ITMI992615A1 - Catalizzatore per reazioni di steam cracking - Google Patents
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Description
"CATALIZZATORE PER REAZIONI DI STEAM CRACKING”
Descrizione
La presente invenzione riguarda un catalizzatore per reazioni di steam cracking.
Le olefine leggere, particolarmente etilene e propilene, sono tra i più importanti prodotti chimici di base per l’intera industria petrolchimica. L’etilene è il quarto al mondo tra i prodotti chimici per volume di produzione, con più di 75 milioni di tonnellate all’anno; il propilene si situa al tredicesimo posto. L’importanza industriale dell’etilene si evince anche dalla diffusione dei prodotti che da esso derivano. Circa l’80% di tutto l’etilene è destinato alla sintesi di polimeri termoplastici. L’etilene stesso è un monomero per la produzione di polietilene e costituisce una materia prima per altri importanti monomeri quali cloruro di vinile, acetato di vinile e glicole etilenico. Alcuni di questi composti hanno anche uso non polimerico, ad esempio il glicole etilenico è il principale componente dei fluidi antigelo. Data l’importanza industriale di etilene e propilene e considerando i notevoli volumi di produzione, miglioramenti nei processi di produzione che comportino aumenti anche limitati nelle rese di olefine leggere possono significare rilevanti vantaggi dal punto di vista economico.
La principale fonte di etilene e propilene è lo steam cracking, processo termico che deriva dal thermal cracking, in cui una carica idrocarburica viene riscaldata, in presenza di vapor d’acqua, in appositi forni per produrre una corrente gassosa ricca in olefine. Negli anni si è operato per migliorare il processo concentrandosi in particolare sulla tecnologia delle fornaci, cercando di migliorare gli scambi termici, diminuire i tempi di residenza, ottimizzare la geometria dei tubi di pirolisi.
Una limitata attività di ricerca è stata portata avanti anche lungo un filone meno convenzionale, cercando di individuare un catalizzatore che si dimostrasse attivo nella reazione di steam cracking, per migliorare la resa in olefine leggere.
L’impiego di catalizzatori per la reazione di steam cracking tuttavia non è stato studiato estesamente, anche se alcune compagnie e gruppi di ricercatori hanno lavorato sporadicamente a questa tematica fin dagli anni ‘70. In qualche caso si è arrivati alla definizione di un processo, ma non si conoscono al momento realizzazioni industriali.
In molti casi il catalizzatore sperimentato contiene un componente zeolitico.
Uno degli esempi principali è sicuramente costituito da Asahi Chemical, che ha depositato alcuni brevetti nel campo, tra i quali si può citare: JP-06/346062 (20/12/94); JP06/199707 (19/07/94): JP-06/346063 (20/1 2/94);WO-96/l 331 (09/05/96).
Asahi rivendica un processo per lo steam cracking in letto circolante, che utilizza un catalizzatore a base di zeoliti ZSM-5 e ZSM-11, caricate con metalli quali Fe, Mg e/o metalli I b, preferibilmente Ag. Questo processo aumenta parzialmente la resa in etilene, ma soprattutto indirizza la reazione verso la produzione di propilene ed aromatici. In realtà notizie piuttosto recenti (ad esempio: “Ethylene via Catalytic Naphtha Cracking” PERP Report 96/97S12 - Chem Sytems, September 1997) rivelano come il processo abbia ancora parecchi problemi di tipo tecnologico da risolvere, tra cui molti aspetti legati al catalizzatore (attività, rigenerazione, durata), prima di poter arrivare effettivamente alia commercializzazione.
