Deshidrogenación oxidativa de etano empleando catalizadores estructurados. Efecto de la síntesis de la película y la geometría del sustrato en el desempeño catalítico

Abstract

La mayoría de los artefactos que utilizamos a diario en la vida cotidiana son fabricados a partir de compuestos que provienen de uno en particular: el etileno. La tecnología más establecida a nivel mundial para la producción de este último es el craqueo con vapor de nafta o etano a temperaturas que superan los 800°C. Éste, es el proceso que más energía consume en la industria química. Es debido a esto que se ha generado el interés por parte de la comunidad científica en desarrollar vías alternativas a ésta para la producción de etileno.Una ruta que resulta interesante y sería más amigable con el medioambiente es la deshidrogenación oxidativa de etano a temperaturas menores a los 500°C. El interés proviene de las ventajas que la misma presenta: altas conversiones de etano y el hecho de que es una reacción exotérmica, evitándose problemas asociados a la ruta convencional, como la formación de coque y de productos no deseados. Sin embargo, esta vía no se encuentra industrializada debido a que para poder competir con el craqueo con vapor se requiere que se obtengan rendimientos suficientemente elevados a temperaturas relativamente bajas. Para lograr esto, es necesaria la utilización de un catalizador que presente tanto elevada conversión de etano como selectividad a etileno. Asimismo, considerando una posible futura aplicación industrial, es fundamental el empleo de un catalizador estructurado, teniendo en cuenta las ventajas que éstos presentan frente a los catalizadores en polvo convencionales (baja caída de presión, menor consumo energético, mejor control de transferencia de masa inter-partículas, entre otros).De la amplia variedad de formulaciones catalíticas que han sido y siguen siendo estudiadas para esta reacción se destacan las basadas en óxido de níquel (NiO), ya que el mismo ofrece elevados niveles de conversión a temperaturas bajas y es relativamente más económico en comparación con los demás. No obstante, su selectividad a la olefina es marcadamente baja. En general, seencuentran reportados dos medios para remediar este inconveniente. Uno de ellos consiste en dispersar este compuesto en un material de elevada superficie específica, como la gamma-alúmina. El otro reside en insertar en la red del NiO un elemento que posea una valencia superior a la de éste (2+) de manera de minimizar las especies de oxígeno no-estequiométricas (O-) características de este óxido. Las especies O- favorecen la oxidación a CO2.En este contexto, se planteó como objetivo general de la Tesis estudiar procedimientos para la obtención de recubrimientos catalíticos basados en NiO soportado en -Al2O3 que resulten delgados, estables, homogéneos y con alta adherencia sobre sustratos estructurados. Asimismo, obtener una distribución apropiada de los componentes activos para la reacción de deshidrogenación oxidativa de etano. Una vez conseguido esto, se planteó el agregado de uno o más promotores a estos sistemas con el fin de mejorar su desempeño catalítico. Además, se estudiaron dos estructuras que actúen como sustratos sobre los cuales se depositaron los cubrimientos catalíticos: monolitos de cordierita (cerámicos) y monolitos de FeCrAlloy (metálicos).Para lograr estos objetivos, en primer lugar se estudiaron procedimientos para depositar los cubrimientos catalíticos de Ni/Al2O3 en los canales de los monolitos de cordierita, conteniendo 15, 25 y 40% p. Ni con respecto a la masa de alúmina agregada. A partir de esto se seleccionó tanto el procedimiento como la carga de níquel. Seguidamente, se estudió el agregado de promotores reportados en la literatura como eficientes para el NiO (Nb y Ce) y otro no reportado para catalizadores de níquel soportados en alúmina (La). Finalmente, se investigó la influencia del sustrato utilizado, estudiando la deposición de la formulación monometálica en monolitos de FeCrAlloy.