asignación n° 2
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UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA TECNOLÓGICA
CATÁLISIS
ASIGNACIÓN N° 2
ANÁLISIS CARACTERÍSTICO DE LOS CATALIZADORES EMPLEADOS EN LA
SÍNTESIS FISHER-TROPSCH
Profesor: Elaborado por:
Carlos Romero REBOLLEDO, Carlos
C.I 20.230.611
Valencia, 20 de julio de 2015
INTRODUCCIÓN
El proceso Fisher-Tropsch representa una gran alternativa para la producción
no sólo de combustible limpio a nivel mundial sino también de otros productos
líquidos de alto valor agregado. Sin embargo, sus altos costos asociados no han
permitido el completo desarrollo de esta tecnología en el mercado, por lo que la
optimización de todas aquellas variables que impacten en su relación
eficiencia/costo son de gran importancia, siendo una de estas variables el tipo de
catalizador utilizado, tal y como se presentará en el siguiente estudio, éstos no sólo
cambian con el metal a utilizar, sino también con respecto al promotor, al tipo de
soporte, al método de preparación, a su selectividad dependiendo del producto que
se quiera obtener y al tipo de desactivación al cual puede estar sometido. Los tipos
de estudios aquí presentados nos permiten tener una clara idea del recorrido
realizado por distintos investigadores dentro de la catálisis en el estudio de
reacciones Fisher-Tropsch, las cuales a su vez sirven de punto de partida para la
formulación de nuevas ideas en esta área.
PROCESO FISHER-TROPSCH
El incremento de los precios y la demanda de los combustibles, aunado a
una mayor atención, sobre el suministro seguro de los mismos, han conllevado a la
revisión de un importante número de tecnologías relacionadas con la conversión de
carbón, gas natural y biomasa a combustibles de alto valor comercial.
La síntesis de Fisher-Tropsch corresponde a una de las tecnologías más
viables, que pueden ser empleadas para la producción de combustibles líquidos
limpios, a partir del gas de síntesis; obtenido éste, de fuentes de energía renovables
y no renovables, que sirvan para satisfacer la creciente demanda de combustibles
a través de su uso racional.
Dependiendo del catalizador y las condiciones de reacción, la síntesis de
Fisher-Tropsch puede ser empleada para producir una enorme gama de
hidrocarburos, tales como hidrocarburos livianos, gasolina, diésel y parafinas;
adicionalmente, la aplicación de esta tecnología ha evolucionado en el tiempo
debido al entorno económico, las legislaciones de cada uno de los gobiernos y los
requerimientos del mercado motivado por razones estratégicas.
En la década de los ochenta, el resurgimiento de la tecnología de Fisher-
Tropsch, estuvo motivada a los problemas de utilización de las fuentes de gas no
convencional, la diversificación de las fuentes de combustibles fósiles y el aspecto
medio ambiental, así como el posible empleo de la biomasa. Los combustibles
sintéticos producidos por esta tecnología presentan un bajo contenido de azufre y
aromáticos, si se compara con la gasolina y diésel, obtenidos del petróleo.
Catalizadores más utilizados en los procesos Fisher-Tropsch
La recopilación de información de investigaciones anteriores sobre los
diversos tipos de catalizadores indica que la mayoría de los metales que forman
parte del grupo VIII en la Tabla Periódica son empleados en la preparación y
aplicabilidad de estos catalizadores dentro de los procesos de Fisher-Tropsch. Los
aspectos concernientes a la estructura de los mismos muestra una actividad
medible de estos elementos (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Re, Ir, Pt) ante la reacción de
hidrogenación del monóxido de carbono, donde se obtiene una gama de productos
como son alcoholes, ácidos, ésteres, entre otros.
De acuerdo a Dry (2002), los metales que tienen la actividad requerida para
aplicaciones comerciales de Fisher-Tropsch son el hierro, el níquel, el cobalto y el
rutenio. El desarrollo de catalizadores a base de cobalto, hierro y níquel para este
proceso tuvo su empuje en los años de 1900, teniendo un gran avance en Alemania
luego de la Segunda Guerra Mundial.
Para la síntesis Fisher-Tropsch, se descartan tanto el rutenio, debido a su
alto costo y poca disponibilidad, y el níquel ya que produce una gran cantidad de
metano a condiciones de operación. Lo que sólo deja al hierro y al cobalto como
metales viables para ser utilizadores en catalizadores en este proceso.
