Ensayo y mejoras del reactor de lecho fluidizado de dos zonas en procesos de deshidrogenación y oxidación catalítica selectiva

Resumen

La idea de utilizar un reactor de lecho fluidizado para procesos en los que el sólido circule entre dos zonas diferenciadas (oxidación/regeneración y reducción/desactivación) y, conseguir dicha separación de zonas en el mismo lecho, mediante una alimentación localizada de los reactivos en diferentes puntos del mismo surgió, hace algo más de una década, en el Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG) de la Universidad de Zaragoza, desarrollándose el reactor de lecho fluidizado de dos zonas (RLFDZ) y el reactor de lecho fluidizado con circulación interna (RLFCI). Desde entonces se ha seguido trabajado en esta línea, evolucionando el diseño de la configuración del reactor, la escala del mismo y los tipos de reacciones catalíticas a estudiar. A lo largo de este trabajo se han empleado varios sistemas de reacción basados en el lecho fluidizado, los cuales presentan un nexo común: alimentar los reactantes de manera separada a distintas alturas del lecho, de modo que resultara un reactor compacto en el que se distinguen dos zonas con distinta atmósfera reactiva. Esto se ha concretado en diferentes sistemas: el RLFDZ convencional, el RLFDZ cónico, RLFDZ de dos secciones y el reactor trifuncional formado por una combinación del RLFDZ de dos secciones con una membrana de fibra hueca de Pd. Mientras que en el primer caso el control de la mezcla de sólido se encuentra determinado por la utilización de una determinada velocidad relativa a la de mínima fluidización (ur), con el resto de reactores se puede modificar el diámetro de la sección inferior para adaptarla al caudal de gas necesario en dicha zona. En todos los casos se trabaja en un sistema continuo, gracias a la consecución del estado estacionario. El reactor trifuncional (RLFDZ combinado con membrana de fibra hueca) va más allá, y permite conjugar en un solo dispositivo tres funciones: la reacción deseada, la regeneración del catalizador y la separación de un producto de reacción. Las reacciones que han sido objeto de estudio en esta memoria se enumeran a continuación: La oxidación selectiva de benceno a fenol, llevada a cabo en un RLFDZ convencional, de modo que en una sección se aporta oxígeno al catalizador y éste se oxida en la otra sección del reactor. La aromatización de metano, estudiada con varios modelos de reactor (RLFDZ convencional, cónico y de dos secciones), de manera que el coque generado en una zona se puede eliminar en la otra. La deshidrogenación catalítica de propano en la que, mediante el uso de un reactor trifuncional, facilita la eliminación de los depósitos carbonosos al mismo tiempo que permite retirar el hidrógeno generado en reacción. Para conseguir el correcto funcionamiento del sistema se requiere que el catalizador, además de tener buena actividad y selectividad para la reacción en cuestión, presente un adecuado comportamiento fluidodinámico. Para este fin se han seleccionado catalizadores propuestos en bibliografía para las reacciones de oxidación selectiva de benceno a fenol y de deshidrogenación catalítica de propano, siendo éstos Pt-VOx/SiO2 (sintetizado en el laboratorio) y Pt-Sn-K/Al2O3 respectivamente. Sin embargo, para la aromatización de metano fue necesario desarrollar un nuevo catalizador con adecuados tamaños de partícula y resistencia mecánica. Esto se logró a través de un proceso de aglomeración de la zeolita HZSM-5 con una arcilla (bentonita), obteniéndose el catalizador de Mo/Bentonita/HZSM-5 empleado en el estudio de dicha reacción. Con el fin de obtener información acerca de la estructura y las propiedades fisicoquímicas de los catalizadores utilizados, éstos han sido caracterizados a través de diversas técnicas: BET, TPR, ICP, SEM, TEM, XRD, XPS, TGA y DSC. Asimismo, para alcanzar una mejor comprensión tanto de las diferentes reacciones estudiadas como de los distintos sistemas de reacción, se ha realizado un estudio paramétrico para evaluar la influencia de las principales variables de operación como son: presión parcial de los reactivos, tipos de oxidante, temperatura, velocidad relativa, etc