SINOPEC (Cina) propone un catalizzatore contenente zeolite, in particolare zeolite Y e zeoliti di struttura pentasil, ad elevato tenore di silicio, contenenti P-Al, o P-Mg, o P-Ca (EP-909582). Un altro sistema catalitico a base zeolitica è stato messo a punto anche dall’Università di Gent, in collaborazione con Amoco: catalizzatori a base di zeolite HZSM-5 contenenti P-Ga, aumentano la resa in propilene nel cracking di naphtha (W. De Hertog, G.F. Froment, M.P. Kaminsky, Proc. AIChE 1999 Spring National Meeting, 14-18 marzo 1999, Houston, U.S.A.); anche in questo caso però gli effetti sull’etilene, data la natura acida del catalizzatore, sono minimi.
Un altro tipo di catalizzatori studiati per la reazione di steam cracking sono i composti calcio-alluminati. Questi solidi, a differenza delle zeoliti, aumentano le rese di olefine leggere senza variare in modo significativo i rapporti quantitativi tra i prodotti principali; in tal modo si ottiene un incremento sia della resa in etilene che del propilene. Tra i materiali calcio-alluminati sono state proposte diverse miscele in cui prevalgono di volta in volta alcuni composti quali ad esempio CaO*Al2C>3 e Ca0*2Al203, proposti da Nowak et al. (DD-243 647 del 1987) o la fase mayenite (12Ca0*7Al203), indicata come composto prevalente da Lemonidou e Vasalos (A. A. Lemonidou, I.A. Vasalos, Applied Catalysis, 54, 1989 e A. A. Lemonidou, I.A. Vasalos, E.J. Hirschberg, R.J. Bertolacini, Industriai Engineering Chemistry Res., 28, 1989) del'Università di Tessalonica, in collaborazione con Amoco. La mayenite e stata da noi individuata come la fase cristallina piu efficace, tra i calcio-alluminati, nella reazione di steam cracking ed è stato quindi messo a punto un metodo per ottenere questo composto in forma pura protetto in una copendente domanda.
Alcuni autori hanno aggiunto metalli sui catalizzatori calcio-alluminati per cercare di aumentare le prestazioni dei sistemi catalitici. Dalla letteratura si evince come diversi tentativi siano stati effettuati con metalli alcalini (in particolare potassio) soprattutto per diminuire la formazione di coke. In realtà la presenza di metalli alcalini mostra degli effetti sul contenimento del coke, ma provoca un sensibile aumento di altri sottoprodotti indesiderati, come gli ossidi di carbonio, che raggiungono rese di alcuni punti percentuali; durante le prove si verifica inoltre perdita di quantità significative di potassio (vedi: R. Mukhopadhyay, D. Kunzru, Industriai Engineering Chemistry Res., 32, 1993).
Noi abbiamo scoperto che l’attività dei composti calcio-alluminati nella reazione di steam cracking può essere incrementata mediante l’aggiunta di metalli di transizione quali molibdeno e vanadio. Questi elementi, aggiunti in forma di ossidi al catalizzatore di base, consentono infatti di ottenere un aumento ulteriore della resa nei principali prodotti desiderati, ovvero etilene e propilene. Gli effetti negativi sulla formazione di sottoprodotti quali coke ed ossidi di carbonio sono contenuti; questi sottoprodotti infatti, in test con virgin naphtha, non superano l'1% in peso di resa rispetto alla carica di partenza anche in presenza del catalizzatore modificato con Mo o V.
Il catalizzatore per reazioni di steam cracking, oggetto della presente invenzione, è costituito da alluminati di calcio cristallini aventi un rapporto molare Ca0/Al203 compreso fra 1/6 e 3 e da ossidi di molibdeno e / o vanadio,
dove l’ossido di molibdeno, espresso come M0O3, 0 l’ossido di vanadio, espresso come V2O5, o la somma di detti due ossidi è in quantità compresa fra lo 0,5 ed il 10 %, preferibilmente fra lo 0,8 ed il 5 %, in peso.
Il procedimento per la preparazione del catalizzatore è caratterizzato dal fatto di comprendere i seguenti stadi:
- solubilizzazione di un sale contenente molibdeno o vanadio in solvente appropriato;
- impregnazione dell’alluminato di calcio presente in forma granulare, mediante aggiunta di detto alluminato alla soluzione del sale di molideno o di vanadio;
- eliminazione del solvente;
- essiccamento ad una temperatura compresa fra 100 e 150°C del prodotto solido precursore;
- calcinazione del prodotto solido precursore ad una temperatura compresa fra 500 e 650°C per almeno 4 ore.
