ES2224702T3 - Procedimiento para la produccion de olefinas empleando un catalizador a base de pentasil zaolita. - Google Patents

Procedimiento para la produccion de olefinas empleando un catalizador a base de pentasil zaolita.

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ES2224702T3 ES99949945T ES99949945T ES2224702T3 ES 2224702 T3 ES2224702 T3 ES 2224702T3 ES 99949945 T ES99949945 T ES 99949945T ES 99949945 T ES99949945 T ES 99949945T ES 2224702 T3 ES2224702 T3 ES 2224702T3
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Abstract

Procedimiento para producir al menos una olefina ligera y productos relativamente menos aromáticos, que comprende: poner en contacto a una temperatura de 400º-650º C y una presión de 1-3 atmósferas, un material de alimentación que comprende una mezcla de hidrocarburos volátiles que es líquida a temperatura y presión ambientes, en un reactor, con un catalizador que comprende un catalizador de pentasil zeolita que contiene de 0, 1 a 10% en peso de fósforo y de 0, 1 a 10% en peso de un metal promotor seleccionado del grupo consistente en galio, germanio, estaño y mezclas de los mismos, basado en el peso total del catalizador, bajo condiciones de reacción eficaces para producir al menos una olefina que tiene de 2 a 3 átomos de carbono por molécula.

Description

Procedimiento para la producción de olefinas empleando un catalizador a base de pentasil zeolita.
Resumen de la invención
Esta invención se refiere a un procedimiento mejorado para el cracking catalítico de nafta para la producción de olefinas a partir de parafinas, en particular parafinas que están presentes en una mezcla de hidrocarburos conocida generalmente como nafta.
En el estado de la técnica se conoce ya el uso de catalizadores que contienen zeolitas para la conversión de hidrocarburos alifáticos y aromáticos. La US-A-4.861.930 describe un procedimiento en combinación para la conversión de hidrocarburos alifáticos C2-C6 a hidrocarburos de mayor peso molecular, fácilmente transportables. El procedimiento utiliza una zona de reacción de deshidrociclodimerización que comprende un componente de zeolita ZSM-5. La US-A-4.599.477 describe un procedimiento de deshidrogenación oxidativa adecuado para convertir mono-olefinas C4-C8 a dienos conjugados empleando un catalizador que comprende vanadio, fósforo y un componente de metal alcalino. La EP-A-0 040 900 describe la producción de compuestos de dialquilbenceno empleando un catalizador de zeolita cristalina modificada para proporcionar una mezcla producto en donde el isómero de 2,4-dialquilbenceno está presente en un exceso sustancial de su concentración normal en equilibrio.
De acuerdo con la presente invención se proporciona un procedimiento para la producción de al menos una olefina ligera y productos relativamente menos aromáticos, que comprende: poner en contacto a una temperatura de 400-650ºC y una presión de 1-3 atmósferas, un material de alimentación que comprende una mezcla de hidrocarburos volátiles que es líquida a temperatura y presión ambientes, en un reactor con un catalizador que comprende un catalizador de pentasil zeolita que contiene de 0,1 a 10% en peso de fósforo y de 0,1 a 10% en peso de un metal promotor seleccionado del grupo consistente en galio, germanio, estaño y mezclas de los mismos, basado en el peso total del catalizador, bajo condiciones de reacción eficaces para producir al menos una olefina que tiene de 2 a 3 átomos de carbono por molécula.
El procedimiento de la invención proporciona rendimientos en propileno relativamente mayores y rendimientos en metano significativamente más bajos con respecto al intervalo comercialmente importante de conversión de nafta del orden de 60 a 90% aproximadamente, al mismo tiempo que proporciona aproximadamente los mismos o más bajos rendimientos en compuestos aromáticos y parafinas ligeras con respecto al intervalo, en comparación con los procedimientos catalíticos y térmicos ya bien conocidos por el estado de la técnica. Además, el procedimiento resiste la desactivación del catalizador por coquificación.
De forma más detallada, la invención proporciona un procedimiento para la producción de una olefina relativamente ligera. La nafta es el material de alimentación preferido para este procedimiento. En el procedimiento, un material de alimentación hidrocarbonado, que puede incluir hidrocarburos que tienen alrededor de 3 a 20 átomos de carbono, preferentemente hidrocarburos parafínicos e isoparafínicos que tienen alrededor de 4 a 11 átomos de carbono por molécula, se pasa al interior de un reactor que contiene un catalizador de pentasil zeolita. El catalizador que contiene zeolita incluye de 0,1 a 10% en peso de fósforo y de 0,1 a 10% en peso de un promotor seleccionado del grupo consistente en galio, germanio, estaño y mezclas de los mismos. Al menos una porción del hidrocarburo se convierte para producir una olefina que tiene alrededor de 2 a 3 átomos de carbono por molécula. El hidrocarburo se puede pasar al interior del reactor junto con un diluyente termo-conductor tal como vapor de agua, nitrógeno, alcanos tales como metano y etano, y mezclas de los mismos, que sean sustancialmente inertes bajo las condiciones usada en el procedimiento.
