WO2011124824A1 - Procede d'oxydation selective de monoxyde de carbone - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates generally to the field of production of hydrocarbon derivatives from hydrocarbons in the gas phase in the presence of oxygen or an oxygen-containing gas. More specifically, the invention relates to a process for the selective oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide present in a gaseous mixture comprising at least one hydrocarbon or a hydrocarbon derivative, and to its integration into a process for producing carbon monoxide. hydrocarbon derivatives.
  • hydrocarbon derivatives are produced industrially by partial oxidation of a suitable hydrocarbon in the gas phase in the presence of molecular oxygen or a molecular oxygen-containing gas and a suitable catalyst.
  • the main process for producing acrylic acid is based on the oxidation of propylene and / or propane.
  • the synthesis of acrylic acid by oxidation of propylene has two stages, the first is the oxidation of propylene to acrolein and the second the oxidation of acrolein to acrylic acid. This synthesis is generally carried out in two reactors using two specific catalyst systems for each of the oxidation steps, the two stages being carried out in the presence of oxygen or an oxygen-containing gas.
  • methacrolein and methacrylic acid are industrially produced by catalytic oxidation of isobutene and / or tert-butanol.
  • Anhydrides such as maleic anhydride or phthalic anhydride, may be produced by catalytic oxidation of aromatic hydrocarbons such as benzene or ⁇ -xylene or straight chain hydrocarbons such as n-butane or butene.
  • Acrylonitrile is produced by catalytic gas phase oxidation of propylene or propane by air in the presence of ammonia, such a reaction being known as ammoxidation.
  • ammoxidation of isobutane / isobutene or methylstyrene leads to methacrylonitrile and atroponitrile, respectively.
  • the selective oxidation catalyst for CO 2 in CO 2 is chosen from non-oxidizing catalysts with respect to the unreacted hydrocarbon present in the stream gaseous, generally catalysts based on mixed oxides copper-manganese or platinum-nickel, optionally supported on silica or alumina.
  • the examples illustrating this process are carried out with a CO converter comprising a fixed bed of catalyst.
  • the tests indicate a rate of 80% for the conversion of CO, but also a conversion of a part of propylene and propane, thus generating losses. of reagent in the process.
  • Catalysts that can be used in this case for the selective oxidation of CO 2 in CO 2 are, for example, made of supported precious metal, such as platinum, rhodium, ruthenium , palladium.
  • the CO converter is preferably of the tubular type in a fixed bed.
  • Document EP 1 434 833 proposes, as a catalyst for the selective oxidation of CO 2 in CO 2 in a gaseous stream comprising at least one alkane, a catalyst substrate, such as Pt, Pd, Pt-Fe or Pd-Fe on a support.
  • a catalyst substrate such as Pt, Pd, Pt-Fe or Pd-Fe on a support.
  • silica provided with a substantially continuous coating of a molecular sieve material.
  • the selective oxidation of CO is carried out in fixed bed at a chosen temperature so that the catalyst has no effect on the alkane.
  • the selective oxidation of CO to C0 2 is carried out either at low space velocities SV (generally less than 10,000 h "l), the space velocity being defined as the ratio between reagent flow rate and catalyst volume, or as the inverse of "contact time", ie for low concentrations of CO input, in some cases it also leads to a simultaneous conversion of the hydrocarbon present in the gas.
  • SV space velocities
  • the space velocity being defined as the ratio between reagent flow rate and catalyst volume, or as the inverse of "contact time", ie for low concentrations of CO input, in some cases it also leads to a simultaneous conversion of the hydrocarbon present in the gas.
  • hydrocarbon-based hydrocarbon-based hydrocarbon-based hydrocarbon-based hydrocarbon derivatives processes generally operate with low hydrocarbon levels to maintain the hydrocarbon content. reaction gas mixture outside the flammability range.
  • EP 293 224 It has thus been proposed in EP 293 224 to add from 5 to 70% by volume of a saturated aliphatic hydrocarbon of 1 to 5 carbon atoms, such as methane, ethane or propane, for the reaction of propylene oxidation leading to acrolein in a process for producing acrylic acid by catalytic oxidation in two steps, the second step of oxidizing acrolein to acrylic acid.
  • a saturated aliphatic hydrocarbon of 1 to 5 carbon atoms such as methane, ethane or propane
  • this gaseous ballast has several advantages over a ballast of inert gases such as nitrogen or carbon dioxide.
  • inert gases such as nitrogen or carbon dioxide.
  • Cp specific heat
  • it has a certain chemical inertness under the conditions where the propylene oxidation reaction is carried out and its possible reaction products are of a nature very similar to those of propylene.
  • it makes it easier to satisfy the constraints of composition of the mixture related to the question of flammability by placing the reaction mixture above the upper limit of flammability.
  • the feedstock supplying the propylene oxidation reactor may be larger in volume fraction, which increases the productivity of the conversion while controlling the hot spots within the catalyst bed and promoting thus the selectivity of the reaction.
  • the problem that the present invention proposes to solve is to carry out the conversion of CO to CO 2 in a stream rich in hydrocarbons or a mixture of hydrocarbons, without, however, oxidizing these hydrocarbons.
  • a start of selective CO conversion is possible, but soon a runaway of the reaction can occur which greatly increases the temperature of the catalyst and causes the conversion of other compounds present in the flow.
  • the large amounts of CO present lead to an adiabatic increase in temperature, such that the conversion start temperatures (ignition temperatures) of all the constituents are exceeded.
  • the exothermicity of the conversion reaction of CO to C0 2 is characterized by AHr of 283 kJ / mol.
  • AHr is 341 kJ / mol for the conversion of propylene to acrolein
  • the kinetics of the combustion reaction is much faster.
  • a "conventional" technology of the multi-tubular reactor type does not then make it possible to properly control the catalyst temperature. Under conditions where the temperature can be controlled, the conversion of CO to CO 2 can be at a lower temperature than the oxidation temperature of the hydrocarbon, and thus it can be carried out selectively.
  • the following table 1 illustrates the increase in the temperature of the gas during the combustion of 1000 ppm impurity in air.
  • the Applicant has discovered that the use of a fluidized bed for converting CO to C0 2 in a hydrocarbon-rich stream makes it possible to solve the various problems mentioned above and to optimally satisfy the needs for the use of ballast. thermal and / or recycling of a reaction gas containing an excessively high CO content, in processes for the production of hydrocarbon derivatives by selective oxidation of hydrocarbons in the gas phase in the presence of oxygen, and more generally in the processes of production of hydrocarbon derivatives from hydrocarbons in the gas phase in the presence of oxygen.
  • the subject of the present invention is therefore a process for the selective oxidation of carbon monoxide present in a gaseous mixture comprising at least one hydrocarbon or a hydrocarbon derivative, said process comprising the step of bringing said gas mixture into contact with a solid catalyst capable of oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide at a chosen temperature, characterized in that said step is carried out in a fluidized bed.
  • the fluidized bed technology ensures a mixing of the solid and the gaseous mixture, and thus a homogenization of the catalyst temperature. By obtaining a homogeneous temperature, it is possible to control the selectivity of the oxidation reaction carbon monoxide, and no longer destroy the valuable molecules. This homogeneity gives the fluidized bed an undeniable advantage over fixed beds which are generally subjected to a strong temperature gradient. The escape of the calories from the reaction can be provided by cooling pins arranged in the fluid bed. The heat transfer coefficient between the suspension and the exchanger tubes is very high, and allows to heat or cool the equipment effectively.
  • the method of selective oxidation of CO according to the invention can be integrated in all industrial processes requiring a purge of CO 2 and / or CO for chemical reasons (inhibition of the reaction), physical (decrease in the Cp of the gas reaction), or for safety reasons (flammability limits).
  • the invention also relates to a process for producing a hydrocarbon derivative comprising at least one step of selective oxidation of carbon monoxide present in a gaseous mixture comprising at least one hydrocarbon or a hydrocarbon derivative at the using a fluidized bed comprising a solid catalyst capable of oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide at a selected temperature.
  • the gaseous mixture subjected to the CO selective oxidation process according to the invention comprises at least one hydrocarbon or a hydrocarbon derivative.
  • the hydrocarbons are saturated or mono or diunsaturated linear or branched hydrocarbons containing from 2 to 6 carbon atoms or aromatic hydrocarbons which may be substituted and contain from 6 to 12 carbon atoms.
  • hydrocarbons examples include, for example, ethylene, propane, propylene, n-butane, isobutane, isobutene, butene, butadiene, isopentene, benzene, ⁇ -xylene. , methyl-styrene, naphthalene.
  • the hydrocarbon is chosen from propylene or propane, alone or as a mixture.
  • the hydrocarbon derivative may be a partial oxidation product of a hydrocarbon, and may be selected from anhydrides, such as phthalic anhydride and maleic anhydride, aldehydes such as acrolein or methacrolein, unsaturated carboxylic acids such as acrylic acid or methacrylic acid, unsaturated nitriles such as acrylonitrile, methacrylonitrile, atroponitrile or mixtures thereof.
  • the hydrocarbon derivative is acrolein and / or acrylic acid.
  • the hydrocarbon derivative may also be an oxygen adduct or a halogenated compound on an unsaturated hydrocarbon, for example, ethylene oxide, propylene oxide or 1,2-dichloroethane.
  • Well-adapted catalysts are, for example, solids slightly loaded with platinum or palladium (for example of the order of 2%) on a support of silicalite or sodium silicate type.
  • the catalyst used in the process according to the invention is in the form of solid particles having a particle size ranging from 20 to 1000 microns, preferably from 40 to 500 microns, more particularly from 60 to 200 microns.
  • the particle size distribution can be done according to many methods, in particular according to a simple method such as sieving with a succession of sieves of decreasing mesh size, or laser diffraction determination for example with devices of the brand MALVERN.
  • the temperature of the fluidized bed is between 20 ° C and 400 ° C, preferably between 70 ° C and 300 ° C, more preferably between 100 ° C and 230 ° C.
  • a temperature below the temperature is chosen
  • propylene there is generally at least about 20 ° C, and preferably at least 30 ° C, difference between the ignition temperature of the CO (start of CO combustion) and the ignition temperature of propylene. This gap is sufficient to ensure combustion of CO without having propylene combustion. If the ignition temperature of propylene is reached, the reaction becomes difficult to control because of the high oxygen content and propylene gas to be treated.
  • the fluidized bed can operate in discontinuous (batch) or continuous (semi-batch or open) mode.
  • the process according to the invention is carried out continuously. Indeed, given the ease of sampling and addition of solid particles in the fluidized bed during its operation, the solid phase can be renewed continuously if necessary.
  • the catalyst bed can maintain a constant activity over time, if deactivated catalyst is continuously withdrawn and replaced with fresh catalyst.
  • the emptying and cleaning of the fluidized beds is very easy as for a water tank.
  • the rackings can be carried out continuously or with a certain periodicity.
  • the deactivated catalyst can optionally be reactivated ex-situ by any appropriate technique, and then be reinjected into the reactor. Non-limiting catalyst reactivation techniques include redispersion of the catalyst metals by a reducing treatment, washing the catalyst to remove pollutants, or re-impregnating the catalyst with a fresh charge of the active metals of the catalyst.
  • mild oxidation conditions are used, that is to say a combination of a weakly active catalyst (weakly charged with active metal), a moderate temperature (for example from 80 ° C. to 180 ° C.) and a short contact time (for example less than a second).
  • a short residence time makes it possible to envisage a higher temperature for a given catalyst.
  • a moderate pressure is used in the fluidized bed reactor, for example between 1 and 3 bars, and a relatively short residence time resulting in high space velocities.
  • the linear velocity of the gaseous mixture in the fluidized bed can range from 0.1 to 80 cm / s. For fluidized beds of industrial size, it can go from 50 to 80 cm / s. In the case of fluidized beds of lower height, in particular fluidized laboratory beds, the linear velocity of the gases is most often between 0.1 and 10 cm / s.
  • the flow rate of the gas flow will be adapted to the catalyst volume, therefore to the size of the reactor, so as to achieve very high SV space velocities, expressed in hourly volume volume of reactants relative to the volume of the reactor. catalyst.
  • the process according to the invention is advantageously carried out with high SV space velocities, for example ranging from 1000 h -1 to 30000 h -1 , preferably greater than 10000 h -1 , or better still from 10000 h -1 to 30000 h "1.
  • the process according to the invention is particularly suitable for gas streams containing more than 0.5 mol% of carbon monoxide entry into, and preferably more than 1 mol% of carbon monoxide.
  • Another subject of the invention is a process for producing a hydrocarbon derivative comprising at least the following stages:
  • At least one hydrocarbon and oxygen or oxygen-containing gas are contacted with a suitable catalyst leading to a gaseous mixture containing at least one hydrocarbon derivative, the unconverted hydrocarbon, the oxygen and carbon monoxide,
  • the carbon monoxide present in the gaseous stream is converted into carbon dioxide by means of a fluidized bed comprising a solid catalyst capable of oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide at a selected temperature, producing a gas stream depleted in carbon monoxide,
  • step a) is carried out under appropriate conditions, especially with regard to the nature of the catalyst, the temperature and the possible presence of an inert gas as thermal ballast, according to the methods known to man. of the art, making it possible to manufacture the desired hydrocarbon derivative.
  • the reaction carried out may be an oxidation reaction or an oxygen addition reaction on an unsaturated hydrocarbon.
  • step a) is carried out in the presence of an inert thermal ballast under the conditions of the reaction implemented.
  • Step b) consists of recovering the hydrocarbon derivative according to conventional methods using techniques such as absorption in a solvent and then extraction, distillation, crystallization, condensation.
  • the gaseous stream largely freed from the hydrocarbon derivative generally comprising unconverted hydrocarbon, oxygen, water vapor, inert gases such as nitrogen and argon, carbon monoxide and carbon dioxide are contacted with a solid catalyst capable of oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide at a selected temperature in a fluidized bed (step c) , leading to a depleted flow of carbon monoxide, which can be recycled, according to step d), to the reaction step a), optionally after having purged a portion of the carbon dioxide formed.
  • a solid catalyst capable of oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide at a selected temperature in a fluidized bed
  • the process for producing a hydrocarbon derivative incorporating a step c) of selective oxidation of CO to C0 2 by means of a fluidized bed concerns the production of acrylic acid by catalytic oxidation of propylene using oxygen or a mixture containing oxygen and in the presence of propane as thermal ballast.
  • the first step carries out the substantially quantitative oxidation of propylene to a mixture rich in acrolein, in which acrylic acid is a minor, and then, in the second step, the selective oxidation of acrolein to acrylic acid.
  • the reaction conditions of these two stages, carried out in two reactors in series or in a single reactor containing the two reaction stages in series, are different and require catalysts adapted to the reaction; however, it is not necessary to isolate the first step acrolein during this two-step process.
  • the reactor may be fed with a propylene feed of low purity, that is to say comprising propane such that the propane / propylene volume ratio is at least equal to 1.
  • propane such that the propane / propylene volume ratio is at least equal to 1.
  • the large propane gas ballast leading to better management of the exotherm of the reaction the reactor can be fed with a more concentrated load of propylene to increase the productivity of the process.
  • the other components of the reactive stream may be inert compounds such as nitrogen or argon, water, and oxygen.
  • the gaseous mixture resulting from the oxidation reaction of acrolein consists, apart from acrylic acid:
  • incondensable light compounds under the conditions of temperature and pressure usually used: unconverted nitrogen, oxygen and propylene, propane present in propylene or added as thermal ballast, carbon monoxide and carbon dioxide formed in small quantities by ultimate oxidation or rotating in circles, by recycling, in the process,
  • condensable light compounds in particular, water generated by the propylene oxidation reaction, unconverted acrolein, light aldehydes, such as formaldehyde and acetaldehyde, acids such as acetic acid, main impurity generated in the reaction section,
  • the second stage of manufacture corresponding to step b) of the process according to the invention consists in recovering the acrylic acid contained in the gaseous effluent resulting from the oxidation reaction.
  • This step can be performed by absorption against the current.
  • the gas is introduced from the reactor at the bottom of an absorption column where it encounters a countercurrent solvent introduced at the top of the column.
  • the light compounds under the conditions of temperature and pressure usually used (respectively more than 50 ° C. and less than 2.10 5 Pa) are eliminated at the head of this absorption column.
  • the solvent used in this column is water.
  • the water could be replaced by a hydrophobic solvent with a high boiling point, as described for example in the patents of BASF FR 2.146.386 or US 5.426.221, as well as in patent FR 96.14397.
  • the gaseous reaction mixture is introduced at the bottom of the column at a temperature of between 130 ° C. and 250 ° C.
  • the water is introduced at the top of the column at a temperature of between 10 ° C. and 60 ° C.
  • the respective amounts of water and gaseous reaction mixture are such that the mass ratio water / acrylic acid is between 1 / let 1/4.
  • the operation is conducted at atmospheric pressure.
  • This crude acrylic acid is then subjected to a combination of stages which can differ by their sequence according to the process: dehydration eliminating water and formaldehyde (dehydrated acrylic acid), elimination of light (in particular acetic acid), elimination heavy, possibly elimination of certain impurities by chemical treatment.
  • the gas stream leaving the previous step of extraction of acrylic acid by countercurrent absorption consisting mainly of unconverted propylene and oxygen, propane, CO and CO 2 , and other inert gases or minor minor impurities is contacted with a solid catalyst capable of oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide at a selected temperature in a fluidized bed, resulting in a depleted flow of carbon monoxide, which can be recycled to the reaction stage , possibly after having purged some of the carbon dioxide formed.
  • all or part of the gas stream exiting the carbon monoxide conversion unit to carbon dioxide is sent to a selective permeation unit to separate a first stream comprising mainly the inert compounds such as that CO, CO 2 , nitrogen and / or argon and a second stream comprising mainly propylene and propane.
  • the permeation unit puts one or more semipermeable membranes having the ability to separate the inert from the hydrocarbons. This separation is generally carried out at a pressure of the order of 10 bars and at a temperature of about 50 ° C.
  • membranes based on hollow fibers composed of a polymer chosen from: polyimides, cellulose-type polymers, polysulfones, polyamides, polyesters, polyethers, polyether ketones, polyetherimides, polyethylenes, polyacetylenes, polyethersulfones, polysiloxanes, polyvinylidene fluorides, polybenzimidazoles, polybenzoxazoles, polyacrylonitriles, polyazoaromatician and copolymers of these polymers.
  • a polymer chosen from: polyimides, cellulose-type polymers, polysulfones, polyamides, polyesters, polyethers, polyether ketones, polyetherimides, polyethylenes, polyacetylenes, polyethersulfones, polysiloxanes, polyvinylidene fluorides, polybenzimidazoles, polybenzoxazoles, polyacrylonitriles, polyazoaromatician and copolymers of these polymers.
  • Said second stream enriched with propylene and propane is advantageously recycled to the reaction stage without accumulation of CO 2 and other inert gas such as argon in the recycling loop.
  • all or part of the gas stream entering the carbon monoxide conversion unit to carbon dioxide is previously sent to a selective permeation unit such as that described above, to separate at least a portion of CO 2 , the gas stream entering the CO converter is then depleted in CO 2 and unconverted oxygen.
  • Oxidation tests of pure compounds were carried out using a catalyst from Johnson Matthey (2% Pt on CeO 2 ) in a molten salt bath reactor with an internal diameter of 25.4 mm and with a catalyst height of 30cm (ie 164g).
  • the test consisted in following the conversion of the pure compound (conversion test where each constituent is tested individually) in a mixture of nitrogen and oxygen (3 mol%). For some tests, some of the nitrogen was replaced by water (20 mol%). The following concentrations (which represent the order of magnitude of the expected concentrations for each reagent in a real flow) were tested in conditions of SV 25,000 h -1 , determining the conversion of the compound as a function of temperature:
  • Figures 1 and 2 reproduce the evolution of the oxidation of pure compounds as a function of temperature, respectively in the presence of water and in the absence of water.
  • the conversion of CO is 100% for a temperature of 180 ° C. and the oxidation of propylene begins significantly at a temperature of 235 ° C.
  • curve 1 corresponds to acrolein
  • curve 2 to CO
  • curve 3 to propylene.
  • Example 2 (comparative) Example 1 is reproduced with the fixed bed of catalyst and a stream containing the mixture of compounds CO, CO 2 , propane, propylene, acrolein, water and oxygen with the following concentrations, in which it is desired to selectively oxidize CO to C0 2 :
  • the temperature is not controlled: it is possible to measure a hot point where the temperature reached within the catalytic bed is at least 150 ° C higher than that of the oven. Consequently, this difference being much greater than that measured between the ignition temperatures of the pure substances, all the oxidation reactions are solicited at the same time, further increasing the overall exothermicity. Oxidation reactions are slowed down only when oxygen has been consumed.
  • the test was repeated with a catalyst dilution of 90% by weight with inerts (silica-alumina beads from Saint-Gobain).
  • the objective of the dilution of the catalyst is to reduce the catalytic activity of the reactor in order to better control its operating temperature.
  • the reactor was filled with 10% by weight of the initial catalyst and 90% by weight of inert for an equivalent volume of catalyst + inert.
  • the goal is also to distribute the calories of the oxidation reaction on a larger reaction volume. The calories of the reaction are removed by heat transfer through the wall, the inert solid provides a greater number of points of contact between the catalyst and the wall, and therefore should allow better control of the temperature in the catalyst bed.