En una publicación, Khodakov (2009) afirma que los catalizadores que
contienen hierro se emplean comúnmente en la producción de hidrocarburos
livianos y olefinas (síntesis de Fisher-Tropsch a elevadas temperaturas), además
de poseer enormes ventajas en la conversión de gas de síntesis con una baja
relación H2/CO. Por otro lado, los catalizadores de cobalto soportado se emplean
comúnmente cuando se manejan relaciones H2/CO elevadas, además que permiten
la síntesis Fisher-Tropsch de baja temperatura donde el objetivo está enfocado a la
producción de destilados medios y ceras.
En comparación con los catalizadores de hierro precipitados, los
catalizadores de hierro impregnados presentan grandes ventajas, tales como mayor
estabilidad, menor frecuencia de desactivación y mejoras en la selectividad a
hidrocarburos de cadenas largas. Típicos soportes de Fisher-Tropsch son la
alúmina (Al2O3), la sílice (SiO2), el dióxido de titanio (TiO2) y el óxido de magnesio
(MgO). Más recientemente, los estudios se han centrado en nanotubos de carbono
de pared múltiple (MWCNTs por sus siglas en inglés), nanofibras de carbono (CNFs)
y esferas de carbono como soportes de catalizadores. Se ha demostrado que
Fe/CNT es un catalizador muy estable y activo. Los catalizadores de hierro
soportados en MWCNTs han mostrado alta actividad catalítica y alta selectividad
hacia C2-C4 y fracciones C5+. Sin embargo, los catalizadores encapsulados con
hierro en MWCNTs mostraron una mayor actividad Fisher-Tropsch que el hierro en
nanopartículas dispersas en MWCNTs.
El cobalto, aunque es considerado como el más efectivo a nivel industrial
para la síntesis de Fisher-Tropsch, debido a que posee una alta actividad, alta
resistencia a la desactivación, entre otros aspectos, requiere una activación en un
recipiente previo al reactor de Fisher-Tropsch, ya que la temperatura de operación
de este catalizador en el proceso es de 200 °C y su temperatura de reducción es de
300 °C, mientras que, la temperatura de operación del catalizador de hierro es de
270 °C y su reducción se lleva a cabo entre 260-280 °C.
El catalizador de cobalto metálico soportado se emplea típicamente en la
obtención de parafinas pesadas (Low Temperature Fisher-Tropsch, LTFT)
aproximadamente entre 210-250 °C con una presión total entre 20-30 bar y una
relación H2/CO cercana a 2. En este caso, los sitios activos para la reacción de
Fisher-Tropsch corresponden a las superficies cubiertas por el cobalto metálico
donde sus propiedades catalíticas dependen directamente del número y
disponibilidad de estos sitios activos. Adicionalmente, se establece que las
partículas de cobalto mayores a 6 nm garantizan mayores concentraciones de sitios
activos que favorecen una actividad más elevada en la síntesis de Fisher-Tropsch,
la cual depende principalmente de la dispersión del cobalto metálico sobre la
superficie, la reducción del cobalto y la estabilidad del catalizador. Por otro lado,
afirman que el incremento en la dispersión de cobalto (menores tamaños de
partículas) está asociado a una mayor dificultad para la reducción del mismo a
cobalto metálico con respecto a las de mayores dimensiones.
Reacción del gas de síntesis y gas de agua
El fundamento del proceso Fisher-Tropsch es la obtención del gas de síntesis o
syngas, haciendo reaccionar gas natural, metano o coque con vapor de agua.
𝐶𝐻4 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂 + 𝐻2
𝐶 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂 + 𝐻2
PUBLICACIÓN N°1
TÍTULO: DISEÑO DE CATALIZADORES DE RUTENIO PARA LA SÍNTESIS
FISHER-TROPSCH
TIPO DE PUBLICACIÓN: Tesis Doctoral en Ciencias Químicas
AUTOR (A): Juan María González Carballo
LUGAR: Madrid (Universidad Autónoma de Madrid)
AÑO: 2012
RESUMEN
La formación de hidrocarburos a partir de gas de síntesis, conocida como
síntesis Fisher-Tropsch (FT), es una ruta muy atractiva para la producción de
combustibles limpios y productos químicos. Este proceso es un complejo proceso
entramado de reacciones primarias y secundarias, y que puede definirse como una
reacción de polimerización de unidades monoméricas –CH2- que se forman sobre
la superficie del catalizador a partir de CO e H2.