De este modo, la invención, de acuerdo con un aspecto preferido, proporciona un procedimiento para la producción de una olefina, cuyo procedimiento comprende poner en contacto una nafta que incluye una parafina que tiene alrededor de 4 a 11 átomos de carbono por molécula con un catalizador, en un reactor, a una temperatura de alrededor de 400 a 650ºC y a una presión de alrededor de 1 a 3 atmósferas. El catalizador es un catalizador de pentasil zeolita que tiene preferentemente una relación atómica de silicio a aluminio de alrededor de 10 a 400 y sobre el cual se ha colocado alrededor de 0,1 a 10% en peso de fósforo y alrededor de 0,1 a 10% en peso de un metal promotor seleccionado del grupo consistente en germanio, galio, estaño y mezclas de los mismos. Preferentemente, la pentasil zeolita es ZSM-5. Al menos una porción de la nafta es craqueada en el reactor para producir olefinas que tienen alrededor de 2 a 3 átomos de carbono por molécula. La nafta se puede pasar al interior del reactor junto con un diluyente en una relación molar del orden de alrededor de 9 a 0,1. Alternativamente, la nafta se puede pasar al interior del reactor junto con más propano en una relación molar del orden de alrededor de 6 a 1. Una porción del producto del reactor se puede reciclar al reactor.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un gráfico que muestra el rendimiento en etileno como una función de la conversión de nafta catalizada por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 30 y por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 30 con galio, respectivamente.
La figura 2 es un gráfico que muestra el rendimiento en propileno como una función de la conversión de nafta catalizada por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 30 y por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 30 con galio, respectivamente.
La figura 3 es un gráfico que muestra el rendimiento en compuestos aromáticos como una función de la conversión de nafta catalizada por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 30 y por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 30 con galio, respectivamente.
La figura 4 es un gráfico que muestra la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas con respecto a olefinas C_{2} a C_{3} producidas como una función de la conversión de nafta catalizada por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 30 y por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 30 con galio, respectivamente.
La figura 5 es un gráfico que muestra el rendimiento en etileno como una función de la conversión de nafta catalizada por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 60 y por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 60 con galio, germanio o estaño, respectivamente.
La figura 6 es un gráfico que muestra el rendimiento en propileno como una función de la conversión de nafta catalizada por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 60 y por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 60 con galio, germanio o estaño, respectivamente.
La figura 7 es un gráfico que muestra el rendimiento en compuestos aromáticos como una función de la conversión de nafta catalizada por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 60 y por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 60 con galio, germanio o estaño, respectivamente.
La figura 8 es un gráfico que muestra la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas con respecto a olefinas C_{2} a C_{3} producidas como una función de la conversión de nafta catalizada por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 60 y por fósforo sobre zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio igual a 60 con galio, germanio o estaño, respectivamente.
Descripción detallada de aspectos preferidos de la invención
En un aspecto preferido, la presente invención consiste en un procedimiento en donde un material de alimentación hidrocarbonado que comprende parafinas, compuestos aromáticos, naftenos o mezclas de los mismos, es craqueado catalíticamente al menos de forma parcial para producir olefinas inferiores valiosas tales como, por ejemplo, etileno, propileno y butileno. El procedimiento comprende poner en contacto el material de alimentación hidrocarbonado en condiciones de reacción eficaces con un catalizador de pentasil zeolita que incluye fósforo y un metal promotor seleccionado del grupo consistente en galio, germanio, estaño y mezclas de los mismos.
En general, las naftas comprenden los materiales de alimentación más adecuados. Por el término "nafta" se quiere dar a entender una mezcla de hidrocarburos volátiles que es líquida a temperatura y presión ambientes. Las naftas preferidas comprenden una o más parafinas, teniendo cada una de las parafinas alrededor de 3 a 20 átomos de carbono por molécula, más preferentemente alrededor de 4 a 11 átomos de carbono por molécula, y exhiben un punto de ebullición medio volumétrico atmosférico en el intervalo de alrededor de -22 a 466ºC, más preferentemente en el intervalo de alrededor de -1 a 204ºC. Para los presentes fines, el término "parafina" significa un hidrocarburo saturado de la fórmula química empírica C_{n}H_{2n+2} en donde n es un entero mayor de cero. Las parafinas incluyen parafinas normales, que están sin ramificar, e isoparafinas, que contienen al menos una cadena carbonada ramificada por molécula. Las naftas especialmente preferidas comprenden proporciones de varios hidrocarburos presentes en las siguientes cantidades, expresadas en porcentaje en peso del peso total de la nafta:
Parafinas normales Isoparafinas Naftenos Olefinas Aromáticos
6-34% 20-78% 1-35% 0-1,0% 0-18%
En la puesta en práctica de este aspecto de la invención, el contacto del material de alimentación hidrocarbonado con el catalizador de pentasil zeolita se efectúa en condiciones que favorecen la formación de olefinas inferiores. Preferentemente, el material de alimentación hidrocarbonado y el catalizador de pentasil zeolita, el cual se describe con mayo detalle más adelante, se ponen en contacto en un reactor. Para los presentes fines, el término "reactor" significa un aparato tal como, por ejemplo, un recipiente, un tubo, una columna ascendente o un serpentín, que incluye un volumen que se mantiene en condiciones de reacción eficaces para promover una reacción química deseada. La invención se puede poner en práctica utilizando cualquiera de los diversos tipos de reactores, algunos de los cuales son conocidos en el estado de la técnica, tales como, por ejemplo, un reactor de lecho fijo con flujo descendente y con precalentamiento de la alimentación, un reactor de flujo radial, un reactor de lecho fluidificado o un reactor de transporte por columna ascendente.