  • the difference in temperature between the hot spot of the catalytic bed and the temperature of the oven (or the temperature ignition of the oxidation reaction of CO) remains higher than the ignition temperature difference of CO and propylene.
  • a catalyst is prepared by impregnating Puralox® SCCA 5-150 alumina from Sasol according to the following protocol:
  • This alumina initially has grains whose median diameter is equal to about 85 ⁇ and has the surface characteristics and porosity indicated below:
  • Example 2 is reproduced, but using a fluidized bed.
  • Catalysts A and B are implemented in a fluidized bed, fed with a flow of composition described in Table 3 below, and preheated to 100 ° C. This flow ensures the fluidization of the catalyst.
  • the total pressure in the reactor is 2.2 bar, with a linear gas velocity of 10 cm / sec.
  • the products are collected at the outlet of the reactor and analyzed by chromatography after condensing the water.
  • Example 5 The catalysts C, D and E defined below, are obtained in the form of granules, and were milled in a particle size less than 315 microns. 150 g of this powder are sieved to select the fraction between 80 and 160 microns.
  • Catalyst C Catalyst ND-520 of NE Chemcat Pt / alumina, in the form of 3 mm beads, density 0.74 kg / l.
  • Catalyst D NE Chemcat DASH 220 catalyst, 0.5% Pt / alumina, in the form of 3.2 mm granules, 100 m 2 / g specific surface area
  • Catalyst E NE Chemcat ND103 catalyst, 0.5% Pd / alumina, in the form of beads 3 mm in diameter, 250 m 2 / g
  • the fluidized bed consists of a stainless steel tube 41 mm in diameter and a total height of 790 mm.
  • the fluidized bed is immersed in a fluidized sand bath, heated by electric elements installed inside the bath. Three thermocouples recorded the temperature gradient along the tube.
  • a flow of molar composition described in Table 5 below was fed at a flow rate of 1760 ml / min (normal conditions), ie a linear gas velocity of about 2.2 cm / s, below a Porous metal plate that distributes gas through the reactor diameter.
  • the total pressure in the fluidized bed is 1 bar and the temperature is maintained at about 100 ° C.
  • the products are collected at the outlet of the fluidized bed and after having condensed ⁇ analyzed by liquid chromatography.
  • Catalyst 0.5Pt (corresponding to 0.5% Pt and 0.5% Fe / on alumina Al 2 O 3 ) - bulk density 0.78 g / ml - average particle size 114 ⁇ .
  • Catalyst 1.5Pt (corresponding to 1.5% Pt and 1.5% Fe / alumina Al 2 O 3 ) - bulk density 0.79 g / ml.
  • Catalyst 2Pd (corresponding to 2% Pd / over zeolite D / UR from Engelhard / BASF) - well-known density 0.55 g / ml - average particle size 144 ⁇ .
  • the first two catalysts were prepared according to the protocols below and the third catalyst is a catalyst marketed by BASF. The latter has been used as it is without any particular modification except prior drying.
  • the catalysts for the selective oxidation of CO were prepared by impregnation of the precursors in solution (Pt and Fe salts) on Sasol Puralox SCCA 5-150 alumina. 1) In a first step, the catalysts for microfluidic bed tests were prepared by impregnation with incipient humidity.
  • the platinum and iron salts as well as citric acid were weighed and dissolved in a beaker with water.
  • the catalyst 0.5% Pt / 0.5% Fe / Alumina was prepared by mixing 0.049 g of citric acid, 0.0987 g of platinum (II) tetraamine hydrogen carbonate (at 50.6% Pt), 0.36 g of ferric nitrate hydrate, 8.10 g of water and 9.9 g of alumina.
  • the total volume of the solution was calculated to be equal to the total pore volume of the support (0.87 ml / g).
  • the solution was then gradually added to the support while stirring vigorously. This was completely integrated by the support and no liquid was detectable on the surface or between the particles.
  • the resulting slurry was dried at 110-120 ° C for 24 h and then calcined in air for 2 hours at 485-520 ° C.
  • the precursor solution and citric acid is fed dropwise over the support placed in a cylindrical quartz tube heated to 105-125 ° C and fluidized in air.
  • the liquid flow rate was calculated and maintained at 0.5-1 ml / min.
  • the injection nozzle was placed about 10 cm above the bed. Air was used as the fluidizing gas and the flow rate was adjusted to maintain a bubbling bed state as well as to prevent pneumatic transport of the particles.
  • the solid thus obtained was dried for 24 hours at 120 ° C. and then calcined at 500 ° C.
  • Example 7 Tests in a fluidized micro-reactor from the catalysts of Example 6
  • a micro-reactor consisting of a quartz tube of 7 mm inner diameter in which 1 g of catalyst was placed on a sintered glass (20 ⁇ m) placed at middle of the tube acting as a dispenser.
  • the entire assembly is computer controlled and it is possible to record all the relevant experimental parameters (temperatures, gas flow rates).
  • the tests were carried out under 40 ml / min for 15 min. This corresponds to a space velocity SV of about 3000 h -1 .
  • composition of the input gas fed to the micro-reactor is as follows:
  • the temperature control was performed on the temperature of the furnace and not on that of the catalyst bed.
  • the analysis of the gases at the outlet of the reactor was made by an in-line mass spectrometer.
  • FIG. 3 is given by way of example and gives the composition of the exit gas after reaction as well as the evolution of the temperature of the catalytic bed. All realized experiments give the same type of profile with stationary levels. It is from these data that an average conversion has been calculated.
  • Catalyst test reads at the beginning of the maximum furnace ° C X CO (%) X propylene (%) X propane (%) test (° C) of the bed (° C) (constant)
  • Example 8 Tests in fluidized bed reactor.
  • a larger fluidized bed allows tests on catalyst quantities of up to 300 g.
  • the metal reactor is divided into two sections: a reactive section (diameter 3.5 cm, height 60 cm) and a zone of disengagement (diameter 4.5 cm, height 40 cm).
  • the gases are fed and regulated via flow regulators. These allow to reach a maximum volumetric flow rate of 4L / min in this installation.
  • the temperature is controlled by an external sand bath which ensures a good homogeneity of the temperature at the reactor.
  • Four temperature measurement points were installed inside the reactor (two in the catalytic bed and two in the disengagement section).
  • a valve was also installed on the exit line in order to be able to mount the reactor to the desired pressure.
  • An HPLC type pump provides a constant flow of an aqueous solution of acrolein directly into the catalyst bed.
  • An online mass spectrometer quantifies the products.
  • a line heated to 110 ° C connects the mass spectrometer to the assembly and thus prevents any condensation of water. Filters installed on the line of exit prevent the particles from leaving the reactor and avoid the blocking of the lines.
  • the tests were carried out on 150 g of 0.5Pt catalyst prepared according to Example 6.
  • the volume flow rate of the gases was maintained at about 600 ml / min for 15 to 40 minutes (depending on the test and the stabilization time of the output concentrations) for the tests and for the argon purges to ensure good fluidification of the particles.
  • Tables 9 and 10 summarize the results respectively for test 1 conducted under a pressure of 2.2 bar and test 2 conducted under a pressure of 1 bar.
  • the duration of the reaction was adjusted to reach a steady state of the output concentrations.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé d'oxydation sélective du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone présent dans un mélange gazeux comprenant au moins un hydrocarbure ou un dérivé d'hydrocarbure, et à son intégration dans un procédé de production de dérivés d'hydrocarbures. Le procédé selon l'invention comprend une étape consistant à mettre en contact ledit mélange gazeux avec un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie, caractérisé en ce que ladite étape est mise en œuvre en lit fluidisé.

Description

PROCEDE D'OXYDATION SELECTIVE DE MONOXYDE DE CARBONE
Domaine de l'invention
L'invention a trait de manière générale au domaine de la production de dérivés d'hydrocarbures à partir d'hydrocarbures en phase gaz en présence d'oxygène ou d'un gaz contenant de l'oxygène. Plus précisément, l'invention se rapporte à un procédé d'oxydation sélective du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone présent dans un mélange gazeux comprenant au moins un hydrocarbure ou un dérivé d'hydrocarbure, et à son intégration dans un procédé de production de dérivés d'hydrocarbures.
Technique antérieure et problème technique
De nombreux dérivés d'hydrocarbures sont produits industriellement par oxydation partielle d'un hydrocarbure approprié en phase gaz en présence d'oxygène moléculaire ou d'un gaz contenant de l'oxygène moléculaire et d'un catalyseur adapté.
Par exemple, le principal procédé de production d'acide acrylique est basé sur l'oxydation de propylène et/ou de propane. La synthèse de l'acide acrylique par oxydation du propylène comporte deux étapes, la première vise l'oxydation du propylène en acroléine et la seconde l'oxydation de l'acroléine en acide acrylique. Cette synthèse est généralement conduite dans deux réacteurs utilisant deux systèmes catalytiques spécifiques de chacune des étapes de l'oxydation, les deux étapes étant réalisées en présence d'oxygène ou d'un gaz contenant de l'oxygène.
De la même manière, la méthacroléine et l'acide méthacrylique sont produits industriellement par oxydation catalytique d'isobutène et/ou de tertiobutanol.
Les anhydrides, tels que l'anhydride maléique ou l'anhydride phtalique, peuvent être produits par oxydation catalytique d'hydrocarbures aromatiques tels que le benzène ou Γο-xylène ou d'hydrocarbures à chaîne droite tels que le n-butane ou le butène.
L'acrylonitrile est produit par oxydation catalytique en phase gaz du propylène ou du propane par l'air en présence d'ammoniac, une telle réaction étant connue sous le nom d'ammoxydation. De façon similaire, l'ammoxydation d'isobutane/isobutène ou du méthylstyrène conduit respectivement au méthacrylonitrile et à l'atroponitrile.
Ces différents procédés sont mis en œuvre en phase gaz, en présence d'oxygène moléculaire ou d'un gaz contenant de l'oxygène moléculaire, généralement en présence d'air pour des raisons économiques. Au cours des réactions d'oxydation catalytique, se produisent également des réactions secondaires parmi lesquelles la réaction d'oxydation ultime du réactif conduisant à la formation d'oxydes de carbone et d'eau.
Ainsi, ces différents procédés de fabrication de dérivés d'hydrocarbures par oxydation sélective ont en commun le fait qu'ils génèrent la formation d'oxydes de carbone, monoxyde de carbone CO et dioxyde de carbone C02. Le monoxyde de carbone CO est produit généralement en excès par rapport au C02. Il s'agit de composés gazeux qui sont incondensables dans les conditions de température et de pression habituellement mises en œuvre dans les étapes de récupération/purification des dérivés d'hydrocarbures. De ce fait, ils sont évacués dans l'atmosphère sous forme d'évents d'incinération des flux éliminés au cours du procédé, avec l'inconvénient d'émettre des quantités importantes de C02 dans l'atmosphère.