En la síntesis FT se obtiene una mezcla compleja de hidrocarburos de
cadena lineal y ramificada, y también productos oxigenados (alcoholes, aldehídos y
ésteres), aunque los productos mayoritarios son parafinas lineales y α-olefinas. Los
hidrocarburos obtenidos en el rango de diésel son de alta calidad debido a que no
presentan heteroátomos (S, N), no contienen estructuras poliaromáticas y
presentan un índice de cetano elevado (tendencia a la autoinflamación).
Las reacciones que participan en la síntesis FT son numerosas y complejas
y se resumen a continuación:
1. Formación de parafinas
(𝟐𝒏 + 𝟏)𝑯𝟐 + 𝒏𝑪𝑶 → 𝑪𝒏𝑯𝟐𝒏+𝟐 + 𝒏𝑯𝟐𝑶
2. Formación de olefinas
𝟐𝒏𝑯𝟐 + 𝒏𝑪𝑶 → 𝑪𝒏𝑯𝟐𝒏 + 𝒏𝑯𝟐𝑶
3. Formación de alcoholes
𝟐𝒏𝑯𝟐 + 𝒏𝑪𝑶 → 𝑪𝒏𝑯𝟐𝒏+𝟐𝑶 + (𝒏 − 𝟏)𝑯𝟐𝑶
4. Reacción del desplazamiento del gas de agua (water gas shift, WGS)
𝑪𝑶 + 𝑯𝟐𝑶 ↔ 𝑪𝑶𝟐 + 𝑯𝟐
5. Reacción de desproporción de CO (Boudouard)
𝟐𝑪𝑶 → 𝑪 + 𝑪𝑶𝟐
6. Oxidación/Reducción del catalizador
𝑴𝒙𝑶𝒛 + 𝒛𝑯𝟐 ↔ 𝒙𝑴 + 𝒛𝑯𝟐𝑶
𝑴𝒙𝑶𝒛 + 𝒛𝑪𝑶 ↔ 𝒙𝑴 + 𝒛𝑪𝑶𝟐
7. Formación de carburos
𝒙𝑴 + 𝒛𝑪 → 𝑴𝒙𝑪𝒛
La síntesis Fisher Tropsch es una reacción de polimerización que consta de
las siguientes etapas: a) absorción de reactivos, b) formación de monómeros –CH2-
c) crecimiento de la cadena, d) terminación de la cadena, e) desorción de productos
y f) readsorción y posterior reacción de dichos productos. Aunque esta reacción se
conoce hace casi 100 años, aún existe una gran controversia acerca de la
naturaleza de la especie monomérica y del camino que sigue el crecimiento de la
cadena de un hidrocarburo.
Tradicionalmente se han propuesto tres mecanismos que tratan de explicar
la formación de una cadena hidrocarbonada a partir del gas de síntesis: 1)
mecanismo de carburos, 2) mecanismo de hidroxi-carbenos y 3) mecanismo de
inserción de CO.
Los elementos activos en la síntesis FT son los elementos del grupo 8 de la
Tabla Periódica, y de ellos, los más activos son Fe, Co y Ru.
El rutenio es el metal más activo en la reacción de hidrogenación de CO entre
todos los metales del grupo 8 de la Tabla Periódica. Produce hidrocarburos de
elevado peso molecular trabajando a alta presión y baja temperatura. En general, la
probabilidad de crecimiento de la cadena (α) que se obtiene con catalizadores
basados en Ru es de 0.85-0.95, mientras que los valores de α obtenidos con Co y
Fe son de 0.70-0.80 y 0.50-0.70, respectivamente. A pesar de su elevado precio, su
estudio a nivel científico y uso está totalmente justificado, ya que produce
hidrocarburos incluso a presión atmosférica. La elevada actividad de los
catalizadores basados en Ru implica una disminución en los costes de producción
de combustibles Fisher-Tropsch.
