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

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Page 1: Asignación N° 2

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

Page 2: Asignación N° 2

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.

Page 3: Asignación N° 2

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

Page 4: Asignación N° 2

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

Page 5: Asignación N° 2

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

Page 6: Asignación N° 2

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

Page 7: Asignación N° 2

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

Page 8: Asignación N° 2

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

Page 9: Asignación N° 2

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.

Page 10: Asignación N° 2

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.

Page 11: Asignación N° 2

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*

Page 12: Asignación N° 2

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

Page 13: Asignación N° 2

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.

Page 14: Asignación N° 2

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):

Page 15: Asignación N° 2

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

Page 16: Asignación N° 2

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*

Page 17: Asignación N° 2

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.

Page 18: Asignación N° 2

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.