Comme dans la plupart des procédés industriels, il est avantageux de recycler certaines fractions gazeuses générées lors de la fabrication de dérivés d'hydrocarbures, notamment la fraction gazeuse comportant l'hydrocarbure non réagi, pour des raisons évidentes de productivité et de rentabilité. Dans le cas de la présence de monoxyde de carbone dans ces gaz recyclés, ce composé incondensable risque de s'accumuler au cours du procédé et entraîner des problèmes de sécurité, notamment des risques de perte de contrôle de la réaction d'oxydation et de déflagration dans le réacteur d'oxydation, le monoxyde de carbone étant inflammable. Le monoxyde de carbone peut par ailleurs avoir un effet néfaste sur les catalyseurs d'oxydation, en particulier c'est un poison pour de nombreux catalyseurs dont les catalyseurs classiques d'oxydation du propylène en acroléine.
Une solution pour pallier ces inconvénients a été proposée dans le document EP 484 136 qui décrit un procédé pour la production d'un dérivé d'hydrocarbure comprenant le recyclage du flux gazeux issu de la réaction, après avoir successivement extrait ou séparé de ce flux, le dérivé d'hydrocarbure attendu, converti le CO présent dans ce flux gazeux en C02, puis retiré une partie du C02 formé. Le flux recyclé est ainsi un flux appauvri en CO et C02. La réaction d'oxydation de l'hydrocarbure est réalisée en présence d'un diluant inerte, en particulier en présence de C02, à des teneurs suffisamment élevées pour éviter la formation d'un mélange inflammable dans le système. Le catalyseur d'oxydation sélective du CO en C02 est choisi parmi les catalyseurs non oxydants vis à vis de l'hydrocarbure non réagi présent dans le flux gazeux, généralement des catalyseurs à base d'oxydes mixtes cuivre-manganèse ou platine-nickel, éventuellement supportés sur silice ou alumine. Les exemples illustrant ce procédé sont réalisés avec un convertisseur de CO comportant un lit fixe de catalyseur. Dans le cas d'un procédé de production d'acide acrylique à partir de propylène, les essais indiquent un taux de 80% pour la conversion du CO, mais aussi une conversion d'une partie du propylène et du propane, générant ainsi des pertes de réactif dans le procédé.
Une autre solution pour pallier ces inconvénients a été proposée dans le document EP 1 007 499 relatif à un procédé à fort rendement de production d'anhydride maléique à partir de n-butane, consistant à purger une fraction des gaz de recyclage, de façon à éviter une accumulation de gaz inertes et d'oxydes de carbone, et à oxyder sélectivement le monoxyde de carbone contenu dans le courant de purge en dioxyde de carbone en présence d'un catalyseur capable d'oxyder sélectivement du CO en C02 dans un gaz ayant un rapport molaire 02/CO compris entre 0,5 et 3. Des catalyseurs utilisables dans ce cas pour l'oxydation sélective du CO en C02 sont par exemple constitués de métal précieux supporté, comme le platine, le rhodium, le ruthénium, le palladium. Le convertisseur de CO est préférentiellement de type tubulaire en lit fixe.
Le document EP 1 434 833 propose, comme catalyseur d'oxydation sélective de CO en C02 dans un flux gazeux comprenant au moins un alcane, un substrat de catalyseur, tel que Pt, Pd, Pt-Fe ou Pd-Fe sur un support en silice, muni d'un revêtement pratiquement continu d'une matière consistant en un tamis moléculaire. L'oxydation sélective du CO est réalisée en lit fixe à une température choisie de telle sorte que le catalyseur n'a pas d'effet sur l'alcane.
Dans le procédé de production d'acide méthacrylique à partir d'isobutane, décrit dans le document EP 495 504, il est mis en œuvre, après séparation de la fraction condensable contenant l'acide méthacrylique, une étape d'oxydation du CO contenu dans le flux gazeux non condensable, pour le convertir en C02, suivie d'une étape de séparation du C02 sous forme d'anhydride carbonique par absorption dans un liquide contenant par exemple une solution de carbonate de potassium et une aminé. Des catalyseurs utilisables pour la conversion du CO en C02, sans oxydation de l'isobutane contiennent par exemple du palladium et/ou du platine sur un support, de l'or sur un support, ou de l'oxyde de manganèse. Afin d'éliminer la chaleur de la réaction d'oxydation, un réacteur de type multibulaire est utilisé pour le convertisseur CO.
Dans ces différents procédés de l'état de la technique, l'oxydation sélective du CO en C02 est réalisée, soit à faibles vitesses spatiales SV (en général inférieures à 10000 h" l), la vitesse spatiale étant définie comme le ratio entre le débit de réactifs et le volume de catalyseur, ou comme l'inverse du « temps de contact », soit pour de faibles concentrations de CO en entrée ; dans certains cas, elle conduit aussi à une conversion simultanée de l'hydrocarbure présent dans le gaz.
Du fait des risques d'inflammabilité associés à la présence d'hydrocarbures et d'oxygène, les procédés de production de dérivés d'hydrocarbures par oxydation catalytique en phase gaz d'hydrocarbures fonctionnent généralement avec de faibles taux d'hydrocarbures afin de maintenir le mélange gazeux réactionnel en dehors du domaine d'inflammabilité.
Afin d'augmenter la productivité de ces procédés tout en respectant les contraintes de sécurité, il est possible de mettre en œuvre la réaction d'oxydation de l'hydrocarbure en présence d'un gaz inerte avec une forte chaleur spécifique (encore appelée capacité thermique massique Cp, l'indice p indiquant une valeur à pression constante), pour obtenir une meilleure gestion de l'exothermie de la réaction et augmenter la concentration de l'hydrocarbure dans le mélange réactionnel, le gaz inerte constituant un ballast thermique.
Il a ainsi été proposé dans le document EP 293 224 d'ajouter de 5 à 70% en volume d'un hydrocarbure aliphatique saturé de 1 à 5 atomes de carbone tel que le méthane, l'éthane ou le propane, pour la réaction d'oxydation du propylène conduisant à l'acroléine dans un procédé de production d'acide acrylique par oxydation catalytique en deux étapes, la seconde étape consistant à oxyder l'acroléine en acide acrylique.
Comme hydrocarbure utilisable comme ballast thermique dans ce procédé, le propane est préféré. En effet, ce ballast gazeux présente plusieurs avantages par rapport à un ballast de gaz inertes tels que azote ou dioxyde de carbone. D'abord, il crée un meilleur ballast thermique, car sa chaleur spécifique (Cp) augmente fortement avec la température, ce qui n'est pas le cas de l'azote. En outre, il possède une certaine inertie chimique dans les conditions où la réaction d'oxydation du propylène est opérée et ses éventuels produits de réaction sont d'une nature très proche de ceux du propylène. Enfin, il permet de satisfaire plus facilement aux contraintes de composition du mélange liées à la question de l'inflammabilité en plaçant le mélange réactionnel au dessus de la limite supérieure d'inflammabilité. Grâce à l'utilisation de ce ballast thermique, la charge alimentant le réacteur d'oxydation du propylène peut être plus importante en fraction volumique, ce qui augmente la productivité de la conversion tout en contrôlant les points chauds au sein du lit de catalyseurs et favorisant ainsi la sélectivité de la réaction.
Le recyclage du flux contenant le propylène (et le propane) non réagi s'impose encore davantage dans le cas de l'utilisation d'un ballast thermique tel que le propane, en raison du coût du propane, et en conséquence, l'oxydation du monoxyde de carbone dans un flux riche en mélanges d'hydrocarbures devient plus difficile à réaliser sélectivement.
Le problème que propose de résoudre la présente invention est de réaliser la conversion du CO en C02 dans un flux riche en hydrocarbures ou en mélange d'hydrocarbures, sans toutefois oxyder ces hydrocarbures. Dans un lit fixe adiabatique et même dans un réacteur du type multitubulaire avec un bon échange de chaleur, un début de conversion sélective du CO est possible, mais rapidement un emballement de la réaction peut se produire qui augmente fortement la température du catalyseur et provoque la conversion des autres composés présents dans le flux. En effet, dans un réacteur à lit fixe, les fortes quantités de CO présentes conduisent à une augmentation adiabatique de la température, telles que les températures de début de conversion (températures d'allumage) de tous les constituants sont dépassées.
L'exothermie de la réaction de conversion du CO en C02 est caractérisée par AHr de 283 kJ/mol. Même si l'exothermie de la réaction d'oxydation sélective de l'hydrocarbure est comparable, par exemple AHr est de 341 kJ/mol pour la conversion du propylène en acroléine, la cinétique de la réaction de combustion est bien plus rapide. Une technologie « classique » du type réacteur multi-tubulaire ne permet pas alors de maîtriser correctement la température du catalyseur. Dans des conditions où la température peut être maîtrisée, la conversion du CO en C02 peut se faire à une température plus basse que la température d'oxydation de l'hydrocarbure, et donc elle peut s'effectuer de manière sélective. Les écarts de température d'allumage entre le CO et les différents constituants présents dans un flux d'hydrocarbures étant significatifs, il est théoriquement possible d'oxyder sélectivement le CO en C02 sous réserve de maintenir la température de réaction entre la température d'allumage du CO et celle des autres constituants.
A titre indicatif, le tableau 1 suivant illustre l'augmentation de la température du gaz lors de la combustion de 1000 ppm d'impureté dans de l'air.
Figure imgf000007_0001
Tableau 1 Dans une atmosphère riche en gaz de chaleur spécifique plus élevée que celle de l'air, tel que le propane, l'augmentation de température adiabatique est proportionnellement plus faible.
Dans ce contexte, la Demanderesse a découvert que l'utilisation d'un lit fluidisé pour convertir le CO en C02 dans un flux riche en hydrocarbures permet de résoudre les différents problèmes précités et de satisfaire de façon optimale aux besoins d'utilisation de ballast thermique et/ou de recyclage de gaz de réaction contenant une teneur en CO trop élevée, dans les procédés de production de dérivés d'hydrocarbures par oxydation sélective d'hydrocarbures en phase gaz en présence d'oxygène, et plus généralement dans les procédés de production de dérivés d'hydrocarbures à partir d'hydrocarbures en phase gaz en présence d'oxygène.
L'oxydation du CO à l'aide d'un lit fluidisé a déjà fait l'objet de travaux, notamment pour étudier l'influence de la configuration du réacteur comportant un catalyseur spécifique de type Pt-Co-Ce/y-Al203 sur la conversion du CO présent dans un flux riche en hydrogène (M.P. Lobera et al. Catalysis Today 157 (2010), 404-409). Dans cette étude, le flux traité ne contient que de l'hydrogène de sorte que les problèmes d'oxydation sélective de CO dans un mélange complexe tel qu'un mélange d'hydrocarbures dont l'oxydation doit être évitée, ne se posent pas.