Il solvente dipende dal sale prescelto: può essere preferibilmente scelto fra acqua, alcool, etere, acetone; più preferibilmente si utilizza acqua per sciogliere il sale di molibeno ed etanolo per il sale di vanadio.
Gli alluminati di calcio cristallini costituenti il catalizzatore devono essere scelti fra quelli aventi un rapporto molare Ca0/Al203 compreso fra 1/6 e 3, più preferibilmente uguale a 12/7 oppure uguale a 3.
La stessa richiedente ha in una pendente domanda di brevetto italiana rivendicato una mayenite pura di formula generale
12Ca0*7Al203
presentante, nella sua forma calcinata uno spettro di diffrazione ai raggi X, registrato mediante un goniometro verticale munito di sistema elettronico di conteggio degli impulsi e utilizzando la radiazione CuKa (λ=1,5417 8 À), contenente le riflessioni principali mostrate in tabella I (dove d indica la distanza interplanare) ed in figura 1.
Tale mayenite pura può essere vantaggiosamente scelta quale alluminato di calcio da cui è costituito il catalizzatore in accordo all’invenzione.
Il procedimento per la preparazione della mayenite pura sopra descritta comprende i seguenti stadi:
- solubilizzazionè dei sali contenenti calcio e alluminio con acqua; - complessazione dei sali solubilizzati mediante idrossiacidi organici polifunzionali;
- essiccamento della soluzione risultante dalla complessazione in modo da ottenere un prodotto solido precursore;
calcinazione del prodotto solido precursore ad una temperatura compresa fra 1300 e 1400°C , preferibilmente compresa fra 1330 e 1370°C, per almeno 2 ore, preferibilmente per almeno 5 ore.
Gli idrossiacidi organici polifunzionali possono essere scelti fra l’acido citrico, l’acido maleico, l’acido tartarico, l’acido glicolico e l’acido lattico: l’acido citrico è quello preferito.
I sali contenenti calcio sono preferibilmente scelti fra l’acetato di calcio ed il nitrato di calcio.
II nitrato d’alluminio è il sale contenente alluminio preferito.
E’ consigliabile condurre il procedimento di preparazione con un rapporto molare idrossiacidi polifunzionali/sali contenenti calcio e allumina compreso fra 1,5 e 1.
Ulteriore oggetto dell’invenzione è il procedimento per la produzione di olefine leggere mediante reazione di steam cracking di cariche idrocarburiche scelte fra nafta, in particolare virgin-nafta, kerosene, gasolio, da sole o in miscela fra loro, in presenza di un catalizzatore in accordo all’invenzione, che è effettuato operando, preferibilmente, ad una temperatura compresa fra 720 e 800°C, ad una pressione compresa fra 1, 1 e 1,8 Atm assolute e per un tempo di contatto compreso fra 0,07 e 0,2 sec.
Vengono ora forniti alcuni esempi (1-5) aventi lo scopo di meglio illustrare l’invenzione che non devono essere considerati una limitazione alla presente invenzione.
Esempio 1
Preparazione della mayenite pura.
E’ stato utilizzato un metodo di sintesi in fase omogenea.
Tale metodo prevede l’utilizzo di acido citrico oppure di idrossiacidi polifunzionali che hanno la funzione di complessare sali metallici in soluzione acquosa. Dopo la disidratazione della soluzione acquosa si ottiene un solido amorfo precursore che, dopo trattamento termico ad elevata temperatura, produce il prodotto desiderato.
