FR2571981A1 - Catalyst system for the production of hydrocarbons which are rich in light olefins from carbon monoxide and hydrogen - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention se rapporte à la production d'hydrocarbures par passage du gaz de synthèse, c'est-à-dire de
CO et H21 à chaud sur un catalyseur à base d'un ou de plusieurs métaux de transition. Elle vise, plus particulièrement, un nouveau système catalytique, renfermant de tels métaux et permettant de réaliser le procédé de conversion de CO + H2 en des hydrocarbures contenant beaucoup d'oléfines en C2 à C4. The invention relates to the production of hydrocarbons by passage of synthesis gas, that is to say of
CO and H21 hot on a catalyst based on one or more transition metals. It aims, more particularly, at a new catalytic system, containing such metals and making it possible to carry out the process of converting CO + H2 into hydrocarbons containing many olefins in C2 to C4.
La synthèse d'hydrocarbures à partir de mélanges de CO avec H2, ou synthèse FISCHER-mROPSCH, est pratiquée depuis plus de 60 ans, et a donné lieu à de nombreuses variantes, surtout en ce qui concerne la composition des catalyseurs utilisés. Néanmoins, il reste toujours des progrès et des modifications à réaliser, afin de satisfaire des besoins industriels, qui - du reste - peuvent varier avec le temps et selon les régions. Une des questions, qui se posent à l'heure actuelle, est l'obtention de gaz aussi riches que possible en les oléfines de C2 à C4 ; on connaît en effet l'intérêt que présentent actuellement l'éthylène, le propylène et le butylène, si utiles tant pour la production de polymères que pour de nombreuses synthèses de composés organiques. The synthesis of hydrocarbons from mixtures of CO with H2, or FISCHER-mROPSCH synthesis, has been practiced for more than 60 years, and has given rise to numerous variants, especially with regard to the composition of the catalysts used. Nevertheless, there is always progress and modifications to be made in order to meet industrial needs, which - moreover - may vary over time and according to regions. One of the questions which arise at present is the obtaining of gases which are as rich as possible in the olefins from C2 to C4; we know in fact the interest currently present in ethylene, propylene and butylene, so useful both for the production of polymers and for many syntheses of organic compounds.
Or, il apparaît que l'obtention, par le procédé
Fischer-Tropsch, de gaz d'hydrocarbures contenant plus qu'environ 20% d'oléfines légères n'est guère facile. En effet, sur des catalyseurs classiques, comme Ni ou Co, supportés par de l'alumine ou de la silice, à 2500C sous la pression atmosphérique, on n'atteint généralement qu'environ 7 à 17% de ces oléfines dans le mélange obtenu, et il se forme plus de 50% de méthane, constituant bien moins intéressant.However, it appears that obtaining, by the process
Fischer-Tropsch, hydrocarbon gas containing more than about 20% light olefins is hardly easy. In fact, on conventional catalysts, such as Ni or Co, supported by alumina or silica, at 2500 ° C. under atmospheric pressure, generally only about 7 to 17% of these olefins are reached in the mixture obtained. , and more than 50% methane is formed, constituting much less interesting.
Au cours de la dernière décennie, des efforts, tentés en vue de la solution de ce problème, ont permis d'atteindre environ 50% d'oléfines en C2 à C4 au moyen de catalyseurs spéciaux tels que Mn + Fe, mais au prix de températures et pressions relativement élevées. Over the past decade, efforts to resolve this problem have made it possible to reach approximately 50% of C2 to C4 olefins using special catalysts such as Mn + Fe, but at the cost of relatively high temperatures and pressures.
La présente invention apporte l'avantage de permettre la conversion de mélanges CO + H2 en hydrocarbures, principalement de C2 à C4 avec une forte proportion d'oléfines dans cette marge, la réaction pouvant être réalisée à une température modérée, sous faible pression, généralement voisine de la pression atmosphérique. Un autre avantage imprévu de l'invention réside en la formation de quantités de CO2 bien moindres que dans la technique connue ; en effet, la sélectivité en CO2 est - avec le système catalytique suivant l'invention - limité le plus souvent à environ 10 à 20%, alors qu'elle atteint généralement jusqu' 40 à 50% dans les anciens procédés.Ce facteur est important, notamment pour la stabilité du catalyseur, parce qu'au moins une partie du CO2 peut provenir de la réaction 2CO = C02+C qui consomme du CO aux dépens des hydrocarbures et laisse un dépôt de carbone à la surface du catalyseur, provoquant ainsi le vieillissement de ce dernier. The present invention provides the advantage of allowing the conversion of CO + H2 mixtures into hydrocarbons, mainly from C2 to C4 with a high proportion of olefins in this margin, the reaction being able to be carried out at a moderate temperature, under low pressure, generally close to atmospheric pressure. Another unforeseen advantage of the invention lies in the formation of much smaller amounts of CO2 than in the known technique; indeed, the selectivity for CO2 is - with the catalytic system according to the invention - most often limited to around 10 to 20%, whereas it generally reaches up to 40 to 50% in the old processes. This factor is important , especially for the stability of the catalyst, because at least part of the CO2 can come from the reaction 2CO = C02 + C which consumes CO at the expense of hydrocarbons and leaves a carbon deposit on the surface of the catalyst, thus causing the aging of the latter.
