Rutenio como promotor en catalizadores Ni/yAl2O3 en la gasificación de 2-metoxi-4- metilfenol y tolueno: Efecto de bajas cargas de metales y modelos cinético y termodinámico

Abstract

Actualmente, el abastecimiento mundial de energía tiene una dependencia centralizada en el uso de combustibles fósiles, los cuales son un recurso finito además de que causan problemas ambientales y es urgente la transición a otros tipos de fuente de energía renovable. La biomasa es una opción, es abundante, y se puede gasificar para obtener gas de síntesis (H2 + CO). El hidrógeno es un vector energético con mucho potencial debido a que tiene un rango amplio de aplicación, cuenta con un ciclo de combustión muy limpio y tiene un poder calorífico de 120 MJ/kg, que es 2.7 veces más que aquel de la gasolina. Actualmente, uno de los principales retos científicos en la gasificación de la biomasa, es lograr una conversión alta a gas de síntesis evitando la producción de alquitranes. Está reportado que los catalizadores a base de Ni son eficientes, pero se desactivan por la deposición de coque y que el Ru como promotor resulta muy prometedor debido a que aumenta la reducibilidad y la dispersión del Ni, tiene una gran estabilidad y resistencia a la formación de coque sobre la superficie. En esta tesis se realizaron experimentos de gasificación de 2-metoxi-4-metilfenol y tolueno en el reactor de lecho fluidizado CREC Riser Simulator, usando catalizadores de 5% p/p Ni/Al2O3 con diferentes cargas de promotor Ru (0.25%, 0.5% y 1% p/p), sintetizados por el método de co-impregnación con humedad incipiente y reducción directa de los óxidos de los metales y fueron caracterizados con las técnicas de XRD, BET, TPR, NH3-TPD, SEM y quimisorción de H2. El método de síntesis de co-impregnación en humedad incipiente fue muy efectivo permite que se mantenga: el área superficial, la fase cristalina y la fluidizabilidad del material. La reducción directa sin calcinación fue efectiva también y simplificó el proceso de síntesis. De acuerdo a la caracterización, estos métodos permitieron preparar catalizadores que mostraron disminuciones del tamaño de cristal de Ni con la adición del Ru, de los sitios ácidos y de la temperatura de reducción debido al efecto spillover y un aumento en la dispersión sobre el soporte. Los experimentos térmicos (sin catalizador) de gasificación con vapor de 2-metoxi-4- metilfenol tuvieron una baja conversión de la biomasa (50 %) y una alta fracción molar de v compuestos aromáticos (0.28). Mientras que los experimentos con los diferentes catalizadores se llevaron a cabo a las temperaturas de 550, 600 y 650 °C usando relaciones de vapor/biomasa de 0.5, 1.0 y 1.5, dieron como resultado una alta conversión (80 %) y una baja fracción de compuestos aromáticos (0.02). Los productos generados fueron H2, CO, CO2 and CH4 y coque. En los experimentos catalíticos con diferentes cargas de Ru, con respecto a los catalizadores sin Ru, se obtuvo un incremento moderado en la producción de H2 y una muy importante disminución del coque depositado sobre el catalizador debido a la reducción de los sitios ácidos. El catalizador con los porcentajes en peso 5% Ni-0.25% Ru/yAl2O3 reportó la mayor producción de H2 y la menor deposición de carbono, pero al agregar mayores porcentajes de Ru ya no se consiguen mejores resultados. Se propuso un modelo termodinámico para calcular la composición en equilibrio de la mezcla gas-producto usando como punto de partida la definición de la constante de equilibrio de la reacción. Todo esto permitió construir un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales que se resolvió para conocer las fracciones molares de cada compuesto, las cuales tuvieron pequeñas discrepancias con los datos experimentales. Basados en las reacciones linealmente independientes y en los compuestos con concentraciones significativas, se propuso un modelo cinético global que consistió en la suma de las reacciones involucradas. Se estimaron los parámetros: constantes cinéticas, factores pre exponenciales y energías de activación. Los cuales son realistas y acordes con literatura y aquí se usaron las reacciones linealmente independientes, pero se descartó una por que sus componentes no tienen concentraciones importantes. La contribución de esta tesis fue: usando Ru se consiguió reducir la deposición de coque sobre la superficie del catalizador y se incrementó la fracción mol de hidrógeno, se explicaron y fundamentaron los resultados de la caracterización de los catalizadores y se les vinculó con la actividad catalítica. A través de los modelos termodinámico y cinético propuestos se avanzó en el modelamiento y simulación del sistema reaccionante para reducir y sistematizar el trabajo experimental.