FR2903620A1 - MEMBRANE CATALYST FOR THE SYNTHESIS OF ACRYLIC ACID FROM GLYCEROL - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un catalyseur membranaire pour la synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol, la préparation du catalyseur membranaire et son utilisation pour la préparation d'acide acrylique à partir de glycérol. Ledit catalyseur membranaire comprend une première couche A constituée d'une phase capable de convertir sélectivement l'acroléine en acide acrylique, et une seconde couche B formée sur ladite première couche A, constituée d'une phase acide ayant une acidité de Hammett H0 inférieure à +2, capable d'effectuer sélectivement la réaction de déshydratation du glycérol en acroléine.The present invention relates to a membrane catalyst for the synthesis of acrylic acid from glycerol, the preparation of the membrane catalyst and its use for the preparation of acrylic acid from glycerol. Said membrane catalyst comprises a first layer A consisting of a phase capable of selectively converting acrolein to acrylic acid, and a second layer B formed on said first layer A, consisting of an acid phase having a Hammett acidity H0 less than +2, capable of selectively performing the dehydration reaction of glycerol to acrolein.
Description
1 Domaine technique La présente invention a pour objet un catalyseurTECHNICAL FIELD The present invention relates to a catalyst
membranaire pour la synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol, la préparation du catalyseur membranaire et son utilisation pour la préparation d'acide acrylique à partir de glycérol. Art antérieur et problème technique Il existe de nombreuses références dans la littérature sur les réacteurs membranaires, mais paradoxalement peu de références décrivent des catalyseurs membranaires. membrane for the synthesis of acrylic acid from glycerol, the preparation of the membrane catalyst and its use for the preparation of acrylic acid from glycerol. PRIOR ART AND TECHNICAL PROBLEM There are numerous references in the literature on membrane reactors, but paradoxically few references describe membrane catalysts.
Dans un réacteur membranaire, le catalyseur est déposé sur une membrane poreuse. L'un des réactifs ou des produits diffuse à travers la membrane pour venir réagir sur le catalyseur, ou pour être éliminé du milieu réactionnel. Par catalyseur membranaire, on entend un catalyseur constitué d'au 15 moins deux couches de matière active, obtenu par exemple en déposant une couche de matière active B sur un grain de matière active A. Le brevet US 6,177,381 décrit un catalyseur composé d'un coeur interne et d'une couche extérieure liée au coeur. Le coeur est constitué d'un oxyde réfractaire inorganique tel que l'alumine alpha, l'alumine téta, la cordiérite, la 20 zircone, l'oxyde de titane ou leurs mélanges, ou de carbure de silicium ou d'un métal. La couche extérieure est constituée d'un oxyde réfractaire inorganique, qui est différent de celui utilisé pour le coeur, choisi parmi les alumines gamma, delta ou éta, les mélanges silice/alumine, les zéolithes ou les tamis moléculaires non zéolithes, les oxydes de titane, les zircones ou des mélanges 25 de ces composés. L'oxyde réfractaire inorganique de la couche extérieure est déposé sous la forme d'une pâte sur l'oxyde réfractaire inorganique du coeur, la pâte contenant en plus un agent de liaison organique ou inorganique pour faciliter l'adhésion des deux couches. Sur la couche extérieure, un métal du groupe du platine est dispersé avec, d'une part, un promoteur choisi parmi les 30 métaux étain, germanium, rhénium, gallium, bismuth, plomb, indium, cérium, zinc ou leurs mélanges, et d'autre part, un modifiant choisi parmi les métaux alcalins ou alcalino-terreux ou leurs mélanges. Le catalyseur ainsi obtenu est 2903620 2 utilisé pour des réactions d'alkylation, craquage, hydrocraquage, isomérisation, hydrogénation, déshydrogénation ou oxydation. Il montre notamment une durabilité et une sélectivité améliorées pour la déshydrogénation d'hydrocarbures. In a membrane reactor, the catalyst is deposited on a porous membrane. One of the reagents or products diffuses through the membrane to react on the catalyst, or to be removed from the reaction medium. By membrane catalyst is meant a catalyst consisting of at least two layers of active material, obtained for example by depositing a layer of active material B on a grain of active material A. US Pat. No. 6,177,381 describes a catalyst composed of a inner heart and an outer layer bound to the heart. The core consists of an inorganic refractory oxide such as alpha alumina, teta alumina, cordierite, zirconia, titania or mixtures thereof, or silicon carbide or a metal. The outer layer consists of an inorganic refractory oxide, which is different from that used for the core, chosen from gamma, delta or eta aluminas, silica / alumina mixtures, zeolites or non-zeolite molecular sieves, titanium, zirconia or mixtures thereof. The inorganic refractory oxide of the outer layer is deposited in the form of a paste on the inorganic refractory oxide of the core, the paste additionally containing an organic or inorganic binding agent to facilitate the adhesion of the two layers. On the outer layer, a platinum group metal is dispersed with, on the one hand, a promoter selected from tin, germanium, rhenium, gallium, bismuth, lead, indium, cerium, zinc or mixtures thereof, and on the other hand, an modifier selected from alkali or alkaline earth metals or mixtures thereof. The catalyst thus obtained is used for alkylation, cracking, hydrocracking, isomerization, hydrogenation, dehydrogenation or oxidation reactions. It shows in particular improved durability and selectivity for the dehydrogenation of hydrocarbons.
