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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: pavila@icp.csic.es

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.html

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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.