El procedimiento de la presente invención es altamente endotérmico. Con preferencia, se emplean procedimientos de conversión con catalizador sólido en lecho fluidificado en donde el material hidrocarbonado alimentado se pone en contacto en forma de vapor con partículas catalíticas fluidificadas que comprenden catalizador de pentasil zeolita. Por otro lado, este aspecto de la invención se puede poner en práctica con éxito utilizando procedimientos en lecho fijo. Cuando se emplea un lecho fijo de catalizador, resulta ventajoso el uso de reactores en serie con calentamiento entre las diversas etapas.
En la presente invención se puede utilizar convenientemente la tecnología en lecho catalítico en movimiento, tal como la tecnología de regeneración del catalizador utilizada comercialmente para el reformado de fracciones de nafta. Un sistema reactor preferido es un reactor de múltiples etapas y de flujo radial, con lecho en movimiento y con calentamiento entre las etapas, como se describe en las Patentes US Nos. 3.652.231; 4.094.814; 4.110.081 y 4.403.909, las cuales se incorporan aquí en su totalidad únicamente con fines de referencia, y concretamente lo descrito en las mismas referente a la tecnología con lecho catalítico en movimiento y sistemas de regeneración. Este sistema reactor utiliza normalmente un catalizador esférico que tiene un diámetro de alrededor de 0,03 a 0,13 de una pulgada (alrededor de 0,76 a 3,3 mm).
Para los presentes fines, la expresión "condiciones de reacción eficaces" significa condiciones que favorecen la formación de olefinas inferiores. Las condiciones que favorecen la formación de olefinas inferiores y que, por tanto, deberán mantenerse en el reactor, incluyen una temperatura de alrededor de 400 a 650ºC, con preferencia de alrededor de 480 a 635ºC y más preferentemente de alrededor de 540 a 620ºC, siendo la temperatura con suma preferencia de alrededor de 540 a 600ºC. Con preferencia, la presión total en el reactor de este aspecto preferido de la invención es habitualmente de alrededor de 1 a 2 atmósferas absolutas, más preferentemente de alrededor de 1 a 1,5 atmósferas absolutas y con suma preferencia de alrededor de 1 a 1,5 atmósferas absolutas.
La presión parcial atribuible a todos los hidrocarburos presentes en el reactor en las condiciones de reacción eficaces es de alrededor de 0,1 a 0,9 atmósferas absolutas. El material de alimentación hidrocarbonado se puede mezclar con un diluyente útil para la transferencia de calor y constituido por nitrógeno, vapor de agua o un hidrocarburo relativamente refractario tal como, por ejemplo, metano o etano. La presión parcial del diluyente en las condiciones de reacción eficaces puede ser de alrededor de 0,9 a 0,1 atmósferas absolutas.
El material de alimentación hidrocarbonado se puede mezclar con una co-alimentación constituida sustancialmente por propano. En este caso, el material de alimentación hidrocarbonado y la co-alimentación se pasan al interior del reactor de forma conjunta y la relación molar de propano pasado al reactor al hidrocarburo pasado al reactor es con preferencia de alrededor de 6 a 1. Cierta porción de los productos del reactor se puede reciclar de nuevo al reactor.
Con preferencia, el espacio-tiempo en el reactor es de alrededor de 1 a 180 g de catalizador por mol de material de alimentación hidrocarbonado por hora, más preferentemente de alrededor de 50 a 100 g de catalizador por mol de material de alimentación hidrocarbonado por hora. Para los presentes medios, el término "espacio-tiempo" significa la masa de catalizador en gramos presente en el reactor por cada mol por hora de material de alimentación hidrocarbonado que entra en el reactor.
