está formada por hidrocarburos, preferentemente dicha alimentación está formada por fracciones pesadas de hidrocarburos.
De manera preferente, la alimentación de hidrocarburos se pone en contacto con el catalizador de hidrocraqueo en presencia de hidrógeno, generalmente en un reactor de lecho fijo. Las condiciones del procedimiento de hidrocraqueo pueden variar según la naturaleza de la alimentación, la calidad de los productos deseada, y de las facilidades particulares de cada refinería.
Según una realización particular, la corriente de alimentación puede someterse a un proceso de hidrotratamiento previo al procedimiento de hidrocraqueo de la presente invención.
Según otra realización particular, el catalizador utilizado en el procedimiento de la presente invención se puede someter a una etapa de sulfuración.
De manera preferente, dicha sulfuración se lleva a cabo en una corriente seleccionada entre corriente de sulfuro de hidrógeno puro, una mezcla de sulfuro de hidrógeno e hidrógeno, una mezcla de hidrógeno e hidrocarburos líquidos que contienen a su vez al menos un compuesto conteniendo azufre en su composición, y combinaciones de las mismas.
Esta sulfuración, se lleva a cabo de manera preferente a una temperatura entre 150 y 800ºC.
Según esta realización particular, el componente hidrogenante puede ser al menos un elemento del grupo VIII seleccionado entre hierro, cobalto, níquel y combinaciones de los mismos y al menos un elemento del grupo VIB seleccionado entre molibdeno, volframio y combinaciones de los mismos.
Algunas combinaciones preferentes pueden ser las combinaciones binarias níquel-molibdeno, cobalto-molibdeno, níquel-volframio, o ternarias como níquel-cobalto-molibdeno. Los metales del grupo VIII y del grupo VIB pueden estar total o parcialmente en forma metálica y/o en forma de óxido y/o en forma de sulfuros.
Según esta realización particular, el catalizador de la presente invención se somete preferentemente al tratamiento de sulfuración antes de entrar en contacto con la alimentación con el objeto de transformar, al menos parcialmente, los metales de los grupos VIB y VIII en los correspondientes sulfuros. El tratamiento de sulfuración puede llevarse a cabo por cualquiera de los métodos descritos en la literatura.
Un método típico de sulfuración consiste en calentar el catalizador en presencia de una corriente de sulfuro de hidrógeno puro o una mezcla de sulfuro de hidrógeno e hidrógeno o una corriente conteniendo hidrógeno e hidrocarburos líquidos que contienen a su vez al menos un compuesto conteniendo azufre en su composición, a una temperatura preferente de entre 150 y 800ºC. Este proceso se lleva a cabo, generalmente, en un reactor continuo de lecho fijo.
Según esta realización particular el procedimiento es preferentemente un procedimiento de hidrocraqueo de fracciones pesadas de hidrocarburos. Estas fracciones pueden ser de distinto origen. De manera preferente dicha alimentación está formada por gasoil de vacío. En general estas fracciones contienen al menos un 80% en volumen de compuestos con puntos de ebullición superiores a 350ºC, y preferentemente entre 350ºC y 580ºC. Estas fracciones contienen generalmente heteroátomos, como azufre y nitrógeno. El contenido en nitrógeno suele estar comprendido entre 1 y 5000 ppm (en peso), y el contenido en azufre suele ser del 0.01% al 5% en peso. Opcionalmente estas fracciones pueden someterse a un proceso de hidrotratamiento previo al hidrocraqueo con el objeto de disminuir la concentración de heteroátomos o de eliminar algunos metales contaminantes que puedan contener.
Según esta realización particular, la alimentación de hidrocarburos se pone en contacto con el catalizador de hidrocraqueo en presencia de hidrógeno, generalmente en un reactor de lecho fijo. Las condiciones del procedimiento de hidrocraqueo pueden variar según la naturaleza de la alimentación, la calidad de los productos deseada, y de las facilidades particulares de cada refinería. Generalmente la temperatura suele ser superior a 200ºC, y a menudo está comprendida entre 250ºC y 500ºC. La presión suele ser mayor de 0.1 MPa y a menudo mayor de 1 MPa. La relación H_{2}/hidrocarburo suele ser superior a 10 y generalmente entre 20 y 5000 Nm^{3} de hidrógeno por m^{3} de alimentación. La velocidad espacial (LHSV) está generalmente comprendida entre 0.01 y 20 volúmenes de alimentación por volumen de catalizador y por hora. Preferentemente el procedimiento de hidrocraqueo se lleva a cabo a temperaturas de 300ºC a 500ºC, presiones de 5 a 20 MPa, relaciones H_{2}/hidrocarburo de 30 a 1500 Nm^{3}/m^{3} y LHSV de 0.05 a 5 h^{-1}.