Le système catalytique suivant l'invention, cons titué par un ou plusieurs métaux de transition associé à au moins un oxyde, est caractérisé en ce que le ou les oxydes sont choisis parmi ceux des métaux de terres rares. Ainsi, le nouveau catalyseur suivant l'invention comprend-il un ou plusieurs des métaux de transition associés à un oxyde de terre rare : plus particulièrement conviennent les métaux des numéros atomiques 21 à 30 dans la Classification Périodique des éléments avec des oxydes de la série des lanthanides, soit numéros atomiques 57 à 71. The catalytic system according to the invention, constituted by one or more transition metals associated with at least one oxide, is characterized in that the oxide or oxides are chosen from those of the rare earth metals. Thus, the new catalyst according to the invention comprises one or more of the transition metals associated with a rare earth oxide: more particularly suitable the metals with atomic numbers 21 to 30 in the Periodic Table of the elements with oxides of the series lanthanides, or atomic numbers 57 to 71.
Au point de vue de l'accessibilité les systèmes fort pratiques comprennent du Fe, Ni ou/et Co, c'est-à-dire métaux du groupe VIII de la Classification, avec des oxydes de La, Ce ou/et Pr. From the point of view of accessibility, the very practical systems include Fe, Ni or / and Co, that is to say metals of group VIII of the Classification, with oxides of La, Ce or / and Pr.
L'association de l'oxyde de terre rare avec le métal peut être réalisée par l'adjonction du métal à l'oxyde employé comme support de ce métal. Elle peut également avoir lieu par l'adjonction de la terre rare au métal de transi tion1 l'ensemble étant fixé sur un support classique, par exemple charbon actif, alumine, silice, divers silicates d'alumine, oxyde de titane ou autre, présentant de préféren- ce une surface spécifique aussi grande que possible. The association of the rare earth oxide with the metal can be carried out by the addition of the metal to the oxide used as a support for this metal. It can also take place by adding rare earth to the transition metal1 the assembly being fixed on a conventional support, for example activated carbon, alumina, silica, various alumina silicates, titanium oxide or the like, having preferably a specific surface area as large as possible.
Les différents modes d'incorporation des éléments actifs d'un catalyseur à un support étant connus dans l'art, il n'y a pas lieu de les décrire ici. Tous ces modes sont applicables au système suivant l'invention. The various modes of incorporation of the active elements of a catalyst into a support being known in the art, there is no need to describe them here. All these modes are applicable to the system according to the invention.
Lorsque le nouveau système catalytique est constitué par un ou plusieurs oxydes de terres rares supportant le ou les métaux de transition, la teneur pondérale de ceux-ci, dans l'ensemble, peut varier entre 0,01 et 30%, et de préférence entre 0,5 et 15%. Ainsi, par exemple, un excellent catalyseur est formé par l'incorporation de 1 à 12% en poids de Fe, Ni ou/et Co à de l'oxyde de lanthane ou/et de l'oxyde de cérium. When the new catalytic system consists of one or more rare earth oxides supporting the transition metal (s), the content by weight of these, as a whole, can vary between 0.01 and 30%, and preferably between 0.5 and 15%. Thus, for example, an excellent catalyst is formed by the incorporation of 1 to 12% by weight of Fe, Ni or / and Co in lanthanum oxide and / or cerium oxide.