La présente invention a donc pour but de fournir un procédé d'oxydation sélective de monoxyde de carbone en dioxyde de carbone qui s'intègre aisément dans les procédés industriels existants de production de dérivés d'hydrocarbures.
Résumé de l'invention
La présente invention a donc pour objet un procédé d'oxydation sélective du monoxyde de carbone présent dans un mélange gazeux comprenant au moins un hydrocarbure ou un dérivé d'hydrocarbure, ledit procédé comprenant l'étape consistant à mettre en contact ledit mélange gazeux avec un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie, caractérisé en ce que ladite étape est mise en œuvre en lit fluidisé.
La technologie de lit fluidisé assure un brassage du solide et du mélange gazeux, et donc une homogénéisation de la température du catalyseur. En obtenant une température homogène, on peut contrôler ainsi la sélectivité de la réaction d'oxydation du monoxyde de carbone, et ne plus détruire les molécules valorisables. Cette homogénéité confère au lit fluidisé un avantage indéniable par rapport aux lits fixes qui sont généralement soumis à un fort gradient de température. L'évacuation des calories de la réaction peut être assurée par des épingles de refroidissement disposées dans le lit fluide. Le coefficient de transfert de chaleur entre la suspension et les tubes échangeurs est très élevé, et permet de chauffer ou de refroidir le matériel de façon efficace.
Le procédé d'oxydation sélective du CO selon l'invention peut s'intégrer dans tous les procédés industriels nécessitant une purge de C02 et/ou de CO pour des raisons chimiques (inhibition de la réaction), physiques (diminution du Cp du gaz de la réaction), ou pour des raisons de sécurité (limites d'inflammabilité).
L'invention a aussi pour objet un procédé de production d'un dérivé d'hydrocarbure comprenant au moins une étape d'oxydation sélective du monoxyde de carbone présent dans un mélange gazeux comprenant au moins un hydrocarbure ou un dérivé d'hydrocarbure à l'aide d'un lit fluidisé comportant un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit et des exemples de réalisation non limitatifs de l'invention. Description détaillée
Le mélange gazeux soumis au procédé d'oxydation sélective du CO selon l'invention comprend au moins un hydrocarbure ou un dérivé d'hydrocarbure.
Les hydrocarbures sont des hydrocarbures linéaires ou ramifiés, saturés ou mono ou di-insaturés, contenant de 2 à 6 atomes de carbone, ou des hydrocarbures aromatiques, pouvant être substitués contenant de 6 à 12 atomes de carbone.
Comme exemples d'hydrocarbures, on peut citer par exemple l'éthylène, le propane, le propylène, le n-butane, l'isobutane, l'isobutène, le butène, le butadiène, l'isopentène, le benzène, Γο-xylène, le méthyl-styrène, le naphtalène. De préférence, l'hydrocarbure est choisi parmi le propylène ou le propane, seuls ou en mélange.
Le dérivé d'hydrocarbure peut être un produit d'oxydation partielle d'un hydrocarbure, et il peut être alors choisi parmi les anhydrides, tels que anhydride phtalique et anhydride maléique, les aldéhydes tels que l'acroléine ou la méthacroléine, les acides carboxyliques insaturés tels que l'acide acrylique ou l'acide méthacrylique, les nitriles insaturés tel que l'acrylonitrile, le methacrylonitrile, l'atroponitrile ou leurs mélanges. De préférence, le dérivé d'hydrocarbure est l'acroléine et/ou l'acide acrylique.
Le dérivé d'hydrocarbure peut aussi être un produit d'addition d'oxygène ou d'un composé halogéné sur un hydrocarbure insaturé, par exemple l'oxyde d'éthylène, l'oxyde de propylène ou le 1,2-dichloroéthane.
Comme catalyseurs solides aptes à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone utilisables dans le procédé selon l'invention, on peut citer les catalyseurs d'oxydation sélective du CO connus, tel que par exemple, sans que cette liste soit limitative, les catalyseurs à base de métaux nobles tels que platine, palladium, rhodium, ruthénium supportés sur un support inorganique tel que silice, oxyde de titane, oxyde de ziconium, alumine ou silicalite ; les catalyseurs à base de cuivre, manganèse, cobalt , nickel, fer, éventuellement en présence d'au moins un métal noble tel que platine, palladium, rhodium, ruthénium, sous la forme d'oxydes mixtes ou d'alliages éventuellement supportés sur un support inorganique tel que silice, oxyde de titane ou de ziconium, alumine ou silicalite. Des catalyseurs bien adaptés sont par exemple des solides faiblement chargés en platine ou palladium (par exemple de l'ordre de 2%) sur un support de type silicalite ou silicate de sodium.
Le catalyseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention est sous forme de particules solides de granulométrie allant de 20 à 1000 microns, de préférence de 40 à 500 microns, plus particulièrement de 60 à 200 microns. La distribution de la taille des particules peut se faire selon de nombreuses méthodes, en particulier selon une méthode simple comme un tamisage avec une succession de tamis de mailles décroissantes, ou une détermination par diffraction Laser par exemple avec des appareils de la marque MALVERN.
Selon l'invention, la température du lit fluidisé est comprise entre 20°C et 400 °C , de préférence comprise entre 70°C et 300 °C, de manière plus préférée entre 100°C et 230 °C.
De préférence, on choisit une température inférieure à la température
« d'allumage» de l'hydrocarbure et/ou du dérivé d'hydrocarbure présent dans le mélange gazeux, c'est-à-dire inférieure à la température correspondant au démarrage de la réaction d'oxydation de l'hydrocarbure et/ou du dérivé d'hydrocarbure.
Par exemple, dans le cas du propylène, il y a en général au moins environ 20 °C, et de préférence au moins 30 °C, d'écart entre la température d'allumage du CO (début de combustion du CO) et la température d'allumage du propylène. Cet écart est suffisant pour garantir une combustion du CO sans avoir de combustion du propylène. Si la température d'allumage du propylène est atteinte, la réaction devient difficilement maîtrisable du fait de la forte teneur en oxygène et en propylène du gaz à traiter.
Le lit fluidisé peut fonctionner en mode opératoire discontinu (batch) ou continu (semi- batch ou ouvert). De préférence, le procédé selon l'invention est mené en continu. En effet, étant donnée la facilité de prélèvement et d'ajout de particules solides dans le lit fluidisé pendant sa marche, la phase solide peut être au besoin renouvelée continuellement. Le lit de catalyseur peut maintenir une activité constante dans le temps, si on soutire en permanence du catalyseur désactivé pour le remplacer par du catalyseur frais. La vidange et le nettoyage des lits fluidisés se font très facilement comme pour un réservoir d'eau. Les soutirages peuvent être effectués en continu ou avec une certaine périodicité. D'autre part, le catalyseur désactivé peut éventuellement être réactivé ex-situ par toute technique appropriée, pour ensuite être réinjecté dans le réacteur. Comme techniques de réactivation du catalyseur sans être limitatif, on peut citer une redispersion des métaux du catalyseur par un traitement réducteur, un lavage du catalyseur pour éliminer des polluants, ou une réimprégnation du catalyseur par une charge fraîche des métaux actifs du catalyseur.
On pourra se référer au document sur les techniques de fluidisation dans Techniques de l'Ingénieur J3 390 1 à 20.
Avantageusement, on utilise des conditions douces d'oxydation, c'est-à-dire une combinaison d'un catalyseur peu actif (faiblement chargé en métal actif), une température modérée (par exemple de 80°C à 180°C) et un temps de contact assez court (par exemple inférieur à une seconde). Alternativement, un faible temps de séjour permet d'envisager une température plus élevée pour un catalyseur donné.
De manière avantageuse, on utilise une pression modérée dans le réacteur à lit fluidisé, comprise par exemple entre 1 et 3 bars, et un temps de séjour assez court se traduisant par des vitesses spatiales élevées. Dans le cas où les conditions liées au procédé nécessitent des pressions plus élevées, il est préférable alors d'associer un catalyseur peu actif avec une température aussi basse que possible pour limiter les réactions d'oxydation des autres constituants du flux gazeux.
La vitesse linéaire du mélange gazeux dans le lit fluidisé peut aller de 0,1 à 80 cm/s. Pour les lits fluidisés de taille industrielle, elle peut aller de 50 à 80 cm/s. Dans le cas de lits fluidisés de hauteur plus faible, notamment les lits fluidisés de laboratoire, la vitesse linéaire des gaz est le plus souvent comprise entre 0,1 et 10 cm/s.
D'une manière générale, le débit volumique du flux gazeux sera adapté au volume de catalyseur, par conséquent à la taille du réacteur, de façon à atteindre des vitesses spatiales SV très élevées, exprimées en débit volumique horaire de réactifs par rapport au volume de catalyseur.
Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en œuvre avec des vitesses spatiales SV élevées, par exemple allant de 1000 h"1 à 30000 h"1, de préférence supérieures à 10000 h"1, ou mieux allant de 10000 h"1 à 30000 h"1. Le procédé selon l'invention est particulièrement bien adapté pour des flux gazeux contenant plus de 0,5 % molaire de monoxyde de carbone en entrée, et de préférence plus de 1 % molaire de monoxyde de carbone.
Un autre objet de l'invention est un procédé de production d'un dérivé d'hydrocarbure comprenant au moins les étapes suivantes :
a) on met en contact au moins un hydrocarbure et de l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène avec un catalyseur approprié conduisant à un mélange gazeux contenant au moins un dérivé d'hydrocarbure, de l'hydrocarbure non converti, de l'oxygène et du monoxyde de carbone,
b) on sépare ou on extrait du flux de réaction issu de l'étape a), le dérivé d'hydrocarbure,
c) puis, on convertit le monoxyde de carbone présent dans le flux gazeux en dioxyde de carbone à l'aide d'un lit fluidisé comportant un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie, en produisant un flux gazeux appauvri en monoxyde de carbone,
d) on recycle ledit flux appauvri en monoxyde de carbone vers l'étape a) de réaction. Il est bien entendu que ce procédé peut comprendre d'autres étapes préliminaires, intermédiaires, et/ou subséquentes à celles mentionnées ci-dessus, bien connues de l'homme de l'art.
Selon le procédé de l'invention, l'étape a) est réalisée dans des conditions appropriées, notamment concernant la nature du catalyseur, la température et la présence éventuelle d'un gaz inerte comme ballast thermique, selon les procédés connus de l'homme de l'art, permettant de fabriquer le dérivé d'hydrocarbure recherché.
La réaction mise en œuvre peut être une réaction d'oxydation ou une réaction d'addition d'oxygène sur un hydrocarbure insaturé.