5 La demande de brevet EP 1 008 378 décrit un catalyseur pour le traitement des gaz d'échappement. Le catalyseur comporte une première couche catalytique, formée sur un substrat, comprenant un composant d'absorption de NOx à base d'au moins un élément choisi parmi les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux et les éléments de terre rare. Les gaz 10 d'échappement sont préalablement mis en contact avec un composant, autre que celui absorbant les NOx, choisi parmi le sodium ou le potassium, et un métal de transition, constituant une seconde couche catalytique déposée sur la première. Cette seconde couche a pour rôle d'absorber le soufre et d'oxyder l'oxyde d'azote en NOx et les hydrocarbures insaturés, avant que le gaz d'échappement soit en contact avec le composant d'absorption des NOx. Il en résulte une amélioration de l'efficacité du catalyseur en terme de résistance au soufre et de conversion des NOx. La demande internationale WO 03/033625 décrit des catalyseurs pour l'oxydation sélective d'un ou plusieurs composés dans un courant de fluides gazeux ou liquides. Plus particulièrement, il est décrit un catalyseur d'oxydation sélective du CO dans un flux d'hydrocarbures. Le catalyseur d'oxydation, comprenant au moins un élément du groupe du platine supporté sur un matériau, est recouvert d'une couche de tamis moléculaire jouant le rôle de membrane semi-perméable. Le monoxyde de carbone, qui est une petite molécule, diffuse plus facilement à travers la couche de tamis moléculaire que les hydrocarbures et s'oxyde ainsi préférentiellement au contact du catalyseur d'oxydation interne. Il a maintenant été trouvé un catalyseur membranaire comprenant deux couches superposées A et B de matière active différente, la couche B en surface externe ayant pour rôle de catalyser une première réaction au contact d'un ou plusieurs réactifs, le (ou les) produit(s) formé(s) à l'issue de cette 2903620 3 première réaction diffusant ensuite vers la couche A interne ayant pour rôle de catalyser une seconde réaction pour donner le produit final attendu. Plus particulièrement, il a été trouvé un catalyseur membranaire pour la synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol. Ce catalyseur membranaire 5 comprend deux couches de solides superposées, une couche B en surface ayant pour rôle de catalyser sélectivement la réaction de déshydratation du glycérol en acroléine, une autre couche A interne ayant pour rôle de catalyser sélectivement la réaction d'oxydation de l'acroléine en acide acrylique. L'avantage principal est de disposer d'un catalyseur unique et de pouvoir 10 garantir un remplissage homogène du réacteur, tout en combinant efficacement l'énergie des deux réactions consécutives mises en oeuvre. Un autre avantage réside dans la possibilité de disposer de catalyseurs présentant des couches A et B avec des épaisseurs et/ou des granulométries modulables conduisant ainsi à des gradients d'activité dans le réacteur.Patent application EP 1 008 378 describes a catalyst for the treatment of exhaust gases. The catalyst comprises a first catalytic layer formed on a substrate, comprising a NOx absorption component based on at least one element selected from alkali metals, alkaline earth metals and rare earth elements. The exhaust gases are first contacted with a component, other than that absorbing NOx, selected from sodium or potassium, and a transition metal, constituting a second catalytic layer deposited on the first. This second layer has the role of absorbing sulfur and oxidizing nitrogen oxide to NOx and unsaturated hydrocarbons, before the exhaust gas is in contact with the NOx absorption component. This results in an improvement of the catalyst efficiency in terms of sulfur resistance and NOx conversion. International application WO 03/033625 describes catalysts for the selective oxidation of one or more compounds in a stream of gaseous or liquid fluids. More particularly, there is disclosed a catalyst for selective oxidation of CO in a hydrocarbon stream. The oxidation catalyst, comprising at least one platinum group element supported on a material, is covered with a molecular sieve layer acting as a semi-permeable membrane. Carbon monoxide, which is a small molecule, diffuses more easily through the molecular sieve layer than hydrocarbons and thus oxidizes preferentially in contact with the internal oxidation catalyst. It has now been found a membrane catalyst comprising two superimposed layers A and B of different active material, the outer surface layer B having the role of catalyzing a first reaction in contact with one or more reagents, the (or the) product ( s) formed at the end of this first reaction then diffusing to the inner layer A whose function is to catalyze a second reaction to give the expected final product. More particularly, a membrane catalyst has been found for the synthesis of acrylic acid from glycerol. This membrane catalyst 5 comprises two layers of superimposed solids, a surface layer B having the role of selectively catalyzing the dehydration reaction of glycerol to acrolein, another internal layer A having the role of selectively catalyzing the oxidation reaction of the acrolein to acrylic acid. The main advantage is to have a single catalyst and to be able to guarantee a homogeneous filling of the reactor, while effectively combining the energy of the two consecutive reactions used. Another advantage lies in the possibility of having catalysts having layers A and B with thicknesses and / or modulable particle sizes, thus leading to gradients of activity in the reactor.