Dans le cas où le metal et l'oxyde sont déposés conjointement sur un support classique, en particulier sur du carbone à grande surface spécifique, la teneur en métal peut être d'environ 0,01 à 30% en poids du total, ou mieux de 0,5 à 15% ; la proportion d'oxyde de terre rare est alors de 0,01 à 30% de l'ensemble, et de préférence de 0!1 à 10% en poids. Des exemples de tels systèmes catalytiques sont constitués par du charbon actif de surface spécifique de l'ordre de 1000 m2/g renfermant 1 à 12% pondéraux de Fe; Ni ou/et Cot ainsi que 0,5 à 8% d'oxyde de La ou/et de Ce. In the case where the metal and the oxide are deposited jointly on a conventional support, in particular on carbon with a large specific surface, the metal content can be approximately 0.01 to 30% by weight of the total, or better from 0.5 to 15%; the proportion of rare earth oxide is then from 0.01 to 30% of the whole, and preferably from 0.1 to 10% by weight. Examples of such catalytic systems consist of activated carbon with a specific surface of the order of 1000 m 2 / g containing 1 to 12% by weight of Fe; Ni or / and Cot as well as 0.5 to 8% of oxide of La or / and Ce.
L'état physique du catalyseur influe sur les propriétés de celui-ci ; il dépend du traitement thermique ou/ et de la réduction appliqués au système après llincorpora- tion du métal,généralement sous la forme d'un sel en solution, au support choisi. Le catalyseur suivant l'invention peut donc être soumis à une calcination préalable, de préférence à une température de 200 à 500 C. il est avantageusement réduit à l'hydrogène, avant l'emploi, entre 2000 et 5000C. The physical state of the catalyst influences its properties; it depends on the heat treatment or / and the reduction applied to the system after the incorporation of the metal, generally in the form of a salt in solution, in the chosen support. The catalyst according to the invention can therefore be subjected to a prior calcination, preferably at a temperature of 200 to 500 C. it is advantageously reduced to hydrogen, before use, between 2000 and 5000C.
En ce qui concerne la réaction elle-même, de conversion des mélanges CO + H2 en hydrocarbures, elle est réalisée à la manière connue en soi, c' est-à-dire dans des conditions normales de la synthèse Fischer-Tropsch. Notamment, peut-elle être conduite à des températures de 1000 5000C et surtout entre 2000 et 4000C. Comme signalé plus haut, un avantage du système catalytique suivant l'invention réside dans la possibilité d'obtention de gaz riches en oléfines C2-C4, à des températures modérées, en particulier 2300 à 3300C. As regards the reaction itself, of conversion of the CO + H2 mixtures into hydrocarbons, it is carried out in the manner known per se, that is to say under normal conditions of the Fischer-Tropsch synthesis. In particular, can it be driven at temperatures of 1000 5000C and especially between 2000 and 4000C. As indicated above, an advantage of the catalytic system according to the invention lies in the possibility of obtaining gases rich in C2-C4 olefins, at moderate temperatures, in particular 2300 to 3300C.
Comme dans la technique connue, on peut opérer sous des pressions très variables, à savoir entre 1 et 1000 bars, et surtout sous 1 à 30 bars. Mais là également, un avantage de l'invention permet d'opérer à la pression atmosphérique ou peu élevée. As in the known technique, it is possible to operate under very variable pressures, namely between 1 and 1000 bars, and especially under 1 to 30 bars. But here too, an advantage of the invention makes it possible to operate at atmospheric or low pressure.
Dans la forme d'exécution de l'invention où un ou plusieurs oxydes d'éléments de terres rares servent de support au métal de transition, il est bon que la surface spécifique des oxydes soit élevée, mais il suffit qu'elle soit de 1 à 20 m2/g (BET). Par contre, si un support classique est employé pour la fixation du métal de transition et de l'oxyde de terre rare, en particulier le charbon actif, il faut une plus grande surface spécifique, notamment de 20 à 1500 m2/g, de préférence 500 à 1300 m2/g. In the embodiment of the invention where one or more oxides of rare earth elements serve as a support for the transition metal, it is good that the specific surface of the oxides is high, but it is sufficient that it is 1 at 20 m2 / g (BET). On the other hand, if a conventional support is used for fixing the transition metal and the rare earth oxide, in particular activated carbon, a greater specific surface is required, in particular from 20 to 1500 m2 / g, preferably 500 to 1300 m2 / g.
L'invention est illustrée par les exemples non limitatifs qui suivent. The invention is illustrated by the following nonlimiting examples.
EXEMPLES 1 à 6
Six catalyseurs à base de nickel, supporté par différents oxydes, sont préparés par imprégnation de l'oxyde avec une solution aqueuse de nitrate de Ni. L'oxyde, ainsi imprégné, est séché à l'air et à l'étuve durant 12 h à 1200C.EXAMPLES 1 to 6
Six nickel-based catalysts, supported by different oxides, are prepared by impregnating the oxide with an aqueous solution of Ni nitrate. The oxide, thus impregnated, is dried in air and in an oven for 12 h at 1200C.
il est ensuite réduit in situ par de l'hydrogène pendant 10 heures à 3O00C, sauf pour l'exemple 3 où cette réduction est opérée à 4000C.it is then reduced in situ with hydrogen for 10 hours at 3O00C, except for Example 3 where this reduction is carried out at 4000C.