TABLA 1. Propiedades y rendimiento FTS de los catalizadores
basados en Fe, Co y Ru
Propiedad Fe Co Ru
Actividad en FT Media Alta Muy alta
Selectividad Hidrocarburos
ligeros
Hidrocarburos
pesados
Hidrocarburos
pesados
Gas de síntesis Carbón, biomasa,
gas natural Gas natural Gas natural
Actividad en
WGS Activo Inactivo Activo
Veneno H2S H2S H2S
Temperatura de
reacción
Elevada
(570-630) K
Baja
(470-530) K
Baja
(470-530) K
Coste* Barato
(1)
Relativamente caro
(1000)
Muy caro
(5000)
*Asumiendo el coste de Fe como 1.
REACCIÓN DE SÍNTESIS
La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de los catalizadores a base
de Rutenio, específicamente, en la selectividad que éstos presentan para formar
fracciones diésel de cadenas C13-C18, en donde la probabilidad de crecimiento de la
cadena (α) debe ser de aproximadamente 0.85. Entre las reacciones que
intervienen están:
(𝟐𝒏 + 𝟏)𝑯𝟐 + 𝒏𝑪𝑶 → 𝑪𝒏𝑯𝟐𝒏+𝟐 + 𝒏𝑯𝟐𝑶
𝟐𝒏𝑯𝟐 + 𝒏𝑪𝑶 → 𝑪𝒏𝑯𝟐𝒏 + 𝒏𝑯𝟐𝑶
CATALIZADOR USADO EN LA REACCIÓN DE SÍNTESIS
El catalizador utilizado fue preparado a partir de Ru(NO)(NO3)3 y γ-Al2O3 (240
m2·g-1), con un contenido en Ru del 3% en peso mediante impregnación a humedad
incipiente. Para ello se disolvió el precursor de Ru en H20 destilada y posteriormente
se añadió la disolución gota a gota a la γ-Al2O3. El sólido se secó a temperatura
ambiente durante 12 horas. El tamaño medio de las partículas de Rutenio
determinado a partir de experimentos de quimisorción de H2 fue de 4 nm.
MECANISMO DE REACCIÓN
La síntesis FT consta de diversas etapas:
1. Adsorción de reactivos
2. Formación de monómeros –CH2-
3. Crecimiento de la cadena
4. Terminación de la cadena
5. Desorción de los productos
6. Readsorción y posterior reacción de los productos
De estas etapas, la formación de los monómeros es la más importante desde
un punto de vista cinético, ya que determina la velocidad global del proceso. Sin
embargo, el mecanismo específico según el cual la molécula de CO se disocia y
origina posteriormente los monómeros que formaran los productos FT no se ha
determinado de forma inequívoca.
Algunos autores han propuesto recientemente un mecanismo de formación
de las especies monoméricas CH2* mediante un proceso de disociación de CO* en
el que interviene directamente átomos de O*, en lugar del mecanismo tradicional
consistente en la disociación directa del CO* (el asterisco hace referencia a una
especie superficial adsorbida en un centro catalítico activo). Se ha demostrado
mediante estudios cinéticos, isotópicos y teóricos que la disociación de CO* asistida
por H* es el paso cinéticamente relevante en la reacción Fisher-Tropsch con
catalizadores de Fe y Co.
En el caso de los catalizadores de Ru, estudios teóricos sugieren que la
hidrogenación de CO ocurre tanto por el mecanismo de carburos, es decir,
disociación no asistida de las moléculas de CO, como por el mecanismo de
disociación asistida por H*. La relevancia de cada vía de disociación de CO depende
del tipo de centro en el que el CO se adsorba. Varios autores, han encontrado que
en las terrazas de las partículas de Ru, la energía requerida para disociar el CO
mediante el mecanismo asistido por H* es menor que en el caso de la disociación
directa. Esto indica que, en dichas terrazas de las partículas, el mecanismo más
favorable de disociación de la molécula de CO es la disociación asistida por H*. De
hecho, experimentalmente, se ha comprobado que no es posible disociar
térmicamente la molécula de CO adsorbida en las terrazas de las partículas de Ru.
Por el contrario, en otros centros de adsorción, como son esquinas, bordes y
otros defectos de las partículas metálicas, el mecanismo más favorecido
energéticamente según estudios teóricos es la disociación directa.
