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WO2025125056A1 - Methode de preparation par voie aqueuse d'un catalyseur en presence d'un additif acide - Google Patents

Methode de preparation par voie aqueuse d'un catalyseur en presence d'un additif acide Download PDF

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Publication number
WO2025125056A1
WO2025125056A1 PCT/EP2024/084759 EP2024084759W WO2025125056A1 WO 2025125056 A1 WO2025125056 A1 WO 2025125056A1 EP 2024084759 W EP2024084759 W EP 2024084759W WO 2025125056 A1 WO2025125056 A1 WO 2025125056A1
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WO
WIPO (PCT)
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acid
tantalum
weight
catalyst
additive
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/EP2024/084759
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English (en)
Inventor
Nicolas Cadran
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
Application filed by Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA, IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
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    • C07C2523/20—Vanadium, niobium or tantalum

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a supported metal oxide catalyst of a group 3, 4 and/or 5 element having improved performance. More particularly, the present invention relates to a method for preparing a heterogeneous catalyst comprising at least one metallic element selected from the elements of groups 3, 4 and 5 of the periodic table, deposited on an oxide matrix by bringing said oxide matrix into contact with an aqueous solution of at least one precursor of said metallic element, said aqueous solution also containing a multifunctionalized acid additive.
  • the present invention also relates to the catalyst obtained by said preparation method and the use of this catalyst for converting a feedstock comprising at least ethanol into butadiene.
  • the present invention also relates to a method for converting a feedstock comprising at least ethanol into butadiene, comprising in particular a step corresponding to the method for preparing a heterogeneous catalyst according to the invention.
  • Patent US2421361 describes the use of niobium or tantalum-based catalysts in a process for converting a mixture of ethanol and acetaldehyde into butadiene, the catalysts being prepared in particular by contacting silica with aqueous citric acid solutions comprising a precursor of niobium or tantalum.
  • a particular dispersion and a specific distribution of the metallic element for example tantalum, can be sought to characterize the catalyst.
  • the dispersion of the metallic element at the atomic level is known to affect the selectivity and activity of the catalyst, via the modulation of the nature of the active site.
  • WO2017/009107 or in Corson's 1950 article (BB Corson, at al. Butadiene from Ethyl Alcohol. Catalysis in the One- and Two-Step Processes. Industrial And Engineering Chemistry. 1950, 42 (2), 359-373).
  • alkoxide precursors or tantalum halides may have the disadvantage of being extremely sensitive to hydrolysis.
  • the formation of a tantalum hydroxide function results in the formation of tantalum clusters and can therefore lead to a modification or even a limitation of the catalytic performances (cf. Ambreen, S.
  • patent application EP3476479 describes the preparation of catalysts based on tantalum and mesostructured silica (for example of the MCM-41 type), by contacting an aqueous solution comprising a peroxo-metallic complex with a solution comprising a silica source, then coprecipitation.
  • Patent application CN 115364844 describes the preparation of a catalyst based on tantalum and silica, by contact of a silica with an organic solution comprising a tantalum precursor and anhydrous citric acid.
  • the present invention aims to prepare, in a simple manner, a heterogeneous catalyst comprising at least one metallic element, chosen from the elements of groups 3, 4 and 5, which exhibits good catalytic performance, or even a gain in performance compared to state-of-the-art catalysts, in particular in terms of selectivity and productivity, and in particular during the conversion into butadiene of a feedstock comprising ethanol.
  • the present invention thus relates to a method for preparing a catalyst, comprising: a) a step of preparing at least one aqueous impregnation solution comprising: at least one metal precursor of at least one metal element chosen from the elements of groups 3, 4 and 5 of the periodic table, at least one multifunctionalized acid additive, comprising a carboxylic acid or ester function, and at least one second chemical function in alpha or beta position, and an aqueous solvent, said at least one metal precursor and said at least one multifunctionalized acid additive being present in the aqueous solution in amounts such that the additive/metal molar ratio between the number of moles of said at least one multifunctionalized acid additive and the number of moles of the metal element(s) provided by said at least one metal precursor is greater than or equal to 5; b) a step of depositing said at least one metal precursor on an oxide matrix, by bringing the aqueous solution prepared in step a) into contact with said oxide matrix, to obtain a solid; c) a step of heat
  • Such a process makes it possible to obtain a catalyst whose catalytic performances, in particular in terms of selectivity and productivity, during the reaction for converting a feedstock comprising ethanol into butadiene, are satisfactory or even improved compared to catalysts of the state of the art, in particular prepared by organic means.
  • the present invention therefore has the advantage of allowing the simple preparation of catalysts with satisfactory or even improved performances, for reasonable production costs.
  • the invention also relates to the catalyst obtained by the preparation process according to the invention, and which comprises at least one metallic element chosen from the group of elements of group 3, group 4 and group 5 of the periodic table, preferably chosen from yttrium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum and their mixtures, preferentially from the element tantalum, the element niobium and/or the element zirconium, preferably the element tantalum, and an oxide matrix preferably based on silica.
  • the present invention also relates to the use of said catalyst for converting a feedstock comprising ethanol into butadiene, at a temperature of between 250 and 450°C, at a pressure of between 0.05 and 2.00 MPa.
  • the present invention relates, according to another aspect, to a process for converting a feedstock comprising at least ethanol into butadiene, which comprises:
  • the pressures are absolute pressures and are given in absolute MPa (or MPa abs.).
  • ambient temperature corresponds to a temperature typically of 20°C ⁇ 5°C (the acronym “ ⁇ ” meaning “more or less”, “20°C ⁇ 5°C” means between 15 and 25°C), and the term “atmospheric pressure” means a pressure of approximately 0.1 MPa, i.e. between 0.05 MPa and 0.15 MPa, preferably between 0.08 MPa and 0.12 MPa, and generally a pressure of 0.101325 MPa.
  • the hydroxy acids as envisaged as a multifunctionalized acid additive in the process according to the invention can be in the form of monomeric compounds of a hydroxy acid whose hydroxyl function is preferably in the alpha, beta or gamma position, or oligomeric compounds of said hydroxy acid, in cyclic (for example dillactide) or linear form.
  • hydroxy acids and “alpha-hydroxy acids”, “beta-hydroxy acids”, respectively must be understood as “hydroxy acids and their derivatives” and “alpha-hydroxy acids and their derivatives", “beta-hydroxy acids and their derivatives”.
  • a metal precursor of at least one metal element chosen from the elements of group 3, 4 and/or 5, for example a metal precursor of the element tantalum is any compound comprising said at least one element respectively of group 3, 4 and/or 5, for example tantalum, and capable of releasing this element in reactive form in aqueous solution.
  • the metal precursor of at least one element of group 3, 4 and/or 5 is at least partially, preferably entirely, soluble in water, in particular under the temperature and pressure conditions used during step a) and step b) of the preparation method.
  • the metal precursors used can thus advantageously be metal salts or metal oxides.
  • the metal or metal oxide salts are in particular salts that are at least partially soluble in water and are selected from the group consisting of halides, nitrates, sulfates, phosphates, hydroxides, carbonates, carboxylates and combinations of two or more thereof, more preferably selected from the group consisting of chlorides, nitrates, hydroxides, carboxylates, and combinations of two or more thereof.
  • preferred metal precursors are oxalates of at least one metal element selected from the elements of group 5, such as tantalum oxalate, niobium oxalate and niobium ammonium oxalate, which are at least partially soluble in water.
  • Said at least one multifunctionalized acid additive may also optionally be called “alpha or beta multifunctionalized acid additive”.
  • Said multifunctionalized acid additive is an organic compound comprising a carboxylic acid or ester function, and at least one second chemical function, advantageously oxygenated, nitrogenous or sulfurous, advantageously in position 1 (alpha position, i.e. on the carbon directly adjacent to the carbon of the acid function) or in position 2 (beta position, i.e. on the second carbon adjacent to the carbon of the acid function). It is preferably at least partially soluble in water.
  • Said multifunctionalized acid additive is very advantageously an organic compound comprising a carboxylic acid or ester function and at least one hydroxyl function and/or one carbonyl function, located in position 1 (alpha position, i.e. on the carbon directly adjacent to the carbon of the acid function), or in position 2 (beta position, i.e. on the second carbon adjacent to the carbon of the acid function).
  • Said multifunctionalized acid additive may comprise several second chemical functions, in particular oxygenated, for example several hydroxyl functions and/or a carbonyl function, such as tartaric acid which comprises, in addition to the first carboxylic acid function, two hydroxyl functions and a carboxylic acid function.
  • Said at least one multifunctionalized acid additive is thus preferably chosen from alpha- or beta-hydroxy acids, alpha- or beta-keto acids, alpha- or beta-polyacids (for example alpha- or beta-diacids which may comprise a third carboxylic acid function), their esters and their mixtures, preferably chosen from alpha-hydroxy acids, beta-hydroxy acids, alpha-keto acids, beta-keto acids, alpha-diacids, beta-diacids, their esters, and their mixtures, and preferably alpha-hydroxy acids, beta-hydroxy acids, and their mixtures.
  • the multifunctionalized acid additive may be selected from pyruvic acid, lactic acid, tartaric acid, malic acid, acetoacetic acid, citric acid, oxalic acid, glycolic acid, salicylic acid, mandelic acid, phenylglyoxylic acid, ⁇ -ketoglutaric acid and ⁇ -ketoglutaric acid, and mixtures thereof.
  • said at least one multifunctionalized acid additive is selected from lactic acid, tartaric acid, malic acid, citric acid, oxalic acid, glycolic acid, mandelic acid, and mixtures thereof, and preferably from lactic acid, tartaric acid, citric acid, oxalic acid and mixtures thereof.
  • the aqueous impregnation solution prepared in step a) comprises one or two multifunctionalized acid additive(s) and preferably one multifunctionalized acid additive, advantageously as defined in the present description above.
  • the aqueous solvent of the aqueous impregnation solution prepared in step a) comprises water, preferably at least 50% by weight of water, preferably at least 90% by weight of water, more preferably at least 95% by weight of water, and advantageously up to 100% by weight of water, the percentages being given by weight of water relative to the total weight of the aqueous solvent.