On fait alors passer un mélange équimoléculaire de H2 + CO sur le catalyseur à 2500C (sauf 2700 dans l'exemple 6) sous une pression de 1,013 bar, à une vitesse volumétrique, ho -1 raire, V.V.H., de 1000 h
Les résultats obtenus sont rapportés au Tableau I ci-après, dans lequel on indique
les % pondéraux de Ni dans chaque catalyseur
la nature du support
l'activité du catalyseur en mol. CO-transformés par
heure, par gramme de Ni
l'analyse des hydrocarbures formés
le taux de formation du CO2.An equimolecular mixture of H2 + CO is then passed over the catalyst at 2500C (except 2700 in Example 6) under a pressure of 1.013 bar, at a volumetric speed, ho -1 rary, VVH, of 1000 h
The results obtained are reported in Table I below, in which it is indicated
the weight% of Ni in each catalyst
the nature of the support
the activity of the catalyst in mol. CO-transformed by
hour, per gram of Ni
analysis of hydrocarbons formed
the rate of CO2 formation.
TABLEAU I
EXEMPLES n 1 2 3* 4 5 % Ni 3 12 12 1,7 5 11
Oxyde support La203 La 203 La203 CeO2 SiO2 A 2 3
Sa surface SBET
m/g 10 10 10 40 10 10
Activité (x 102) 4,7 2 1,5 1,7 5,9 3,4
Gaz (hors CO2) % C1 31 27 25 46 53 58 C2-C4 59 58 67 54 40 35
C5 + 10 15 8 0 7 7 % Oléfines dans
C2-C4 51 70 65 70 19 22 % Oléfines C2-C4
dans le total d'hy
drocarbures 30 40,6 44,0 37,8 7,6 7,7
CO2/(CO2+H2O) 0,12 0,18 0,14 0,36 -
* - réduction à 400 C contre 300 C dans les autres exemples **
- réaction à 2700C- contre 2500C dans les autres exemples.TABLE I
EXAMPLES n 1 2 3 * 4 5% Ni 3 12 12 1.7 5 11
Support oxide La203 La 203 La203 CeO2 SiO2 A 2 3
Its SBET surface
m / g 10 10 10 40 10 10
Activity (x 102) 4.7 2 1.5 1.7 5.9 3.4
Gas (excluding CO2)% C1 31 27 25 46 53 58 C2-C4 59 58 67 54 40 35
C5 + 10 15 8 0 7 7% Olefins in
C2-C4 51 70 65 70 19 22% Olefins C2-C4
in the total of hy
drocarbons 30 40.6 44.0 37.8 7.6 7.7
CO2 / (CO2 + H2O) 0.12 0.18 0.14 0.36 -
* - reduction to 400 C against 300 C in the other examples **
- reaction at 2700C - against 2500C in the other examples.
On peut constater que les opérations suivant l'invention, soit exemples 1 à 4, ont fourni un gaz beaucoup plus riche en oléfines C2 - C4 (30 à 44%) que la technique antérieure des exemples 5 et 6 (maximum 7,7%), malgré la température très modérée et la pression atmosphérique. L'essai avec un support de CeO2 - exemple 4 - est également intéressant en ce qu'il n'a pas donné du tout d'hydrocarbures à plus de 4 atomes de carbone.It can be seen that the operations according to the invention, ie examples 1 to 4, provided a gas much richer in C2 - C4 olefins (30 to 44%) than the prior art of examples 5 and 6 (maximum 7.7% ), despite the very moderate temperature and atmospheric pressure. The test with a support for CeO2 - example 4 - is also interesting in that it did not give hydrocarbons with more than 4 carbon atoms at all.
EXEMPLES 7 à 11
Des essais similaires à ceux des exemples 1 à 6 ont été effectués, mais avec du nitrate de cobalt à la place de celui de nickel. L'activité est donc exprimée en moles CO converti par gramme de Co par heure.EXAMPLES 7 to 11
Tests similar to those of Examples 1 to 6 were carried out, but with cobalt nitrate instead of that of nickel. The activity is therefore expressed in moles of CO converted per gram of Co per hour.
Les résultats sont réunis au Tableau II. The results are collated in Table II.
(Les supports ont une surface spécifique de 10 g/m2 BET).(The supports have a specific surface of 10 g / m2 BET).
