Catalizadores estructurados de Ni/Al2O3 y NiCe/Al2O3 aplicados a la reacción de deshidrogenación oxidativa de etano (DOE).

P. BRUSSINO; J. P. BORTOLOZZI; E. D. BANÚS; V. G. MILT; M. A. ULLA

Barceloina

Congreso; SECAT' 15 - Catálisis, confluencia interdisciplinar: modelos, catalizadores y reactores; 2015

El etileno es uno de los compuestos de mayor producción a nivel mundial. En 2012, su consumo alcanzó las 129 millones toneladas métricas [1]. En la actualidad, el craqueo con vapor es el proceso más establecido para su manufactura y requiere de la utilización de temperaturas superiores a los 800°C. Una alternativa interesante y más amigable con el medio ambiente para la producción de este compuesto es la reacción de deshidrogenación oxidativa de etano la cual, con un catalizador adecuado, operaría a temperaturas inferiores a los 500°C.Existen varias formulaciones catalíticas estudiadas para esta reacción, entre las que se destacan las de níquel soportadas en -Al2O3, que son activas y selectivas hacia etileno [2]. Por otro lado, la conversión de etano puede incrementarse utilizando un promotor como el cerio [3]. Además puede resultar conveniente soportar la formulación catalítica en un sustrato adecuado (por ejemplo monolitos de cordierita) porque presenta ventajas frente a los reactores de lecho fijo convencionales. Estas estructuras presentan baja caída de presión, alta eficiencia y menores distancias difusionales, entre otras propiedades.Se generaron películas catalíticas de Ni/Al2O3 y NiCe/Al2O3 sobre monolitos de cordierita mediante el método washcoating, calcinando en mufla a 550°C durante 2 h luego de alcanzar la carga deseada. En primer lugar se depositó una capa de alúmina utilizando una suspensión preparada con una relación másica de H2O:PVA:Al2O3 (NYACOL):Al2O3 (SBA 230) = 1:0,03:0,07:0,32, donde PVA corresponde a polivinil alcohol. Luego se incorporaron las fases activas NiO y NiO-CeO2 empleando soluciones 0,43 M de nitrato de níquel o nitratos de níquel y cerio. Los catalizadores estructurados se denominaron Ni(X)/Al2O3-Cor y NiCe(X)/Al2O3-Cor, donde X representa 15 y 25% pNi ó 15 y 25% pNiCe respecto a la alúmina, siendo la relación molar Ce/Ni = 0,17. La caracterización de los mismos se realizó mediante difracción de rayos X (DRX), espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y resistencia mecánica frente a las vibraciones. Además se evaluaron en la reacción de deshidrogenación oxidativa de etano. La corriente de reactivos fue de 6% O2, 6% C2H6 y balance He, con una masa de catalizador aproximada de 0,4 g. La relación W/F se fijó en 0,48 g.s/cm3.Para la deposición de la capa de alúmina en ambos casos se requirieron 5 ciclos de inmersión-soplado-secado para alcanzar la carga deseada (̴ 300 mg). En algunos casos, durante la incorporación de las fases activas, se realizaron calcinaciones intermedias. Esto fue necesario cada dos o tres ciclos debido a que algunos monolitos alcanzaron puntos de saturación durante las inmersiones en las soluciones de níquel y níquel-cerio.La caracterización fisicoquímica mediante difracción de rayos X mostró la presencia de -Al2O3 en todas las muestras y que las cristalitas de NiO y CeO2 serían pequeñas al no detectarse señales atribuibles a ellas. Asimismo, por FTIR se observó que la mayoría de los nitratos se descompusieron para formar los óxidos correspondientes durante el proceso de calcinación. Los ensayos de resistencia mecánica de estas estructuras catalíticas manifestaron porcentajes de adherencia mayores al 95% respecto a la capa agregada, para todas las muestras evaluadas, incluyendo el soporte (Al2O3-Cor).El aumento de carga en los catalizadores monometálicos produce un incremento en la conversión de etano, con una leve disminución de la selectividad hacia el etileno. Al agregar el promotor, Ce, la conversión que se obtiene es de más del doble para una misma carga de fase activa. Sin embargo, la selectividad se ve más afectada con un mínimo de 50% aproximadamente para NiCe(25)/Al2O3-Cor. Aún así, la productividad de etileno alcanza 97,97 gEtileno/kgcat h y 643,8 gEtileno/kgNi h.