  • the pH of the aqueous solvent may be adjusted, if necessary, so as to have a pH equal to 7 or lower, so as to limit a possible risk of precipitation of the metal precursor and/or neutralization of the multifunctionalized acid additive.
  • the metal precursor(s) of at least one element from group 3, 4 and/or 5 and the multifunctionalized acid additive(s) are present in the aqueous impregnation solution in amounts such that the molar ratio (additive/metal) of the number of moles of multifunctionalized acid additive(s) relative to the number of moles of the metal element(s), i.e. total number of moles of elements from groups 3, 4 and 5 (for example the element tantalum), provided by the metal precursor(s) is greater than or equal to 5, preferably between 5 and 40, preferentially between 7 and 35, more preferably between 7 and 30.
  • the metal precursor(s) and the multifunctionalized acid additive(s) may be dissolved, diluted and/or in advantageously colloidal suspension, in the aqueous solvent of the aqueous impregnation solution prepared in step a). Whatever their form, the metal precursor(s) and the multifunctionalized acid additive(s) are distributed uniformly in the aqueous impregnation solution at the end of step a). The aqueous impregnation solution may then be said to be homogeneous.
  • aqueous impregnation solutions for example two or three aqueous impregnation solutions, may be prepared.
  • the aqueous impregnation solutions then prepared may each advantageously contain a metal precursor that is identical or different between said aqueous impregnation solutions, an element from group 3, group 4 and/or group 5 that is identical or different between the aqueous impregnation solutions prepared, and at least one multifunctionalized acid additive that is identical or different between them.
  • the aqueous impregnation solutions then prepared may thus be differentiated from one another by the chemical structure of the precursor.
  • metallic by the nature of the metallic element from group 3, 4 and/or 5 of the metallic precursor, and/or by the chemical structure of the multifunctionalized acid additive.
  • the method for preparing a catalyst advantageously comprises a step d) of repeating at least steps b) of deposition and c) of heat treatment, so as to bring each of the aqueous impregnation solutions prepared into contact at least once with the oxide matrix (or support).
  • step a) of preparing the aqueous impregnation solution is carried out at a temperature between room temperature and 80°C, and at a pressure between atmospheric pressure and 3.0 MPa.
  • Step a) of preparing the aqueous impregnation solution very advantageously comprises mixing said at least one metal precursor and said at least one multifunctionalized acid additive with the aqueous solvent.
  • Step a) thus makes it possible to prepare at least one aqueous impregnation solution comprising at least one metallic precursor of at least one element from group 3, group 4 and/or group 5 of the periodic table, and at least one alpha or beta multifunctionalized acid additive, very advantageously chosen from polyacids, hydroxyacids, ketoacids, and mixtures thereof, in an aqueous solvent preferably comprising at least 50% by weight of water.
  • Said aqueous impregnation solution obtained at the end of step a) can then be brought into contact with an oxide matrix to obtain a solid.
  • This contacting step corresponds to step b) of the preparation method according to the invention which is a step of depositing said metallic precursor(s) on said oxide matrix.
  • Said oxide matrix may also be called a support and is typically in the form of particles.
  • the oxide matrix comprises silica; said oxide matrix may then be called a silica-based oxide matrix. It preferably comprises at least 90% by weight (i.e. between 90% and 100% by weight), preferably at least 95% by weight (i.e. from 95% up to 100%), more preferably at least 98% by weight (i.e. from 98% up to 100%) and even more preferably at least 99.5% by weight (i.e. from 99.5% up to 100%) of silica relative to the total mass of oxide matrix.
  • Said oxide matrix very advantageously comprises pores, in particular mesopores.
  • the average pore diameter (or pore size) of the oxide matrix, in particular silica-based is preferably at least 4 nm, preferably between 4.5 and 50 nm and even more preferably between 4.5 and 20 nm.
  • the pore volume of the matrix oxide, in particular silica-based is in particular between 0.4 and 1.8 ml/g, and in particular between 0.5 and 1.5 ml/g.
  • the oxide matrix has a specific surface area SBET of at least 250 m 2 /g, preferably between 250 m7g and 700 m7g and even more preferably between 400 m 2 /g and 600 m 2 /g.
  • the above-mentioned textural parameters are determined by the analysis technique known as “Nitrogen Volumetry” which corresponds to the physical adsorption of nitrogen molecules in the porosity of the material via a progressive increase in pressure at constant temperature.
  • the specific surface area in particular of the oxide matrix corresponds to the BET specific surface area (SBET in m 2 /g) determined by nitrogen adsorption in accordance with the ASTM D 3663-78 standard established from the BRUNAUER-EMMETT-TELLER method described in the periodical “The Journal of the American Chemical Society”, 1938, 60, 309.
  • the representative pore distribution of a mesopore population is determined by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) model.
  • the nitrogen adsorption-desorption isotherm according to the BJH model obtained is described in the periodical "The Journal of the American Chemical Society", 1951, 73, 373, written by EP Barrett, LG Joyner and PP Halenda.
  • the pore volume V is defined as the value corresponding to the volume observed for the partial pressure P/P° ma x of the nitrogen adsorption-desorption isotherm.
  • > of the tested material, in particular of the oxide matrix, is determined by the formula 4000.V/SBET.
  • the oxide matrix in particular silica-based, may be commercially available or custom-synthesized using methods known to those skilled in the art.
  • the oxide matrix, in particular silica-based may be used directly in powder form or already shaped, in particular in the form of pelletized, crushed and sieved powder, beads, pellets, granules, or extrudates (hollow or non-hollow cylinders, multi-lobed cylinders with 2, 3, 4 or 5 lobes for example, twisted cylinders), or rings, etc., these shaping operations being carried out using conventional techniques known to those skilled in the art.
  • said oxide matrix, in particular silica-based is in the form of beads or extrudates, optionally spheronized, preferably of a size between 0.5 and 10 mm, preferably between 1.0 and 5 mm.
  • the contacting in step b), i.e. the deposition of said at least one metal precursor on said oxide matrix, can be carried out by any methods known to those skilled in the art.
  • the methods known as dry impregnation, excess impregnation, CVD (Chemical Vapor Deposition according to the English term which corresponds to chemical vapor deposition), CLD (Chemical Liquid Deposition according to the Anglo-Saxon term which corresponds to liquid phase chemical deposition), etc. may be used.
  • step b) of the method for preparing the catalyst according to the invention comprises, preferably consists of: bringing a volume of aqueous impregnation solution prepared in step a) into contact with the oxide matrix such that said volume of aqueous impregnation solution can correspond to the total or partial pore volume of said oxide matrix, and impregnating the aqueous solution on the surface of said oxide matrix, so as to ensure the dispersion of said at least one metal precursor over the entire surface of the oxide matrix.
  • the contacting and the impregnation are carried out at a temperature between room temperature and 80°C and at a pressure between atmospheric pressure and 3.0 MPa.
  • the deposition step b) may optionally be followed by a step b') of maturation of the solid obtained, so as to further promote the dispersion and distribution of said at least one metal precursor over the entire surface of the oxide matrix.
  • the maturation step may be carried out between room temperature and 80°C and at a pressure between atmospheric pressure and 3.0 MPa, for a duration of between 1 and 5 h, in particular for 2 hours.
  • the method for preparing the catalyst according to the invention also comprises a step c) of heat treatment of the solid obtained at the end of step b) of deposition or possibly step b') of maturation.
  • the catalyst obtained at the end of step c) or possibly step d) is a heterogeneous catalyst, comprising at least one metallic element from group 3, group 4 and/or group 5, deposited on a support (or oxide matrix) in particular based on silica.
  • the preparation method may optionally further comprise a step of shaping the catalyst obtained, optionally followed by a heat post-treatment, in particular in the case where the oxide matrix used in step b) is in the form of an unshaped powder.
  • the catalyst may be shaped in the form of pelletized, crushed, sieved powder, beads, pellets, granules, or extrudates (hollow or non-hollow cylinders, multi-lobed cylinders with 2, 3, 4 or 5 lobes for example, twisted cylinders), or rings, etc., these shaping operations being carried out by conventional techniques known to those skilled in the art.
  • Catalysts are prepared according to the methods described in Example 1. The catalysts are then tested: they are used to convert a feedstock comprising ethanol and acetaldehyde as described in Example 2.
  • Catalysts are prepared with 3% by weight of tantalum on silica in powder form also called silicic support (Davisil 636), the percentage of tantalum being given in weight of tantalum element relative to the weight of silica powder.
  • the preparation method is as follows:
  • the Ethanol/Acetaldehyde ratio of the feed is set at 2.6 (mol/mol), the temperature at 350°C and the pressure at 0.15 MPa.
  • the carbon productivity value is measured at iso-feed rate (constant pph of 250g/gTa/h, i.e. a space velocity of 7.5 h -1 ) while the butadiene selectivity measurement is determined at iso-conversion (feed conversion at 40%).
  • the carbon productivity (which is generally expressed in % weight/weight per hour) corresponds to the mass flow rate of butadiene (in g/h), measured at the reactor outlet, per unit mass of Ta element, for a pph of the feed of 250 g/gTa/h.
  • the butadiene selectivity (which is expressed in % weight/weight) measured is a carbon selectivity and corresponds to the butadiene flow rate measured at the reactor outlet relative to the sum of the flow rates of the carbon products formed (unconverted ethanol and acetaldehyde are not taken into account in the selectivity calculation).
  • Tables 6, 7 and 8 show that the butadiene selectivity and the carbon productivity are improved when the conversion reaction is carried out in the presence of a catalyst in accordance with the invention, i.e. prepared in the presence of an acid additive of alpha-hydroxyacid or alpha-diacid type, compared to a conversion in the presence of a non-compliant catalyst prepared without additive (catalysts references A and H), or prepared in the presence of an additive other than the acid additive multifunctionalized in alpha or beta (see Table 6, catalysts B, C, D, E).
  • Tables 6 and 7 show that the catalytic performances, in particular the selectivity and possibly the productivity, of the catalysts during the conversion of a feedstock comprising ethanol into butadiene, are improved when the catalysts are compliant and whatever the form of the silica used to prepare them, in the form of beads or in the form of powder.