En otro aspecto preferido, la invención consiste en un catalizador. El componente catalítico activo es una pentasil zeolita que contiene fósforo tal como, por ejemplo, zeolita ZSM-5 o zeolita ZSM-11. Para los presentes fines, el término "zeolita" significa un tamiz molecular cristalino, que tiene una estructura porosa abierta y capacidad de intercambio iónico. Una zeolita puede contener elementos además de silicio y aluminio en sus estructuras de red molecular. Por ejemplo, una zeolita puede ser un silicato que tiene una estructura de red molecular en la cual se ha sustituido una cantidad relativamente pequeña de otro elemento, tal como aluminio en aluminosilicalita ZSM-5 o boro en borosilicato HAMS-1-B.
La silicalita se describe en la Patente US No. 4.061.724, la cual se incorpora aquí en su totalidad solo con fines de referencia, y especialmente lo descrito en la misma referente a silicalita. El HAMS-1-B se describe en la Patente US No. 4.269.813, la cual se incorpora aquí en su totalidad solo con fines de referencia, y especialmente lo descrito en la misma referente a HAMS-1B.
El término "pentasil" significa una familia de zeolitas que tienen estructuras de red molecular con ZSM-5 y ZSM-11 como sus dos miembros extremos. Las estructuras de red molecular se forman enlazando cadenas de unidades de construcción secundarias de anillos de 5 miembros. Más información respecto a las pentasil zeolitas puede encontrarse en las páginas 12-14 de Shape Selective Catalysis in Industrial Applications por N.Y. Chen et al., copyright 1989, publicado por Marcel Dekker, INc. de New York.
La pentasil zeolita de utilidad en esta invención incluye también un metal promotor seleccionado del grupo consistente en galio, germanio, estaño y mezclas de los mismos. Preferentemente, la zeolita es una ZSM-5 que contiene fósforo y que tiene una relación atómica en la superficie de silicio a aluminio del orden de alrededor de 10 a 400, con preferencia de alrededor de 30 a 180 y más preferentemente de alrededor de 30 a 60.
La relación atómica de silicio a aluminio de la zeolita se controla convenientemente regulando las cantidades de componentes que se emplean para formular la zeolita de acuerdo con procedimientos conocidos. Por ejemplo, se puede añadir fósforo a la pentasil zeolita formada por impregnación de la zeolita con un compuesto de fósforo de acuerdo con los procedimientos descritos, por ejemplo, en la Patente US No. 3.972.832 y en la Patente US No. 5.171.921 (cuyas patentes se incorporan aquí en su totalidad solo con fines de referencia y especialmente lo descrito en las mismas respecto a pentasil zeolita. Alternativamente, el compuesto de fósforo se puede añadir a una mezcla de múltiples componentes a partir de la cual se forma el catalizador de pentasil zeolita. En cualquier caso, el compuesto de fósforo se añade en una cantidad suficiente para proporcionar una composición final de la pentasil zeolita que tiene preferentemente de alrededor de 0,1 a 10% en peso de fósforo, más preferentemente de alrededor de 0,5 a 2% en peso de fósforo y con suma preferencia de alrededor de 0,75 a 1,5% en peso de fósforo, y normalmente alrededor de 1% en peso de fósforo, basado en el peso total de la pentasil zeolita.
El metal promotor se puede incorporar en la pentasil zeolita que contiene fósforo (referida de aquí en adelante como "P-pentasil zeolita") de cualquier forma adecuada conocida en la técnica que se traduzca en una dispersión relativamente uniforme del segundo metal tal como, por el ejemplo, mediante intercambio iónico, cogelificación o impregnación. El promotor se añade en una cantidad suficiente para proporcionar una P-pentasil zeolita final que tiene preferentemente alrededor de 0,1 a 10% en peso del metal promotor, más preferentemente alrededor de 0,5 a 5% en peso del metal promotor, con suma preferencia de alrededor de 0,75 a 2% en peso del metal promotor, e idealmente alrededor de 1% en peso del metal promotor, basado en el peso total de la pentasil zeolita.
La pentasil zeolita que contiene fósforo, descrita en esta invención, preferentemente se combina con o se incorpora en aglutinantes o matrices inertes conocidos, tales como alúmina, sílice y sílice-alúmina, y se puede conformar en pellets, esferas u otras formas discretas adecuadas para utilizarse en un reactor de conversión de hidrocarburos. En un procedimiento habitual, el producto de pentasil zeolita se puede conformar en formas discretas por extrusión a partir de una boquilla y posterior corte. Los extruídos típicos pueden tener un diámetro de alrededor de 1 a 10 mm, con frecuencia de alrededor de 2 a 6 mm, y una longitud de alrededor de 4 a 20 mm como adecuados para el sistema reactor utilizado. Alternativamente, se puede conformar un producto aglutinante de zeolita a una esfera mediante volteo o mediante goteo en una torre rellena de líquido. Las esferas habituales tienen un diámetro de alrededor de 0,03 a 0,05 pulgadas (alrededor de 0,75 a 12 mm).