TABLA 2. Barrera energética de disociación de CO en función del
mecanismo de disociación y del centro de adsorción en partículas de Ru
Centro de adsorción Mecanismo Energía de activación
(kJ/gmol)
Terrazas Disociación directa 227
Disociación asistida por H* 143
Defectos Disociación directa 89
Disociación asistida por H* >100
Bajo esta premisa, se proponen dos rutas para la disociación del CO y por
tanto dos posibles mecanismos para la formación de los monómeros (-CH2-) que
darán lugar posteriormente a las cadenas hidrocarbonadas de los productos FTS
(parafinas y olefinas).
Sin embargo, para un tamaño medio de partícula de 4 nm para el Rutenio la
ruta predominante es la disociación de CO asistida por H*, según datos
experimentales obtenidos en la Tesis Doctoral.
CICLO CATALÍTICO
En la ruta de disociación de CO asistida por H*, el CO* absorbido forma un
intermediario de reacción (H)CO* tras la inserción de H*. Aún no se ha podido
concretar si el ataque del H* se produce en el C o en el O del CO, pero en cualquier
caso, este detalle es irrelevante desde un punto de vista cinético. Este intermediario
se hidrogena y forma HCOH*, que después se disocia dando lugar a especies CH*
y OH*. Las especies CH* siguen hidrogenándose y forman los monómeros CH2*,
mientras que las especies OH* forman H2O por hidrogenación. El mecanismo se
describe ahora gráficamente mediante el ciclo catalítico correspondiente:
Figura 1. Ciclo catalítico correspondiente al mecanismo de reacción en la etapa
de formación de monómeros por disociación de CO asistida por H*.
Ru(NO)(NO3)3 CO
Ru(NO)(NO3)3·CO*
H2
Ru(NO)(NO3)3·2H*
Ru(NO)(NO3)3·HCO*
Ru(NO)(NO3)3·HCOH*
Ru(NO)(NO3)3·OH* Ru(NO)(NO3)3·CH*
H2
Ru(NO)(NO3)3·H*
H2O
Ru(NO)(NO3)3·H*
CH2*
PUBLICACIÓN N°2
TÍTULO: PREPARACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE CATALIZADORES DE
HIERRO SOPORTADO SOBRE SÓLIDOS MESOPOROSOS ORDENADOS PARA
SER UTILIZADOS EN LA OBTENCIÓN DE OLEFINAS C5 Y SUPERIORES A
PARTIR DE LA SÍNTESIS DE FISHER-TROPSCH.
TIPO DE PUBLICACIÓN: Tesis Doctoral en Ciencias Químicas
AUTOR (A): Lic. Leonardo Andrés Cano.
LUGAR: Argentina (Universidad Nacional de la Plata)
AÑO: 2009
RESUMEN
La tecnología de Fisher-Tropsch tuvo su auge en la Alemania nazi luego del
estallido de la Segunda Guerra Mundial, cuando el difícil acceso a fuentes exteriores
de petróleo condujo a la explotación del carbón, el cual era convertible en gas de
síntesis mediante el proceso de gasificación. Al mismo tiempo, Japón también se
interesa por la síntesis FT y construye tres de estas plantas en su territorio. Luego
de la caída de ambas potencias, EE.UU y el Reino Unido se apoderan de la
tecnología y la dejan al olvido mucho más tarde.
En 1954 renace el interés por la síntesis FT y se desarrolla en Sasolburg
(Sudáfrica) una planta comercial denominada Sasol I (South African Syntethic Oil
Ltd.) que utilizaba carbón como precursor para la obtención de hidrocarburos
líquidos con catalizadores de hierro y que permanece operativa en la actualidad
junto a dos plantas más (Sasol II y Sasol III) produciendo el 41% de los combustibles
de ese país.
Los catalizadores de hierro fueron unos de los primeros empleados en la
síntesis de Fisher-Tropsch. Originalmente los catalizadores utilizados en la síntesis
contenían principalmente metales fundidos: Co o Fe y óxidos promotores sobre la
superficie de los mismos. En la segunda generación de catalizadores se utilizaron
varios óxidos inorgánicos como soportes, los que aumentaron la versatilidad de los
primeros.
Los catalizadores convencionales de Fe empleados en la síntesis FT
necesitan de un promotor básico. La “basicidad” de la superficie es de vital
importancia para alcanzar una mayor probabilidad de crecimiento de cadena y
actividad catalítica, así como una mayor estabilidad. Como promotores básicos se
han utilizado elementos alcalinos y alcalinotérreos, entre los que el potasio siempre
ha proporcionado los mejores resultados.