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Abstract

La présente invention concerne une méthode de préparation d'un catalyseur, comprenant : • a) une étape de préparation d'une solution aqueuse d'imprégnation comprenant : • un précurseur métallique d'un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique tel que le tantale, • au moins un additif acide multifonctionnalisé, comprenant une fonction acide carboxylique ou • ester, et au moins une deuxième fonction chimique en position alpha ou beta, et • un solvant aqueux, • ledit précurseur métallique et ledit additif acide multifonctionnalisé étant présents dans la solution aqueuse dans des quantités telles que le ratio molaire additif/métal est supérieur ou • égal à 5; • b) une étape de dépôt dudit précurseur métallique sur une matrice oxyde, par mise en contact de la solution aqueuse avec ladite matrice oxyde; puis • c) une étape de traitement thermique. La présente invention concerne également le catalyseur obtenu et son utilisation pour convertir une charge comprenant de l'éthanol en butadiène.

Description

METHODE DE PREPARATION PAR VOIE AQUEUSE D’UN CATALYSEUR EN PRESENCE D’UN ADDITIF ACIDE
Domaine technique
La présente invention porte sur une méthode de fabrication d’un catalyseur d’oxyde métallique d’un élément du groupe 3, 4 et/ou 5 supporté présentant des performances améliorées. Plus particulièrement, la présente invention concerne une méthode de préparation d’un catalyseur hétérogène comprenant au moins un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique, déposé sur une matrice oxyde par mise en contact entre ladite matrice oxyde et une solution aqueuse d’au moins un précurseur dudit élément métallique, ladite solution aqueuse contenant également un additif acide multifonctionnalisé. La présente invention concerne également le catalyseur obtenu par ladite méthode de préparation et l’utilisation de ce catalyseur pour la conversion en butadiène d’une charge comprenant au moins de l’éthanol. La présente invention concerne aussi un procédé de conversion en butadiène d’une charge comprenant au moins de l’éthanol, comprenant en particulier une étape correspondant à la méthode de préparation d’un catalyseur hétérogène selon l’invention.
Technique antérieure
Les oxydes métalliques supportés sont une classe de catalyseurs hétérogènes qui comprennent une ou plusieurs espèces d’oxydes métalliques chargées et déposées à la surface d’un matériau de support, comme la silice (SiCh), l’alumine (AI2O3), le titane (TiOz), la zircone (ZrCh), l’oxyde de magnésium (MgO) et les mélanges correspondants. Des exemples d’oxydes métalliques couramment utilisés comprennent les oxydes métalliques des groupes 3 à 10 parce qu’ils sont capables de former de nombreux catalyseurs qui sont utilisés pour synthétiser une grande variété de produits chimiques. Par exemple, les catalyseurs d’oxyde de tantale supportés présentent des sites actifs aux propriétés diverses (acido-basiques et redox) et donc sont capables de catalyser de nombreuses réactions chimiques pertinentes pour l’industrie, y compris la production de 1 ,3-butadiène (pouvant être aussi désigné dans la présente description par butadiène) à partir d’éthanol, la décomposition de l’éther méthyl-t- butylique en isobutène et en méthanol, le réarrangement de Beckmann, l’époxydation d’oléfines. De même ils présentent une utilité en photocatalyse ou en électrocatalyse.
Le brevet US2421361, par exemple, décrit l’utilisation de catalyseurs à base de niobium ou tantale, dans un procédé de conversion d’un mélange d’éthanol et acétaldéhyde en butadiène, les catalyseurs étant préparés notamment par mise en contact de silice avec des solutions aqueuses d’acide citrique comprenant un précurseur du niobium ou du tantale. Comme pour tout catalyseur composé d’un élément métallique déposé sur un support, une dispersion particulière et une répartition spécifique de l’élément métallique, par exemple du tantale, peuvent être recherchées pour caractériser le catalyseur. La dispersion de l’élément métallique au niveau atomique est connue pour affecter la sélectivité et l’activité du catalyseur, via la modulation de la nature du site actif. De façon totalement indépendante, le contrôle de la distribution de l’élément métallique dans une particule de support est un autre paramètre à explorer pour gérer des problèmes de limitations diffusionnelles intra- granulaires lorsque celles-ci existent. En l’absence de limitations diffusionnelles intergranulaires, il est généralement connu d’utiliser l’ensemble de la surface et du volume disponibles, notamment pour des considérations de performances catalytiques.
Il existe toujours un besoin d’améliorer les performances catalytiques, par exemple la sélectivité, d’un catalyseur hétérogène comprenant en particulier un élément métallique choisi parmi les éléments du groupe 3, 4 et/ou 5.
Dans le cas de la préparation de catalyseurs comprenant l’élément tantale, l’utilisation de précurseurs de tantale commerciaux, solubles en milieu organique comme les alcoolates ou les halogénures de tantale, est largement décrite, comme dans la demande
WO2017/009107 ou dans l’article de Corson de 1950 (B. B. Corson, at al. Butadiene from Ethyl Alcohol. Catalysis in the One- and Two-Step Processes. Industrial And Engineering Chemistry. 1950, 42 (2), 359-373). Cependant, les précurseurs alcoolates ou les halogénures de tantale peuvent présenter l’inconvénient d’être extrêmement sensibles à l’hydrolyse. La formation d’une fonction d’hydroxyde de tantale a pour conséquence la formation de clusters de tantale et peut donc conduire à une modification voire à une limitation des performances catalytiques (cf. Ambreen, S. ét al., Characterization and photocatalytic study of tantalum oxide nanoparticles prepared by the hydrolysis of tantalum oxo-ethoxide Ta8(p3-O)2(M-O)8(M-OEt)6(OEt)i4. Beilstein J. Nanotechnol. 2014, 5, 1082- 1090).
Pour limiter le phénomène d’hydrolyse, il semble donc nécessaire de limiter la quantité d’eau présente au sein du support, par exemple par un séchage poussé du support, notamment à des températures supérieures à 100°C, préférentiellement à 150°C pendant plusieurs heures. Pour limiter davantage le phénomène d’hydrolyse des précurseurs de tantale ou niobium (qui sont des éléments du groupe 5), il est possible de modifier lesdits précurseurs via l’ajout d’additifs.
La littérature regorge d’agents de complexation divers et variés qui ont des succès différents. Par exemple, des études existent sur la réaction d’éléments du groupe 5, en particulier le tantale et le niobium, avec des composés comme : - des dicétones, telles que l’acétylacétone (cf. Kapoor P. N., Mehrotra R.C., Organic Compounds of Niobium and Tantalum. IV. Reactions of niobium and tantalum pentaethoxides with p-diketones. J. Less-Common Metals, 8 (1965) 339-346),
- des cétoesters (cf. Mehrotra R.C., Kapoor P.N., Organic Compounds of Tantalum. Reactions of tantalum pentaethoxide with p-ketoesters. J. Less-Common Metals, 7 (1964) 453-457),
- des hydroxyesters (cf. Narula A.K., et al., Some Aliphatic and Aromatic Hydroxy Ester Derivatives of Niobium and Tantalum. Transition Met. Chem. 7 (1982) 325-330),
- des glycols (cf. Mehrotra R.C., Kapoor P.N., Organic Compounds of Tantalum. I. Reactions of tantalum pentaethoxide with glycols. J. Less-Common Metals, 10 (1965) 237-245),
- des halogénures d’acyle (cf. R Mehrotra R.C., Kapoor P.N., Organic Compounds of Niobium. I. Reactions of niobium penta-alkoxides with acyl halides. J. Less-Common Metals, 10 (1966) 348-353).
Si ces documents détaillent les réactions et les propriétés des complexes formés, ils ne précisent pas l’effet et l’utilisation de tels complexes de Ta ou Nb dans la préparation de catalyseurs hétérogènes. La demande WO2022/165190 décrit l’utilisation de l’acétylacétone dans la préparation par voie organique d’un catalyseur à base de tantale déposé sur de la silice.
D'autres équipes s’intéressent à la préparation de catalyseurs comprenant l’élément tantale, en voie aqueuse. Ainsi la demande de brevet EP3476479 décrit la préparation de catalyseurs à base de tantale et de silice mésostructurée (par exemple de type MCM-41), par mise en contact d’une solution aqueuse comprenant un complexe peroxo-métallique avec une solution comprenant une source de silice, puis coprécipitation. Le document WO21052968 décrit lui-aussi la préparation de catalyseurs à base de tantale sur de la silice, mais par dépôt de tantale sur un support de silice, via la mise en contact d’une silice avec une solution aqueuse comprenant un précurseur de tantale soluble dans l’eau, ledit précurseur de tantale soluble dans l’eau étant préparé par réaction d’un composé à base de tantale, comme TaCI5, en milieu aqueux et sous conditions oxydantes, c'est-à-dire de préférence en présence de peroxyde d’hydrogène. La demande de brevet CN 115364844 décrit quant à elle la préparation de catalyseur à base de tantale et de silice, par contact d’une silice avec une solution organique comprenant un précurseur de tantale et de l’acide citrique anhydre.
La présente invention a pour objectif de préparer, de manière simple, un catalyseur hétérogène comprenant au moins un élément métallique, choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5, qui présente de bonnes performances catalytiques, voire un gain des performances par rapport aux catalyseurs de l’état de la technique, en particulier en termes de sélectivité et productivité, et notamment lors de la conversion en butadiène d’une charge comprenant de l’éthanol.
Résumé de l’invention
La présente invention concerne ainsi une méthode de préparation d’un catalyseur, comprenant : a) une étape de préparation d’au moins une solution aqueuse d’imprégnation comprenant : au moins un précurseur métallique d’au moins un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique, au moins un additif acide multifonctionnalisé, comprenant une fonction acide carboxylique ou ester, et au moins une deuxième fonction chimique en position alpha ou beta, et un solvant aqueux, ledit au moins un précurseur métallique et ledit au moins un additif acide multifonctionnalisé étant présents dans la solution aqueuse dans des quantités telles que le ratio molaire additif/métal entre le nombre de moles dudit au moins additif acide multifonctionnalisé et le nombre de moles du ou des élément(s) métallique(s) apporté(s) par ledit au moins un précurseur métallique est supérieur ou égal à 5 ; b) une étape de dépôt dudit au moins un précurseur métallique sur une matrice oxyde, par mise en contact de la solution aqueuse préparée à l’étape a) avec ladite matrice oxyde, pour obtenir un solide ; c) une étape de traitement thermique du solide obtenu à l’issue de l’étape b).