TABLEAU Il
Exemples nO 7 8 9 10 11 % Co 10 10 10 10 10
Oxyde de support La203 La203 CeO2 SiO2 SiO2
Température de la réduction 2500 4000 2500 2500 4000
Activité (x102) 0,7 0,1 1,1 3,5 7,0
Gaz (hors CO2)
C1 44 55 23 60 62
C2-C4 48 45 53 34 35
C5 8 traces 24 6
Oléfines dans C2-C4 73 84 70 50 39
Oléfines dans le total
d'hydrocarbures 35 37,8 37,2 17 13,7
CO2/(CO2+H2O) 0,23 0,43 0,23 -
De même qu'avec le nickel, on trouve, pour le cobalt supporté par des oxydes de La ou de Ce, (exemples 7 à 9) des proportions d'oléfines en C2-C4 beaucoup plus élevées que dans le cas de la silice (exemples 10,11).TABLE II
Examples nO 7 8 9 10 11% Co 10 10 10 10 10
Support oxide La203 La203 CeO2 SiO2 SiO2
Reduction temperature 2500 4000 2500 2500 4000
Activity (x102) 0.7 0.1 1.1 3.5 7.0
Gas (excluding CO2)
C1 44 55 23 60 62
C2-C4 48 45 53 34 35
C5 8 traces 24 6
Olefins in C2-C4 73 84 70 50 39
Total olefins
hydrocarbons 35 37.8 37.2 17 13.7
CO2 / (CO2 + H2O) 0.23 0.43 0.23 -
As with nickel, we find, for cobalt supported by oxides of La or Ce, (examples 7 to 9) much higher proportions of C2-C4 olefins than in the case of silica ( examples 10,11).
EXEMPLES 12 à 14
Les exemples 12 et 13 illustrent la seconde forme d'exécution de l'invention, dans laquelle le métal de transition, conjointement avec un oxyde de terre rare, est in corporé à un support classique. Le métal est ici le Co, les terres rares La ou Ce, et le support de charbon activé, connu sous la dénomination d'Acticarbone, présentant une surface spécifique d'environ 1200 m2/g. L'exemple 14, comparatif, porte sur le même Acticarbone supportant du cobalt, sans terre rare.EXAMPLES 12 to 14
Examples 12 and 13 illustrate the second embodiment of the invention, in which the transition metal, together with a rare earth oxide, is incorporated into a conventional support. The metal here is Co, the rare earths La or Ce, and the activated carbon support, known under the name of Arcticicbone, having a specific surface of approximately 1200 m2 / g. Example 14, comparative, relates to the same Acticarbone supporting cobalt, without rare earth.
Le mode opératoire (réaction à 250oc) est le même que dans les exemples précédents : le support est imprégné d'un sel de Co et d'un sel de La ou Ce; Les résultats sont réunis au
Tableau III.The procedure (reaction at 250oc) is the same as in the previous examples: the support is impregnated with a Co salt and a La or Ce salt; The results are gathered at
Table III.
TABLEAU III
EXEMPLES 12 13 14 % Co 10 10 10 % de terre rare 4 Ce 4 La
Activité (pour Co) (x102) 1,8 3,7 0,3
Gaz (hors CO2)
% C1 47 46 96
C2-C4 38 38 4
C5+ 15 16 % oléfines dans C2-C4 80 71 0 % oléfines dans le total
d'hydrocarbures 30,4 27 0
CO2/(CO2+H2O) 0,14 0,11 0,10
L'influence des terres rares est remarquable dans les exemples 12 et 13 comparés au 14. La et Ce, à raison de 1 atome pour 6 atomes de Co, suffisent à produire environ 30% d'oléfines légères, alors que sans ces éléments, il n'y a pas d'ooléfines du tout.TABLE III
EXAMPLES 12 13 14% Co 10 10 10% rare earth 4 Ce 4 La
Activity (for Co) (x102) 1.8 3.7 0.3
Gas (excluding CO2)
% C1 47 46 96
C2-C4 38 38 4
C5 + 15 16% olefins in C2-C4 80 71 0% olefins in total
hydrocarbons 30.4 27 0
CO2 / (CO2 + H2O) 0.14 0.11 0.10
The influence of rare earths is remarkable in examples 12 and 13 compared to 14. La and Ce, at the rate of 1 atom for 6 atoms of Co, are sufficient to produce approximately 30% of light olefins, while without these elements, there are no olefins at all.
On constate également que l'activité est fortement augmentée par la présence de la terre rare. We also note that the activity is greatly increased by the presence of rare earth.
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FR8416172A FR2571981A1 (en) | 1984-10-23 | 1984-10-23 | Catalyst system for the production of hydrocarbons which are rich in light olefins from carbon monoxide and hydrogen |
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