I principali vantaggi di questa tecnica sono:
-miscelazione omogenea su scala atomica
-buon controllo stechiometrico
-produzione di ossidi misti utilizzando prodotti chimici commerciali -brevi tempi di processo
Ad una soluzione di acetato di calcio, ottenuta sciogliendo a temperatura ambiente 152.2 g di (CH3C00)2Ca*H20 (moli 0.864) in 450 g di H20, è stata aggiunta prima una soluzione di nitrato di alluminio, 378.2 g di Α1(Νθ3)3*9 H20 (1.008 moli) in 470 g di acqua, e successivamente una soluzione di acido citrico: 393.1 g (1.872 moli) in 375 g di acqua. La soluzione omogenea ottenuta è stata essiccata mediante spray-dryer. Il prodotto desiderato 12CaO*7Al203 (Mayenite) è stato ottenuto puro dopo calcinazione a 1350°C per 5 h. Al fine di ottenere un catalizzatore formato mediante pastigliatura è stato aggiunto un agente lubrificante (2 wt % di acido stearico); dopo pastigliatura il catalizzatore è stato sottoposto ad un ulteriore stadio di calcinazione.
La composizione del catalizzatore ottenuto è stata verificata mediante diffrattometria a raggi X, che ha messo in evidenza la presenza della sola fase 12Ca0*7Al203 pura.
(Vedere tabella I e fig. 1 già citate).
Esempio 2
Preparazione: Mayenite (12Ca0*7Al203) drogata (2% Mo03) In un pallone da 250 cc, sono stati posti 0.86 g di eptamolibdato di ammonio tetraidrato (0.0049 moli), in 100 g di acqua. Alla soluzione sono stati aggiunti 35 g di mayenite granulata (20 - 40 mesh). Dopo 2 h, il prodotto è stato essiccato, quindi calcinato a 550°C per 5 h.
La composizione del catalizzatore ottenuto è stata verificata mediante diffrattometria a raggi X (Tabella II e fig. 2) da cui si vede che la struttura cristallina della mayenite non viene alterata dal processo di additivazione del molibdeno.
Eventualmente possono formarsi piccole quantità di CaO che non hanno influenza sull’attività del catalizzatore.
Esempio 3
Preparazione: Mayenite (12Ca0*7Al203) drogata (2% V2Os) In un pallone da 250 cc, sono stati posti 2.68 g di vanadio(III)acetilacetonato (0.0077 moli), in 75 g di etanolo. Alla soluzione sono stati aggiunti 35 g di mayenite granulata (20 - 40 mesh). Dopo 2 h, Π prodotto è stato essiccato, quindi calcinato a 550°C per 5 h.
Esempio 4
Reazione di steam cracking realizzata in impianto a pulsi da laboratorio.
Condizioni operative:
Carica - Virgin Naphtha
T = 775°C
H2O/carica = 0.98 in peso
Tempo di residenza = 0.15 s
Time on Stream = 60 s
Nella tabella III sono presentati i dati ottenuti con un catalizzatore calcio-alluminato preparato come da esempio 1, attivo nello steam cracking di virgin naphtha, a confronto con i risultati del test effettuato con il medesimo catalizzatore drogato con ossido di molibdeno e preparato come da Esempio 2. Si può osservare come le prestazioni del catalizzatore non drogato, siano superate in quanto a resa in olefine leggere dai risultati ottenuti con il catalizzatore contenente molibdeno. L’aumento nella resa in etilene propilene è del 5.3 % per la prova con catalizzatore rispetto al test con catalizzatore non drogato.
Esempio 5
Reazione di steam cracking realizzata in impianto da laboratorio in continuo con reattore a letto fisso del diametro di 1/2".
Condizioni operative:
Carica = Virgin Naphtha
T = 775°C
H2O/carica = 0.8 in peso
Tempo di residenza = 0.1 s
Nella tabella IV sono comparati i risultati ottenuti in impianto a letto fisso per steam cracking di virgin naphtha in presenza di mayenite tal quale in un caso(esempio 1) ed in presenza di mayenite drogata con ossido di vanadio nel secondo caso. Il campione drogato con V2O5 è stato preparato secondo la metodologia riportata in Esempio 3.