15 Exposé de l'invention La présente invention a donc pour objet un catalyseur membranaire pour la synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol, caractérisé en ce qu'il comprend une première couche A constituée d'une phase capable de convertir sélectivement l'acroléine en acide acrylique comprenant au moins un élément 20 choisi dans la liste molybdène, vanadium, tungstène, rhénium, chrome, manganèse, fer, cobalt, nickel, cuivre, zinc, étain, tellure, antimoine, bismuth, platine, palladium, ruthénium, rhodium, présent sous la forme métallique ou sous forme d'oxyde, de sulfate ou de phosphate, et une seconde couche B formée sur ladite première couche A, constituée d'une phase acide ayant une 25 acidité de Hammett Ho inférieure à +2, capable d'effectuer sélectivement la réaction de déshydratation du glycérol en acroléine. L'invention a aussi pour objet un procédé de préparation d'un catalyseur membranaire pour la synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 30 (a) former une première couche A sur un substrat inerte à partir d'une phase capable de convertir sélectivement l'acroléine en acide acrylique, comprenant au moins un élément choisi dans la 2903620 4 liste molybdène, vanadium, tungstène, rhénium, chrome, manganèse, fer, cobalt, nickel, cuivre, zinc, étain, tellure, antimoine, bismuth, platine, palladium, ruthénium, rhodium, présent sous la forme métallique ou sous forme d'oxyde, de sulfate ou de phosphate, ladite première couche étant formée par enrobage en suspension ou en poudre, ou par imprégnation du substrat, (b) former une seconde couche B sur ladite première couche à partir d'une phase acide ayant une acidité de Hammett Ho inférieure à +2, capable d'effectuer la réaction de déshydratation du glycérol en acroléine. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'acide acrylique à partir de glycérol, en phase gaz et en présence d'oxygène moléculaire, caractérisé en ce que l'on utilise un catalyseur membranaire tel que défini 15 précédemment ou obtenu selon le procédé de préparation décrit précédemment. Exposé détaillé de l'invention La synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol est basée sur 2 réactions consécutives, une réaction de déshydratation du glycérol en acroléine 20 et une réaction d'oxydation d'acroléine en acide acrylique, selon le schéma réactionnel suivant, appelé oxydéshydratation du glycérol en acide acrylique : CH2OH-CHOH-CH2OH H CH2=CH-CHO + 2H20 CH2=CH-CHO + 1/2 02 -* CH2=CH-COOH Le catalyseur membranaire selon l'invention est adapté pour la réaction 25 d'oxydéshydratation du glycérol en acide acrylique. Le catalyseur selon l'invention comprend deux couches A et B constituées de phases différentes, chacune étant adaptée pour l'une des deux réactions du schéma réactionnel d'oxydéshydratation du glycérol. L'avantage principal est de combiner l'exothermicité de la réaction 30 d'oxydation avec l'endothermicité de la réaction de déshydratation. Cette combinaison permet de mieux gérer la température du catalyseur, ce qui 5 10 2903620 5 contribue à un meilleur équilibre thermique de la synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol. La première couche A constitue une couche catalytique au coeur du catalyseur et la seconde couche B constitue une couche catalytique à la 5 périphérie, formée sur la première couche A. Au contact du catalyseur selon l'invention, le glycérol traverse la couche de solide B sur laquelle il se transforme en acroléine. L'acroléine diffuse vers le coeur du catalyseur pour réagir au contact de la couche de solide A et produire de l'acide acrylique. La couche B est constituée d'une phase acide ayant une acidité de 10 Hammett Ho inférieure à +2, de préférence inférieure à -3. L'acidité de Hammett pour un solide est définie dans le brevet US 5,387,720 qui fait référence à l'article de K. Tanabe et al dans "Studies in Surface Science and Catalysis", Vol 51, 1989, chap 1 et 2. L'acidité de Hammett est déterminée par titration amine à l'aide d'indicateurs ou par 15 adsorption d'une base en phase gazeuse. Avantageusement, la couche B est constituée d'une phase acide ayant une acidité de Hammett Ho comprise entre -9 et -18, plus particulièrement entre -10 et -16. Des solides acides pouvant convenir pour la couche B sont des 20 matériaux siliceux naturels ou de synthèse ou les zéolithes acides ; des supports minéraux, tels que des oxydes, recouverts par des acides inorganiques, mono, di, tri ou polyacides ; des oxydes ou oxydes mixtes ou encore des hétéropolyacides. Avantageusement, la couche B est constituée d'une phase acide 25 choisie parmi les zéolithes, les composites Nafion (à base d'acide sulfonique de polymères fluorés), les alumines chlorées, les acides et sels d'acides phosphotungstiques et/ou silicotungstiques, et différents solides de type oxydes métalliques tels que oxyde de tantale Ta2O5, oxyde de niobium Nb2O5, alumine AI2O3, oxyde de titane TiO2, zircone ZrO2, oxyde d'étain SnO2, silice SiO2 ou 30 silico-aluminate SiO2-AI2O3, imprégnés de fonctions acides telles que borate BO3, sulfate SO4, tungstate WO3, phosphate PO4, silicate SiO2, ou molybdate MoO3.