Dans une variante de l'invention, l'étape a) est réalisée en présence d'un ballast thermique inerte dans les conditions de la réaction mise en œuvre.
L'étape b) consiste à récupérer le dérivé d'hydrocarbure selon les méthodes classiques utilisant des techniques telles que absorption dans un solvant puis extraction, distillation, cristallisation, condensation.
A l'issue de cette étape b), le flux gazeux débarrassé de l'essentiel du dérivé d'hydrocarbure, comportant généralement de l'hydrocarbure non converti, de l'oxygène, de la vapeur d'eau, des gaz inertes tel que l'azote et l'argon, du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone, est mis en contact avec un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie, dans un lit fluidisé (étape c), conduisant à un flux appauvri en monoxyde de carbone, pouvant être recyclé, selon l'étape d), à l'étape a) de réaction, éventuellement après l'avoir purgé d'une partie du dioxyde de carbone formé.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé de production d'un dérivé d'hydrocarbure intégrant une étape c) d'oxydation sélective de CO en C02 à l'aide d'un lit fluidisé, concerne la fabrication d'acide acrylique par oxydation catalytique de propylène à l'aide d'oxygène ou d'un mélange contenant de l'oxygène et en présence de propane comme ballast thermique.
Cette réaction, largement exploitée industriellement, est conduite généralement en phase gazeuse, et le plus souvent en deux étapes :
La première étape réalise l'oxydation sensiblement quantitative du propylène en un mélange riche en acroléine, dans lequel l'acide acrylique est minoritaire puis, lors de la deuxième étape réalise l'oxydation sélective de l'acroléine en acide acrylique. Les conditions de réaction de ces deux étapes, réalisées dans deux réacteurs en série ou dans un seul réacteur contenant les 2 étages de réaction en série, sont différentes et nécessitent des catalyseurs adaptés à la réaction ; il n'est cependant pas nécessaire d'isoler l'acroléine de première étape au cours de ce procédé en deux étapes.
Le réacteur peut être alimenté par une charge de propylène de basse pureté, c'est- à-dire comportant du propane tel que le ratio volumique propane/propylène est au moins égal à 1. L'important ballast gazeux constitué par le propane conduisant à une meilleure gestion de l'exothermie de la réaction, le réacteur peut être alimenté par une charge plus concentrée en propylène pour augmenter la productivité du procédé. Les autres composants du flux réactif peuvent être des composés inertes tels que l'azote ou l'argon, de l'eau, et de l'oxygène.
Le mélange gazeux issu de la réaction d'oxydation de l'acroléine est constitué, en dehors de l'acide acrylique :
- de composés légers incondensables dans les conditions de températures et de pression habituellement mises en œuvre : azote, oxygène et propylène non convertis, propane présent dans le propylène ou ajouté comme ballast thermique, monoxyde et dioxyde de carbone formés en faible quantité par oxydation ultime ou tournant en rond, par recyclage, dans le procédé,
- de composés légers condensables : en particulier, l'eau générée par la réaction d'oxydation du propylène, l'acroléine non convertie, des aldéhydes légers, comme le formaldéhyde et l'acétaldéhyde, des acides comme l'acide acétique, principale impureté générée dans la section de réaction,
- de composés lourds : furfuraldéhyde, benzaldéhyde, acide et anhydride maléique, acide benzoïque, acide 2-butenoïque, phénol, etc.
Le second stade de la fabrication correspondant à l'étape b) du procédé selon l'invention, consiste à récupérer l'acide acrylique contenu dans l'effluent gazeux issu de la réaction d'oxydation.
Cette étape peut être réalisée par absorption à contre-courant. Pour cela, on introduit le gaz issu du réacteur en pied d'une colonne d'absorption où il rencontre à contre-courant un solvant introduit en tête de colonne. Les composés légers dans les conditions de température et de pression habituellement mises en œuvre (respectivement plus de 50°C et moins de 2.105 Pa) sont éliminés en tête de cette colonne d'absorption. Le solvant mis en œuvre dans cette colonne est l'eau. L'eau pourrait être remplacée par un solvant hydrophobe à haut point d'ébullition, comme il est décrit par exemple dans les brevets de BASF FR 2.146.386 ou US 5.426.221, ainsi que dans le brevet FR 96.14397.
Les conditions opérationnelles de cette étape d'absorption sont les suivantes :
Le mélange réactionnel gazeux est introduit en pied de colonne à une température comprise entre 130°C et 250°C. L'eau est introduite en tête de colonne à une température comprise entre 10°C et 60°C. Les quantités respectives d'eau et de mélange réactionnel gazeux sont telles que le ratio massique eau/ acide acrylique est compris entre 1/let 1/4. L'opération est conduite à la pression atmosphérique.
On obtient ainsi un mélange aqueux d'acide acrylique dans l'eau (ratio massique 1/1 à 4/1) débarrassé de l'essentiel de l'acroléine non convertie et des composés légers, notamment des composés légers incondensables incluant le CO, ce mélange étant généralement dénommé "acide acrylique brut".
Cet acide acrylique brut est alors soumis à une combinaison d'étapes qui peuvent différer par leur enchaînement selon le procédé : déshydratation éliminant l'eau et le formaldéhyde (acide acrylique déshydraté), élimination des légers (en particulier l'acide acétique), élimination des lourds, éventuellement élimination de certaines impuretés par traitement chimique.
Le flux gazeux sortant de l'étape précédente d'extraction de l'acide acrylique par absorption à contre-courant, constitué principalement de propylène et oxygène non convertis, de propane, de CO et C02, et autres gaz inertes ou impuretés légères minoritaires, est mis en contact avec un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie, dans un lit fluidisé, conduisant à un flux appauvri en monoxyde de carbone, qui peut être recyclé à l'étape de réaction, éventuellement après l'avoir purgé d'une partie du dioxyde de carbone formé.
Dans une variante du procédé de l'invention, tout ou partie du flux gazeux sortant de l'unité de conversion de monoxyde de carbone en dioxyde de carbone est envoyé dans une unité de perméation sélective pour séparer un premier flux comprenant majoritairement les composés inertes tels que CO, C02, azote et/ou argon et un second flux comprenant majoritairement le propylène et le propane. L'unité de perméation met en œuvre une ou plusieurs membranes semi-perméables ayant la faculté de séparer les inertes des hydrocarbures. Cette séparation se fait en général à une pression de l'ordre de 10 bars et à une température d'environ 50°C. On peut utiliser des membranes à base de fibres creuses composées d'un polymère choisi parmi : les polyimides, les polymères de type dérivés cellulosiques, les polysulfones, les polyamides, les polyesters, les polyéthers, les polyéthers cétones, les polyétherimides, les polyéthylènes, les polyacétylènes, les polyéthersulfones, les polysiloxanes, les polyvinilidènes fluorides, les polybenzimidazoles, les polybenzoxazoles, les polyacrylonitriles, les polyazoaromatiques et les copolymères de ces polymères.
Ledit second flux enrichi en propylène et propane est avantageusement recyclé à l'étape de réaction sans accumulation de C02 et autre gaz inerte comme l'argon dans la boucle de recyclage.
Dans une seconde variante du procédé de l'invention, tout ou partie du flux gazeux entrant dans l'unité de conversion de monoxyde de carbone en dioxyde de carbone, est préalablement envoyé dans une unité de perméation sélective telle que celle décrite ci-avant, pour séparer au moins une partie du C02, le flux gazeux entrant le convertisseur de CO étant alors appauvri en C02 et oxygène non converti.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la partie expérimentale qui va suivre.
PARTIE EXPERIMENTALE
Exemple 1
Des essais d'oxydation de composés purs ont été réalisés à l'aide d'un catalyseur de la société Johnson Matthey (2% Pt sur Ce02) dans un réacteur à bain de sel fondu de diamètre interne 25,4 mm et avec une hauteur de catalyseur de 30cm (soit 164g).
Le test a consisté à suivre la conversion du composé pur (test de conversion où chaque constituant est testé individuellement) dans un mélange d'azote et d'oxygène (3% molaire). Pour certains essais, une partie de l'azote a été remplacé par de l'eau (20% molaire). Les concentrations suivantes (qui représentent l'ordre de grandeur des concentrations attendues pour chacun des réactifs dans un flux réel) ont été testées dans des conditions de SV 25 000 h"1, en déterminant la conversion du composé en fonction de la température :
- CO : 2,8% molaire
- Propylène : 0,75%> molaire
- Acroléine : 0,75% molaire
- Propane : 50% molaire
- éventuellement de l'eau
Ces conditions correspondent à des conditions d'oxydation de propylène en présence de propane comme ballast thermique.
Les figures 1 et 2 reproduisent l'évolution de l'oxydation des composés purs en fonction de la température, respectivement en présence d'eau et en absence d'eau. Sur la figure 1 , la conversion du CO est de 100% pour une température de 180°C et l'oxydation du propylène commence significativement à une température de 235°C. Sur la figure 2, la courbe 1 correspond à l'acroléine, la courbe 2 au CO et la courbe 3 au propylène.
Les températures "d'allumage" correspondant au démarrage de la réaction d'oxydation pour les composés purs sont rassemblées dans le tableau 2 ci-dessous. Dans ce tableau, les températures indiquées correspondent aux températures appliquées au réacteur et non celles du catalyseur.
Figure imgf000017_0001
Tableau 2
Avec les composés purs, la température d' allumage de la réaction est significativement différente (écart > 30°C), montrant un intérêt pour une évacuation suffisante de l'énergie pour maintenir la température de réaction à des températures où la sélectivité est bonne. Exemple 2 (comparatif) L'exemple 1 est reproduit avec le lit fixe de catalyseur et un flux contenant le mélange des composés CO, C02, propane, propylène, acroléine, eau et oxygène avec les concentrations suivantes, dans lequel on souhaite oxyder sélectivement le CO en C02 :
- CO : 2,8% molaire
Propylène : 0,75% molaire
Acroléine : 0,75% molaire
Eau : 20% molaire
Oxygène : 3% molaire
Propane : 50% molaire
Les essais effectués montrent qu'en présence du mélange des composés on observe une combustion complète des réactifs tant que de l'oxygène est disponible, dans l'ordre de réactivité suivant :
CO > propylène > acroléine > propane
La température n'est pas maîtrisée : on peut mesurer un point chaud où la température atteinte au sein du lit catalytique est supérieure de 150°C au moins à celle du four. Par conséquent, cet écart étant bien supérieur à celui mesuré entre les températures d'allumage des corps purs, toutes les réactions d'oxydation sont sollicitées en même temps, augmentant encore plus l'exothermicité globale. Les réactions d'oxydation ne se retrouvent ralenties que lorsque l'oxygène a été consommé.