Un tel procédé permet d’obtenir un catalyseur dont les performances catalytiques, en particulier en termes de sélectivité et de productivité, lors de la réaction de conversion en butadiène d’une charge comprenant de l’éthanol, sont satisfaisantes voire améliorées par rapport aux catalyseurs de l’état de la technique, notamment préparés par voie organique. La présente invention présente donc l’avantage de permettre la préparation de manière simple de catalyseurs avec des performances satisfaisantes, voire améliorées, pour des coûts de production raisonnables.
L’invention concerne également le catalyseur obtenu par le procédé de préparation selon l’invention, et qui comprend au moins un élément métallique choisi dans le groupe des éléments du groupe 3, du groupe 4 et du groupe 5 du tableau périodique, de préférence choisi parmi l’yttrium, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale et leurs mélanges, préférentiellement parmi l’élément tantale, l’élément niobium et/ou l’élément zirconium, de manière préférée l’élément tantale, et une matrice oxyde de préférence à base de silice. La présente invention concerne aussi l’utilisation dudit catalyseur pour convertir une charge comprenant de l’éthanol en butadiène, à une température comprise entre 250 et 450°C, à une pression comprise entre 0,05 et 2,00 MPa.
Enfin, la présente invention concerne, selon un autre aspect, un procédé de conversion d’une charge comprenant au moins de l’éthanol en butadiène, qui comprend :
A) la préparation d’un catalyseur selon la méthode de préparation selon l’invention ;
B) une étape de conversion en butadiène de la charge comprenant de l’éthanol, opérée en présence du catalyseur préparé à l’étape A), à une température comprise entre 250 et 450°C, à une pression comprise entre 0,05 et 2,00 MPa.
Description des modes de réalisation
Selon l’invention, les expressions « compris entre ... et ... » et « entre .... et ... » sont équivalentes et signifient que les valeurs limites de l’intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite. Si tel n’est pas le cas et que les valeurs limites ne sont pas incluses dans la gamme décrite, une telle précision sera apportée par la présente description.
Dans la présente description, les différentes plages de paramètres pour une étape donnée, telles que des plages de pressions et des plages de températures, peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, dans la présente description, une plage de valeurs préférées de pression peut être combinée avec une plage de valeurs de température plus préférées.
Dans la suite, des modes de réalisation particuliers de l’invention sont décrits. Ils peuvent être mis en œuvre séparément ou combinés entre eux, sans limitation de combinaisons lorsque c’est techniquement réalisable.
Selon la présente invention, les pressions sont des pressions absolues et sont données en MPa absolus (ou MPa abs.).
Selon l’invention, les temps et durées sont exprimés en heures (h), en minutes (min) et/ou en secondes (sec).
Dans la présente description, le terme « température ambiante (Tamb) » correspond à une température typiquement de 20°C ± 5°C (le sigle « ± » signifiant « plus ou moins », « de 20°C ± 5°C » signifie entre 15 et 25°C), et le terme « pression atmosphérique » signifie une pression d’environ 0,1 MPa, c’est-à-dire comprise entre 0,05 MPa et 0,15 MPa, de préférence entre 0,08 MPa et 0,12 MPa, et généralement une pression de 0,101325 MPa.
Les termes « amont » et « aval » sont à comprendre en fonction de l’écoulement général du/des fluides ou flux en question dans le procédé. Selon l’invention, le terme hydroxyacide signifie tout composé présentant une fonction acide carboxylique et une fonction hydroxyle de préférence en position alpha ou beta, ou leurs dérivés, le terme dérivés signifiant ici leurs oligomères comprenant en particulier entre 2 et 20 motifs de répétition, éventuellement sous forme cyclique (i.e. sous forme lactone). En effet, les hydroxyacides sont connus pour avoir tendance à s’oligomériser, c’est-à-dire à se condenser sous forme d’oligomères, linéaires ou cycliques, en particulier lorsqu’ils sont en solution concentrée. Par exemple, l’acide lactique s’oligomérise pour former des oligomères d’acide lactique comprenant entre 2 et 20 et plus particulièrement entre 2 et 10 motifs de répétition, lorsque la concentration en acide lactique en solution aqueuse augmente (cf. Vu D.T., et al., Oligomer distribution in concentrated lactic acid solutions, Fluid Phase Equilibria, 236 (2005) 125-135). L’acide lactique peut aussi se dimériser et se cycliser pour former le dilactide. Ainsi, les hydroxyacides tels qu’envisagés comme additif acide multifontionnalisé dans le procédé selon l’invention peuvent être sous forme de composés monomériques d’un hydroxyacide dont la fonction hydroxyle est de préférence en position alpha, beta ou gamma, ou des composés oligomériques dudit hydroxyacide, sous forme cyclique (par exemple le dillactide) ou linéaire. Dans cette description, il faut donc comprendre les termes « hydroxyacides » et « alpha-hydroxyacides », « beta-hydroxyacides », respectivement comme « hydroxyacides et leurs dérivés » et « alpha-hydroxyacides et leurs dérivés », « beta-hydroxyacides et leurs dérivés ». De même, les différents hydroxyacides spécifiques cités dans cette description, par exemple l’acide lactique, l’acide tartrique, l’acide malique, l’acide mandélique, l’acide lévulinique, correspondent auxdits acides spécifiques sous forme monomérique et leurs dérivés oligomériques, par exemple respectivement à l’acide lactique et ses dérivés, l’acide tartrique et ses dérivés, l’acide malique et ses dérivés, l’acide mandélique et ses dérivés.
La présente invention concerne une méthode de préparation d’un catalyseur, appelé catalyseur hétérogène, qui comprend au moins un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique, de préférence parmi l’yttrium, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, et leurs mélanges, préférentiellement le zirconium, le niobium, le tantale, et leurs mélanges, très préférentiellement le tantale, et une matrice oxyde, de préférence à base de silice.
La méthode de préparation selon l’invention comprend, très particulièrement consiste en, les étapes suivantes : a) une étape de préparation d’au moins une solution aqueuse d’imprégnation qui comprend au moins un précurseur métallique d’au moins un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique, avantageusement ledit précurseur métallique est soluble dans l’eau, au moins un additif acide multifonctionnalisé en alpha ou beta, très avantageusement choisi parmi les alpha- ou beta hydroxyacides, les alpha- ou beta-cétoacides, les alpha- ou beta-polyacides (par exemple alpha- ou beta-diacides pouvant comprendre une troisième fonction acide carboxylique), leurs esters, et leurs mélanges, et un solvant aqueux, ledit au moins un précurseur métallique et ledit au moins un additif acide multifonctionnalisé étant présents dans la solution aqueuse d’imprégnation dans des quantités telles que le ratio molaire (additif/métal) entre le nombre de moles dudit au moins additif acide multifonctionnalisé et le nombre de moles du ou des élément(s) métallique(s) apporté(s) par ledit au moins un précurseur métallique est supérieur ou égal à 5, de préférence compris entre 5 et 40, préférentiellement entre 7 et 35, entre 7 et 30 ; b) une étape de dépôt dudit au moins un précurseur métallique sur une matrice oxyde, par mise en contact de la solution aqueuse d’imprégnation préparée à l’étape a) avec ladite matrice oxyde, pour obtenir un solide, b’) éventuellement une étape de maturation du solide obtenu à l’issue de l’étape b), c) une étape de traitement thermique du solide issu de l’étape b) de dépôt ou éventuellement b’) de maturation, comprenant de préférence un séchage ou un séchage suivi d’une calcination, le séchage étant avantageusement opéré à une température comprise entre 80 et 300°C et de préférence entre 100 et 250°C, pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures, avantageusement sous flux gazeux, de préférence sous flux d’air ou d’un gaz inerte tel que l’azote ; la calcination, lorsqu’elle est intégrée à l’étape c), étant avantageusement réalisée sous flux gazeux, de préférence sous flux gazeux comprenant de l'oxygène, à une température comprise entre 350 et 700°C, de préférence entre 450 et 600°C, pendant une durée comprise entre 1 et 6 h, de préférence comprise entre 2 et 4 h ; d) éventuellement la répétition, de la succession des étapes b) de dépôt et c) de traitement thermique, ou optionnellement de la succession de l’étape b) de dépôt, suivie de l’étape b’) de maturation puis de l’étape c) de traitement thermique.
Avantageusement, l’étape a) de la méthode de préparation permet de préparer au moins une solution aqueuse d’imprégnation qui comprend au moins un précurseur métallique, de manière préférée qui comprend un ou deux précurseur(s) métallique(s), et de manière très particulière un précurseur métallique, comprenant au moins un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique, c’est-à-dire au moins un précurseur métallique d’au moins un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique, de manière préférée un ou deux, et de manière très particulière un, précurseur(s) métallique(s) d’au moins un élément du groupe 3, du groupe 4 et/ou du groupe 5. De manière préférée, le ou chaque précurseur métallique comprend un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique. Le ou chaque précurseur métallique peut éventuellement comprendre un autre élément choisi parmi les éléments d’un groupe du tableau périodique autres que ceux des groupes 3, 4 et 5.
Ledit au moins un précurseur métallique d’au moins un élément métallique choisi parmi les éléments du groupe 3, du groupe 4 et/ou du groupe 5 du tableau périodique est avantageusement un précurseur métallique d’au moins un élément métallique choisi en particulier parmi l’yttrium (Y), le zirconium (Zr), le hafnium (Hf), le niobium (Nb), le tantale (Ta), et leurs mélanges, de préférence parmi le zirconium (Zr), le niobium (Nb), le tantale (Ta), et leurs mélanges, de manière très préférée le tantale. Selon un mode de réalisation très préférée de l’invention, ledit au moins un précurseur métallique est un précurseur métallique de l’élément tantale, éventuellement combiné à un précurseur métallique de l’élément niobium et/ou à un précurseur métallique de l’élément zirconium.
