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UTILIZACIN DE CATALIZADORES MONOLTICOS EN PROCESOS DEDESCONTAMINACIN AMBIENTAL
Pedro Avila
Instituto de Catlisis y Petroleoqumica, CSIC. Camino de Valdelatas s/n. Cantoblanco.28049 Madrid. Espaa. email: [email protected]
INTRODUCCINEl diseo y desarrollo de catalizadores para llevar a cabo procesos de descontaminacin exigetener en cuenta una serie de factores que les diferencia sensiblemente de los catalizadores
utilizados en sistemas de produccin. Aunque en ambos casos el sistema cataltico debe
poseer una alta actividad, selectividad y vida til, los catalizadores utilizados en sistemas de
depuracin deben adems, evitar que se alteren, en la medida de lo posible, las condiciones de
operacin del proceso productivo.
Este principio hace que generalmente los catalizadores de descontaminacin operen encondiciones preestablecidas (presin, temperatura, velocidad espacial, etc.), impuestas por el
funcionamiento del sistema productivo. Adems, se le suele exigir que la prdida de carga
producida en el conjunto, sea lo menor posible, dado que un posible taponamiento de la
salida repercutira sensiblemente en el coste de produccin.
Para lograr estos objetivos, se desarrollaron durante
los aos 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).
Figura 1. Catalizador monoltico
0
200
400
600
800
1000
1200
1966
-197
0
1971
-197
5
1976
-198
0
1981
-198
5
1986
-199
0
1991
-199
5
Patentes
Artculos
NPublic
aciones
Periodo
Figura2. Evolucin de las publicaciones sobre monolitos
Esta nueva concepcin en el diseo de los
catalizadores, constituye uno de loselementos innovadores ms importantes que
han aparecido en las ltimas dcadas
relacionados con la catlisis de contacto gas-
slido y el aumento espectacular de la
utilizacin de este tipo de catalizadores que
se ha producido en las ltimas dcadas, est
motivado principalmente por su aplicacin a
la solucin de problemas medioambientales.
Aplicaciones que se recogen generalmente en
la bibliografa de patentes (ver figura 2).
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http://www.icp.csic.es/cyted/Espania/Investigador02.htmlhttp://www.icp.csic.es/cyted/Espania/Investigador02.html7/22/2019 A5-173
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DISEO DE CATALIZADORES MONOLTICOS:Para el diseo de los catalizadores monolticos se consideran principalmente cuatro factores
cuya definicin responde a la aplicacin especfica a la cul se destina.
1. Material utilizado
2. Distribucin de fases activas3. Geometra y dimensiones de la seccin transversal de las celdas
4. Geometra y dimensiones externas.
1.- Materiales utilizados en la preparacin de monolitosPara la fabricacin de monolitos actualmente se utilizan diversos materiales, que tratan de
responder a los requerimientos particulares de las diferentes aplicaciones. As, en procesos
catalticos en los que se requiere alta resistencia al choque trmico, se utiliza cordierita que
tiene un bajo coeficiente de expansin trmica (2 x 10-6o C) y una conductividad trmica de
2,2.10-3 cal cm-1 sec-1 oC-1 a 25oC,
mientras que los monolitos metlicos
estn ms indicados cuando laresistencia al impacto es importante. Por
otro lado, en los procesos catalticos o de
adsorcin que operan a temperaturas no
muy altas (T
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2. Distribucin de fases activas
A. Cybulski y J.A. Moulin (1) han clasificado los catalizadores monolticos en dos grandes
grupos:
Catalizadores monolticos incorporados, en los que los elementos activos se encuentran
dispersos uniformemente sobre el conjunto de la estructura monoltica, la cual suele ser de
carcter poroso.
Catalizadores monolticos recubiertos, en los que los elementos activos se encuentran
en una capa de material poroso, la cual se ha depositado sobre las paredes de los canales
en la estructura monoltica, bien de tipo cermico o metlico.
Este ltimo es el ms empleado en aplicaciones a fuentes mviles en los que se utilizan
monolitos de cordierita o metlicos, que se recubren con el soporte (generalmente almina
convenientemente estabilizada con xidos de Ce, Ba, etc.), sobre el que se dispersan loselementos activos: Pt, Rh o Pd: catalizadores TWC (ver figura 4). Sin embargo, la
aplicacin de este mtodo a sistemas que deben operar en corrientes gaseosas que llevan
partculas en suspensin resulta poco conveniente, pues en esas condiciones la resistencia del
recubrimiento a la desactivacin por abrasin es muy baja. Tal es el caso de las catalizadores
SCR (ver fig. 5) para la depuracin de los gases de las Centrales Trmicas, en donde se
utilizan catalizadores de V2O5/TiO2incorporados en el conjunto del monolito.