Según otra realización particular, el catalizador de la presente invención se somete a un tratamiento de reducción en una corriente de hidrógeno antes de entrar en contacto con la alimentación, con el objeto de transformar los óxidos de metales nobles del grupo VIII en su forma metálica manteniendo una buena dispersión del metal sobre el soporte. El tratamiento de reducción puede llevarse a cabo por cualquiera de los métodos descritos en la literatura.
Un método típico de reducción consiste en calentar el catalizador en presencia de una corriente de hidrógeno a una temperatura de entre 100 y 600ºC, y de manera preferente entre 300 y 500ºC, durante un tiempo de 10 minutos a 5 horas, preferentemente de 30 minutos a 3 horas. Este proceso se lleva a cabo, generalmente, en un reactor continuo de lecho fijo.
El tratamiento de reducción según esta realización particular del procedimiento de la presente invención se lleva a cabo de manera preferente a una temperatura entre 100 y 600ºC.
Además, según esta realización particular, el componente hidrogenante del catalizador utilizado en el procedimiento de la presente invención es un elemento del grupo VIII seleccionado entre iridio, rutenio, rodio, renio, paladio, platino y combinaciones de los mismos, y de manera preferente entre paladio, platino y combinaciones de los mismos.
Según esta realización particular el procedimiento es preferentemente un procedimiento de hidrocraqueo de fracciones pesadas de hidrocarburos. Estas fracciones pueden ser de distinto origen. De manera preferente la alimentación está formada por productos pesados obtenidos mediante el proceso de Fischer-Tropsch. En general estas fracciones contienen hidrocarburos con al menos 20 átomos de carbono, y generalmente no contienen heteroátomos, como azufre y nitrógeno.
Según esta realización particular, la alimentación de hidrocarburos se pone en contacto con el catalizador de hidrocraqueo en presencia de hidrógeno, generalmente en un reactor de lecho fijo. Las condiciones del procedimiento de hidrocraqueo pueden variar según la naturaleza de la alimentación, la calidad de los productos deseada, y de las facilidades particulares de cada refinería. Generalmente la temperatura suele ser superior a 200ºC, y a menudo está comprendida entre 250ºC y 480ºC. La presión suele ser mayor de 0.1 MPa y a menudo mayor de 1 MPa. La relación H_{2}/hidrocarburo suele ser superior a 10 y generalmente entre 20 y 2000 Nm^{3} de H_{2} por m^{3} de alimentación. La velocidad espacial (LHSV) está generalmente comprendida entre 0.01 y 20 volúmenes de alimentación por volumen de catalizador y por hora. Preferentemente el procedimiento de hidrocraqueo según esta realización particular se lleva a cabo a temperaturas de 250ºC a 320ºC, presiones de 2 a 20 MPa, relaciones H_{2}/hidrocarburo de 30 a 1000 Nm^{3}/m^{3} y LHSV de 0.05 a 5 h^{-1}.
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Breve descripción de las figuras
Figura 1: Patrón de difracción de rayos X de la ITQ-33 sin calcinar.
Figura 2: Distribución de productos (% molar) obtenida en hidrocraqueo de n-hexadecano con el catalizador descrito en el ejemplo 3, en las condiciones experimentales descritas en el ejemplo 6.
Figura 3: Distribución de productos (% molar) obtenida en hidrocraqueo de n-hexadecano con el catalizador descrito en el ejemplo 4, en las condiciones experimentales descritas en el ejemplo 7.
A continuación se muestran ejemplos que ilustran el cuerpo de esta invención, sin que éstos puedan ser considerados como limitantes de la misma.
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Ejemplos Ejemplo 1 Síntesis de una muestra del componente zeolítico ITQ-33
En este ejemplo se ilustra un procedimiento típico para la síntesis de una muestra del componente zeolítico ITQ-33 de acuerdo con la invención.
