CATALIZADORES MULTIFASE

Integrated design for solid catalysts in multiphase reactions

(Diseño integrado para catalizadores sólidos en reacciones multifases)

El diseño integrado para catalizadores sólidos en reacciones multifases requiere consideraciones de todos los diferentes niveles de escalas involucrados en la reacción en la cual debe ser simultáneamente direccionada, a partir de una visión integral junto con el diseño del reactor. El énfasis está dado por tres niveles principales (nano-, micro- y macro- escala), donde debe de ser considerado el diseño del catalizador. Los principales conceptos a discutir son (i) control de la concentración efectiva local de los reagentes y posible desactivación de moléculas alrededor de los sitios activos, a partir de la incorporación de las mismas hacia las cavidades nanoporosas, y seleccionando el carácter hidrofilico del soporte, (ii) posibilidades ofrecidas por la microestructuración de la composición del catalizador( diseño de multicapas microensambladas de los cuerpos del catalizador) y (iii) a partir del uso de catalizadores macroestructurados (monolitos, telas y membranas). Los diversos niveles de diseño no son independientes. Estos deben ser considerados a partir de una visión integral, con una relación cercana al factor de diseño.

Las reacciones catalíticas multifases se encuentran en por encima del 85% de los procesos químicos industriales y cerca de 2 billones de dólares son gastados en ventas de químicos. Involucran una gran cantidad de procesos químicos, abarcando desde la refinación, y especialmente química para protección ambiental y química sostenible. Aunque hablando estrictamente de todas las reacciones que envuelve un catalizador sólido y los reactantes en fase líquida o gaseosa, caen dentro de la clase de procesos multifases y se considera que estas reacciones envuelven tres o más fases debido a la presencia de calores múltiples y gradientes de concentración, y la necesidad de optimizar contactos multifases, haciendo la pregunta del diseño del catalizador óptimo y su relación con el diseño más crítico del reactor.

El desarrollo de los catalizadores todavía se basa en un aproximamiento secuencial. Observar el esquema en la figura 1a. Después de la primera fase de identificación de los componentes catalíticos basados en una combinación de resultados experimentales( tales como una data monitoreada de reactividad, composición de fase, etc.); y el conocimiento científico derivado; por ejemplo, de la ciencia de preparación de materiales catalíticos, el relleno y la caracterización de la superficie de los materiales, etc., y para simplificar juicios y métodos de errores, una serie de experiencias pueden ser diseñadas para optimizar los componentes activos. Los próximos pasos en la ingeniería de catálisis se basan en la investigación y relación entre las características de los catalizadores y la transferencia de calor y masa, análisis de la sensibilidad de los componentes en la alimentación en lugar de los reactantes, estudio del problema de la forma del catalizador óptimo y propiedades mecánicas, etc., hasta la etapa de prueba final en condiciones reales, por ejemplo, utilizando velocidades espaciales reales (usualmente mucho más altas que durante los experimentos a escala de laboratorio) y las composiciones de alimentación.

Durante este paso, el desarrollo del catalizador es usualmente necesario para retornar en la secuencia y comenzar nuevamente con la experimentación, debido; por ejemplo, a las características de textura del catalizador, que no están disponibles para operaciones a altas velocidades espaciales ( la velocidad de reacción no debe cambiar linealmente con la velocidad espacial)( i) cuando el proceso de difusión del relleno juega un rol importante en la velocidad de la reacción, (ii) en presencia de difusión de partículas intra y (iii) en presencia de algunos componentes desactivantes. Además, es necesario conseguir la preparación de metodologías disponibles para optimizar las propiedades de textura de los catalizadores, o incluso desarrollar completamente nuevos tipos de materiales. Este procedimiento secuencial no debe solamente consumir tiempo y costos, también se debe tomar decisiones correctas en una nueva serie de condiciones experimentales y/o utilizar formas diferentes de catalizadores y de características de textura, debido a las decisiones a tomar en los pasos subsecuentes del desarrollo secuencial del catalizador. Por ejemplo, se ha demostrado que para catalizadores utilizados en la amonio-oxidación del propano a acrilonitrilo, que la composición optima del catalizador y las características dependen de la composición de la alimentación.

Además, los catalizadores óptimos basados en un monitoreo utilizando una concentración diluida del propano y el amoníaco en la alimentación, (condiciones de reacción normales) no están disponibles (en términos de composición y textura), para operaciones utilizando diferentes composiciones de alimentación, determinadas en la base del desarrollo del proceso con propano de reciclo.

Usualmente una composición de catalizador óptima en base a las pruebas de monitoreo utilizando catalizador en forma de polvo, no es optima cuando el catalizador soportado es monolito, debido al cambio en la dinámica de fluidos y las velocidades espaciales. Además, el desarrollo del catalizador debe estar vinculado al diseño del reactor, especialmente en reacciones multifases.

Están siendo utilizados comercialmente diferentes tipos de reactores en reacciones de tres fases. Los utilizados en columnas de burbujeo y lloriqueo, o en reactores de camas de goteo, son de importancia particular, teniendo ventajas y limitaciones, dependiendo del caso especifico. La selección depende de varios factores, tales como las características del catalizador, limitaciones de transferencia de masa, escala, dinámica del fluido y regimenes de flujo, caída de presión, hold-up de líquido, etc.

Sin embargo, usualmente hay un contraste entre las condiciones óptimas para un eficiente contacto multifase, alta efectividad del catalizador y eficiencia de humedad, y bajo ensuciamiento atribuido y caídas de presión. En este caso nuevos tipos de reactores basados en catalizadores estructurados, tales como los catalizadores monolitos son una atractiva alternativa a los reactores convencionales multifases, debido a la baja caída de presión, ausencia de necesidad de separación del catalizador y una gran área de superficie geométrica. También han sido propuestos otros tipos de catalizadores estructurados, tales como espumas, membrana y catalizadores de tela tipo fibra.

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