L'essai a été reproduit avec une dilution du catalyseur de 90%> en poids avec des inertes (Billes de silice-alumine provenant de Saint-Gobain). La dilution du catalyseur a pour objectif de diminuer l'activité catalytique du réacteur afin de mieux contrôler sa température de fonctionnement. Ainsi, le réacteur a été rempli avec 10% poids du catalyseur initial et 90%> poids d'inertes pour un volume équivalent de catalyseur + inertes. Le but est aussi de répartir les calories de la réaction d'oxydation sur un plus grand volume réactionnel. Les calories de la réaction sont éliminées par transfert de chaleur par la paroi, le solide inerte fournit un plus grand nombre de points de contact entre le catalyseur et la paroi, et donc devrait permettre un meilleur contrôle de la température dans le lit catalytique. Malgré une forte dilution du catalyseur (ce qui revient à une forte augmentation de la vitesse spatiale), la différence de température entre le point chaud du lit catalytique et la température du four (ou la température d'allumage de la réaction d'oxydation du CO) reste supérieure à la différence de température d'allumage du CO et du propylène.
Dans ces conditions, la réaction d'oxydation n'est toujours pas maîtrisée et la dilution du catalyseur avec des inertes (90% en poids) ne permet pas de résoudre le problème. Là encore, on se retrouve face à une inadéquation entre le catalyseur et la technologie de réacteur utilisée.
Exemple 3 : Préparation de catalyseurs d'oxydation sélective de monoxyde de carbone Préparation d'un Catalyseur A
200 g de sphères de silice poreuse de 80 microns de diamètre sont imprégnées, par imprégnation à humidité naissante, avec une solution contenant 10,2 g d'acide citrique, 20,2 g d'hydrogénocarbonate de platine (II) tétramine (à 50,6 % de platine), 8 g de nitrate de Fer(III) nonahydrate et 103,5 g d'eau déminéralisée. Un chauffage doux sous agitation est utilisé pour évaporer l'excès d'eau, en maintenant le solide en rotation dans un four tournant pour éviter une agglomération. Finalement la poudre est séchée à 105 °C puis calcinée sous air à 500 °C pendant 2 heures.
Préparation d'un catalyseur B
On prépare un catalyseur par imprégnation de l'alumine Puralox® SCCA 5-150 de Sasol selon le protocole suivant :
Dans un réacteur de 3 1 muni d'une double enveloppe, chauffé à 100 °C, on introduit 300 g d'alumine et on balaye à l'air pour fluidiser l'alumine. Au moyen d'une pompe, on injecte alors en continu une solution de 15,3 g d'acide citrique, 30,3 g d'hydrogénocarbonate de platine (II) tétramine (à 50,6 % de platine), 12 g de nitrate de fer nonahydrate et 155 d'eau déminéralisée. Le ratio visé (masse de métal / masse de catalyseur final) étant de 0.5 % Pt-0.5 % Fe % massique, la durée d'addition de la solution est de 2 h. Le catalyseur est ensuite laissé à 105°C en étuve pendant 16h, puis calciné à 500 °C pendant 2 heures.
Cette alumine a au départ, des grains dont le diamètre médian est égal à environ 85 μιη et présente les caractéristiques de surface et porosité indiquées ci-dessous :
Surface BET (m2/g) 148
Volume poreux total Hg (cm3/g) 0,87 D50 : diamètre moyen apparent de 50% de la population des particules : 85 μιη
Pic de porosité (nm) : 9
Exemple 4
L'exemple 2 est reproduit, mais en utilisant un lit fluidisé.
Les catalyseurs A et B sont mis en œuvre dans un lit fluidisé, alimenté par un flux de composition décrite dans le tableau 3 ci-dessous, et préchauffé à 100 °C. Ce flux assure la fluidisation du catalyseur. La pression totale dans le réacteur est de 2,2 bars, avec une vitesse linéaire des gaz de 10 cm/s.
Figure imgf000020_0001
Tableau 3
Les produits sont collectés en sortie de réacteur et analysés par chromatographie après avoir condensé l'eau.
Les résultats obtenus figurent dans le tableau 4 ci-après :
Figure imgf000020_0002
Tableau 4
Exemple 5 Les catalyseurs C, D et E définis ci-après, sont obtenus sous la forme de granulés, et ont été broyés dans une granulométrie inférieure à 315 microns. 150 g de cette poudre sont tamisés pour sélectionner la fraction comprise entre 80 et 160 microns.
Catalyseur C : Catalyseur ND-520 de NE Chemcat Pt/alumine, sous forme de billes de 3 mm, de densité 0,74 kg/1.
Catalyseur D : Catalyseur DASH 220 de NE Chemcat, 0,5 % Pt/alumine, sous forme de granulés de 3,2 mm, de surface spécifique 100 m2/g Catalyseur E : Catalyseur ND103 de NE Chemcat, 0,5 % de Pd/alumine, sous forme de billes de 3 mm de diamètre, de 250 m2/g
On a mis 150 g de catalyseur solide dans un lit fluidisé. Le lit fluidisé consiste en un tube d'acier inoxydable de 41 mm de diamètre et d'une hauteur totale de 790 mm. Le lit fluidisé est immergé dans un bain de sable fluidisé, chauffé par des éléments électriques installés à l'intérieur du bain. Trois thermocouples ont enregistré le gradient de température le long du tube. On a alimenté un flux de composition molaire décrite dans le tableau 5 ci-après à un débit de 1760 ml/min (conditions normales), soit une vitesse linéaire des gaz d'environ 2,2 cm/s, en dessous d'une plaque métallique poreuse qui distribue le gaz à travers le diamètre du réacteur.
La pression totale dans le lit fluidisé est de 1 bar et la température est maintenue à environ 100°C.
Composition Molaire du gaz
entrant dans le lit fluide %
Acétaldéhyde 0,12
Acroléine 0,31
H20 2,68
o2 4,39
Argon 1,95
CO 5,31
co2 13,34
Propane 68,73
Propylène 1,93
Acide acétique 0,00
Acide acrylique 0,01 Azote 1,24
Pression (Bars) 1
Température (°C) 50
Tableau 5
Les produits sont collectés en sortie de lit fluidisé et après avoir condensé Γ analysés par chromatographie liquide.
Les résultats obtenus figurent dans le tableau 6 ci-après :
Figure imgf000022_0001
Tableau 6
Exemple 6 : Préparation de catalyseurs
On a réalisé 3 séries d'essais à partir des catalyseurs suivants :
Catalyseur 0.5Pt (correspondant à 0,5%Pt et 0,5%Fe/ sur alumine AI2O3) - densité apparente 0,78 g/ml- taille moyenne des particules 114 μιη. Catalyseur 1.5Pt (correspondant à l,5%Pt et l,5%Fe/ sur alumine AI2O3)- densité apparente 0,79 g/ml.
Catalyseur 2Pd (correspondant à 2% Pd/sur zéolithe D/UR de Engelhard/BASF) - densité apprente 0,55 g/ml - taille moyenne des particules 144 μιη.
Les deux premiers catalyseurs ont été préparés selon les protocoles ci-dessous et le troisième catalyseur est un catalyseur commercialisé par BASF. Ce dernier a été utilisé tel quel sans modification particulière hormis un séchage préalable.
Les catalyseurs pour l'oxydation sélective du CO ont été préparés par imprégnation des précurseurs en solution (sels de Pt et Fe) sur l'alumine de Sasol Puralox SCCA 5-150. 1) Dans un premier temps, les catalyseurs pour tests en micro lit fluidisé ont été préparés par imprégnation à humidité naissante.
Les sels de platine et de fer ainsi que de l'acide citrique ont été pesés et mis en solution dans un bêcher avec de l'eau. Le catalyseur 0,5 %Pt/0,5 % Fe/ Alumine a été préparé en mélangeant 0,049 g d'acide citrique, 0,0987 g d'hydrogénocarbonate de Platine (II) tétraamine (à 50,6 % de Pt), 0,36 g de nitrate ferrique hydraté, 8,10 g d'eau et 9.9 g d'alumine. Le volume total de la solution a été calculé pour être égal au volume total des pores du support (0,87 ml/g). La solution a ensuite été ajoutée progressivement au support tout en agitant vigoureusement. Celle-ci a été totalement intégrée par le support et aucun liquide n'était détectable à la surface ou entre les particules. La pâte résultante a été séchée à 110-120 °C pendant 24 h, puis calcinée à l'air pendant 2 heures à 485-520 °C.
2) Pour les essais en plus gros réacteur, une autre technique a été employée où l'imprégnation s'est déroulée dans un lit fluidisé, la méthode décrite ci-dessus étant peu applicable à 200 g de catalyseur notamment pour des raisons d'homogénéité. La méthode suivante a été utilisée pour préparer 200 g de 0,5%Pt/0,5%Fe/Al2O3. Les mêmes sels précurseurs et les mêmes concentrations ont été utilisés que pour les préparations décrites ci-dessus.
La solution de précurseur et d'acide citrique est alimentée au goutte à goutte au-dessus du support placé dans un tube de quartz cylindrique chauffé à 105-125 °C et fluidisé à l'air. Le débit de liquide a été calculé et maintenu à 0,5-1 ml/min. La buse d'injection a été placée à environ 10 cm au-dessus du lit. L'air a été utilisé comme gaz de fluidisation et le débit a été ajusté pour maintenir un état de lit bouillonnant ainsi que pour éviter le transport pneumatique des particules. Le solide ainsi obtenu a été séché 24 h à 120 °C puis calciné à 500 °C.
Deux niveaux de chargement ont été réalisés pour les essais en microréacteur (10 grammes de 1.5Pt/1.5%Fe/Al203 et 10 grammes de 0.5Pt/0.5%Fe/Al2O3) et un seul pour les autres essais dans le plus gros réacteur (200 grammes de 0.5Pt/0.5%Fe/Al2O3). Exemple 7 : Tests en micro -réacteur fluidisé à partir des catalyseurs de l'exemple 6
On a utilisé un micro -réacteur constitué d'un tube de quartz de 7 mm de diamètre interne dans lequel 1 g de catalyseur a été disposé sur un verre fritté (20μιη) placé au milieu du tube faisant effet de distributeur. L'ensemble du montage est piloté par ordinateur et il est possible d'enregistrer tous les paramètres expérimentaux pertinents (températures, débits de gaz).
Les essais ont été réalisés sous 40 ml/min pendant 15 min. Ceci correspond à une vitesse spatiale SV d'environ 3000 h"1.
La composition du gaz d'entrée alimenté au micro -réacteur est la suivante :
Figure imgf000024_0001
Entre deux tests, 40 ml/min d'argon ont été envoyés pour purger le réacteur pendant 10 min. L'argon est aussi l'inerte de choix pendant les périodes de chauffage.