Con los catalizadores de hierro se abrieron dos posibles direcciones de
estudio en cuanto a la selectividad perseguida. Una dirección ha apuntado a obtener
olefinas de bajo peso molecular utilizando un reactor de lecho fluidizado (Proceso
empleado por Sasol Synthol). La segunda dirección de desarrollo de catalizadores
de hierro ha apuntado a lograr la más alta actividad usando temperaturas de
reacción bajas, donde la mayor parte del producto está en la fase líquida en las
condiciones de reacción. Típicamente tales catalizadores son obtenidos por
precipitación de solución de nitratos. En este caso, los catalizadores con amplios
poros dan mejores resultados y la fracción mayoritaria de producto corresponde a
ceras parafínicas que en el caso de Sasol son refinadas a ceras comerciales.
El análisis de los catalizadores de Fe en la síntesis de Fisher-Tropsch se
basa mayormente en aquellos que se hayan soportados sobre sólidos amorfos o
cristalinos de baja superficie específica. Recientemente, se han sintetizado nuevas
familias de sólidos mesoporosos (M41S y SBA), con paredes amorfas pero con
ordenamiento de largo alcance en la disposición de sus poros.
Basándose en el tamaño del poro, los sólidos porosos se pueden clasificar
en:
Microporosos: diámetros de poro inferiores a 20 Å.
Mesoporosos: diámetros de poro entre 20 y 500 Å.
Macroporosos: diámetros superiores a 500 Å.
Los dos primeros tipos son los más usados en catálisis heterogénea ya que
sus micro estructuras permiten el acceso de moléculas a sus grandes superficies y
cavidades internas, lo que mejora su capacidad de adsorción y su superficie
catalítica. La mayor subclase de estos materiales es la de los tamices moleculares,
este tipo de materiales se encuentran en la gran familia de los aluminosilicatos
conocidos como zeolitas, en los cuales sus microporos son producto de un arreglo
uniforme de canales. Se han hecho grandes esfuerzos en desarrollar materiales con
tamaños de poro en el rango de los mesoporosos, estos sólidos normalmente son
amorfos, como las sílicas o alúminas. Los poros en estos materiales generalmente
son irregularmente espaciados y con una ancha distribución de tamaños.
REACCIÓN DE SÍNTESIS
La síntesis de Fisher-Tropsch aquí estudiada contempla un entramado
conjunto de reacciones comparable a una reacción de polimerización en la que la
unidad monomérica superficial –CH2- se forma “in situ” sobre la superficie del
catalizador a partir del monóxido de carbono e hidrógeno.
Las reacciones principales que se llevan a cabo durante el proceso son:
(2𝑛 + 1)𝐻2 + 𝑛𝐶𝑂 → 𝐶𝑛𝐻2𝑛+2 + 𝑛𝐻2𝑂 (𝐼)
2𝑛𝐻2 + 𝑛𝐶𝑂 → 𝐶𝑛𝐻2𝑛 + 𝑛𝐻2𝑂 (𝐼𝐼)
La ecuación (I) ilustra la formación de parafinas y la (II) la formación de
parafinas.
Asimismo, el proceso incluye la formación de compuestos oxigenados:
2𝑛𝐻2 + 𝑛𝐶𝑂 → 𝐶𝑛𝐻2𝑛+2𝑂 + (𝑛 − 1)𝐻2𝑂 (𝐼𝐼𝐼)
El agua formada en las reacciones anteriores puede reaccionar
indeseablemente con una molécula de CO, tal como sigue:
𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 (𝐼𝑉)
Otra reacción secundaria indeseable conduce a la deposición de carbono con
la consiguiente desactivación del catalizador (reacción de Boudouard):
2𝐶𝑂 → 𝐶 + 𝐶𝑂2 (𝑉)
La probabilidad de formación de los productos decrece en el siguiente
orden:
CH4 > parafinas > olefinas > oxigenados
Dentro del grupo de n-alcanos, la probabilidad de formación decrece con el
largo de la cadena y en el grupo de n-olefinas este orden se invierte. Sin embargo,
la distribución real de productos en la síntesis Fisher-Tropsch difiere
significativamente de aquella estimada por la termodinámica. Consecuentemente,
estas reacciones son controladas cinéticamente, por lo tanto, la distribución de los
productos puede ser influenciada tanto por las propiedades estructurales de los
catalizadores utilizados como también por las condiciones de reacción.