Avantageusement, un précurseur métallique d’au moins un élément métallique choisi parmi les éléments du groupe 3, 4 et/ou 5, par exemple un précurseur métallique de l’élément tantale, est tout composé comprenant ledit au moins élément respectivement du groupe 3, 4 et/ou 5, par exemple du tantale, et pouvant libérer cet élément sous forme réactive en solution aqueuse. Très avantageusement, le précurseur métallique d’au moins un élément du groupe 3, 4 et/ou 5 est au moins partiellement, de préférence entièrement, soluble dans l’eau, en particulier dans les conditions de température et pression mises en œuvre lors de l’étape a) et de l’étape b) de la méthode de préparation. Les précurseurs métalliques utilisés peuvent ainsi être avantageusement des sels métalliques ou d’oxydes métalliques. Les sels métalliques ou d’oxydes métalliques sont en particulier des sels au moins partiellement solubles dans l’eau et choisis dans le groupe constitué par les halogénures, les nitrates, les sulfates, les phosphates, les hydroxydes, les carbonates, les carboxylates et des combinaisons de deux ou plusieurs de ceux-ci, plus préférablement choisis dans le groupe constitué par les chlorures, les nitrates, les hydroxydes, les carboxylates, et des combinaisons de deux ou plusieurs de ceux-ci. Par exemple, les précurseurs métalliques préférés sont des oxalates d’au moins un élément métallique choisi parmi les éléments du groupe 5, comme l’oxalate de tantale, l’oxalate de niobium et l’oxalate de niobium et ammonium, qui sont au moins partiellement solubles dans l’eau. Selon un mode de réalisation très préféré de l’invention, ledit au moins un précurseur métallique est l’oxalate de tantale. L’oxalate de tantale est un composé commercial. Il peut également être préparé par exemple par dissolution d’hydroxyde de tantale dans une solution aqueuse d’acide oxalique. La solution aqueuse d’imprégnation préparée à l’étape a) de la méthode selon l’invention comprend, outre ledit au moins un précurseur métallique d’au moins un élément du groupe 3, 4 et/ou 5 du tableau périodique, au moins un additif acide multifonctionnalisé et un solvant aqueux.
Ledit au moins un additif acide multifonctionnalisé peut aussi être éventuellement appelé « additif acide multifonctionnalisé en alpha ou beta ». Ledit additif acide multifonctionnalisé est un composé organique comprenant une fonction acide carboxylique ou ester, et au moins une deuxième fonction chimique, avantageusement oxygénée, azotée ou soufrée, avantageusement en position 1 (position alpha, c’est-à-dire sur le carbone directement adjacent au carbone de la fonction acide) ou en position 2 (position beta, c’est-à-dire sur le deuxième carbone adjacent au carbone de la fonction acide). Il est de préférence au moins partiellement soluble dans l’eau. Ledit additif acide multifonctionnalisé est très avantageusement un composé organique comprenant une fonction acide carboxylique ou ester et au moins une fonction hydroxyle et/ou une fonction carbonyle, située en position 1 (position alpha, c’est-à-dire sur le carbone directement adjacent au carbone de la fonction acide), ou en position 2 (position beta, c’est-à-dire sur le deuxième carbone adjacent au carbone de la fonction acide). Ledit additif acide multifonctionnalisé peut comprendre plusieurs deuxièmes fonctions chimiques, en particulier oxygénées, par exemple plusieurs fonctions hydroxyles et/ou une fonction carbonyle, comme l’acide tartrique qui comprend, outre la première fonction acide carboxylique, deux fonctions hydroxyles et une fonction acide carboxylique.
Ledit au moins un additif acide multifonctionnalisé est ainsi de préférence choisi parmi les alpha- ou beta- hydroxyaci des, les alpha- ou beta-cétoacides, les alpha- ou beta-polyacides (par exemple alpha- ou beta-diacides pouvant comprendre une troisième fonction acide carboxylique), leurs esters et leurs mélanges, de préférence choisi parmi les alpha- hydroxyacides, beta-hydroxyacides, les alpha-cétoacides, les beta-cétoacides, les alpha- diacides, les beta-diacides, leurs esters, et leurs mélanges, et de manière préférée les alpha- hydroxyacides, beta-hydroxyacides, et leurs mélanges. Par exemple, l’additif acide multifonctionnalisé peut être choisi parmi l’acide pyruvique, l’acide lactique, l’acide tartrique, l’acide malique, l’acide acétylacétique, l’acide citrique, l’acide oxalique, l’acide glycolique, l’acide salicylique, l’acide mandélique, l’acide phénylglyoxylique, l’acide a-cétoglutarique et l’acide p-cétoglutarique, et leurs mélanges. Préférentiellement, ledit au moins un additif acide multifonctionnalisé est choisi parmi l’acide lactique, l’acide tartrique, l’acide malique, l’acide citrique, l’acide oxalique, l’acide glycolique, l’acide mandélique, et leurs mélanges, et de manière préférée parmi l’acide lactique, l’acide tartrique, l’acide citrique, l’acide oxalique et leurs mélanges. De préférence, la solution aqueuse d’imprégnation préparée à l’étape a) comprend un ou deux additif(s) acide(s) multifonctionnalisé(s) et de manière préférée un additif acide multifonctionnalisé, avantageusement tel(s) que défini(s) dans la présente description ci- dessus.
Avantageusement, le solvant aqueux de la solution aqueuse d’imprégnation préparée à l’étape a) comprend de l’eau, de préférence au moins 50% poids d’eau, préférentiellement au moins 90% poids d’eau, de manière préférée au moins 95% poids d’eau, et avantageusement jusqu’à 100% poids d’eau, les pourcentages étant donnés en poids d’eau par rapport au poids total du solvant aqueux. Le pH du solvant aqueux peut être ajusté, si besoin, de manière à avoir un pH égal à 7 ou inférieur, de manière à limiter un éventuel risque de précipitation du précurseur métallique et/ou neutralisation de l’additif acide multifonctionnalisé.
Le(ou les) précurseur(s) métallique(s) d’au moins un élément du groupe 3, 4 et/ou 5 et le(ou les) additif(s) acide(s) multifonctionnalisé(s) sont présents dans la solution aqueuse d’imprégnation dans des quantités telles que le ratio molaire (add itif/m étal) du nombre de moles d’additif(s) acide(s) multifonctionnalisé(s) par rapport au nombre de moles du ou des élément(s) métallique(s), i.e. nombre total de moles des éléments des groupes 3, 4 et 5 (par exemple l’élément tantale), apporté(s) par le(ou les) précurseur(s) métallique(s) est supérieur ou égal à 5, de préférence compris entre 5 et 40, préférentiellement entre 7 et 35, de manière préférée entre 7 et 30.
Le(ou les) précurseur(s) métallique(s) et le(ou les) additif(s) acide(s) multifonctionnalisé(s) peuvent être dissous, dilués et/ou en suspension avantageusement colloïdale, dans le solvant aqueux de la solution aqueuse d’imprégnation préparée à l’étape a). Quelle que soit leur forme, le(ou les) précurseur(s) métallique(s) et le(ou les) additifs(s) acide(s) multifonctionnalisé(s) sont répartis de façon uniforme dans la solution aqueuse d’imprégnation à l’issue de l’étape a). La solution aqueuse d’imprégnation peut alors être dite homogène.
Lors de l’étape a), plusieurs solutions aqueuses d’imprégnation, par exemple deux ou trois solutions aqueuses d’imprégnation, peuvent être préparées. Les solutions aqueuses d’imprégnation alors préparées peuvent contenir chacune avantageusement un précurseur métallique identique ou différent entre lesdites solutions aqueuses d’imprégnation, d’un élément du groupe 3, du groupe 4 et/ou du groupe 5 identique ou différent entre les solutions aqueuses d’imprégnation préparées, et au moins un additif acide multifonctionnalisé identique ou différent entre elles. Les solutions aqueuses d’imprégnation alors préparées peuvent ainsi se différencier les unes des autres par la structure chimique du précurseur métallique, par la nature de l’élément métallique du groupe 3, 4 et/ou 5 du précurseur métallique, et/ou par la structure chimique de l’additif acide multifonctionnalisé. Dans le cas où plusieurs solutions aqueuses d’imprégnation sont préparées, la méthode de préparation d’un catalyseur comprend avantageusement une étape d) de répétition d’au moins les étapes b) de dépôt et c) de traitement thermique, de manière à mettre en contact chacune des solutions aqueuses d’imprégnation préparées au moins une fois avec la matrice oxyde (ou support).
De préférence, l’étape a) de préparation de la solution aqueuse d’imprégnation est opérée à une température comprise entre la température ambiante et 80°C, et à une pression comprise entre la pression atmosphérique et 3,0 MPa. L’étape a) de préparation de la solution aqueuse d’imprégnation comprend très avantageusement le mélange dudit au moins un précurseur métallique et dudit au moins un additif acide multifonctionnalisé avec le solvant aqueux.
L’étape a) permet ainsi de préparer au moins une solution aqueuse d’imprégnation comprenant au moins un précurseur métallique d’au moins un élément du groupe 3, du groupe 4 et/ou du groupe 5 du tableau périodique, et au moins un additif acide multifonctionnalisé en alpha ou beta, très avantageusement choisi parmi les polyacides, les hydroxyacides, les cétoacides, et leurs mélanges, dans un solvant aqueux comprenant de préférence au moins 50% poids d’eau.
Ladite solution aqueuse d’imprégnation obtenue à l’issue de l’étape a) peut alors être mise en contact avec une matrice oxyde pour obtenir un solide. Cette étape de mise en contact correspond à l’étape b) de la méthode de préparation selon l’invention qui est une étape de dépôt dudit (ou desdits) précurseur(s) métallique(s) sur ladite matrice oxyde.
Ladite matrice oxyde peut également être appelée support et se présente typiquement sous forme de particules. De préférence, la matrice oxyde comprend de la silice ; ladite matrice oxyde peut alors être appelée matrice oxyde à base de silice. Elle comprend préférentiellement au moins 90% poids (c’est-à-dire entre 90% et 100% poids), de manière préférée au moins 95% poids (c’est-à-dire à partir de 95% jusqu’à 100%), de manière plus préférée au moins 98% poids (c’est-à-dire à partir de 98% jusqu’à 100%) et de manière encore plus préférée au moins 99,5% poids (c’est-à-dire à partir de 99,5% jusqu’à 100%) de silice par rapport à la masse totale de matrice oxyde. Ladite matrice oxyde comprend très avantageusement des pores, en particulier des mésopores. Le diamètre moyen des pores (ou taille de pores) de la matrice oxyde, en particulier à base de silice, est de préférence d’au moins 4 nm, de manière préférée compris entre 4,5 et 50 nm et de manière encore plus préférée compris entre 4,5 et 20 nm. Préférentiellement, le volume poreux de la matrice oxyde, en particulier à base de silice, est compris en particulier entre 0,4 et 1,8 ml/g, et notamment entre 0,5 et 1 ,5 ml/g. De manière préférée, la matrice oxyde présente une surface spécifique SBET d'au moins 250 m2/g, de façon préférée comprise entre 250 m7g et 700 m7g et de façon encore plus préférée comprise entre 400 m2/g et 600 m2/g.
