Zhu, Kunmeng
Menéndez Sastre, Miguel Alejandro (dir.) ; Shen, Xiaodong (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Resumen: Ante el creciente agotamiento de las fuentes de energía fósiles y la gran volatilidad de los precios del crudo, el gas natural ha recibido cada vez más atención como fuente importante de energía fósil limpia y como materia prima química. Los investigadores han estado trabajando en la conversión del metano (CH4), uno de los principales componentes del gas natural, en combustibles líquidos como el formaldehído (HCHO), fáciles de almacenar y transportar y con un alto valor añadido. El reto en la conversión del CH4 es superar la gran estabilidad del enlace C-H del CH4 evitando al mismo tiempo su oxidación excesiva. Por lo tanto, es necesario desarrollar catalizadores de oxidación altamente selectivos y diseñar reactores que puedan suprimir eficazmente la oxidación consecutiva del HCHO. Numerosos estudios han demostrado que el SiO2 puede utilizarse como soporte catalítico para la oxidación catalítica directa del CH4. Los aerogeles de SiO2 son buenos candidatos como materiales de soporte debido a su baja densidad, alta porosidad y alta superficie específica, etc. La dispersión de los centros activos de Fe puede lograr una alta selectividad para HCHO, y la presencia de MoO3 puede ayudar a eliminar los centros activos de hierro en la superficie del catalizador que son perjudiciales para la oxidación selectiva de CH4, y los catalizadores FePOx se pueden utilizar en la oxidación de CH4 con O2, reacción para la que han mostrado alta selectividad. La mezcla completa de partículas de catalizador en un reactor de lecho fluidizado (FBR) permite una transferencia eficiente de calor y masa en comparación con un reactor de lecho fijo. La reducción de la presión parcial de oxígeno en fase gaseosa en la zona de reacción en un reactor de lecho fluidizado de dos zonas (TZFBR) puede mejorar la selectividad hacia el producto objetivo.
En esta tesis, se prepararon materiales candidatos a catalizadores de aerogel de SiO2 (SA), aerogel de Fe-MoOx/SiO2 (FMSA) y aerogel de FePOx/SiO2 (FPSA) mediante los métodos de reflujo térmico y sol-gel en combinación con técnicas de secado supercrítico con etanol. Además, se prepararon materiales catalíticos de FePOx/SiO2 (FPSP) mediante el método de impregnación. El aerogel de SiO2 y sus compuestos presentaban una estructura mesoporosa compuesta por partículas esféricas con una distribución uniforme del tamaño de los poros, y la superficie específica podía alcanzar más de 1000 m2/g. La superficie específica extremadamente alta facilita la dispersión de los componentes activos, y éstos se distribuyeron uniformemente en los compuestos. El rendimiento catalítico del FPSP se comparó con el de los catalizadores compuestos basados en aerogeles de SiO2, y el FPSP se utilizó para pruebas experimentales de reacciones catalíticas en FBR y TZFBR.
La selección entre los catalizadores candidatos se llevó a cabo en un reactor de lecho fijo. Se examinó la influencia de las condiciones experimentales en la reacción catalítica, se comprobó que tras una reacción de pre-oxidación previa al experimento catalítico, y operando a una temperatura de 650°C, un caudal de reacción de 162,5 mL/min, una masa de catalizador de 0,6 g, una relación CH4/O2 de 1/1 y una fracción molar de agua en la alimentación del 62%, el catalizador 4-FPSA basado en aerogeles esféricos de SiO2 obtuvo una mayor selectividad de HCHO y los catalizadores 4-FPSP con tamaños de 160~315 ¿m obtuvieron mayores rendimientos de HCHO. Los catalizadores 4-FPSP se utilizaron en FBR y TZFBR. Se analizó la influencia del tamaño del catalizador, la presión parcial de oxígeno y el caudal en la reacción catalítica en FBR, así como la influencia de parámetros experimentales del proceso como el soporte del catalizador, el punto de introducción del CH4, la introducción de gas diluyente inerte y el caudal en la reacción catalítica en TZFBR. La reacción catalítica en TZFBR alcanzó una mayor selectividad a HCHO (2,18 veces) y un mayor rendimiento a HCHO (1,46 veces) en comparación con FBR.
Resumen (otro idioma):
En esta tesis, se prepararon materiales candidatos a catalizadores de aerogel de SiO2 (SA), aerogel de Fe-MoOx/SiO2 (FMSA) y aerogel de FePOx/SiO2 (FPSA) mediante los métodos de reflujo térmico y sol-gel en combinación con técnicas de secado supercrítico con etanol. Además, se prepararon materiales catalíticos de FePOx/SiO2 (FPSP) mediante el método de impregnación. El aerogel de SiO2 y sus compuestos presentaban una estructura mesoporosa compuesta por partículas esféricas con una distribución uniforme del tamaño de los poros, y la superficie específica podía alcanzar más de 1000 m2/g. La superficie específica extremadamente alta facilita la dispersión de los componentes activos, y éstos se distribuyeron uniformemente en los compuestos. El rendimiento catalítico del FPSP se comparó con el de los catalizadores compuestos basados en aerogeles de SiO2, y el FPSP se utilizó para pruebas experimentales de reacciones catalíticas en FBR y TZFBR.
La selección entre los catalizadores candidatos se llevó a cabo en un reactor de lecho fijo. Se examinó la influencia de las condiciones experimentales en la reacción catalítica, se comprobó que tras una reacción de pre-oxidación previa al experimento catalítico, y operando a una temperatura de 650°C, un caudal de reacción de 162,5 mL/min, una masa de catalizador de 0,6 g, una relación CH4/O2 de 1/1 y una fracción molar de agua en la alimentación del 62%, el catalizador 4-FPSA basado en aerogeles esféricos de SiO2 obtuvo una mayor selectividad de HCHO y los catalizadores 4-FPSP con tamaños de 160~315 ¿m obtuvieron mayores rendimientos de HCHO. Los catalizadores 4-FPSP se utilizaron en FBR y TZFBR. Se analizó la influencia del tamaño del catalizador, la presión parcial de oxígeno y el caudal en la reacción catalítica en FBR, así como la influencia de parámetros experimentales del proceso como el soporte del catalizador, el punto de introducción del CH4, la introducción de gas diluyente inerte y el caudal en la reacción catalítica en TZFBR. La reacción catalítica en TZFBR alcanzó una mayor selectividad a HCHO (2,18 veces) y un mayor rendimiento a HCHO (1,46 veces) en comparación con FBR.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: ingeniería y tecnología químicas ; ingeniería y tecnología del medio ambiente ; catálisis ; materiales compuestos
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y del Medio Ambiente
Plan(es): Plan 515
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 29 09 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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Registro creado el 2024-02-16, última modificación el 2024-02-16