CATALIZADOR USADO EN LA REACCIÓN DE SÍNTESIS
El metal seleccionado como catalizador para el presente estudio fue el Fe, el
cual se incorporó sobre un soporte mesoporoso por medio de la técnica de
impregnación por mojado incipiente. La sal de hierro elegida para la impregnación
fue Fe(NO3)3·9H2O debido a su fácil disolución, su bajo pH en solución (pH altos
destruyen la estructura del soporte), su fácil descomposición posterior, su relativo
bajo costo y alta disponibilidad comercial. Dicha sal se disolvió en etanol y se
impregnó a 313 K para favorecer su difusión dentro de los canales del soporte
mesoporoso.
Por otro lado, el soporte utilizado fue el SBA-15, un material compuesto de
surfactantes oligoméricos y co-polímeros de bajo peso molecular. Adicionalmente,
se añadieron al soporte metales alcalinos (Li, K y Cs) en forma de Li2O, KOH y
CsNO3, con el propósito de estudiar su influencia sobre las propiedades
estructurales del catalizador y por tanto sobre su actividad y selectividad. La
existencia de sitios básicos superficiales débiles e intermedios creados por dopado
con las especies de metales alcalinos antes mencionados, sigue el siguiente orden:
Li >> K >> Cs
CICLO CATALÍTICO
En el caso concreto de los catalizadores basados en Fe, la ruta propuesta es
la de la disociación directa de CO, la cual comienza con la formación de las especies
C* y O* a partir de CO* adsorbido. La hidrogenación consecutiva (H*) de C* da lugar
a las especies CH* y CH2* (monómeros). Los átomos de oxígeno (O*) reaccionan
con CO* para dar lugar al llamado CO2 primario.
Figura 2. Ciclo catalítico correspondiente al mecanismo de reacción en la etapa
de formación de monómeros por disociación directa CO.
Fe
CO
H2
Fe·C* Fe·O* Fe·H* Fe·H*
CH2*
CO
CO2 Fe·CO2*
CONCLUSIÓN
El proceso Fisher- Tropsch puede convertir gas de síntesis obtenido del gas
natural, coque o biomasa a hidrocarburos líquidos, los cuales pueden ser escalados
a diésel, kerosenos, naftas petroquímicas y aceites lubricantes. Este proceso se ha
aplicado cuando hay escasez de petróleo o su precio es muy elevado. Ahora que
sus fuentes se están agotando, la tecnología FT ha recibido mayor atención como
una ruta para obtener esos productos.
La investigación para mejorar la eficiencia de este proceso es un tema de
todos los días. La investigación se centra en la eficiencia y selectividad de los
catalizadores, los medios de reacción, las condiciones de presión-temperatura, la
relación H2/CO, y el diseño de mejores reactores. A medida que estas condiciones
se optimicen, el proceso FT será más competitivo comercialmente representando
una respuesta al agotamiento del petróleo. Se trata de una alternativa viable y
económicamente rentable en la obtención de hidrocarburos y materias primas
derivadas a partir de ellos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Cano, A. “Preparación y caracterización de catalizadores de hierro soportado sobre
sólidos mesoporosos ordenados para ser utilizados en la obtención de olefinas c5 y
superiores a partir de la síntesis de Fisher-Tropsch”. Tesis Doctoral en Ciencias
Químicas. Universidad Nacional de la Plata. Argentina. 2009.
Carballo, J. “Diseño de catalizadores de rutenio para la síntesis Fisher-Tropsch”.
Tesis Doctoral en Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Madrid. España.
2012.
Anuales de la Real Sociedad Española de Química. “La síntesis de hidrocarburos
Fisher-Tropsch: Retos y Perspectivas”. Abril-Junio. 2003.
Dry, Mark. “The Fisher-Tropsch Process”. Catalysis Research Unit. Department of
Chemical Engineering. University of Cape Down. South Africa. 2002.
Enlace Químico. Revista científica y de divulgación de la Facultad de Química de la
Universidad Autónoma del Estado de México. Año 3. No. 5. Agosto 2012-Enero
2013.
Uso de catalizadores en los procesos Fisher-Tropsch. Revista Mexicana de
Ingeniería Química. Vol. 2. No. 2. 2013.