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention therefore relates to a membrane catalyst for the synthesis of acrylic acid from glycerol, characterized in that it comprises a first layer A consisting of a phase capable of selectively converting the acrolein to acrylic acid comprising at least one element selected from the list molybdenum, vanadium, tungsten, rhenium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, tin, tellurium, antimony, bismuth, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, present in the metal form or in the form of oxide, sulphate or phosphate, and a second layer B formed on said first layer A, consisting of an acid phase having a Hammett Ho acidity of less than +2, capable of selectively effecting the dehydration reaction of glycerol to acrolein. The invention also relates to a method for preparing a membrane catalyst for the synthesis of acrylic acid from glycerol, characterized in that it comprises the following steps: (a) forming a first layer A on a inert substrate from a phase capable of selectively converting acrolein to acrylic acid, comprising at least one element selected from the list 290 mol molybdenum, vanadium, tungsten, rhenium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, tin, tellurium, antimony, bismuth, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, present in metallic form or in oxide, sulphate or phosphate form, said first layer being formed by suspension or powder coating, or by impregnating the substrate, (b) forming a second layer B on said first layer from an acidic phase having a Hammett Ho acid of less than +2, capable of effecting the glyde dehydration reaction acrolein. The subject of the invention is also a process for producing acrylic acid from glycerol, in the gas phase and in the presence of molecular oxygen, characterized in that a membrane catalyst as defined previously or obtained according to the invention is used. the preparation method described above. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Synthesis of acrylic acid from glycerol is based on 2 consecutive reactions, a dehydration reaction of glycerol to acrolein and an acrolein oxidation reaction to acrylic acid, according to the following reaction scheme , called oxydeshydration of glycerol to acrylic acid: CH 2 OH -CHOH-CH 2 OH CH 2 = CH-CHO + 2H 2 O CH 2 = CH-CHO + 1/2 - CH 2 = CH-COOH The membrane catalyst according to the invention is suitable for oxidation reaction of glycerol to acrylic acid. The catalyst according to the invention comprises two layers A and B consisting of different phases, each being suitable for one of the two reactions of the glycerol oxidation hydration reaction scheme. The main advantage is to combine the exothermicity of the oxidation reaction with the endothermicity of the dehydration reaction. This combination makes it possible to better manage the temperature of the catalyst, which contributes to a better thermal equilibrium of the synthesis of acrylic acid from glycerol. The first layer A constitutes a catalytic layer in the core of the catalyst and the second layer B constitutes a catalytic layer at the periphery, formed on the first layer A. In contact with the catalyst according to the invention, the glycerol passes through the solid layer B. on which it turns into acrolein. Acrolein diffuses to the core of the catalyst to react with the solid layer A to produce acrylic acid. Layer B consists of an acidic phase having a Hammett's acidity of less than +2, preferably less than -3. Hammett acidity for a solid is defined in US Pat. No. 5,387,720 which refers to the article by K. Tanabe et al in "Studies in Surface Science and Catalysis", Vol 51, 1989, Chapters 1 and 2. Hammett's acidity is determined by amine titration using indicators or adsorption of a gas phase base. Advantageously, the layer B consists of an acid phase having a Hammett Ho acidity of between -9 and -18, more particularly between -10 and -16. Suitable acidic solids for layer B are natural or synthetic siliceous materials or acidic zeolites; inorganic carriers, such as oxides, coated with inorganic acids, mono, di, tri or polyacids; oxides or mixed oxides or heteropolyacids. Advantageously, the layer B consists of an acid phase chosen from zeolites, Nafion composites (based on fluorosulphonic acid of fluoropolymers), chlorinated aluminas, acids and salts of phosphotungstic and / or silicotungstic acids, and various metal oxide solids such as tantalum oxide Ta2O5, niobium oxide Nb2O5, alumina Al2O3, titanium oxide TiO2, zirconia ZrO2, tin oxide SnO2, silica SiO2 or silico-aluminate SiO2-Al2O3 impregnated with functions acids such as BO3 borate, SO4 sulfate, WO3 tungstate, PO4 phosphate, SiO2 silicate, or MoO3 molybdate.