Para utilizarse en esta invención, la pentasil zeolita se modifica por incorporación de fósforo y de un especie de metal promotor. Normalmente, el fósforo se incorpora añadiendo un compuesto adecuado que contiene fósforo al material que contiene zeolita en un medio líquido, seguido por secado y calcinación. Similarmente, el metal promotor se puede incorporar mediante métodos que comprenden impregnación e intercambio iónico, bien a la zeolita sola o bien a la zeolita incorporada en el aglutinante. Alternativamente, queda contemplado la adición de uno o más metales promotores al aglutinante o al producto zeolita-aglutinante.
El aglutinante o la matriz constituye generalmente alrededor de 5 a 90% en peso de la composición catalítica, con preferencia alrededor de 20 a % en peso y más preferentemente alrededor de 30 a 50% en peso. La pentasil zeolita que contiene fósforo no necesita ser tratada con vapor después de la incorporación del fósforo.
Para los presentes fines, la expresión "conversión de nafta" significa la media ponderada en moles de las conversiones individuales de quince componentes clave no aromáticos que están presentes en la nafta pero que no se crean bajo las condiciones de reacción. El uso de los componentes clave en el cálculo de las conversiones de nafta tiende a reducir al mínimo ambigüedades que de otro modo podrían surgir cuando componentes individuales son simultáneamente creados y destruidos en el mismo reactor. Más información respecto a la determinación de la conversión de nafta puede encontrarse en el artículo técnico titulado "Scaling Up of Naphtha Cracking Coils" por P.S. Van Damme, G.F. Froment, y W.S. Balthasar que aparece en Industrial Engineering Chemistry Process Design and Development, 1981, vol. 20, en la página 366, cuyo artículo se incorpora aquí sólo con fines de referencia.
Los siguientes ejemplos se ofrecen con el fin de comunicar mejor la invención pero sin limitarla por ello.
Ejemplo 1 Conversión de nafta sobre 1% en peso de P en zeolita HZSM-5 de una relación atómica de silicio a aluminio de 30
Como un procedimiento de control, se demostró la conversión de una nafta ligera en presencia de una pentasil zeolita ya conocida, 1% en peso de fósforo sobre zeolita HZSM-5 con una relación de silicio a aluminio de 30. Los componentes más importantes de una alimentación de nafta típica, utilizada en este ejemplo, se muestran en la siguiente Tabla 2.
TABLA 2 Composición de la alimentación de Nafta (% en peso)
1
El catalizador de 1% en peso de P sobre zeolita HZSM-5 se obtuvo a partir de zeolita NH_{4}-ZSM-5 por medio de una técnica de impregnación con humedad incipiente con ácido ortofosfórico. Más concretamente, la zeolita NH_{4}-ZSM-5 se puso en contacto íntimamente con una solución que incluye agua destilado y ácido ortofosfórico de fórmula química H_{3}PO_{4} y luego se secó. El catalizador de 1% en peso de P sobre zeolita HZSM-5 tenía una relación atómica en la superficie de silicio a aluminio de 30.
El catalizador de 1% en peso de P sobre zeolita ZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 30 así obtenido se utilizó como catalizador para la conversión de nafta en un reactor a 540ºC y 1,05 bares absolutos. La presión parcial de la nafta en la entrada del reactor se estableció en 0,25 bares absolutos mediante dilución de la nafta alimentada con nitrógeno. La fracción de nafta alimentada convertida se controló variando el espacio-tiempo en reactor.
Los rendimientos en etileno observados con el catalizador de 1% en peso de P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 30, representados por símbolos en forma de cuadrados de color oscuro, se muestran en la figura 1 como una función de la conversión de nafta. Los rendimientos en propileno observados con 1% en peso de P sobre HZSM-5, representados por símbolos en forma de cuadrados de color oscuro, se muestran en la figura 2, como una función de la conversión de nafta. Los rendimientos en aromáticos observados con 1% en peso de P sobre HZSM-5, representados por símbolos en forma de cuadrados de color oscuro, se muestran en la figura 3 como una función de la conversión de nafta. Además, la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas a olefinas C_{2} a C_{3} producidas sobre el catalizador, representadas por símbolos en forma de cuadrados de color oscuro, se muestra en la figura 4 como una función de la conversión de nafta.
Ejemplo 2 Conversión de nafta sobre catalizador de 1% en peso de Ga-1% en peso de P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 30
Se llevó a cabo un experimento, descrito ahora en este Ejemplo 2, que demuestra que un catalizador de conversión de nafta que incluye 1% en peso de galio y que también incluye 1% en peso de P sobre pentasil zeolita HZSM-5 produce un incremento relativo en la producción de olefinas ligeras, al tiempo que suprime la producción de aromáticos y metano. En el experimento, se impregnó galio sobre una muestra de 1% en peso de P sobre zeolita ZSM-5 que se obtuvo prácticamente en la forma descrita en el Ejemplo 1 anterior. Más concretamente, se disolvió óxido de galio (Ga_{2}O_{3}) en una solución acuosa de amoniaco que tiene una alcalinidad mayor de pH 13 para producir una solución. La solución se puso en contacto íntimo con zeolita de 1% en peso NH_{4}-ZSM-5. La mezcla se secó y se calcinó en aire durante 12 horas a 540ºC para producir un catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 30.
