Catalizadores alternativos y modelado cinético del proceso bto (bioetanol a olefinas)

Résumé

La transformación catalítica del bioetanol en olefinas (materia prima de la actual petroquímica) (proceso BTO) es clave en el concepto de la biorefinería o refinería sostenible, que incorpora como alimentación la biomasa o sus derivados (el bioetanol obtenido por fermentación). En esta Tesis se han dado pasos firmes en etapas que limitan la implantación industrial del proceso BTO, a escala de catalizador y mediante la obtención de modelos cinéticos. Los catalizadores se han preparado buscando la selectividad de olefinas y la estabilidad hidrotérmica, modificando la zeolita HZSM-5 mediante: a) Tratamientos alcalinos de diferente severidad; b) Incorporación (mediante intercambio iónico e impregnación) de diferentes contenidos de Ni. Estos tratamientos tienen gran incidencia sobre las propiedades físicas y químicas de las zeolitas y por ende sobre su comportamiento cinético en el proceso BTO. Este proceso se ha estudiado en un equipo automatizado de reacción provisto de un reactor isotermo de lecho fijo, analizando los productos con un cromatógrafo de gases. Se han discriminado los catalizadores más activos, selectivos y estables, determinando las condiciones límites de operación (temperatura y contenido de agua) en las que se evita la desactivación irreversible (por desaluminización) de la zeolita. Se ha comprobado que el tratamiento con álcali es eficaz para moderar la fuerza ácida, y la impregnación con Ni además resuelve el problema de la estabilidad hidrotérmica. Para los catalizadores óptimos se ha llevado a cabo un detallado estudio de la influencia de las variables de operación (temperatura, tiempo espacial, contenido de agua en la alimentación, tiempo de reacción) sobre la actividad, rendimiento de olefinas y velocidad de desactivación, para abordar con rigor el modelado cinético. Este modelado ha comprendido la cinética de la reacción principal (o cinética a tiempo cero en el proceso BTO), con modelos cinéticos de lumps, y la cinética de la desactivación por deposición de coque, con modelos cinéticos dependientes de la composición. La discriminación de los esquemas y modelos cinéticos propuestos y el cálculo de los parámetros cinéticos se ha llevado a cabo resolviendo los balances de materia de los lumps de componentes (considerando fielmente la historia del catalizador) y minimizando una función objetivo error, utilizando para ello un programa de cálculo escrito en MATLAB. El elevado rendimiento y selectividad de propileno y butenos son esperanzadores para la viabilidad industrial del proceso BTO. Las ecuaciones cinéticas desarrolladas a tiempo cero y de desactivación son pasos relevantes para el establecimiento de las condiciones óptimas de proceso. Con estas herramientas cinéticas y la disponibilidad de catalizadores estables hidrotérmicamente se pueden plantear reactores y estrategias de operación alternativas para el escalado del proceso, progresando así en el desarrollo de la Biorefinería.