2903620 6 De préférence, la couche B est constituée d'une zircone sulfatée, une zircone phosphatée, une zircone tungstée, une zircone silicée, un oxyde de titane ou d'étain sulfaté ou tungsté. La couche A est constituée d'une phase solide comprenant au moins 5 un élément choisi dans la liste molybdène, vanadium, tungstène, rhénium, chrome, manganèse, fer, cobalt, nickel, cuivre, zinc, étain, tellure, antimoine, bismuth, platine, palladium, ruthénium, rhodium, présent sous la forme métallique ou sous forme d'oxyde, de sulfate ou de phosphate. Avantageusement, la couche A est constituée d'une phase solide de 10 type oxyde mixte de métaux pouvant répondre à la composition (I) suivante : Mo12 Va X1b X2c X3d X4e Ox (I) dans laquelle : - Mo est le molybdène ; - V est le vanadium ; 15 - O est l'oxygène ; - X' est au moins un élément choisi parmi le tungstène, le titane, le tantale et le niobium ; - X2 est au moins un élément choisi parmi le cuivre, l'antimoine, le tellure et le bismuth ; 20 - X3 est au moins un élément choisi parmi les métaux alcalino-terreux ; - X4 est au moins un élément choisi parmi les métaux alcalins ; et - 0<a<_10, de préférence 3<_a<_6 ; -0<_b<_4, de préférence 0,5<_b<_3 ; - 0<c<_5, de préférence 0<c<_4 ; 25 - 0<_d<_2 ; - 0<_e<_2 ; et x est la quantité d'oxygène lié aux autres éléments et dépend de leurs états d'oxydation. Le cuivre et l'antimoine sont préférés comme X2.Preferably, the layer B consists of a sulfated zirconia, a phosphatized zirconia, a tungsten zirconia, a silicified zirconia, an oxide of titanium or of sulphated tin or tungsten. The layer A consists of a solid phase comprising at least one element selected from the list molybdenum, vanadium, tungsten, rhenium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, tin, tellurium, antimony, bismuth, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, present in the metal form or in the form of oxide, sulphate or phosphate. Advantageously, the layer A consists of a solid phase of mixed metal oxide type that can respond to the following composition (I): ## STR1 ## in which: Mo is molybdenum; - V is vanadium; O is oxygen; X 'is at least one element selected from tungsten, titanium, tantalum and niobium; - X2 is at least one element selected from copper, antimony, tellurium and bismuth; X3 is at least one member selected from alkaline earth metals; - X4 is at least one element selected from alkali metals; and - 0 <a <_10, preferably 3 <_a <_6; -0 <_b <_4, preferably 0.5 <_b <_3; - 0 <c <_5, preferably 0 <c <_4; 25 - 0 <_d <_2; - 0 <_e <_2; and x is the amount of oxygen bound to the other elements and depends on their oxidation states. Copper and antimony are preferred as X2.
30 Le métal alcalino-terreux X3 est choisi de préférence parmi le magnésium, le calcium, le strontium et le baryum.The alkaline earth metal X 3 is preferably selected from magnesium, calcium, strontium and barium.
2903620 7 Le métal alcalin X4 est choisi de préférence parmi le potassium, le rubidium et le césium. La couche A peut avoir une structure mono-composant. Elle peut avoir aussi une structure multi-composant, en particulier, une structure bi- 5 composant ou tri-composant. De telles structures sont décrites par exemple dans les documents US 6,737,545, US 2004/0249183, DE 10360058 ou US 6,921,836. La couche A peut être obtenue selon les méthodes bien connues de l'homme de l'art pour la préparation de catalyseurs en général, et pouvant 10 présenter les étapes suivantes : préparation d'une suspension d'oxydes ou de composés susceptibles de former des oxydes, séchage, pré calcination, calcination, broyage, mise en forme... Différents oxydes métalliques entrant dans la composition de la couche A peuvent être utilisés pour la préparation de cette composition, mais 15 les matières premières ne sont pas limitées aux oxydes, d'autres matières premières peuvent être utilisées, telles que des solutions de sels métalliques sous forme de sulfates, phosphates, nitrates par exemple. Avantageusement, la couche A est formée sur un substrat inerte tel que alumine, silice, silico-alumine, carbure de silicium, oxyde de titane, 20 stéatite, sans que cette liste puisse être considérée comme exhaustive. Des solides pouvant convenir pour la couche A sont par exemple les solides commercialisés par les sociétés telles que Nippon Shokubai, Nippon Kayaku, Mitsubishi Chemical ou BASF. La couche A selon l'invention peut être sous forme de billes, ou sous 25 forme de cylindres, multilobes, anneaux, demi-anneaux ou selles de cheval. Un procédé pour préparer un catalyseur membranaire convenant pour la synthèse d'acide acrylique à partir de glycérol, autre objet de l'invention, comprend les deux étapes (a) et (b) suivantes : L'étape (a) consiste à former une première couche A, telle que définie 30 précédemment, sur un substrat inerte pouvant être constitué par exemple d'alumine, silice, silico-alumine, carbure de silicium, oxyde de titane, stéatite.The alkali metal X4 is preferably selected from potassium, rubidium and cesium. The layer A may have a single-component structure. It can also have a multi-component structure, in particular a two-component or three-component structure. Such structures are described for example in US 6,737,545, US 2004/0249183, DE 10360058 or US 6,921,836. The layer A may be obtained according to the methods well known to those skilled in the art for the preparation of catalysts in general, and may have the following steps: preparation of a suspension of oxides or compounds capable of forming oxides, drying, pre-calcination, calcination, grinding, shaping ... Various metal oxides used in the composition of layer A can be used for the preparation of this composition, but the raw materials are not limited to oxides, other raw materials can be used, such as solutions of metal salts in the form of sulphates, phosphates, nitrates for example. Advantageously, the layer A is formed on an inert substrate such as alumina, silica, silico-alumina, silicon carbide, titanium oxide, soapstone, without this list being considered exhaustive. Suitable solids for layer A are, for example, the solids marketed by companies such as Nippon Shokubai, Nippon Kayaku, Mitsubishi Chemical or BASF. The layer A according to the invention may be in the form of beads, or in the form of cylinders, multilobes, rings, half-rings or saddles. A process for preparing a membrane catalyst suitable for the synthesis of acrylic acid from glycerol, another subject of the invention, comprises the following two steps (a) and (b): Step (a) consists in forming a first layer A, as defined above, on an inert substrate which may consist, for example, of alumina, silica, silico-alumina, silicon carbide, titanium oxide, steatite.
2903620 8 L'étape (a) peut être réalisée selon différentes manières bien connues de l'homme du métier, qui aboutissent à un dépôt homogène et contrôlé de matière active sur un support. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche A est obtenue 5 par enrobage en suspension du substrat. Dans ce cas, la matière active constituant la couche A est préparée par coprécipitation de différents sels métalliques en solution, en présence ou non du substrat. Lorsque la coprécipitation des sels métalliques est réalisée en l'absence du substrat, la phase finale d'évaporation du solvant, est alors effectuée en présence du 10 substrat. Le solide final est obtenu après séchage et calcination. La matière active constituant la couche A est alors fixée en périphérie du substrat. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche A est obtenue par enrobage en poudre du substrat. Dans ce cas, le substrat, par exemple sous forme de billes, est mis en présence de la poudre de matière active. Un liant est 15 ensuite ajouté progressivement, par exemple goutte à goutte, ou par pulvérisation. Le liant peut être de l'eau, mais aussi des solutions aqueuses de glycérol, de polyvinylalcool, carboxymethylcellulose ou de methylcellulose par exemple. De préférence, l'ensemble est mis en rotation de façon que les billes se recouvrent progressivement de la matière active de façon homogène. Le 20 solide final est obtenu après une étape de séchage. Une étape de calcination peut être réalisée pour améliorer la fixation de la matière active sur la bille. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche A est obtenue par imprégnation du substrat à l'aide d'une solution ou d'une suspension contenant la matière active. Par exemple, le substrat est placé dans une 25 capacité mise en rotation et une solution ou une suspension contenant la matière active est atomisée sur le substrat. Cette opération peut s'effectuer en présence d'un courant gazeux chaud ou en chauffant le substrat de façon à évaporer progressivement le solvant. La matière active se dépose au fur et à mesure de façon homogène sur un solide qui reste sec.The step (a) can be carried out according to various ways well known to those skilled in the art, which result in a homogeneous and controlled deposition of active material on a support. According to one embodiment of the invention, the layer A is obtained by coating the substrate in suspension. In this case, the active ingredient constituting the layer A is prepared by coprecipitation of various metal salts in solution, in the presence or absence of the substrate. When the coprecipitation of the metal salts is carried out in the absence of the substrate, the final phase of evaporation of the solvent is then carried out in the presence of the substrate. The final solid is obtained after drying and calcination. The active material constituting the layer A is then fixed at the periphery of the substrate. According to one embodiment of the invention, the layer A is obtained by powder coating of the substrate. In this case, the substrate, for example in the form of beads, is brought into contact with the powder of active material. A binder is then added gradually, for example dropwise, or by spraying. The binder can be water, but also aqueous solutions of glycerol, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose or methylcellulose for example. Preferably, the assembly is rotated so that the balls progressively overlap with the active material homogeneously. The final solid is obtained after a drying step. A calcination step may be performed to improve the attachment of the active ingredient to the ball. According to one embodiment of the invention, the layer A is obtained by impregnating the substrate with a solution or suspension containing the active material. For example, the substrate is placed in a rotated capacity and a solution or suspension containing the active material is atomized on the substrate. This operation can be carried out in the presence of a hot gas stream or by heating the substrate so as to gradually evaporate the solvent. The active ingredient is deposited as and homogeneously on a solid which remains dry.
