Le BDO, également connu sous le nom de 1,4-butanediol, est une matière première essentielle en chimie organique de base et en chimie fine. Il peut être préparé par différentes méthodes : la méthode à l’acétylène-aldéhyde, la méthode à l’anhydride maléique, la méthode à l’alcool propylique et la méthode au butadiène. La méthode à l’acétylène-aldéhyde est la principale méthode industrielle de préparation du BDO en raison de son faible coût et de sa simplicité de mise en œuvre. L’acétylène et le formaldéhyde sont d’abord condensés pour produire du 1,4-butynediol (BYD), qui est ensuite hydrogéné pour obtenir le BDO.
Sous haute pression (13,8 à 27,6 MPa) et à une température de 250 à 350 °C, l'acétylène réagit avec le formaldéhyde en présence d'un catalyseur (généralement un mélange d'acétylène cuivreux et de bismuth sur support de silice). Le 1,4-butynediol intermédiaire est ensuite hydrogéné en BDO à l'aide d'un catalyseur au nickel de Raney. La méthode classique présente l'avantage de ne nécessiter aucune séparation entre le catalyseur et le produit, et son coût d'exploitation est faible. Cependant, la pression partielle élevée de l'acétylène engendre un risque d'explosion. Le coefficient de sécurité du réacteur est de 12 à 20 fois supérieur à la normale, et l'équipement est volumineux et coûteux, ce qui représente un investissement important. De plus, la polymérisation de l'acétylène en polyacétylène désactive le catalyseur et obstrue les canalisations, réduisant ainsi le cycle de production et le rendement.
Face aux insuffisances des méthodes traditionnelles, les équipements et catalyseurs du système réactionnel ont été optimisés afin de réduire la pression partielle d'acétylène. Cette méthode est largement utilisée en Chine et à l'étranger. Parallèlement, la synthèse du BYD est réalisée sur lit de boues ou sur lit suspendu. L'hydrogénation du BYD par la méthode de l'aldéhyde acétylénique produit du BDO ; actuellement, les procédés ISP et INVISTA sont les plus répandus en Chine.
① Synthèse du butynediol à partir d'acétylène et de formaldéhyde en utilisant un catalyseur de carbonate de cuivre
Appliqué à la section de transformation de l'acétylène du procédé BDO d'INVIDIA, le formaldéhyde réagit avec l'acétylène pour produire du 1,4-butynediol sous l'action d'un catalyseur au carbonate de cuivre. La température de réaction est de 83 à 94 °C et la pression de 25 à 40 kPa. Le catalyseur se présente sous forme de poudre verte.
② Catalyseur pour l'hydrogénation du butynediol en BDO
L'étape d'hydrogénation du procédé comprend deux réacteurs à lit fixe haute pression montés en série, 99 % des réactions d'hydrogénation étant réalisées dans le premier réacteur. Les catalyseurs d'hydrogénation, utilisés pour le premier et le second réacteur, sont des alliages de nickel-aluminium activés.
Le bloc de nickel Renee à lit fixe est un bloc en alliage de nickel-aluminium dont la taille des particules varie de 2 à 10 mm, offrant une résistance élevée, une bonne résistance à l'usure, une grande surface spécifique, une meilleure stabilité du catalyseur et une longue durée de vie.
Les particules de nickel Raney à lit fixe non activées sont blanc grisâtre et, après une certaine concentration de lixiviation alcaline liquide, elles deviennent des particules noires ou gris noir, principalement utilisées dans les réacteurs à lit fixe.
① Catalyseur à base de cuivre pour la synthèse du butynediol à partir d'acétylène et de formaldéhyde
Sous l'action d'un catalyseur de cuivre-bismuth supporté, le formaldéhyde réagit avec l'acétylène pour former du 1,4-butynediol, à une température de réaction de 92 à 100 °C et une pression de 85 à 106 kPa. Le catalyseur se présente sous forme de poudre noire.
② Catalyseur pour l'hydrogénation du butynediol en BDO
Le procédé ISP comprend deux étapes d'hydrogénation. La première étape utilise un alliage nickel-aluminium en poudre comme catalyseur et une hydrogénation à basse pression pour convertir le BYD en BED et BDO. Après séparation, la seconde étape est une hydrogénation à haute pression utilisant du nickel chargé comme catalyseur pour convertir le BED en BDO.
Catalyseur d'hydrogénation primaire : catalyseur de nickel de Raney en poudre
Catalyseur d'hydrogénation primaire : catalyseur de nickel de Raney en poudre. Ce catalyseur est principalement utilisé dans la section d'hydrogénation basse pression du procédé ISP, pour la préparation de produits BDO. Il se caractérise par une activité élevée, une bonne sélectivité, un taux de conversion élevé et une vitesse de sédimentation rapide. Ses principaux composants sont le nickel, l'aluminium et le molybdène.
Catalyseur d'hydrogénation primaire : catalyseur d'hydrogénation en alliage nickel-aluminium en poudre
Le catalyseur nécessite une activité élevée, une grande résistance, un taux de conversion élevé du 1,4-butynediol et moins de sous-produits.
Catalyseur d'hydrogénation secondaire
Il s'agit d'un catalyseur supporté, composé d'alumine comme support et de nickel et de cuivre comme composants actifs. À l'état réduit, il est conservé dans l'eau. Ce catalyseur présente une résistance mécanique élevée, de faibles pertes par frottement, une bonne stabilité chimique et est facile à activer. Ses particules ont la forme d'un trèfle noir.
Cas d'application des catalyseurs
Utilisé par BYD pour produire du BDO par hydrogénation catalytique, ce procédé est appliqué à une unité de production de BDO d'une capacité de 100 000 tonnes. Deux ensembles de réacteurs à lit fixe fonctionnent simultanément : l'un utilise le catalyseur JHG-20308, l'autre un catalyseur importé.
Criblage : Lors du criblage de la poudre fine, il a été constaté que le catalyseur à lit fixe JHG-20308 produisait moins de poudre fine que le catalyseur importé.
Activation : Conclusion concernant l’activation du catalyseur : Les conditions d’activation des deux catalyseurs sont identiques. Les données montrent une grande cohérence entre le taux de désalumination, la différence de température entre l’entrée et la sortie, et la chaleur dégagée par la réaction d’activation de l’alliage à chaque étape.
Température : La température de réaction du catalyseur JHG-20308 n'est pas significativement différente de celle du catalyseur importé, mais selon les points de mesure de température, le catalyseur JHG-20308 a une meilleure activité que le catalyseur importé.
Impuretés : D'après les données de détection de la solution brute de BDO au début de la réaction, le JHG-20308 présente légèrement moins d'impuretés dans le produit fini que les catalyseurs importés, principalement reflétées dans la teneur en n-butanol et en HBA.
Globalement, les performances du catalyseur JHG-20308 sont stables, sans sous-produits importants évidents, et ses performances sont fondamentalement les mêmes, voire meilleures, que celles des catalyseurs importés.
Procédé de production d'un catalyseur nickel-aluminium à lit fixe
(1) Fusion : L'alliage nickel-aluminium est fondu à haute température puis coulé en forme.
(2) Broyage : Les blocs d'alliage sont broyés en petites particules à l'aide d'un équipement de broyage.
(3) Criblage : Éliminer les particules ayant une taille de particules qualifiée.
(4) Activation : Contrôler une certaine concentration et un certain débit d'alcali liquide pour activer les particules dans la tour de réaction.
(5) Indicateurs d'inspection : teneur en métal, distribution granulométrique, résistance à la compression, densité apparente, etc.
Date de publication : 11 septembre 2023