I risultati mostrano come anche il vanadio, aggiunto come ossido abbia un effetto positivo sull’attività del catalizzatore nella reazione di cracking, aumentando la resa complessiva nei prodotti più pregiati, etilene e propilene.
Claims (10)
- Rivendicazioni 1) Catalizzatore per reazioni di steam cracking costituito da uno o più alluminati di calcio cristallini aventi un rapporto molare Ca0/Al203 compreso fra 1/6 e 3 e da ossidi di molibdeno e /o vanadio, dove l’ossido di molibdeno, espresso come M0O3, 0 l’ossido di vanadio, espresso come V2O5, o la somma di detti due ossidi è in quantità compresa fra lo 0,5 ed il 10 % in peso.
- 2) Catalizzatore come da rivendicazione 1 dove l’ossido di molibdeno, espresso come M0O3, 0 l’ossido di vanadio, espresso come V2Oj, o la somma di detti due ossidi è in quantità compresa fra lo 0,8 ed il 5 % in peso.
- 3) Catalizzatore come da rivendicazione 1 o 2 dove l’alluminato di calcio cristallino ha un rapporto molare Ca0/Al203 uguale a 12/7 oppure uguale a 3.
- 4) Catalizzatore come da rivendicazione 3 dove l’alluminato di calcio cristallino avente rapporto molare Ca0/Al203 uguale a 12/7 è mayenite pura.
- 5) Procedimento per la preparazione del catalizzatore come da una delle rivendicazioni da 1 a 4 caratterizzato dal fatto di comprendere i seguenti stadi: - solubilizzazione di un sale contenente molibdeno 0 vanadio in solvente appropriato; - impregnazione dell’alluminato di calcio presente in forma granulare, mediante aggiunta di detto alluminato alla soluzione del sale di molideno o di vanadio; - eliminazione del solvente; - essiccamento ad una temperatura compresa fra 100 e 150°C del prodotto solido precursore; - calcinazione del prodotto solido precursore ad una temperatura compresa fra 500 e 650°C per almeno 4 ore.
- 6) Procedimento come da rivendicazione 5 dove il sale di molibdeno è eptamolibdato di ammonio tetraidato.
- 7) Procedimento come da rivendicazione 6 dove il sale di vanadio è vanadio(III)acetilacetonato.
- 8) Procedimento come da rivendicazione 5 per la preparazione del catalizzatore come da rivendicazione 4 dove la mayenite pura viene ottenuta mediante i seguenti stadi: - solubilizzazione dei sali contenenti calcio e alluminio con acqua; - complessazione dei sali solubilizzati mediante idrossiacidi organici polifunzionali; - essiccamento della soluzione risultante dalla complessazione in modo da ottenere un prodotto solido precursore; - calcinazione del prodotto solido precursore ad una temperatura compresa fra 1300 e 1400°C per almeno due ore.
- 9) Procedimento come da rivendicazione 8 dove i sali contenenti calcio sono scelti fra l’acetato di calcio ed il nitrato di calcio, il sale contenente alluminio è il nitrato d’alluminio e l’idrossiacido polifunzionale è l’acido citrico.
- 10) Procedimento come da rivendicazione 8 dove il rapporto molare idrossiacidi polifunzionali/sali contenenti calcio e allumina è compreso fra 1,5 e 1. 1 1) Procedimento per la produzione di olefine leggere mediante reazione di steam cracking di cariche idrocarburiche scelte fra nafta, kerosene, gasolio, da sole o in miscela fra loro, in presenza di un catalizzatore come da una delle rivendicazioni da 1 a 4, effettuato operando ad una temperatura compresa fra 720 e 800°C, ad una pressione compresa fra 1, 1 e 1,8 Atm assolute e per un tempo di contatto compreso fra 0,07 e 0,2 sec. 12) Procedimento come da rivendicazione 10 dove la nafta è virginnafta.
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