30 L'étape (b) consiste à former sur le solide issu de l'étape (a) une seconde couche B à partir d'une matière active acide telle que définie précédemment. La matière active acide est généralement sous forme de 2903620 9 poudre qui est utilisée dans l'étape (b) pour enrober le solide issu de l'étape (a). Avantageusement, un traitement thermique préalable de la matière active acide permet d'obtenir un compromis de force et de densité des sites acides. En effet, pour que la sélectivité de la réaction de déshydratation soit optimale, il est 5 nécessaire que la force des sites acides soit ajustée à la réaction. La force des sites acides peut être caractérisée par la température à laquelle une molécule sonde telle que l'ammoniac, désorbe du catalyseur. Plus cette température est élevée, plus le site acide est fort. La force moyenne des sites acides peut être contrôlée de différentes manières, par exemple par un traitement thermique à 10 une température suffisamment élevée, ou par un empoisonnement sélectif, par exemple par une base (tel qu'un alcalin, alcalino terreux...) ayant pour effet de neutraliser préférentiellement les sites acides les plus forts. La couche B peut être obtenue aussi en préparant une suspension de matière active acide dans un solvant, puis en déposant cette suspension sur le 15 solide issu de l'étape (a) selon les techniques bien connues de l'homme du métier. Il peut être avantageux de contrôler la distribution granulométrique des particules de solide acide, et ainsi de contrôler la porosité de la couche B. La porosité de la couche B peut être ajustée selon plusieurs méthodes bien 20 connues de l'homme de l'art : par exemple l'ajout d'agents porogènes (tels que la cellulose, l'amidon, des tensio-actifs, du nitrate d'amminium...) permet de générer une porosité contrôlée dans la couche B. Une autre méthode qui peut être utilisée en combinaison avec la précédente est de contrôler la distribution granulométrique des particules. En effet, si les particules ont une taille moyenne 25 élevée, les vides créés entre ces particules ont eux aussi une taille moyenne élevée. Il est ainsi possible de contrôler la porosité de la couche B. En effet, il est essentiel que la couche B, ayant pour rôle d'effectuer la réaction de déshydratation du glycérol en acroléine, ne laisse pas diffuser de glycérol jusque la couche A. Ceci est possible notamment en diminuant la taille et la 30 distribution des particules constituant la phase acide, selon les techniques de l'art.Step (b) consists in forming on the solid resulting from step (a) a second layer B from an acidic active material as defined above. The acidic active material is generally in the form of a powder which is used in step (b) to coat the solid from step (a). Advantageously, a prior heat treatment of the acidic active material makes it possible to obtain a compromise of strength and density of the acidic sites. Indeed, for the selectivity of the dehydration reaction to be optimal, it is necessary that the strength of the acidic sites be adjusted to the reaction. The strength of the acid sites can be characterized by the temperature at which a probe molecule such as ammonia, desorbs from the catalyst. The higher this temperature, the stronger the acid site. The average strength of the acid sites can be controlled in various ways, for example by heat treatment at a sufficiently high temperature, or by selective poisoning, for example by a base (such as an alkaline, alkaline earth ...) having the effect of preferentially neutralizing the strongest acid sites. The layer B can also be obtained by preparing a suspension of acidic active material in a solvent and then depositing this suspension on the solid resulting from step (a) according to the techniques well known to those skilled in the art. It may be advantageous to control the particle size distribution of the acidic solid particles, and thus control the porosity of the layer B. The porosity of the layer B can be adjusted according to several methods well known to those skilled in the art: for example, the addition of porogenic agents (such as cellulose, starch, surfactants, amminium nitrate, etc.) makes it possible to generate a controlled porosity in layer B. Another method which can be used in combination with the previous one is to control the particle size distribution. Indeed, if the particles have a high average size, the voids created between these particles also have a high average size. It is thus possible to control the porosity of the layer B. Indeed, it is essential that the layer B, having the role of performing the dehydration reaction of glycerol to acrolein, does not allow to diffuse glycerol to the layer A. This is possible in particular by decreasing the size and the distribution of the particles constituting the acid phase, according to the techniques of the art.
2903620 10 Le catalyseur membranaire selon l'invention ou obtenu selon le procédé de l'invention est avantageusement utilisé dans un procédé de fabrication d'acide acrylique à partir de glycérol, en phase gaz, et en présence d'oxygène moléculaire.The membrane catalyst according to the invention or obtained according to the process of the invention is advantageously used in a process for producing acrylic acid from glycerol, in the gas phase, and in the presence of molecular oxygen.
