Utilización de Catalizadores Monolíticos en Procesos de Descontaminación Ambiental

Pedro Avila
Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC. Camino de Valdelatas s/n. Cantoblanco. 28049 Madrid. España. email: [email protected]

INTRODUCCIÓN

El diseño y desarrollo de catalizadores para llevar a cabo procesos de descontaminación exige tener en cuenta una serie de factores que les diferencia sensiblemente de los catalizadores utilizados en sistemas de producción. Aunque en ambos casos el sistema catalítico debe poseer una alta actividad, selectividad y vida útil, los catalizadores utilizados en sistemas de depuración deben además, evitar que se alteren, en la medida de lo posible, las condiciones de operación del proceso productivo.

Este principio hace que generalmente los catalizadores de descontaminación operen en condiciones preestablecidas (presión, temperatura, velocidad espacial, etc.), impuestas por el funcionamiento del sistema productivo. Además, se le suele exigir que la pérdida de carga producida en el conjunto, sea lo menor posible, dado que un posible “taponamiento” de la salida repercutiría sensiblemente en el coste de producción.

Para lograr estos objetivos, se desarrollaron durante los años 60 diferentes tipos de catalizadores “de flujo paralelo”, formados por placas o tubos y finalmente aparecieron los catalizadores que se denominaron de “panal de abeja” (honeycomb), por su parecido estructural a dichos elementos. Actualmente, a este tipo de catalizadores formados por “estructuras unitarias atravesadas longitudi-nalmente por canales paralelos” se les da el nombre de “monolitos” (ver figura 1).

Esta nueva concepción en el diseño de los catalizadores, constituye uno de los elementos innovadores más importantes que han aparecido en las últimas décadas relacionados con la catálisis de contacto gas-sólido y el aumento espectacular de la utilización de este tipo de catalizadores que se ha producido en las últimas décadas, está motivado principalmente por su aplicación a la solución de problemas medioambientales. Aplicaciones que se recogen generalmente en la bibliografía de patentes (ver figura 2).

DISEÑO DE CATALIZADORES MONOLÍTICOS:

Para el diseño de los catalizadores monolíticos se consideran principalmente cuatro factores cuya definición responde a la aplicación específica a la cuál se destina.

1.- Materiales utilizados en la preparación de monolitos

Para la fabricación de monolitos actualmente se utilizan diversos materiales, que tratan de responder a los requerimientos particulares de las diferentes aplicaciones. Así, en procesos catalíticos en los que se requiere alta resistencia al choque térmico, se utiliza cordierita que tiene un bajo coeficiente de expansión térmica (2 x 10-6 o C) y una conductividad térmica de 2,2.10-3 cal cm-1 sec-1 oC-1 a 25oC, mientras que los monolitos metálicos están más indicados cuando la resistencia al impacto es importante. Por otro lado, en los procesos catalíticos o de adsorción que operan a temperaturas no muy altas (T<500°C) en fuentes fijas, generalmente se requiere monolitos cerámicos preparados con materiales de alta superficie específica (20-300 m2/g), tales como g -alúmina, sílice, óxido de titanio, etc., siendo la resistencia al choque térmico o al impacto mecánico menos importante.

En la Tabla se muestran los materiales básicos más frecuentemente utilizados en la preparación de monolitos. En algunos casos se emplean mezclas como son los casos de cordierita-mullita, aluminato de magnesio-zirconia, etc. Con polvo de estos materiales se forman unas pastas o barros a los que se pueden incorporar plastificantes, aglomerantes temporales y permanentes, gelificantes, lubricantes, etc., para facilitar su conformado y mejorar las propiedades mecánicas y texturales del producto terminado.

Tabla. Materiales utilizados en la preparación de monolito

2. Distribución de fases activas

A. Cybulski y J.A. Moulin (1) han clasificado los catalizadores monolíticos en dos grandes grupos:

Este último es el más empleado en aplicaciones a fuentes móviles en los que se utilizan monolitos de cordierita o metálicos, que se recubren con el soporte (generalmente alúmina convenientemente estabilizada con óxidos de Ce, Ba, etc.), sobre el que se dispersan los elementos activos: Pt, Rh o Pd: catalizadores “TWC” (ver figura 4). Sin embargo, la aplicación de este método a sistemas que deben operar en corrientes gaseosas que llevan partículas en suspensión resulta poco conveniente, pues en esas condiciones la resistencia del recubrimiento a la desactivación por abrasión es muy baja. Tal es el caso de las catalizadores “SCR” (ver fig. 5) para la depuración de los gases de las Centrales Térmicas, en donde se utilizan catalizadores de V2O5/TiO2 “incorporados” en el conjunto del monolito.

Según el procedimiento de preparación, pueden distinguirse a su vez dos tipos de catalizadores de tipo “incorporado”:

La utilización de un tipo u otro depende de factores relacionados con las características del proceso (posibilidad de limitaciones por fenómenos de transferencia de materia o de envenenamiento) y de los precios de las materias primas. Este último factor es especialmente relevante en el caso de metales nobles. En cualquier caso, uno de los principales objetivos que se plantea a la hora de decidir el procedimiento de preparación, es tratar de conseguir que las fases activas estén accesibles a los gases para realizar su acción en condiciones óptimas.

3.- Geometría y dimensiones de la sección transversal de las celdas

La sección transversal de estos canales puede tener forma circular, hexagonal, rectangular, triangular o sinusoidal (ver figura 6), siendo los más comunes los de forma cuadrada en el caso de monolitos cerámicos y sinusoidal en los monolitos metálicos.