Figura 5. Superficie de monolito SCR a diferentes
aumentosFigura 4. Corte de un catalizador TWC, visto
or Microsco a de barrido
Segn el procedimiento de preparacin, pueden distinguirse a su vez dos tipos decatalizadores de tipo incorporado:
Msicos en los que las sales precursoras de las fases activas se mezclan con losprecursores del soporte en una etapa previa al proceso de compactacin, que generalmente
se realiza por extrusin.
Impregnados, en los que las sales precursoras de la fase activa se depositan porimpregnacin en la superficie del soporte, el cual ha sido conformado previamente en
estructura monoltica y tratado trmicamente.
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La utilizacin de un tipo u otro depende de factores relacionados con las caractersticas del
proceso (posibilidad de limitaciones por fenmenos de transferencia de materia o de
envenenamiento) y de los precios de las materias primas. Este ltimo 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 preparacin, es tratar de conseguir quelas fases activas estn accesibles a los gases para realizar su accin en condiciones ptimas.
3.- Geometra y dimensiones de la seccin transversal de las celdasLa seccin transversal de estos canales puede tener forma circular, hexagonal, rectangular,
triangular o sinusoidal (ver figura 6), siendo los ms comunes los de forma cuadrada en el
caso de monolitos cermicos y sinusoidal en los monolitos metlicos.
El nmero de canales (celdas) por unidad de
superficie de la seccin transversal, generalmente
est comprendido entre 1-100 celdascm-2, con
espesores de pared que varan 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 automviles 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 seccin transversal
(900 c.p.s.i.) con monolitos de cordierita. Recientemente se han comercializado catalizadores
basados sobre monolitos metlicos con una densidad de celdas de 155 celdas/cm2de seccin
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 s mismas para preparar el
monolito. Sin embargo, cuando el gas a tratar contiene una alta concentracin de partculas en
suspensin, la seccin transversal de las celdas del monolito debe ser mayor, para evitar el
taponamiento de las mismas. As mismo, la forma de las celdas (cuadrada, triangular, etc.)
puede tener influencia sobre los fenmenos de transporte de materia y calor, y sobre la
prdida de carga, afectando de este modo a la conversin.
Figura 6.. Monolitos con celdas cuadradas,
triangulares y sinusoidales
4. Geometra y dimensiones externasLa forma externa es preferiblemente redonda u ovalada
cuando se utilizan individualmente (por ejemplo en
automviles) y cuadrada o hexagonal cuando se empaquetan
para formar lechos catalticos de mayor tamao para grandesinstalaciones. Las dimensiones externas del monolito suelen
estar comprendidas entre 10-150 cm de longitud y 3-30 cm
de dimetro. Estos monolitos suelen ir agrupados en cestas,
las cuales se acoplan hasta completar la seccin del reactor
cataltico. En algunos casos, como en la depuracin de
Centrales trmicas, en los que los volmenes de gases a
tratar son muy grandes, se hace necesario la colocacin de
varias capas o pisos de monolitos (ver fig.7) de forma que el
sistema de depuracin adquiere unas dimensiones
considerables.Figura 7.- Instalacin de monolitos en un
reactor de grandes dimensiones
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PROPIEDADES DE LOS CATALIZADORES MONOLTICOS
Si se comparan las propiedades de los catalizadores monolticos en relacin con los
catalizadores con formas convencionales (cilindros, esferas, anillos, etc.), se comprueba que,adems de poseer una estructura compacta que facilita su manejo, permite libertad de
orientacin en el reactor y reduce sensiblemente los problemas de atriccin de los
catalizadores granulares, los catalizadores monolticos presentan las siguientes propiedades:
El paso de los gases a su travs se produce con una prdida de carga muy pequea. Presentan una gran superficie geomtricapor unidad de peso o volumen. El flujo de gases es muy uniforme. Reducen las limitaciones causadas por fenmenos de transferencia de materia Se comportan como sistemas casi adiabticos.
La prdida de carga que se produce en el
sistema de depuracin se traduce en
mayores costes de operacin en
aplicaciones estacionarias y en un menor
aprovechamiento de la potencia del
motor en unidades mviles. En este
sentido los catalizadores monolticos
presentan una ventaja decisiva, puesto
que la prdida de carga que se produce en
el sistema utilizando monolitos es de
aproximadamente dos rdenes demagnitud menor que la generada por
catalizadores granulares (ver fig. 8),
cuando se comparan catalizadores con una
superficie geomtrica por unidad de
volumen equivalente.