Les paramètres texturaux précités sont déterminés par la technique d’analyse dite de « Volumétrie à l’azote » qui correspond à l'adsorption physique de molécules d'azote dans la porosité du matériau via une augmentation progressive de la pression à température constante. Selon l’invention, la surface spécifique en particulier de la matrice oxyde correspond à la surface spécifique B.E.T. (SBET en m2/g) déterminée par adsorption d’azote conformément à la norme ASTM D 3663-78 établie à partir de la méthode BRUNAUER- EMMETT-TELLER décrite dans le périodique « The Journal of the American Chemical Society », 1938, 60, 309. La distribution poreuse représentative d'une population de mésopores est déterminée par le modèle Barrett-Joyner-Halenda (BJH). L’isotherme d’adsorption - désorption d’azote selon le modèle BJH obtenue est décrite dans le périodique « The Journal of the American Chemical Society », 1951 , 73, 373, écrit par E. P. Barrett, L. G. Joyner et P. P. Halenda. Le volume poreux V est défini comme la valeur correspondant au volume observé pour la pression partielle P/P°max de l’isotherme d’adsorption - désorption d’azote. Le volume adsorption azote est le volume mesuré pour P/ P°max = 0,99, pression pour laquelle il est admis que l’azote a rempli tous les pores. Le diamètre des mésopores <|> du matériau testé, en particulier de la matrice oxyde, est déterminé par la formule 4000.V/SBET.
La matrice oxyde, en particulier à base de silice, peut être commerciale ou bien synthétisée à façon selon les méthodes connues de l’homme du métier. La matrice oxyde, en particulier à base de silice, peut être utilisée directement sous forme de poudre ou bien déjà mise en forme, en particulier sous forme de poudre pastillée, concassée et tamisée, de billes, de pastilles, de granulés, ou d'extrudés (cylindres creux ou non, cylindres multilobés à 2, 3, 4 ou 5 lobes par exemple, cylindres torsadés), ou d'anneaux, etc., ces opérations de mise en forme étant réalisées par les techniques classiques connues de l'homme du métier. Par exemple, ladite matrice oxyde, en particulier à base de silice, est sous forme de billes ou d’extrudés éventuellement sphéronisés, de préférence de taille comprise entre 0,5 et 10 mm, préférentiellement entre 1 ,0 et 5 mm.
La mise en contact à l’étape b), c’est-à-dire le dépôt dudit au moins un précurseur métallique sur ladite matrice oxyde, peut être réalisée par toutes méthodes connues de l’homme du métier. Par exemple et de façon non exhaustive, les méthodes dites d’imprégnation à sec, d’imprégnation en excès, CVD (Chemical Vapor Deposition selon le terme anglosaxon qui correspond au dépôt chimique en phase vapeur), CLD (Chemical Liquid Deposition selon le terme anglosaxon qui correspond au dépôt chimique en phase liquide), etc. peuvent être employées. Par exemple, l’étape b) de la méthode de préparation du catalyseur selon l’invention comprend, de préférence est constituée de : la mise en contact d’un volume de solution aqueuse d’imprégnation préparée à l’étape a) avec la matrice oxyde tel que ledit volume de solution aqueuse d’imprégnation peut correspondre au volume poreux total ou partiel de ladite matrice oxyde, et l’imprégnation de la solution aqueuse à la surface de ladite matrice oxyde, de manière à assurer la dispersion dudit au moins précurseur métallique sur l’ensemble de la surface de la matrice oxyde. Très avantageusement, la mise en contact et l’imprégnation sont réalisées à une température comprise entre la température ambiante et 80°C et à une pression comprise entre la pression atmosphérique et 3,0 MPa.
L’étape b) de dépôt peut éventuellement être suivie d’une étape b’) de maturation du solide obtenu, de façon à favoriser davantage la dispersion et la répartition dudit au moins précurseur métallique sur l’ensemble de la surface de la matrice oxyde. Par exemple, l’étape de maturation peut être opérée entre la température ambiante et 80°C et à une pression comprise entre la pression atmosphérique et 3,0 MPa, pendant une durée entre 1 et 5 h en particulier pendant 2 heures.
La méthode de préparation du catalyseur selon l’invention comprend également une étape c) de traitement thermique du solide obtenu à l’issue de l’étape b) de dépôt ou éventuellement de l’étape b’) de maturation.
De préférence, l’étape c) de traitement thermique comprend, de préférence consiste en, un séchage ou un séchage suivi d’une calcination, de manière préférée un séchage suivi d’une calcination. Le séchage est très avantageusement opéré à une température comprise entre 80 et 300°C et de préférence entre 100 et 250°C, pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures, avantageusement sous flux gazeux, de préférence sous flux d’air ou d’un gaz inerte tel que l’azote, par exemple dans une étuve. Le séchage peut être effectué à température constante ou à plusieurs températures comprises entre 80 et 300°C et de préférence entre 100 et 250°C (par exemple au moins deux paliers de température compris entre 80 et 300°C et de préférence entre 100 et 250°C, entre lesquels est effectuée une montée en température plus ou moins rapide). La calcination, lorsqu’elle est réalisée à l’étape c) de la méthode de préparation du catalyseur, est avantageusement opérée sous flux gazeux, de préférence sous flux gazeux comprenant de l'oxygène, par exemple sous flux d’air, à une température comprise entre 350 et 700°C, de préférence entre 450 et 600°C, pendant une durée comprise entre 1 et 6 h et de préférence comprise entre 2 et 4 h.
Eventuellement, les étapes b) de dépôt et c) de traitement thermique, ou éventuellement les étapes b), b’) puis c), peuvent être répétées n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 5. Ainsi, la méthode de préparation du catalyseur peut comprendre une étape d) de répétition, par exemple dans le cas où le catalyseur visé comprend plusieurs éléments métalliques du groupe 3, du groupe 4 et/ou du groupe 5, par exemple l’élément Nb et l’élément Ta ou l’élément Ta et l’élément Zr ; ou de manière à atteindre la teneur visée en l’élément métallique (ou les éléments métalliques) dans le catalyseur préparé ; ou encore dans le cas où plusieurs solutions aqueuses d’imprégnation sont préparées à l’étape a) comme expliqué plus haut dans cette description, etc. Lorsque la méthode de préparation comprend une étape d) de répétition, la solution aqueuse d’imprégnation est alors mise en contact avec le solide traité thermiquement à l’étape c) lors de la première répétition, ou avec le solide traité thermiquement à la (i-1)ième étape de traitement thermique lors de la iième répétition, i étant un nombre entier compris entre 2 et n. Lorsqu’elle comprend une étape d) de répétition, c’est-à-dire la répétition n fois des étapes b) et c), ou éventuellement b), b’) et c), la méthode de préparation du catalyseur comprend donc :
- au moins une étape a) de préparation d’une solution aqueuse d’imprégnation (l’étape a) peut elle-aussi être répétée si besoin) ;
- une étape b) de dépôt, éventuellement suivie d’une étape b’) de maturation, puis
- une étape c) de traitement thermique comprenant avantageusement un séchage ou un séchage puis une calcination ; puis n fois la succession de : une étape b) de dépôt, éventuellement suivie d’une étape b’) de maturation, suivie d’une étape c) de traitement thermique comprenant avantageusement un séchage ou un séchage puis une calcination, le dernier traitement thermique (c’est-à-dire le nième traitement thermique) comprenant de préférence un séchage suivi d’une calcination.
Le catalyseur obtenu à l’issue de l’étape c) ou éventuellement de l’étape d) est un catalyseur hétérogène, comprenant au moins un élément métallique du groupe 3, du groupe 4 et/ou du groupe 5, déposé sur un support (ou matrice oxyde) en particulier à base de silice.
La méthode de préparation peut éventuellement comprendre en outre une étape de mise en forme du catalyseur obtenu, éventuellement suivie d’un post- traitement thermique, en particulier dans le cas où la matrice oxyde utilisée à l’étape b) est sous la forme d’une poudre non mise en forme. Ainsi, lors de cette étape optionnelle de mise en forme, à l’issue de l’étape c) ou éventuellement de l’étape d), le catalyseur peut être mis en forme sous forme de poudre pastillée, concassée, tamisée, de billes, de pastilles, de granulés, ou d'extrudés (cylindres creux ou non, cylindres multilobés à 2, 3, 4 ou 5 lobes par exemple, cylindres torsadés), ou d'anneaux, etc., ces opérations de mise en forme étant réalisées par les techniques classiques connues de l'homme du métier. De préférence, ledit catalyseur est mis en forme sous forme d’extrudés de taille comprise entre 1 et 10 mm éventuellement sphéronisés. Lors de cette étape optionnelle de mise en forme, le catalyseur peut éventuellement être mélangé avec au moins un matériau oxyde poreux ayant le rôle de liant de façon à générer les propriétés physiques adéquates du catalyseur (résistance mécanique, résistance à l’attrition, etc.). Le matériau oxyde poreux, qui a le rôle de liant, est préférentiellement choisi dans le groupe formé par la silice, la magnésie, les argiles (telles que la kaolinite, l’antigorite, la chrysotile, la montmorillonnite, la beidellite, la vermiculite, le talc, l’hectorite, la saponite, la laponite), l’oxyde de titane, les titanates (par exemple les titanates de zinc, nickel, cobalt), l’oxyde de lanthane, l’oxyde de cérium, les phosphates de bore et leurs mélanges. De façon très préférée, le liant utilisé est de nature silicique, et de préférence à une teneur comprise entre 5 à 60% poids, et de manière préférée entre 10 et 30% poids de liant par rapport à la masse totale du catalyseur final mis en forme et éventuellement post-traité thermiquement. Le post-traitement thermique lorsqu’il est effectué est de même nature et suit les conditions opératoires du traitement thermique de l’étape c).