El catalizador calcinado de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM- 5 se utilizó posteriormente para convertir nafta que tiene la composición mostrada anteriormente en la Tabla 2, prácticamente en las mismas condiciones descritas anteriormente en el Ejemplo 1. De nuevo, la conversión de nafta se controló variando el espacio-tiempo en el reactor. Los rendimientos en etileno, propileno y aromáticos observados con 1% en peso Ga-1% en peso P sobre HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 30, representados por los símbolos en forma de círculos de color oscuro, se muestran en las Figuras 1, 2 y 3, respectivamente, como una función de la conversión de nafta. Además, la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas a olefinas C_{2} a C_{3} producidas, en presencia del catalizador, representada por símbolos en forma de círculos de color oscuro, se muestra en la figura 4 como una función de la conversión de nafta.
El examen de los datos mostrados en las figuras 1 y 2 revela que un catalizador utilizado en un procedimiento según la presente invención, concretamente el catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 30, fue más selectivo hacia etileno y hacia propileno, en comparación con el catalizador ya conocido, el cual consiste en 1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 30. Igualmente, puede apreciarse, comparando estas figuras con la figura 3, que a través de la modificación del catalizador de 1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con galio, disminuyó la producción de aromáticos.
De manera sorprendente, los datos de la figura 4 indican que las ventajas antes descritas referentes a los rendimientos en etileno, propileno y aromáticos vienen acompañadas por un descenso relativo en la producción de parafinas ligeras comercialmente menos valiosas. Por ejemplo, la figura 4 indica que la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas a olefinas C_{2} a C_{3} producidas fue de 72% para el catalizador que contiene galio a una conversión de nafta de 89,5%, en comparación con 92% a una conversión de 91,8% para el catalizador ya conocido que no contiene galio.
Ejemplos 3 a 6
Relación atómica de galio, fósforo y silicio a aluminio en Ga-P sobre HZSM-5
Empleando procedimientos de humedad incipiente sustancialmente similares a los procedimientos descritos anteriormente en los Ejemplos 1 y 2, se preparó una serie de cuatro catalizadores de Ga-P sobre zeolita HZSM-5 a partir de zeolita NH_{4}-ZSM-5 con relaciones atómicas de silicio a aluminio del orden de 30 a 180. Los catalizadores de Ga-P sobre zeolita HZSM-5 así preparados incluían galio en la cantidad de 0,33 a 2% en peso y fósforo en la cantidad de 0,33 a 2% en peso, basado en el peso total del catalizador. Los catalizadores de Ga-P sobre zeolita HZSM-5 se colocaron en un reactor a 540ºC en donde la nafta se convirtió a olefinas, aromáticos y parafinas.
Se varió la velocidad de alimentación a través del reactor. Los períodos operativos para una conversión en peso de la alimentación aproximadamente igual en los espacios-tiempos de 175,6, 87,9, 43,9 y 22,0 g de catalizador por mol por hora de velocidad de alimentación, respectivamente, se indican en orden descendente desde la parte superior a la parte inferior en la siguiente Tabla 3. Durante dichos períodos operativos, la conversión de nafta fue del orden de 83,3 a 89,6% en peso. Los rendimientos en etileno, propileno, butileno, aromáticos y metano, expresados en porcentaje en peso basado en el peso total de la alimentación durante dichos períodos operativos, se ofrecen en la siguiente Tabla 3.
TABLA 3
2
El examen de los datos ofrecidos en la Tabla 3 indica que los catalizadores de la presente invención que tienen relaciones atómicas de silicio a aluminio del orden de 30 a 180 aproximadamente son convenientemente activos y, también, que los catalizadores de Ga-P sobre zeolita HZSM-5 que tienen relaciones atómicas de silicio a aluminio más bajas son catalíticamente más activos para la conversión de nafta. Además, resulta evidente que los catalizadores de Ga-P sobre zeolita HZSM-5 que tienen más fósforo tienden a exhibir una menor actividad.
Los datos de la Tabla 3 indican que al aumentar la relación en peso de fósforo a galio aumentan los rendimientos en etileno, propileno y butilenos. Los datos de la Tabla 3 indican también que al aumentar dicha relación en peso se inhibe la producción de aromáticos y de metano. Por tanto, es preferible que la relación en peso de fósforo a galio sea del orden 1:1 a 5:1 aproximadamente, con preferencia de 2:1 a 3:1 aproximadamente.