1
10
10 0
1000
10000
100000
0 2 4 6 8 10
Velocidad lineal, m/s
P,cmH2O/m
reactor
Ergun (Partculas)
Hagen-Poiseuille
(Monolitos)Darcy-Weisbach (Monolitos)
250C
Monolitos 9 celdas/cm2
Partculas, dimetro 3mm
Figura 8. Comparacin del valor de prdida de carga para un
catalizador monoltico y un catalizador conformado en esferasde superficie geomtricaequivalente
Los reactores monolticos operan en la zona de flujo laminar, con un flujo completamente
desarrollado en la mayor parte del reactor (2), con lo que la dispersin axial suele ser
despreciable y se disminuye la posibilidad de formacin 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 paramezclarse una vez que han penetrado en un canal, exige que los gases estn perfectamente
mezclados y bien distribuidos antes de alcanzar el catalizador monoltico.
La transmisin de calor en estas estructuras tiene lugar slo por conduccin a travs del flujo
laminar y de las paredes slidas. Por tanto los monolitos cermicos, que normalmente
presentan una baja conductividad trmica, se comportan generalmente como sistemas
adiabticos (3).
Esta serie de factores han hecho que su uso se haya generalizado para una serie de
aplicaciones. As, en el campo de la proteccin ambiental, los monolitos ocupan un lugar
destacado en los siguientes procesos:
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Eliminacin de contaminantes (HC, CO y NOx) en gases de escape de automviles
(motores de gasolina). Catalizadores TWC.
Eliminacin de xidos de nitrgeno con amoniaco en grandes calderas e instalaciones
industriales. Catalizadores SCR Combustin cataltica de hidrocarburos y monxido de carbono.
Adems de estas aplicaciones cuya implementacin industrial ha sido ampliamente difundida
(4), existen otros procesos en desarrollo, en los que los catalizadores monolticos presentan
grandes posibilidades de aplicacin, como por ejemplo:
Eliminacin de NOx en condiciones oxidantes, utilizando hidrocarburos como reductor
(motores diesel)
Oxidacin fotocataltica de Compuestos Orgnicos Voltiles, VOC.
Depuracin de aguas. Reactores de tres fases.
TECNOLOGA PROPIADesde finales de los aos 80 y a lo largo de los 90, en el Instituto de Catlisis y
Petroleoqumica del CSIC, (Espaa), se ha desarrollado una tecnologa de preparacin de
catalizadores monolticos por extrusin, incluyendo el diseo de diferentes hileras para la
preparacin de catalizadores con distintas caractersticas geomtricas, siendo en la actualidad
uno de los pocos laboratorios pblicos europeos que poseen esta tecnologa (ver figura 2).
La posibilidad de preparar conformados monolticos ha permitido disear los catalizadores
con una perspectiva muy amplia (5), trabajando con materiales tan diferentes como silicatos
naturales, almina, titania, slice, carbn activo e incluso con xido de cromo procedente deresiduos de piel curtida. Todo ello ha llevado a abordar en los ltimos aos el diseo y
fabricacin de diferentes tipos de catalizadores monolticos para su utilizacin en las
diferentes aplicaciones mencionadas en esta monografa.
BIBLIOGRAFA:1. A. Cybulsky and J.A. Moulin Structurated Catalysts and Reactors Ed. Marcell and
Dekker, Inc (1998)
2. S. Irandoust and . Anderson Catal. Rev. Sci. Eng. 30 (1988) 341
3. A. Cybulsky and J.A. Moulin Catal. Rev. Sci. Eng. 36 (1994) 179
4. R.M. Heck and R.J. Farrauto en Catalytic Air Pollution Control. Commercial
Technology"Ed. Van Nostrand Reinhold, N.Y. 19955. J. Blanco, P. Avila, A. Bahamonde, E. Alvarez, M. Yates, J.M.R. Blas and C. Knapp,
Boletn de la Sociedad Espaola de Cermica y Vidrio 36 (2-3) 195-197 (1997)
AGRADECIMIENTOS:Se agradece a la CICYT (proyecto AMB 97-1231-CO2-O2 ) y a la CAM (proyectos
I+D057/94 y 06M/077/96) la ayuda recibida para la realizacin de este trabajo.