Se disuelven 3.484 g de GeO_{2} en 14.543 g de disolución de hidróxido de hexametonio (24.5% peso) y 8.035 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso). Se añade 1.043 g de isopropóxido de aluminio y 14.205 g de tetra-etil-ortosilicato (TEOS). Finalmente, una vez hidrolizados los alcóxidos, se añade 1.254 g de disolución de ácido fluorhídrico (48% peso) y la mezcla se mantiene en agitación dejando evaporar hasta que la mezcla de reacción alcanza una composición final:
0.67 SiO_{2} : 0.33 GeO_{2} : 0.025 Al_{2}O_{3} : 0.15 R(OH)_{2} : 0.10 R(Br)_{2} : 0.30 HF : 1.5 H_{2}O
donde R es hexametonio.
El gel se calienta a 175ºC en estático durante 20 horas en autoclaves de acero con una funda interna de teflón. El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es ITQ-33.
El patrón de difracción de rayos X de polvo del sólido obtenido tras filtrar, lavar y secar a 100ºC se presenta en la Figura 1 y en la tabla 3.
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TABLA 3 Zeolita ITQ-33 sin calcinar
4
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La intensidad relativa de las líneas se calcula como el porcentaje respecto del pico más intenso, y se considera muy fuerte (MF)= 80-100, fuerte (F)=60-80, media (F)= 40-60, débil (D)=20-40, y muy débil (MD)= 0-20.
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Ejemplo 2 Activación mediante calcinación del componente zeolítico ITQ-33
La zeolita obtenida en el ejemplo 1 se calcina en flujo de aire a 540ºC durante 3 horas. El patrón de difracción de rayos X del material calcinado se muestra en la tabla 4.
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TABLA 4 Zeolita ITQ-33 calcinada
6
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La intensidad relativa de las líneas se calcula como el porcentaje respecto del pico más intenso, y se considera muy fuerte (MF)= 80-100, fuerte (F)=60-80, media (M)= 40-60, débil (D)=20-40, y muy débil (MD)= 0-20.
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Ejemplo 3 Preparación de un catalizador de hidrocraqueo conteniendo la zeolita ITQ-33
En este ejemplo se ilustra la preparación de un catalizador de hidrocraqueo de acuerdo con la invención, conteniendo la zeolita ITQ-33 obtenida según el procedimiento descrito en el ejemplo 1, una matriz de gamma-alúmina y platino como componente hidrogenante, en el que el componente hidrogenante se incorpora exclusivamente sobre la matriz de gamma-alúmina.
En primer lugar se impregna la matriz de gamma-alúmina mediante el método de volumen de poro o impregnación "seca" con una disolución acuosa de HCl 0.1 N, conteniendo la cantidad necesaria de ácido hexacloroplatínico para obtener un contenido final de platino del 1% en peso. A continuación se seca el sólido en estufa a 100ºC durante 12 horas y se calcina en mufla a 450ºC durante 3 horas.
La matriz de gamma-alúmina conteniendo óxido de platino se mezcla con la zeolita ITQ-33 en las proporciones adecuadas para obtener un catalizador con la siguiente composición química, dada como % en peso:
0.5% de platino (como óxido)
49.5% de \gamma-alúmina
50.0% de ITQ-33
Ejemplo 4 Preparación de un catalizador de hidrocraqueo conteniendo una zeolita USY
En este ejemplo se ilustra la preparación de un catalizador de hidrocraqueo de acuerdo con la invención, conteniendo una zeolita USY comercial (Zeolyst CBV712) con una celda unidad de 24.33 \ring{A}, una matriz de gamma-alúmina, y platino como componente hidrogenante, en el que el componente hidrogenante se incorpora exclusivamente sobre la matriz de gamma-alúmina.
En primer lugar se impregna la matriz de gamma-alúmina siguiendo el procedimiento descrito en el ejemplo 3.
La matriz de gamma-alúmina conteniendo óxido de platino se mezcla con la zeolita USY en las proporciones adecuadas para obtener un catalizador con la siguiente composición química, dada coma % en peso:
0.5% de platino (como óxido)
49.5% de \gamma-alúmina
50.0% de USY
Ejemplo 5 Preparación de un catalizador de hidrocraqueo conteniendo una sílice-alúmina
En este ejemplo se ilustra la preparación de un catalizador de hidrocraqueo de acuerdo con la invención, conteniendo una sílice-alúmina con un 13% en peso de Al_{2}O_{3}, y platino como componente hidrogenante, en el que el componente hidrogenante se incorpora exclusivamente sobre la matriz de gamma-alúmina.