El número de canales (celdas) por unidad de superficie de la sección transversal, generalmente está comprendido entre 1-100 celdas·cm-2, con espesores de pared que varían entre 0,2-1,4 mm. dependiendo del proceso al que se vayan a aplicar, Por ejemplo, reducir el espacio ocupado por el catalizador en las aplicaciones a automóviles es uno de los principales objetivos, por lo que se ha ido aumentando la densidad de celda hasta alcanzar valores de 140 celdas/cm2 de sección transversal (900 c.p.s.i.) con monolitos de cordierita. Recientemente se han comercializado catalizadores basados sobre monolitos metálicos con una densidad de celdas de 155 celdas/cm2 de sección transversal (1000 c.p.s.i.), preparados a partir de placas de acero corrugado sobre el que se deposita el recubrimiento y fase activa, antes de enrollarlas sobre sí mismas para preparar el monolito. Sin embargo, cuando el gas a tratar contiene una alta concentración de partículas en suspensión, la sección transversal de las celdas del monolito debe ser mayor, para evitar el taponamiento de las mismas. Así mismo, la forma de las celdas (cuadrada, triangular, etc.) puede tener influencia sobre los fenómenos de transporte de materia y calor, y sobre la pérdida de carga, afectando de este modo a la conversión.

4. Geometría y dimensiones externas

La forma externa es preferiblemente redonda u ovalada cuando se utilizan individualmente (por ejemplo en automóviles) y cuadrada o hexagonal cuando se empaquetan para formar lechos catalíticos de mayor tamaño para grandes instalaciones. Las dimensiones externas del monolito suelen estar comprendidas entre 10-150 cm de longitud y 3-30 cm de diámetro. Estos monolitos suelen ir agrupados en cestas, las cuales se acoplan hasta completar la sección del reactor catalítico. En algunos casos, como en la depuración de Centrales térmicas, en los que los volúmenes de gases a tratar son muy grandes, se hace necesario la colocación de varias capas o pisos de monolitos (ver fig.7) de forma que el sistema de depuración adquiere unas dimensiones considerables.

PROPIEDADES DE LOS CATALIZADORES MONOLÍTICOS

Si se comparan las propiedades de los catalizadores monolíticos en relación con los catalizadores con formas convencionales (cilindros, esferas, anillos, etc.), se comprueba que, además de poseer una estructura compacta que facilita su manejo, permite libertad de orientación en el reactor y reduce sensiblemente los problemas de atricción de los catalizadores granulares, los catalizadores monolíticos presentan las siguientes propiedades:

La pérdida de carga que se produce en el sistema de depuración se traduce en mayores costes de operación en aplicaciones estacionarias y en un menor aprovechamiento de la potencia del motor en unidades móviles. En este sentido los catalizadores monolíticos presentan una ventaja decisiva, puesto que la pérdida de carga que se produce en el sistema utilizando monolitos es de aproximadamente dos órdenes de magnitud menor que la generada por catalizadores granulares (ver fig. 8), cuando se comparan catalizadores con una superficie geométrica por unidad de volumen equivalente.

Los reactores monolíticos operan en la zona de flujo laminar, con un flujo completamente desarrollado en la mayor parte del reactor (2), con lo que la dispersión axial suele ser despreciable y se disminuye la posibilidad de formación de canales preferentes. Asimismo, las limitaciones por transferencia de materia en monolitos son, en general, menores que en reactores de relleno convencionales, Ahora bien,, la dificultad que presentan los fluidos para mezclarse una vez que han penetrado en un canal, exige que los gases estén perfectamente mezclados y bien distribuidos antes de alcanzar el catalizador monolítico.

La transmisión de calor en estas estructuras tiene lugar sólo por conducción a través del flujo laminar y de las paredes sólidas. Por tanto los monolitos cerámicos, que normalmente presentan una baja conductividad térmica, se comportan generalmente como sistemas adiabáticos (3).

Esta serie de factores han hecho que su uso se haya generalizado para una derie de aplicaciones. Así, en el campo de la protección ambiental, los monolitos ocupan un lugar destacado en los siguientes procesos:

Además de estas aplicaciones cuya implementación industrial ha sido ampliamente difundida (4), existen otros procesos en desarrollo, en los que los catalizadores monolíticos presentan grandes posibilidades de aplicación, como por ejemplo:

TECNOLOGÍA PROPIA

Desde finales de los años 80 y a lo largo de los 90, en el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC, (España), se ha desarrollado una tecnología de preparación de catalizadores monolíticos por extrusión, incluyendo el diseño de diferentes hileras para la preparación de catalizadores con distintas características geométricas, siendo en la actualidad uno de los pocos laboratorios públicos europeos que poseen esta tecnología (ver figura 2).

La posibilidad de preparar conformados monolíticos ha permitido diseñar los catalizadores con una perspectiva muy amplia (5), trabajando con materiales tan diferentes como silicatos naturales, alúmina, titania, sílice, carbón activo e incluso con óxido de cromo procedente de residuos de piel curtida. Todo ello ha llevado a abordar en los últimos años el diseño y fabricación de diferentes tipos de catalizadores monolíticos para su utilización en las diferentes aplicaciones mencionadas en esta monografía.

Bibliografía:

AGRADECIMIENTOS: