Isomerización De M-xileno

República Bolivariana de Venezuela.

Ministerio del Poder Popular para la Defensa.

Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Nacional. Núcleo Zulia

Departamento de Ingeniería Petroquímica

ANÁLISIS SOBRE ISOMERIZACIÓN DE M-XILENO SOBRE MCM-48 IMPREGNADA CON ÁCIDO TUNGSTENOFOSFÓRICO

Maracaibo, Diciembre de 2013

Análisis

La reacción de isomerización de xilenos es muy importante a nivel industrial ya que es utilizada para enriquecer las mezclas de isómeros en el producto deseado (p-xileno en nuestro caso) a los efectos de poder luego, separarlo utilizando técnicas apropiadas. El objeto de tener el p-xileno como producto deseado es porque posee la mayor demanda en el mercado.

Los resultados obtenidos de esta investigación determinan que se puede mejorar la conversión de m-xileno a p-xileno y así incrementar la producción y selectividad del mismo en la reacción de isomerización. Durante la investigación se realizaron experiencias de isomerización de m-xileno en un reactor de lecho fijo con el cual se logró optimizar las condiciones de reacción a utilizar.

Considerando las propiedades que permiten diferenciar y seleccionar los catalizadores, una reacción catalítica ocurre en la interface entre el fluido y el sólido; un área e interface extensa puede ser útil o incluso indispensable para alcanzar una velocidad de reacción significativa. En el caso del catalizador usado en la investigación y de muchos otros, esta área se debe a una estructura porosa; donde el sólido contiene muchos poros finos y la superficie de esos poros proporciona un área que se necesita para tener una velocidad de reacción elevada. El área que tienen muchos materiales porosos es en general, sorprendentemente grande.

Normalmente como catalizadores porosos en la industria de refinación se tienen la utilización de Platino/Alúmina o sílice en la reformación de octanajes de petróleo para obtener octanajes más altos. Sin embargo, al trabajar con isómeros muchas veces las estructuras de los poros son tan pequeñas que dejan entrar moléculas pequeñas pero bloquean el paso de las grandes, como pueden ser los materiales conformados por Zeolitas.

Los poros pueden controlar el tiempo de residencia de diversas moléculas cerca de la superficie catalíticamente activa, de forma que solo se permitan reaccionar a las moléculas deseadas. Es decir, una vez que las moléculas van a reaccionar están dentro del catalizador, su configuración podría cambiar colocando átomos de un activador en el catalizador que mejore los sitios activos específicos del catalizador. Esta colocación facilita la formación de ciclos, las reacciones de isomerización, y disminuye el área superficial, la orientación de las moléculas en el área de la superficie interna del catalizador.

Por esta razón, la investigación que nos transmite el artículo se basó en el uso de un catalizador con mesoestructura MCM-48, la cual por su sistema tridimensional y tamaño de poro permite alojar especies activas que favorecen la reacción catalítica, obteniendo así una mayor conversión.

En el proceso investigativo se impregnó la mesoestructura con ácido tungstenofosfórico el cual constituyó la especie activa. Contribuyendo esto así a la mejora del proceso en la reacción de isomerización, ya que este catalizador preparado con ácido tungstenofosforico aumenta los niveles de conversión del p-xileno, mejorando así dicho proceso, ahorrando costos en catalizadores.

Por otro lado, de las pruebas catalíticas realizadas para comprobar la acción del catalizador impregnado, se pudo observar altas tasas de conversión en el m-xileno a una concentración de ácido tungstenofosforico de 30% en el catalizador de (MCM-48). Mientras que los cálculos mostrados en la tabla 1, utilizando los valores de la figura 1 permitieron conocer el tamaño ideal de los poros del catalizador de MCM-48 para que el ácido tungstenofosfórico pudiese penetrar de manera ideal y así favorecer significativamente la isomerización del xileno.

Siguiendo con las figuras, con la número 2 se demostró de qué manera afecta el ácido al catalizador (MCM-48) es decir que propiedades fisicoquímicas adopta el catalizador como área superficial, volumen, diámetro de poro, espesor de pared, acidez total admisible. En la figura 3 se obtuvo y observó mediante fórmulas matemáticas ingresadas en un simulador la forma exacta de cierta área del catalizador, pudiendo así conocer las propiedades fisicoquímicas anteriormente nombradas.

En complemento, en la figura 4 se mostró micrografías en las cuales se apreció el agrandamiento de los poros y el cambio que estos tienen a diferentes porcentajes de ácido tungstenofosforico, y verificando que a mayor concentración mayor tamaño de poros. Otra figura resaltante mostrada fue la número 10, en la cual se observó que pese a que ocurren dos reacciones, la selectividad está dirigida hacia la isomerización y en menor importancia hacia la desproporcionación.