La sílice-alúmina se impregna mediante el método de volumen de poro o impregnación "seca" con una disolución acuosa de HC1 0.1 N, conteniendo la cantidad necesaria de ácido hexacloroplatínico para obtener un contenido final de platino del 1% en peso. A continuación se seca el sólido en estufa a 100ºC durante 12 horas y se calcina en mufla a 450ºC durante 3 horas. De esta forma se obtiene un catalizador con la siguiente composición química, dada como en peso:
1.0 de platino (como óxido)
99 de sílice-alúmina
Ejemplo 6 Hidrocraqueo de n-hexadecano con un catalizador conteniendo ITQ-33
En este ejemplo se ilustra la actividad y selectividad del catalizador preparado según el ejemplo 3 de acuerdo con la invención, para el hidrocraqueo de n-hexadecano.
\newpage
Los experimentos de hidrocraqueo se llevaron a cabo en un reactor continuo de lecho fijo cargado con 2.0 gramos de catalizador tamizado a un tamaño de partícula de 0.2-0.4 mm, y diluido con CSi, con un tamaño de partícula de 0.6-0.8 mm, hasta un volumen total de 5.5 cm^{3}.
Antes de poner en contacto el catalizador con el n-hexadecano el catalizador se ha calcinado "in-situ" durante 4 horas a 540ºC en flujo de aire (100 ml/min). A continuación se ha sometido a una etapa de reducción a 400ºC durante 2 horas en flujo de hidrógeno (300 ml/min) a presión atmosférica. Una vez completadas las etapas de calcinación y reducción, se procedió a hidrocraquear el n-hexadecano en presencia de hidrógeno en las siguientes condiciones de reacción: presión total de 4.0 MPa, relación molar H_{2}/n-hexadecano de 95 mol.mol^{-1}, velocidad espacial (WHSV) de 3.6 h^{-1}, referida al componente zeolítico, y temperatura de 300ºC.
En estas condiciones de reacción, y utilizando el catalizador conteniendo el material zeolítico ITQ-33 cuya preparación se describe en el ejemplo 3, se ha obtenido una conversión de n-hexadecano de 72%, con un rendimiento a productos de hidrocraqueo del 62% en peso. La distribución de productos obtenida (en molar) se muestra en la figura 2, siendo la fracción de C1-C6 del 49% molar.
Ejemplo 7 Hidrocraqueo de n-hexadecano con un catalizador conteniendo USY
En este ejemplo se ilustra la actividad y selectividad del catalizador preparado según el ejemplo 4 de acuerdo con la invención, para el hidrocraqueo de n-hexadecano.
Al igual que en el ejemplo 6, los experimentos de hidrocraqueo se llevaron a cabo en un reactor continuo de lecho fijo cargado con 2.0 gramos de catalizador tamizado a un tamaño de partícula de 0.2-0.4 mm, y diluido con CSi, con un tamaño de partícula de 0.6-0.8 mm, hasta un volumen total de 5.5 cm^{3}.
Antes de poner en contacto el catalizador con el n-hexadecano el catalizador se ha calcinado "in-situ" y a continuación se ha sometido a una etapa de reducción en las mismas condiciones que las descritas en el ejemplo 6. Una vez completadas las etapas de calcinación y reducción, se procedió a hidrocraquear el n-hexadecano en presencia de hidrógeno en las siguientes condiciones de reacción: presión total de 4.0 MPa, relación molar H_{2}/n-hexadecano de 95 mol.mol^{-1}, velocidad espacial (WHSV) de 3.6 h^{-1}, referida al componente zeolítico, y temperatura de 230ºC.
En estas condiciones de reacción, y utilizando el catalizador conteniendo la zeolita USY, cuya preparación se describe en el ejemplo 4, se ha obtenido una conversión de n-hexadecano del 84%, con un rendimiento a productos de hidrocraqueo del 62% en peso. La distribución de productos obtenida (en % molar) se muestra en la figura 3, siendo la fracción de C1-C6 del 55% molar.
Comparando la distribución de productos obtenida con los catalizadores preparados en los ejemplos 3 y 4, dada en las figuras 2 y 3, se puede ver que con el catalizador conteniendo el material zeolítico ITQ-33, reivindicado en la presente invención, se obtienen menos productos ligeros de recraqueo (C1-C6) y más productos C6+, especialmente en la fracción C10-C15.