5 L'oxygène moléculaire peut être présent sous forme d'air ou sous forme d'un mélange de gaz contenant de l'oxygène moléculaire. La quantité d'oxygène est choisie de façon à être en dehors du domaine d'inflammabilité en tout point de l'installation. La teneur en oxygène dans le procédé selon l'invention sera en général choisie de façon à ne pas dépasser 20% par rapport 10 au mélange de gaz en entrée de réaction (mélange glycérol/H2O/oxygène/gaz inertes). On entend par gaz inerte un gaz qui ne participe pas aux réactions, l'eau sous forme de vapeur ayant un rôle à part, notamment en tant que produit des réactions d'oxydation. Le glycérol est disponible sous forme concentrée, mais aussi sous forme 15 de solutions aqueuses plus économiques. Avantageusement, on utilise une solution aqueuse de glycérol de concentration comprise entre 10% et 100%, de préférence entre 10% et 70% en poids dans le réacteur, plus particulièrement entre 20% ,et 50%. La concentration ne doit pas être trop élevée afin d'éviter des réactions parasites comme la formation d'éthers de glycérol ou des 20 réactions entre l'acroléine ou l'acide acrylique produits et le glycérol. Par ailleurs, la solution de glycérol ne doit pas être trop diluée en raison du coût énergétique induit par l'évaporation de la solution aqueuse de glycérol. Dans tous les cas, la concentration de la solution de glycérol peut être ajustée en recyclant l'eau produite par la réaction. Afin de réduire les frais de transport et 25 de stockage du glycérol, le réacteur peut être alimenté avec une solution concentrée de 40 à 100% en poids de glycérol, une dilution pouvant être effectuée dans le réacteur par un recyclage d'une partie de la vapeur d'eau produite par la réaction et de l'eau de dilution. De même, la récupération de la chaleur en sortie de réacteur peut aussi permettre de vaporiser la solution de 30 glycérol alimentant le réacteur. Le glycérol issu de la méthanolyse d'huiles végétales en milieu basique peut contenir certaines impuretés telles que chlorure ou sulfate de sodium, 2903620 11 matières organiques non glycérineuses, et du méthanol. La présence de sels de sodium est en particulier préjudiciable pour la réaction catalytique de déshydratation car ces sels sont capables d'empoisonner les sites acides du catalyseur. Un traitement préalable du glycérol par échange ionique par 5 exemple peut être envisagé. On utilise de préférence une température comprise entre 250 C et 350 C et une pression comprise entre 1 et 5 bars. On peut mettre en oeuvre le procédé selon l'invention selon différentes technologies, telles que lit fixe, lit fluidisé ou lit fluidisé circulant, ou dans un 10 réacteur de type échangeur à plaques. Comparativement au procédé conventionnel de préparation d'acide acrylique par oxydation sélective de propylène, l'acide acrylique produit selon le procédé de l'invention peut contenir des impuretés de nature différente ou en quantité différente. Selon l'utilisation envisagée, il pourra être envisagé de 15 purifier l'acide acrylique selon les techniques connues de l'homme du métier.The molecular oxygen may be present as air or as a mixture of gases containing molecular oxygen. The amount of oxygen is chosen to be outside the flammability range at any point in the installation. The oxygen content in the process according to the invention will generally be chosen so as not to exceed 20% relative to the reaction gas mixture (glycerol / H2O / oxygen / inert gas mixture). The term "inert gas" means a gas that does not participate in the reactions, water in the form of vapor having a special role, especially as a product of oxidation reactions. Glycerol is available in concentrated form, but also in the form of more economical aqueous solutions. Advantageously, an aqueous glycerol solution with a concentration of between 10% and 100%, preferably between 10% and 70% by weight, is used in the reactor, more particularly between 20% and 50%. The concentration should not be too high in order to avoid parasitic reactions such as formation of glycerol ethers or reactions between acrolein or acrylic acid produced and glycerol. In addition, the glycerol solution should not be diluted too much because of the energy cost induced by the evaporation of the aqueous glycerol solution. In any case, the concentration of the glycerol solution can be adjusted by recycling the water produced by the reaction. In order to reduce the costs of transporting and storing glycerol, the reactor can be fed with a concentrated solution of 40 to 100% by weight of glycerol, a dilution that can be carried out in the reactor by recycling part of the water vapor produced by the reaction and dilution water. Similarly, the heat recovery at the outlet of the reactor can also make it possible to vaporize the glycerol solution feeding the reactor. Glycerol from the methanolysis of vegetable oils in a basic medium may contain certain impurities such as chloride or sodium sulfate, non-glycerol organic materials, and methanol. The presence of sodium salts is particularly detrimental to the catalytic dehydration reaction because these salts are capable of poisoning the acidic sites of the catalyst. Pre-treatment of glycerol by ion exchange for example may be considered. A temperature of between 250 ° C. and 350 ° C. and a pressure of between 1 and 5 bar is preferably used. The process according to the invention can be carried out according to different technologies, such as fixed bed, fluidized bed or circulating fluidized bed, or in a plate exchanger type reactor. Compared with the conventional process for preparing acrylic acid by selective oxidation of propylene, the acrylic acid produced according to the process of the invention may contain impurities of different nature or in different amounts. Depending on the use envisaged, it may be envisaged to purify the acrylic acid according to the techniques known to those skilled in the art.
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