Pour avoir une idée de l'exothermicité de la réaction d'oxydation, le contrôle de la température a été réalisé sur la température du four et non sur celle du lit de catalyseur.
Pour chaque expérience réalisée, les conditions opératoires ont été maintenues constantes durant les 15 min de test.
L'analyse des gaz à la sortie du réacteur a été faite par un spectromètre de masse en ligne.
La figure 3 est présentée à titre d'exemple et donne la composition du gaz de sortie après réaction ainsi que l'évolution de la température du lit catalytique. Toutes les expériences réalisées donnent le même type de profil avec des niveaux stationnaires. C'est à partir de ces données qu'une conversion moyenne a été calculée.
Le tableau 7 ci-dessous récapitule les essais réalisés en micro -réacteur.
Température du AT Température du
Essai Catalyseur lit au début du maximum four °C X CO (%) X propylène (%) X propane (%) test (°C) du lit (°C) (constante)
1 1 12 8 100 4 0 0
2 120 1 1 1 10 47 0 0
3 134 1 1 120 62 0 0
4 148 8 130 78 0 0
5 160 10 140 90 0 0
0.5Pt
6 172 10 150 100 0 0
7 183 12 160 100 0 0
8 195 14 170 100 0 0
9 206 13 180 100 1 5
10 217 36 190 100 34 12
1 1 228 32 200 100 49 27
12 1 17 8 100 54 0 0
13 1.5Pt 129 7 1 10 82 0 0
14 140 8 120 100 0 0
15 152 18 130 100 13 8
16 163 33 140 100 41 10
17 173 36 150 100 43 10 18 185 38 160 100 45 10
19 196 38 170 100 45 10
20 207 35 180 100 45 10
21 219 32 190 100 45 10
22 229 29 200 100 45 10
23 1 18 n.d. 100 92 0 0
24 131 n.d. 110 100 0 0
25 142 n.d. 120 100 0 0
26 155 n.d. 130 100 2 0
27 161 n.d. 140 100 5 0
2Pd
28 170 n.d. 150 100 1 1 0
29 187 n.d. 160 100 12 0
30 197 n.d. 170 100 13 0
31 208 n.d. 180 100 1 1 0
32 219 n.d. 190 100 23 0
33 235 n.d. 200 100 20 0 n.d. pour non disponible
Tableau 7
Les lignes en caractères gras sont les expériences pour lesquelles l'oxydation de CO a été complète et sélective.
Ces essais ont montré que l'oxydation sélective du CO en lit fiuidisé est très efficace, avec des conversion de 100% et l'absence d'oxydation de propylène et du propane, à des températures bien contrôlées, puisque la hausse de température dans le lit a été minime.
L'oxydation sélective du CO en lit fiuidisé est donc tout à fait envisageable à plus grosse échelle dès lors que des conditions d'oxydation douces et un bon transfert de chaleur sont assurés. A partir des principes mathématiques utilisant les constantes cinétiques, il est alors tout à fait possible de déterminer les conditions opératoires optimales à mettre en œuvre à l'échelle industrielle. Exemple 8 : Tests en réacteur à lit fiuidisé.
Un lit fiuidisé de taille plus importante permet de réaliser des tests sur des quantités de catalyseur pouvant atteindre 300 g. Le réacteur métallique se divise en deux sections : une section réactive (diamètre 3,5 cm, hauteur 60 cm) et une zone de désengagement (diamètre 4,5cm , hauteur 40cm). Les gaz sont alimentés et régulés via des régulateurs de débit. Ceux-ci permettent d'atteindre un débit volumétrique maximum de 4L/min dans cette installation. Le contrôle de la température est assuré par un bain de sable extérieur ce qui permet d'assurer une bonne homogénéité de la température au niveau du réacteur. Quatre points de mesure de la température ont été installés à l'intérieur du réacteur (deux dans le lit catalytique et deux dans la section de désengagement). Une vanne a aussi été installée sur la ligne de sortie afin de pouvoir monter le réacteur jusqu'à la pression désirée. Une pompe type HPLC apporte un débit constant d'une solution aqueuse d'acroléine directement dans le lit catalytique.
Un spectromètre de masse en ligne permet de quantifier les produits. Une ligne chauffée à 110°C connecte le spectromètre de masse au montage et empêche ainsi toute condensation d'eau. Des filtres installés sur la ligne de sortie empêchent les particules de sortir du réacteur et évitent le blocage des lignes.
Quatre différentes compositions de gaz ont été testées et sont récapitulées dans le tableau 8 suivant. Les essais notés El ont été conduits sous 2,2 bars absolu alors que les essais notés E2 se sont déroulés à pression atmosphérique. Chaque Essai, El ou E2, a été réalisé "sec" , ou "humide"(en présence de vapeur d'eau).
Figure imgf000026_0001
Tableau 8
Les tests ont été réalisés sur 150 g de catalyseur 0.5Pt préparé selon l'exemple 6. Le débit volumique des gaz a été maintenu à environ 600 ml/min pendant 15 à 40 minutes (dépendant de l'essai et du temps de stabilisation des concentrations de sortie) pour les essais et pour les purges à l'argon afin d'assurer une bonne f uidisation des particules. Ceci représente une vitesse volumique horaire d'environ 180 h"1. Il n'a pas été possible d'opérer avec des débits de gaz plus élevés afin d'atteindre des temps de contact beaucoup plus courts et une vitesse volumique horaire plus importante sans provoquer un entraînement du catalyseur du fait du faible diamètre du réacteur. Néanmoins, ces résultats sont représentatifs des essais que l'homme de l'art est capable d'extrapoler pour une unité de plus grande taille, avec des vitesses linéaires de gaz et des vitesses volumiques horaires plus importantes.
Une conversion moyenne a été calculée sur l'ensemble des 15-40 minutes de test.
Les tableaux 9 et 10 récapitulent les résultats respectivement pour l'essai 1 conduit sous une pression de 2,2 bars et l'essai 2 conduit sous une pression de 1 bar. Température du AT Durée de Conversion Conversion
Essai 1 Conversiion du
lit au début du maximum l'expérience du CO du propane 2.2 bar propylène (%)
test (°C) du lit (°C) (min) (%) (%)
Sec 100 3 35 27 10 1
Sec 1 10 43 30 100 17 1
Humide 100 < 1 25 16 1 2
Humide 1 10 48 40 100 26 5
Tableau 9 : Essai 1 (2,2 bars)
Figure imgf000027_0001
Tableau 10 : Essai 2 (1 bar)
La durée de la réaction a été ajustée de manière à atteindre un état stationnaire des concentrations en sortie.
Nous n'avons pas observé de conversion de propylène ni de propane sous 1 bar, même à des températures au delà de 140°C. De plus, l'augmentation de température dans le lit a été très limitée, indiquant un très bon transfert de chaleur dans le lit fluidisé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'oxydation sélective du monoxyde de carbone présent dans un mélange gazeux comprenant au moins un hydrocarbure ou un dérivé d'hydrocarbure, ledit procédé comprenant l'étape consistant à mettre en contact ledit mélange gazeux avec un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie, caractérisé en ce que ladite étape est mise en œuvre en lit fluidisé.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'hydrocarbure est choisi parmi les hydrocarbures linéaires ou ramifiés, saturés ou mono ou di-insaturés, contenant de 2 à 6 atomes de carbone, ou les hydrocarbures aromatiques, pouvant être substitués contenant de 6 à 12 atomes de carbone.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le dérivé d'hydrocarbure est choisi parmi les anhydrides, tels que anhydride phtalique et anhydride maléique, les aldéhydes tels que l'acroléine ou la méthacroléine, les acides carboxyliques insaturés tels que l'acide acrylique ou l'acide méthacrylique, les nitriles insaturés tel que l'acrylonitrile, le methacrylonitrile, l'atroponitrile ou leurs mélanges, l'oxyde d'éthylène, l'oxyde de propylène ou le 1,2-dichloroéthane.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le catalyseur est sous forme de particules solides de granulométrie allant de 20 à 1000 microns, de préférence de 40 à 500 microns.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le catalyseur est choisi parmi les catalyseurs à base de métaux nobles tels que platine, palladium, rhodium, ruthénium supportés sur un support inorganique tel que silice, oxyde de titane, oxyde de ziconium, alumine, silicate de sodium ou silicalite ; les catalyseurs à base de cuivre, manganèse, cobalt , nickel, fer, éventuellement en présence d'au moins un métal noble tel que platine, palladium, rhodium, ruthénium, sous la forme d'oxydes mixtes ou d'alliages éventuellement supportés sur un support inorganique tel que silice, oxyde de titane, oxyde zirconium, alumine, silicate de sodium ou silicalite.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la température du lit fluidisé est inférieure à la température correspondant au démarrage de la réaction d'oxydation de l'hydrocarbure et/ou du dérivé d'hydrocarbure.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la vitesse spatiale SV, exprimée en débit volumique horaire de mélange gazeux par rapport au volume de catalyseur est compris entre 1000 h"1 et 30000 h"1 .
8. Procédé de production d'un dérivé d'hydrocarbure comprenant au moins une étape d'oxydation sélective du monoxyde de carbone présent dans un mélange gazeux comprenant au moins un hydrocarbure ou un dérivé d'hydrocarbure à l'aide d'un lit fluidisé comportant un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie.
9. Procédé selon la revendication 8 comprenant au moins les étapes suivantes :
a) on met en contact au moins un hydrocarbure et de l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène avec un catalyseur approprié conduisant à un mélange gazeux contenant au moins un dérivé d'hydrocarbure, de l'hydrocarbure non converti, de l'oxygène et du monoxyde de carbone,
b) on sépare ou on extrait du flux de réaction issu de l'étape a), le dérivé d'hydrocarbure,
c) puis, on convertit le monoxyde de carbone présent dans le flux gazeux en dioxyde de carbone à l'aide d'un lit fluidisé comportant un catalyseur solide apte à oxyder du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone à une température choisie, en produisant un flux gazeux appauvri en monoxyde de carbone,
d) on recycle ledit flux appauvri en monoxyde de carbone vers l'étape a) de réaction.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que tout ou partie du flux entrant ou sortant de l'étape c) est soumis à une séparation dans une unité de perméation sélective conduisant à l'élimination d'au moins une partie du dioxyde de carbone présent dans ledit flux.
11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 caractérisé en ce que l'étape a) est réalisée en présence d'un ballast thermique inerte dans les conditions de la réaction mise en œuvre.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11 caractérisé en ce que l'hydrocarbure est le propylène et le dérivé d'hydrocarbure est l'acide acrylique.
13. Procédé selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce qu'on utilise du propane comme ballast thermique.
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UNKNOWN AUTHOR: "Fluidized bed reactor", 1 November 2007 (2007-11-01), XP002606266, Retrieved from the Internet <URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Fluidized_bed_reactor> [retrieved on 20101021] *

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