Ejemplo 8 Hidrocraqueo de n-hexadecano con un catalizador conteniendo sílice-alúmina
En este ejemplo se ilustra la actividad y selectividad del catalizador preparado según el ejemplo 5 de acuerdo con la invención, para el hidrocraqueo de n-hexadecano.
Al igual que en el ejemplo 6, los experimentos de hidrocraqueo se llevaron a cabo en un reactor continuo de lecho fijo cargado con 1.0 gramos de catalizador tamizado a un tamaño de partícula de 0.2-0.4 mm, y diluido con CSi, con un tamaño de partícula de 0.6-0.8 mm, hasta un volumen total de 5.5 cm^{3}.
Antes de poner en contacto el catalizador con el n-hexadecano el catalizador se ha sometido a una etapa de reducción a 400ºC durante 2 horas en flujo de hidrógeno (300 ml/min) a presión atmosférica. Una vez completada esta etapa de reducción, se procedió a hidrocraquear el n-hexadecano en presencia de hidrógeno en las siguientes condiciones de reacción: presión total de 4.0 MPa, relación molar H_{2}/n-hexadecano de 95 mol.mol^{-1}, velocidad espacial (WHSV) de 3.6 h^{-1}, y temperatura de 300ºC.
En estas condiciones de reacción, y utilizando el catalizador conteniendo la sílice-alúmina con un 13% de Al_{2}O_{3}, cuya preparación se describe en el ejemplo 5, se ha obtenido una conversión de n-hexadecano del 32%, con un rendimiento a productos de hidrocraqueo del 40% en peso.
Comparando la conversión obtenida en este ejemplo con la conversión obtenida con el catalizador preparado según el ejemplo 3, conteniendo el material zeolítico ITQ-33, a la misma temperatura de reacción, se observa que este último, conteniendo la zeolita cuyo uso se reivindica en esta patente, es más activo que el basado en sílice-alúmina.

Claims (42)

1. Procedimiento de hidrocraqueo de compuestos orgánicos caracterizado porque comprende al menos:
a. introducir un catalizador que comprende al menos el material zeolítico ITQ-33 en el interior de un reactor,
b. alimentar el reactor con al menos un compuesto orgánico,
c. dejar en contacto el catalizador que comprende al menos el material zeolítico ITQ-33 y el compuesto orgánico el tiempo necesario para que se produzca la reacción.
2. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 1, caracterizado porque el catalizador comprende además al menos una matriz de al menos un óxido seleccionado entre óxido amorfo, óxido de baja cristalinidad y combinaciones de los mismos.
3. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha matriz está seleccionada entre alúmina, sílice-alúmina, sílice, arcillas, óxido de magnesio, óxido de titanio, óxido de boro, óxido de circonio, fosfatos de aluminio, fosfatos de circonio, carbón, aluminatos y combinaciones de las mismas.
4. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque dicha matriz está seleccionada entre un óxido amorfo que comprende al menos una forma de alúmina.
5. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 4, caracterizado porque dicha matriz es gamma-alúmina.
6. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el catalizador comprende además al menos un componente hidrogenante.
7. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 6, caracterizado dicho hidrogenante es al menos un elemento seleccionado entre los elementos de los grupos VIB, VIII y combinaciones de los mismos.
8. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 7, caracterizado porque el elemento del grupo VIB está seleccionado entre molibdeno, volframio y combinaciones de los mismos.
9. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 7, caracterizado porque el elemento del grupo VIII está seleccionado entre iridio, rutenio, rodio, renio, paladio, platino, hierro, cobalto, níquel y combinaciones de los mismos.
10. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el catalizador comprende además al menos un elemento promotor seleccionado entre fósforo, boro y combinaciones de los mismos.
11. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 10, caracterizado porque dicho elemento promotor es fósforo.
12. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el catalizador comprende además al menos un elemento del grupo VIIA.
13. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 12, caracterizado porque dicho elemento del grupo VIIA es flúor.
14. Procedimiento de hidrocraqueo según unas de las reivindicaciones anteriores caracterizado por unos porcentajes en peso respecto al peso total de catalizador entre:
- 0.1 y 99% del material zeolítico ITQ-33;
- 0.1 y 99% de al menos una matriz formada por al menos un óxido seleccionado entre óxido amorfo y óxido de baja cristalinidad;
- 0.1 y 60% de un componente hidrogenante.
15. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 14 caracterizado por unos porcentajes en peso respecto al peso total de catalizador entre:
- 0.1 y 60% del material zeolítico ITQ-33;
- 0.1 y 98% de al menos una matriz formada por al menos un óxido seleccionado entre óxido amorfo y óxido de baja cristalinidad;
- 0.1 y 50% de un componente hidrogenante.
16. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 15 caracterizado por un porcentaje en peso respecto al peso total de catalizador entre 0.1 y 40% de un componente hidrogenante.
17. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizado por unos porcentajes en peso respecto al peso total de catalizador entre:
- 0 y 20% de al menos un elemento promotor;
- 0 y 20% de al menos un elemento del grupo VIIA.
18. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el componente hidrogenante se incorpora sobre una mezcla de la matriz y del material zeolítico ITQ-33.
19. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque el componente hidrogenante se incorpora directamente sobre la matriz antes de mezclarse con el material zeolítico ITQ- 33.
20. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se lleva a cabo a una temperatura superior a 200ºC.
21. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 20, caracterizado porque se lleva a cabo a una temperatura entre 250 y 500ºC.
22. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se lleva a cabo a una presión superior a 0.1 MPa.
23. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 22, caracterizado porque se lleva a cabo a una presión de 0.1 a 20 MPa.
24. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 23, caracterizado porque se lleva a cabo a una presión de 2.0 a 20 MPa.
25. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se lleva a cabo con una cantidad de hidrógeno de al menos 10 Nm^{3} de hidrógeno por m^{3} de alimentación.
26. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 25, caracterizado porque se lleva a cabo con una cantidad de hidrógeno de entre 20 y 5000 Nm^{3} de hidrógeno por m^{3} de alimentación.
27. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 26, caracterizado porque se lleva a cabo con una cantidad de hidrógeno de entre 30 y 1500 Nm^{3} de hidrógeno por m^{3} de alimentación.
28. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se lleva a cabo a una velocidad espacial de entre 0.01 a 20 volúmenes de alimentación por volumen de catalizador y hora.
29. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 28, caracterizado porque se lleva a cabo a una velocidad espacial de entre 0.05 a 5 volúmenes de alimentación por volumen de catalizador y hora.
30. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la corriente de alimentación está formada por hidrocarburos.
31. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 30, caracterizado porque dicha corriente de alimentación está formada por fracciones pesadas de hidrocarburos.
32. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la alimentación se somete a un proceso de hidrotratamiento previo al procedimiento de hidrocraqueo.
33. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el catalizador se somete a una etapa de sulfuración.
34. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 33, caracterizado porque dicha sulfuración se lleva a cabo en una corriente seleccionada entre corriente de sulfuro de hidrógeno puro, una mezcla de sulfuro de hidrógeno e hidrógeno, una mezcla de hidrógeno e hidrocarburos líquidos que contienen a su vez al menos un compuesto conteniendo azufre en su composición, y combinaciones de las mismas.
35. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 33 y 34 caracterizado porque la sulfuración se lleva a cabo a una temperatura de entre 150 y 800ºC.
36. Procedimiento de hidrocraqueo según las una de las reivindicaciones 33 a 35, caracterizado porque el componente hidrogenante es al menos un elemento del grupo VIII seleccionado entre hierro, cobalto, níquel y combinaciones de los mismos y al menos un elemento del grupo VIB seleccionado entre molibdeno, volframio y combinaciones de los mismos.
37. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 33 a 36, caracterizado porque la corriente de alimentación está formada por un gasoil de vacío.
38. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 1 a 32, caracterizado porque el catalizador se somete a una etapa de reducción en una corriente de hidrógeno.
39. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 38, caracterizado porque dicha reducción se lleva a cabo a una temperatura de entre 100 y 600ºC.
40. Procedimiento de hidrocraqueo según las una de las reivindicaciones 38 y 39, caracterizado porque el componente hidrogenante es un elemento del grupo VIII seleccionado entre iridio, rutenio, rodio, renio, paladio, platino y combinaciones de los mismos.
41. Procedimiento de hidrocraqueo según la reivindicación 40, caracterizado porque el componente hidrogenante está seleccionado entre paladio, platino y combinaciones de los mismos.
42. Procedimiento de hidrocraqueo según una de las reivindicaciones 38 a 41, caracterizado porque la alimentación está formada por productos pesados obtenidos mediante el proceso de Fischer-Tropsch.
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