Le catalyseur obtenu à l’issue de l’étape c) ou éventuellement à l’issue de l’étape d), ou encore à l’issue de l’étape optionnelle de mise en forme, comprend au moins un élément métallique choisi parmi les éléments du groupe 3, du groupe 4 et du groupe 5, de préférence parmi l’yttrium, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, et leurs mélanges, préférentiellement parmi l’élément tantale, l’élément niobium, l’élément zirconium et leurs mélanges, très préférentiellement l’élément tantale, et de manière préférée à une teneur comprise entre 0,1 et 30% poids, de préférence entre 0,3 et 10% poids, de manière préférée entre 0,5 et 5% poids d’élément(s) métallique(s) par rapport au poids de la matrice oxyde.
Très avantageusement, le catalyseur obtenu peut être chargé dans tout type de réacteur catalytique connu de l’homme du métier, en particulier un réacteur en mode axial, radial ou un réacteur tubulaire, avec ou sans échange thermique, avec ou sans injection multiple.
La présente invention concerne ainsi également le catalyseur obtenu par la méthode de préparation selon l’invention, qui comprend au moins un élément métallique choisi dans le groupe des éléments du groupe 3, du groupe 4 et du groupe 5 du tableau périodique, de préférence choisi parmi l’yttrium, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, et leurs mélanges, préférentiellement parmi l’élément tantale, l’élément niobium, l’élément zirconium et leurs mélanges, très préférentiellement l’élément tantale, et une matrice oxyde, de préférence à base de silice. De manière préférée, ledit(ou lesdits) élément(s) métallique(s) est(sont) présent(s) à une teneur comprise entre 0,1 et 30% poids, de préférence entre 0,3 et 10% poids, de manière préférée entre 0,5 et 5% poids d’élément(s) métallique(s) par rapport au poids de la matrice oxyde. Selon un mode de réalisation très préféré, le catalyseur comprend une matrice oxyde à base de silice et entre 0,5 et 5% poids de tantale par rapport au poids de la matrice oxyde. Selon un autre mode de réalisation, le catalyseur comprend une matrice oxyde à base de silice et entre 0,3 et 10% poids, en particulier entre 0,5 et 5% poids, de zirconium par rapport au poids de la matrice oxyde. Selon un autre mode de réalisation, le catalyseur comprend une matrice oxyde à base de silice et entre 0,3 et 10% poids, en particulier entre 0,5 et 5% poids, de niobium par rapport au poids de la matrice oxyde.
La méthode de préparation d’un catalyseur, selon l’invention, permet avantageusement d’obtenir, de manière simple et peu coûteuse, un catalyseur hétérogène comprenant au moins un élément métallique du groupe 3, du groupe 4 et/ou du groupe 5, en particulier l’élément Nb et/ou Ta et/ou Zr, de manière très préférée l’élément Ta, présentant des performances catalytiques, en particulier une sélectivité et une productivité lors de la réaction de conversion d’une charge comprenant de l’éthanol en butadiène, très satisfaisantes voire améliorées par rapport aux catalyseurs de l’état de la technique préparés par voie organique.
La présente invention concerne encore l'utilisation pour la conversion d’une charge comprenant au moins de l’éthanol en butadiène, d’un catalyseur obtenu par la méthode de préparation selon l’invention, et qui comprend au moins un élément métallique choisi dans le groupe des éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique, de préférence parmi l’yttrium, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, et leurs mélanges, préférentiellement parmi l’élément tantale, l’élément niobium, l’élément zirconium, et leurs mélanges, préférentiellement l’élément tantale, et une matrice oxyde de préférence à base de silice, de préférence à une teneur entre 0,1 et 30% poids, de préférence entre 0,3 et 10% poids, de manière préférée entre 0,5 et 5% poids d’élément(s) métallique(s) par rapport au poids de la matrice oxyde. Selon un mode de réalisation préféré, le catalyseur utilisé comprend une matrice oxyde à base de silice et entre 0,5 et 5% poids de tantale par rapport au poids de la matrice oxyde. L’utilisation du catalyseur obtenu, pour la conversion d’une charge comprenant au moins de l’éthanol en butadiène, se traduit alors par des améliorations des performances catalytiques en particulier en termes de sélectivité et de productivité. Les conditions opératoires pour la réaction de conversion sont de préférence une température comprise entre 250 et 450°C, de préférence entre 270°C et 380°C, préférentiellement entre 300 et 360°C, une pression comprise entre 0,05 et 2,00 MPa, de préférence entre 0,05 et 1 ,50 MPa, préférentiellement entre 0,08 et 1,00 MPa, et de préférence une vitesse spatiale comprise entre 0,2 et 10 h’1, préférentiellement entre 0,5 et 5 h-1 et de manière préférée entre 1 et 4 h’1. La vitesse spatiale est définie comme le rapport entre le débit massique de charge et la masse de catalyseur. Lorsque la charge traitée comprend également de l’acétaldéhyde, le ratio molaire éthanol/acétaldéhyde est compris entre 1 et 5, de préférence entre 2 et 4. La présente invention concerne également, selon un autre aspect, un procédé de conversion en butadiène d’une charge comprenant de l’éthanol et éventuellement de l’acétaldéhyde, qui comprend au moins :
A) la préparation d’un catalyseur selon la méthode de préparation selon l’invention ;
B) une étape de conversion en butadiène de la charge comprenant de l’éthanol, de préférence de l’éthanol et de l’acétaldéhyde, de manière préférée dans un ratio molaire de l’éthanol par rapport à l’acétaldéhyde compris entre 1 et 5, de préférence entre 2 et 4, l’étape de conversion étant opérée en présence du catalyseur préparé à l’étape A), et à une température comprise entre 250 et 450°C, de préférence entre 270 et 380°C, préférentiellement entre 300 et 360°C, à une pression comprise entre 0,05 et 2,00 MPa, de préférence entre 0,05 et 1 ,50 MPa, préférentiellement entre 0,08 et 1,00 MPa, et de préférence à une vitesse spatiale comprise entre 0,2 et 10 h’1, préférentiellement entre 0,5 et 5 h-1, de manière préférée entre 1 et 4 h-1.
Lorsque la charge comprend de l’éthanol et de l’acétaldéhyde, le catalyseur préparé à l’étape A) comprend très préférentiellement l’élément tantale et une matrice oxyde à base de silice, la teneur en élément tantale du catalyseur préparé en A) étant de manière préférée entre 0,3 et 10%, et en particulier entre 0,5 et 5% poids par rapport au poids de la matrice oxyde à base de silice.
Les exemples qui suivent illustrent l'invention, en particulier des modes de réalisation particuliers de l’invention, sans en limiter la portée.
Exemples
Des catalyseurs sont préparés selon les procédés décrits dans l’exemple 1. Les catalyseurs sont ensuite testés : ils sont utilisés pour convertir une charge comprenant de l’éthanol et de l’acétaldéhyde comme décrit dans l’exemple 2.
Exemple 1 : Préparation de catalyseurs à 3% Ta / poudre SiC>2, en présence d’additifs de différentes natures
Des catalyseurs sont préparés à 3% poids de tantale sur de la silice sous forme de poudre appelée aussi support silicique (Davisil 636), le pourcentage de tantale étant donné en poids d’élément tantale par rapport au poids de la poudre de silice. Pour chacun des catalyseurs, la méthode de préparation est la suivante :
Le support silicique utilisé pour l’étape d'imprégnation présente les caractéristiques suivantes : Tableau 1
Figure imgf000019_0001
La granulométrie est déterminée par tamisage et correspond à une taille moyenne en masse.
Avant imprégnation, le support est séché en étuve à 100°C pendant 2 heures. Dans certains cas, un additif, acide ou non, est introduit dans un volume Veau d’eau, pour former une solution aqueuse. Dans le cas référence, aucun additif n’est introduit dans ledit volume d’eau Veau. Le volume d’eau Veau est proportionnel au volume poreux du support silicique et égal au volume poreux total du support silicique utilisé.
Un précurseur de tantale, l’oxalate de tantale (fourni par la société Taniobis), est ensuite introduit et dilué dans un volume Veau d’eau (référence) ou dans la solution aqueuse contenant l’additif à une concentration correspondant à un ratio molaire additif/Ta visé (entre 15 et 28). La solution aqueuse est ensuite homogénéisée sous agitation.
La solution aqueuse obtenue est ajoutée au goutte à goutte et mélangée au support silicique jusqu'à observer une mouillabilité de la surface de ce dernier (imprégnation à sec). Le solide est alors placé dans une atmosphère saturée en eau durant 3 heures. Le solide est ensuite séché à 100°C durant 24 heures dans une étuve, puis calciné sous air à 550°C pendant 4 heures, pour obtenir un catalyseur.
Les catalyseurs préparés et les paramètres de préparation sont présentés dans le Tableau 2.
Tableau 2
Figure imgf000020_0001
Exemple 2 : Préparation de catalyseurs à 3% Ta / billes Si02
Des catalyseurs sont préparés à 3% poids de tantale sur des billes de silice (appelées aussi support silicique), le pourcentage de tantale étant donné en poids d’élément tantale par rapport au poids des billes de silice. Pour chacun des catalyseurs, la méthode de préparation est la suivante :
Le support silicique utilisé pour l’étape d'imprégnation présente les caractéristiques suivantes :
Tableau 3
Figure imgf000020_0002
Avant imprégnation, le support est séché en étuve à 100°C pendant 2 heures.
La préparation des catalyseurs se fait de façon similaire au protocole décrit dans l’exemple
1. Les catalyseurs préparés et les paramètres de préparation sont présentés dans le Tableau 4. Tableau 4
Figure imgf000021_0001
Exemple 3 : Préparation de catalyseurs à 3% Ta / poudre SiCk, en présence de différentes quantités d’additif Des catalyseurs sont préparés à 3% poids de tantale sur de la poudre de de silice dont les caractéristiques sont détaillées en Exemple 1 , le pourcentage de tantale étant donné en poids d’élément tantale par rapport au poids de silice. Pour chacun des catalyseurs, la préparation se fait de façon similaire au protocole décrit dans l’Exemple 1.