Ejemplo 7 Conversión de nafta sobre catalizador de 1% en peso p sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60
Según otro procedimiento de control, se demostró la conversión de una nafta ligera en presencia de una pentasil zeolita ya conocida, catalizador de 1% en peso p sobre zeolita HZSM-5 que tiene una superficie con una relación atómica de silicio a aluminio de 60. El catalizador de 1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, se obtuvo a partir de zeolita NH_{4}-ZSM-5 prácticamente por el mismo procedimiento que el descrito anteriormente en el Ejemplo 1, excepto que para la impregnación por humedad incipiente se utilizó un ácido ortofosfórico relativamente más concentrado. Concretamente, se pusieron en contacto 10 g de zeolita NH_{4}-ZSM-5 con 5 ml de agua destilada dos veces y mezclada con 0,38 g de ácido ortofosfórico. La composición de la alimentación de nafta utilizada en este ejemplo y el proceso de conversión de nafta empleado en este ejemplo, son prácticamente iguales a lo descrito anteriormente en el Ejemplo 1.
Los rendimientos en etileno, propileno y aromáticos observados con el catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, representados por símbolos en forma de cuadrados de color claro, se muestran en las figuras 5, 6 y 7, respectivamente, como una función de la conversión de nafta. Además, la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas a olefinas C_{2} a C_{3} producidas en presencia del catalizador, representada por símbolos en forma de cuadrados de color claro, se muestra en la figura 8 como una función de la conversión de nafta.
Ejemplo 8 Conversión de nafta sobre catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60
Se preparó un catalizador consistente en 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60 por impregnación de galio sobre un catalizador de 1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, que había sido preparado por el método descrito anteriormente en el Ejemplo 7. Este catalizador se utilizó para convertir nafta que tiene la composición mostrada anteriormente en la Tabla 2, prácticamente bajo las mismas condiciones descritas anteriormente en el Ejemplo 1. De nuevo, la conversión de nafta se controló variando el espacio-tiempo en el reactor.
Los rendimientos en etileno, propileno y aromáticos observados con el catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, representados por símbolos en forma de círculos de color claro, se muestran en las Figuras 5, 6 y 7, respectivamente, como una función de la conversión de nafta. Además, la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas a olefinas C_{2} a C_{3} producidas sobre el catalizador, representada por símbolos en forma de círculos de color claro, se muestra en la Figura 8 como una función de la conversión de nafta.
Ejemplo 9 Conversión de nafta sobre catalizador de 1% en peso Sn-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60
Se llevó a cabo un procedimiento de impregnación por humedad incipiente que es sustancialmente similar al procedimiento descrito anteriormente en el Ejemplo 7, excepto que se disolvió cloruro de estaño (SnCl_{2}) en acetona para producir una solución de impregnación, en lugar de disolver óxido de galio (Ga_{2}O_{3}) en una solución acuosa de amoníaco. Una cantidad adecuada de la solución de cloruro de estaño-acetona se puso en íntimo contacto con catalizador de 1% en peso P-zeolita NH_{4}-ZSM-5 que tiene una relación atómica de silicio a aluminio de 60. La mezcla resultante se secó y se redujo en hidrógeno a temperatura elevada para producir un catalizador de 1% en peso Sn-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5.
El catalizador de 1% en peso Sn-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 se utilizó como catalizador para promover la conversión de nafta que tiene la composición mostrada anteriormente en la Tabla 2, en un reactor mantenido prácticamente en las condiciones descritas anteriormente en el Ejemplo 1. Los rendimientos en etileno, propileno y aromáticos observados con el catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, representados por símbolos en forma de triángulos de color claro, se muestran en las Figuras 5, 6 y 7, respectivamente, como una función de la conversión de nafta. Además, la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas a olefinas C_{2} a C_{3} producidas sobre el catalizador, representada por símbolos en forma de triángulos de color claro, se muestra en la figura8 como una función de la conversión de nafta.
El examen de los datos indicados en las Figuras 5 y 6 revela que el catalizador de 1% en peso Sn-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, cuya zeolita es un catalizador de acuerdo con la presente invención, fue aproximadamente tan selectiva hacia etileno y hacia propileno, en comparación con el catalizador ya conocido de 1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60. A partir de estas figuras y de la figura 7 puede apreciarse que, modificando con estaño el catalizador de 1% en peso P sobre zeolita HZSM-5, aumentó la producción de aromáticos. Sin embargo, el examen de la Figura8 indica que la zeolita conteniendo estaño produjo mucho menos metano, etano y propano, en comparación con el catalizador ya conocido.