En general en el proceso se pudo observar que este catalizador fabricado por la compañía mobil es mucho más efectivo que los catalizadores convencionales de óxido de silicio y de óxido de aluminio que poseen otras estructuras, favoreciendo de manera significativa el proceso de isomerización de la familia de los xilenos (orto, meta, para), obteniendo así una mayor vida útil del catalizador y una tasa de conversión alta, mejorando la rentabilidad del proceso y la calidad del producto ya isomerizado.

ISOMERIZACIÓN DE M-XILENO SOBRE MCM-48 IMPREGNADA CON ÁCIDO TUNGSTENOFOSFÓRICO

Autores: Edder García, Pedro Rodríguez, Alirio Lobo, Pedro Hoffman, Álvaro Uzcategui, Marlin Villarroel, Héctor Del Castillo, Sergio González Cortes, Freddy E. Imbert.

Laboratorio de Cinética y Catálisis, Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Los Andes, La Hechicera, Mérida 5101, Venezuela.

2) Laboratorio de Física de Superficies Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Los Andes, La Hechicera, Mérida 5101, Venezuela.

Recibido: 29/01/2010 Aceptado: 26/07/2010

Resumen

La isomerización de m-xileno fue estudiada sobre catalizadores mesoporosos del tipo MCM-48 impregnados con ácido tungstenofosfórico. El material mesoporoso fue sintetizado hidrotérmicamente a 423 K utilizando bromuro de cetil-trimetil-amonio (CTMABr) como agente estructural. Los catalizadores fueron preparados con diferentes porcentajes de ácido tungstenofosfórico (15, 20, 25, 30 y 40% p/p) en metanol bajo agitación. Los sólidos fueron caracterizados mediante DRX, Adsorción de Nitrógeno, TPD-NH3, SEM y FTIR.

Se encontró que el heteropoliácido se encuentra altamente disperso en el interior de los poros del material mesoporoso; sin embargo, la presencia del heteropoliácido en el interior de los poros reduce de manera significativa el área superficial, el volumen de poro y en menor grado el diámetro de poro. Todos los catalizadores fueron activos en la transformación de m-xileno a p-, o-xileno y trimetilbencenos. El catalizador preparado con 30% de ácido tungstenofosfórico fue el más activo, debido al elevado número de sitios activos accesibles al sustrato y una mayor actividad por sitio. Los catalizadores fueron selectivos a isomerización y a p-xileno.

Abstract

The m-xylene isomerization was studied on mesoporous catalyst type MCM-48, which was impregnated with tungstophosphoric acid. The synthesis was carried out hydrothermally at 423 K, using cetyl trimethyl ammonium bromide (CTMABr) as the structural directing agent. The catalysts were prepared with different percentage of tungstophosphoric acid (15, 20, 25, 30 y 40 wt. %) in methanol under stirring. The solids were characterized by XRD, nitrogen adsorcion, TPD-NH3, SEM and FTIR. The tungstophosphoric acid was found highly dispersed inside the pores of the mesoporous material; however, the acid presence inside the pores reduced markedly the surface area, pore volume and to a less extent the diameter. The catalysts were active in the m-xylene transformation to p- and o-xylene and trimethylbencenes. The catalyst prepared with 30 wt. % of tungsto-phosphoric acid resulted the most active, due to its higher number of active acid sites accessibles to the reacting molecules and to their higher activity per site. The catalysts were selective to isomerization reaction and to p-xylene.

Introducción

Las sílices mesoestructuradas desde su descubrimiento por los investigadores de la Corporación Mobil, han sido estudiadas ampliamente en distintas reacciones catalíticas y como agentes adsorbentes, debido a sus propiedades únicas como son: 1) distribución estrecha de tamaño de poro en el rango de la mesoporosidad (2 – 50 nm). 2) Elevada área superficial (>700 m2*g-1) y 3) Gran volumen de poro (>0.7cm3*g-1).

Los primeros sólidos mesoporosos ordenados sintetizados exitosamente fueron los de la familia M41S, en particular las estructuras más importantes corresponden a MCM-41 (Mobil Crystaline Materials–Nº41), la cual posee un sistema de poros unidireccional con un arreglo hexagonal y a MCM-48 con sistemas de poros tridimensionales. De esta familia la MCM-41 es la mejor caracterizada, debido a la simplicidad de los sistemas

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