Les catalyseurs préparés et les paramètres de préparation sont présentés dans le Tableau 5.
Tableau 5
Figure imgf000021_0002
Exemple 4 : Utilisation des catalyseurs préparés pour convertir une charge éthanol- acétaldéhyde en butadiène
Description de l'unité de test catalytique Le réacteur utilisé consiste en un tube en acier inoxydable de 20 cm de long et de 10 mm de diamètre. Le réacteur est d'abord chargé avec du carborundum puis avec le catalyseur dilué dans du carborundum et enfin avec du carborundum. Le carborundum est inerte vis-à-vis de la charge et n'influe pas sur les résultats catalytiques ; il permet de positionner le catalyseur dans la zone isotherme du réacteur et de limiter les risques de problèmes de transfert de chaleur et de matière. La température du réacteur est contrôlée avec un four tubulaire à trois zones de chauffe.
La charge liquide (mélange d'éthanol et d'acétaldéhyde) est injectée via une pompe HPLC à double piston. Le flux liquide est vaporisé dans les lignes chauffées par un traceur avant d'entrer dans le réacteur et est homogénéisé par le passage dans un mélangeur statique.
En sortie de réacteur, les produits formés lors de la réaction sont maintenus en phase vapeur pour être analysés en ligne par chromatographie gazeuse (colonne capillaire PONA) pour permettre l'identification la plus précise des centaines de produits formés. Le catalyseur est activé in situ sous azote à la température de test.
Pour chaque test, le ratio Ethanol/Acétaldéhyde de la charge est fixé à 2,6 (mol/mol), la température à 350°C et la pression à 0,15 MPa.
Pour chaque catalyseur testé, la valeur de productivité carbone est mesurée à iso-débit de charge (pph constante de 250g/gTa/h, soit une vitesse spatiale 7,5 h-1) tandis que la mesure de sélectivité en butadiène est déterminée à iso-conversion (conversion de charge à 40%). La productivité carbone (qui s’exprime généralement en % poids/poids par heure) correspond au débit massique de butadiène (en g/h), mesuré en sortie de réacteur, par unité de masse d’élément Ta, pour une pph de la charge 250 g/gTa/h. La sélectivité en butadiène (qui s’exprime en % poids/poids) mesurée est une sélectivité carbone et correspond au débit de butadiène mesuré en sortie de réacteur par rapport à la somme des débits des produits carbonés formés (l’éthanol et l’acétaldéhyde non convertis ne sont pas pris en compte dans le calcul de la sélectivité).
Les résultats obtenus en termes de sélectivité en butadiène et productivité carbone, avec les catalyseurs A à G, H à K et A, F, L, M, N, préparés comme décrit dans les Exemples 1, 2 et 3 sont présentés respectivement dans les Tableaux 6, 7 et 8, sous forme de gain de sélectivité en butadiène par rapport au catalyseur A ou H de référence correspondant (i.e. gain de sélectivité = [sélectivité obtenue avec le catalyseur] - [sélectivité obtenue avec le catalyseur référence correspondant], gain exprimé en point ou % poids/poids) et sous forme de gain en productivité carbone exprimé relativement à la productivité mesurée pour le catalyseur A ou H de référence correspondant (i.e. gain en productivité = ([productivité obtenue avec le catalyseur] - [productivité obtenue avec le catalyseur référence correspondant]) / [productivité obtenue avec le catalyseur référence correspondant], exprimé en % poids/poids). Tableau 6
Figure imgf000023_0001
Tableau 7
Figure imgf000023_0002
Tableau 8
Figure imgf000024_0001
Les tableaux 6, 7 et 8 montrent que la sélectivité en butadiène et la productivité carbone sont améliorées lorsque la réaction de conversion est mise en oeuvre en présence d’un catalyseur conforme à l’invention, c’est-à-dire préparé en présence d’un additif acide de type alpha- hydroxyacide ou alpha-diacide, par rapport à une conversion en présence d’un catalyseur non conforme préparé sans additif (catalyseurs références A et H), ou préparé en présence d’un additif autre que l’additif acide multifonctionnalisé en alpha ou beta (cf. Tableau 6, catalyseurs B, C, D, E).
Les tableaux 6 et 7 montrent que les performances catalytiques, en particulier la sélectivité et éventuellement la productivité, des catalyseurs lors de la conversion d’une charge comprenant de l’éthanol en butadiène, sont améliorées lorsque les catalyseurs sont conformes et quelle que soit la forme de la silice utilisée pour les préparer, sous forme de billes ou sous forme de poudre.
Enfin le tableau 8 montrent que la sélectivité en butadiène et la productivité carbone sont améliorées lorsque les catalyseurs sont préparés selon une méthode de préparation conforme à l’invention, même pour une quantité d’additif faible telle que le ratio additif/ tantale est de 5 ou plus. En effet, les sélectivités en butadiène et productivité en carbone augmentent avec les quantités d’additif acide présent dans la solution aqueuse lors de la préparation du catalyseur jusqu’à atteindre a priori un palier (pour Additif/Ta >= 15), palier qui peut être considéré comme représentant l’activité optimale du catalyseur considéré.

Claims

Revendications
1. Méthode de préparation d’un catalyseur, comprenant : a) une étape de préparation d’au moins une solution aqueuse d’imprégnation comprenant : au moins un précurseur métallique d’au moins un élément métallique choisi parmi les éléments des groupes 3, 4 et 5 du tableau périodique, au moins un additif acide multifonctionnalisé, comprenant une fonction acide carboxylique ou ester, et au moins une deuxième fonction chimique en position alpha ou beta, et un solvant aqueux, ledit au moins un précurseur métallique et ledit au moins un additif acide multifonctionnalisé étant présents dans la solution aqueuse dans des quantités telles que le ratio molaire additif/métal entre le nombre de moles dudit au moins additif acide multifonctionnalisé et le nombre de moles du ou des élément(s) métallique(s) apporté(s) par ledit au moins un précurseur métallique est supérieur ou égal à 5 ; b) une étape de dépôt dudit au moins un précurseur métallique sur une matrice oxyde, par mise en contact de la solution aqueuse préparée à l’étape a) avec ladite matrice oxyde, pour obtenir un solide ; c) une étape de traitement thermique du solide obtenu à l’issue de l’étape b).
2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle l’élément métallique est choisi parmi l’yttrium, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale et leurs mélanges, de préférence parmi le tantale, le niobium, le zirconium et leurs mélanges, préférentiellement l’élément tantale.
3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit au moins un précurseur métallique est l’oxalate de tantale.
4. Méthode selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle ledit au moins un additif acide multifonctionnalisé est choisi parmi les alpha-hydroxyacides, beta-hydroxyacides, les alpha- cétoacides, les beta-cétoacides, les alpha-diacides, les beta-diacides, leurs esters, et leurs mélanges, et de manière préférée les alpha-hydroxyacides, beta-hydroxyacides, et leurs mélanges.
5. Méthode selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle l’additif acide multifonnctionalisé est choisi parmi l’acide pyruvique, l’acide lactique, l’acide tartrique, l’acide malique, l’acide acétylacétique, l’acide citrique, l’acide oxalique, l’acide glycolique, l’acide salicylique, l’acide mandélique, l’acide phénylglyoxylique, l’acide a-cétoglutarique et l’acide P-cétoglutarique, et leurs mélanges, de manière préférée parmi l’acide lactique, l’acide tartrique, l’acide malique, l’acide citrique, l’acide oxalique, l’acide glycolique, l’acide mandélique, et leurs mélanges.
6. Méthode selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le solvant aqueux comprend au moins 50% poids d’eau, préférentiellement au moins 90% poids d’eau, de manière préférée au moins 95% poids d’eau, les pourcentages étant donnés en poids d’eau par rapport au poids total du solvant aqueux.
7. Méthode selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle le ratio molaire additif/métal dans l’étape a) est compris entre 5 et 40, préférentiellement entre 7 et 35, entre 7 et 30.
8. Méthode selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la matrice oxyde comprend de la silice, préférentiellement au moins 90% poids de silice par rapport à la masse totale de la matrice oxyde.
9. Méthode selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle l’étape c) de traitement thermique comprend un séchage, le séchage étant de préférence opéré à une température comprise entre 80 et 300°C pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures, préférentiellement sous flux gazeux.
10. Méthode selon la revendication 9, dans laquelle l’étape c) de traitement thermique comprend une calcination à la suite dudit séchage, la calcination étant opérée sous flux gazeux, à une température comprise entre 350 et 700°C, pendant une durée comprise entre 1 et 6 h.
11. Catalyseur obtenu par la méthode de préparation selon l’une des revendications 1 à 10, et qui comprend au moins un élément métallique choisi dans le groupe des éléments du groupe 3, du groupe 4 et du groupe 5 du tableau périodique, de préférence choisi parmi l’yttrium, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale et leurs mélanges, préférentiellement parmi l’élément tantale, l’élément niobium et/ou l’élément zirconium, de manière préférée l’élément tantale, et une matrice oxyde de préférence à base de silice.
12. Catalyseur selon la revendication 11, dans lequel ledit au moins un élément métallique est présent à une teneur comprise entre 0,1 et 30% poids, de préférence entre 0,3 et 10% poids, de manière préférée entre 0,5 et 5% poids d’élément(s) métallique(s) par rapport au poids de la matrice oxyde.
13. Utilisation du catalyseur selon la revendication 11 ou 12 pour convertir une charge comprenant de l’éthanol en butadiène, à une température comprise entre 250 et 450°C, à une pression comprise entre 0,05 et 2,00 MPa.
14. Procédé de conversion d’une charge comprenant de l’éthanol en butadiène, qui comprend :
A) la préparation d’un catalyseur selon la méthode de préparation selon l’une des revendications 1 à 10 ; B) une étape de conversion en butadiène de la charge comprenant de l’éthanol, opérée en présence du catalyseur préparé à l’étape A), à une température comprise entre 250 et 450°C, à une pression comprise entre 0,05 et 2,00 MPa.
15. Procédé de conversion selon la revendication 14, dans lequel la charge comprend de l’éthanol et de l’acétaldéhyde, de manière préférée dans un ratio molaire de l’éthanol par rapport à l’acétaldéhyde compris entre 1 et 5.
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