Ejemplo 10 Conversión de nafta sobre catalizador de 0,75% en peso Ge-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60
Se llevó a cabo un procedimiento de impregnación por humedad incipiente, similar al procedimiento descrito anteriormente en el Ejemplo 4, en donde se impregnó germanio sobre catalizador de 1% en peso P sobre HZSM-5 que tiene una relación atómica de silicio a aluminio de 60, se calcinó y se redujo para producir un catalizador de 0,75% en peso Ge-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60. El catalizador de 0,75% en peso Ge-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 se utilizó para promover la conversión de nafta que tiene la composición indicada anteriormente en la Tabla 2, en un reactor mantenido prácticamente en las condiciones descritas anteriormente en el Ejemplo 1.
Los rendimientos en etileno, propileno y aromáticos observados con el catalizador de 0,75% en peso Ge-1% en peso P sobre HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, representados por símbolos en forma de rombos de color claro, se muestran en las Figuras 5, 6 y 7, respectivamente, como una función de la conversión de nafta. Además, la relación en peso de parafinas C_{1} a C_{3} producidas a olefinas C_{2} a C_{3} producidas en presencia del catalizador, representada por símbolos en forma de rombos de color claro, se muestra en la Figura 8 como una función de la conversión de nafta.
El examen de los datos indicados en las Figuras 5 y 6 revela que el catalizador de 0,75% en peso Ge-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, cuya zeolita es un catalizador de acuerdo con la presente invención, fue aproximadamente tan selectiva hacia etileno y hacia propileno como el catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, descrito anteriormente en el Ejemplo 5. A partir de estas figuras y de la figura 7 puede verse que, modificando el catalizador de 1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con 0,75% en peso de germanio, se obtiene un catalizador que produce aromáticos en aproximadamente la misma proporción que lo hizo el catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 del Ejemplo 5. Además, el examen de la figura 8 indica que el catalizador de 0,75% en peso Ge-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, descrito en este ejemplo, produjo aproximadamente las mismas cantidades de metano, etano y propano como las producidas por el catalizador de 1% en peso Ga-1% en peso P sobre zeolita HZSM-5 con una relación atómica de silicio a aluminio de 60, descrito en el Ejemplo 5.
En base a lo datos ilustrados en las figuras 1 a 8, puede llegarse a la conclusión de que el catalizador de Ga-P sobre zeolita HZSM-5, el catalizador de Sn-P sobre zeolita HZSM-5 y el catalizador de 0,75 Ge-P sobre zeolita HZSM-5 son todos ellos catalizadores eficaces para la producción de etileno y propileno mediante la conversión de nafta. Además, el catalizador de Sn-P sobre zeolita HZSM-5 resulta especialmente adecuado cuando se desean bajas selectividades hacia parafinas ligeras. Cuando los aromáticos no constituyen un producto principalmente deseado, tal como en la preparación de propileno, se recomienda el catalizador de Ga-P sobre zeolita HZSM-5 debido a que la zeolita suprime la aromatización al mismo tiempo que proporciona un rendimiento relativamente alto en etileno y propileno.
Los ejemplos e hipótesis anteriores tienen como fin comunicar mejor la invención. Estos ejemplos e hipótesis no limitan el alcance de la invención, la cual queda definida por las reivindicaciones a continuación ofrecidas.

Claims (9)

1. Procedimiento para producir al menos una olefina ligera y productos relativamente menos aromáticos, que comprende: poner en contacto a una temperatura de 400-650ºC y una presión de 1-3 atmósferas, un material de alimentación que comprende una mezcla de hidrocarburos volátiles que es líquida a temperatura y presión ambientes, en un reactor, con un catalizador que comprende un catalizador de pentasil zeolita que contiene de 0,1 a 10% en peso de fósforo y de 0,1 a 10% en peso de un metal promotor seleccionado del grupo consistente en galio, germanio, estaño y mezclas de los mismos, basado en el peso total del catalizador, bajo condiciones de reacción eficaces para producir al menos una olefina que tiene de 2 a 3 átomos de carbono por molécula.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el catalizador tiene una relación atómica de silicio a aluminio del orden de 10 a 400 y la mezcla de hidrocarburos volátiles exhibe un punto de ebullición medio volumétrico atmosférico del orden de -22 a 466ºC.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el reactor se mantiene a una temperatura de 400 a 650ºC y a una presión total de 1 a 2 atmósferas, absolutas, y la mezcla de hidrocarburos volátiles exhibe un punto de ebullición medio volumétrico atmosférico del orden -1 a 240ºC.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el material de alimentación entra en el reactor con un diluyente termo-conductor constituido por nitrógeno, vapor de agua y/o un hidrocarburo relativamente refractario, y en donde la relación molar del diluyente al material de alimentación es de 9 a 0,1.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el material de alimentación entra en el reactor con una co-alimentación constituida sustancialmente por propano, y en donde la relación molar del propano de la co-alimentación al material de alimentación es de 6 a 1.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde la olefina ligera es propileno.
7. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el metal promotor es galio en una relación en peso de fósforo a galio del orden de 1:1 a 5:1.
8. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el metal promotor es germanio.
9. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el metal promotor es estaño.
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