Evaluación del rendimiento catalítico en la reacción de deshidrogenación oxidativa del etano

Evaluación del rendimiento catalítico en la reacción de deshidrogenación oxidativa del etano

La actividad de los óxidos de Ni-Nb-O mixtos en la reacción de deshidrogenación oxidativa del etano se estudió realizando experimentos en un rango de temperatura de 300-425 ° C, con una relación fija W / F (0,54 g / cm3) y una relación etano / oxígeno (1 / 1). La conversión de etano se grafica contra la temperatura en la Figura 5.33. Cabe destacar que la conversión de oxígeno no superó en ningún caso el 90%. En general, todos los catalizadores exhiben una alta actividad, convirtiendo efectivamente el etano en etileno a baja temperatura. La incorporación de niveles de Nb (Nb / Ni = 0.111) incluso muy bajos en NiO provoca un aumento en el 100% en peso de la actividad con respecto al óxido de níquel puro. Un aumento en el porcentaje de niobio en óxidos mixtos conduce a un aumento en la conversión, que se maximiza en el catalizador de Ni0.85Nb0.15 (conversión del 66% de C2H6 a 400 ° C). El aumento adicional en niobio da como resultado una disminución en la actividad, que es, sin embargo, más alta que la de NiO puro, con la excepción del catalizador de Nb (Ni0.6Nb0.4) más alto con una fuerte disminución. El Nb2O5 puro, que se probó en las mismas condiciones de reacción, mostró una actividad insignificante en el rango de temperatura de 300-450 ° C (<1% de conversión de etano), con una selectividad de etileno que no excede el 65% incluso en estos Bajos niveles de conversión.

Para tener en cuenta las diferencias significativas en el área superficial específica de las muestras, también se calculó la actividad superficial de los catalizadores (SSAC), expresada como μmol consumido C2H6 / m2.s. Según esta definición de actividad, la actividad de los materiales catalíticos estudiados a 300 ° C se reduce de la siguiente manera:

NiO > Ni0.85Nb0.15 > Ni0.9Nb0.1 > Ni0.8Nb0.2 > Ni0.7Nb0.3 > Ni0.6Nb0.4

El óxido de níquel puro ahora muestra una mayor actividad de superficie para activar el etano que los óxidos mixtos de Ni-Nb-O debido al gran aumento en la superficie específica resultante de la introducción de niobio (y por lo tanto disminuye la actividad de la superficie). de los catalizadores). Por supuesto, como se analizará con más detalle en el siguiente párrafo, la activación del etano en el NiO no es selectiva y conduce a productos de combustión completa. Con respecto a los catalizadores de Ni-Nb-O, se mantiene la misma tendencia, alcanzándose la actividad óptima mediante catalizadores que tienen una relación Nb / Ni de 0.111-0.176.

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Diagrama 9. Conversión del etano en función de la temperatura.(Condiciones de reacción: W / F = 0.54 g.s.cm-3, C2 H6 / O2 = 1/1))

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Diagrama 10. Selectividad del etileno en función de la conversión de etano (condiciones de reacción: T = 350 ° C, C2 H6 / O2 = 1/1)

El parámetro más importante que determina la idoneidad de un material catalítico para la deshidrogenación oxidativa del etano es su capacidad para convertir el etano en etileno a baja temperatura con alta selectividad. Para estudiar la selectividad de los óxidos de Ni-Nb-O mixtos y como la selectividad depende en gran medida de la conversión, una serie de experimentos a una temperatura constante (350 ° C), una relación fija de etano / oxígeno (1/1) y una variable W / F de 0.02 a 1.73gscm-3. La selectividad del etileno en función de la conversión de etano se muestra en el Diagrama 10. La observación más notable es el aumento en la selectividad de etileno causada por la introducción de niobio, que "sube" del 20% para NiO al 80% para el catalizador con el porcentaje más bajo de Nb (Ni0.9Nb0.1). El cambio en la relación Nb / Ni conduce a una selectividad máxima para el catalizador Ni0.85Nb0.15 (90%), con un aumento adicional de niobio que conduce a una ligera disminución en la selectividad hasta un valor final del 80% en el catalizador Ni0.6Nb0.4. En total, todos los catalizadores de Ni-Nb-O tienen una excelente capacidad para convertir selectivamente el etano en etileno. También es de gran importancia que la selectividad permanezca esencialmente constante con una mayor conversión. Las reacciones de oxidación secundarias del alqueno producido, que causan una reducción de la selectividad al aumentar la conversión, son el principal problema de los catalizadores de deshidrogenación oxidativa. Los materiales estudiados muestran una selectividad de etileno muy estable, lo que indica que son altamente reactivos al etano, pero que no reaccionan fácilmente con el etileno, preservando así la olefina de la oxidación adicional. Otra ventaja muy importante de los catalizadores de Ni-Nb-O es que el único subproducto detectado fue el CO2, derivado de la oxidación de etano no selectiva primaria.

 Investigación de la estabilidad del catalizador Ni0.85Nb0.15

La estabilidad es un parámetro muy importante, que generalmente determina el potencial de un material catalítico para la explotación industrial. En una etapa final, se estudió la estabilidad óptima de la composición del catalizador de óxido de Ni0.85Nb0.15 registrando continuamente su comportamiento catalítico durante 24 h en condiciones de reacción constantes (T = 350 ° C) y altas tasas de conversión. Los resultados del experimento de estabilidad, que se muestra en el Diagrama 11, muestran claramente la alta estabilidad de los materiales catalíticos, con la conversión del etano y la selectividad del etileno para mantener sus valores iniciales a lo largo del experimento.

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Diagrama 11. Conversión de la selectividad de etano y etileno frente al tiempo de reacción (condiciones de reacción: T = 350 ° C, W / F = 0,54 g.s.cm-3, C2 H6 / O2 = 1/1).

Comentario sobre los resultados.

En el caso de catalizadores de NiO / Al2O3 no amplificados, la presencia del portador fue necesaria para lograr una alta selectividad en etileno. Sin embargo, al investigar los catalizadores de Nb, hemos visto que no solo se requiere el soporte de la fase de níquel-niobio, sino también que los óxidos mixtos de Ni-Nb-O muestran un comportamiento catalítico significativamente mejorado. Los catalizadores de Ni-Nb-O demuestran ser materiales activos y selectivos para la producción de etileno a través de la deshidrogenación oxidativa del etano a bajas temperaturas. El Diagrama 12, muestra el rendimiento de etileno a 400 ° C para todos los catalizadores de Ni-Nb-O. El catalizador químico óptimo, Ni0.85Nb0.15, tiene un impresionante 46% de rendimiento de etileno "por pasada" de 400 ° C, un rendimiento que puede competir con los rendimientos obtenidos en unidades de producción de etileno convencionales. Nafta craqueo a vapor a temperaturas de 800 ° C.

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