Reactores catalíticos gas-sólido con calentamiento directo del sólido en campo microondas

Resumen

El objetivo principal de la tesis consiste en explorar la tecnología de microondas como fuente de energía alternativa para la intensificación de los procesos catalíticos heterogéneos en fase gas, mediante el empleo de reactores estructurados. Dentro de los múltiples procesos catalíticos posibles se pretende estudiar procesos de oxidación selectiva de alta relevancia industrial, concretamente la epoxidación de etileno para dar óxido de etileno, y las deshidrogenaciones de propano e isobutano. En particular, la optimización que se propone incluye no sólo el desarrollo de un catalizador activo y selectivo al calentamiento por microondas, sino también el desarrollo de estrategias para el depósito del catalizador y el suministro eficaz de la energía de microondas. Para ello se plantea el diseño de un nuevo tipo de reactor: un reactor estructurado para reacciones sólido-gas catalíticas donde el catalizador pueda calentarse de forma directa mediante radiación de microondas mientras que la masa de gas circulante permanece más fría, con el consecuente ahorro energético y la posibilidad de explotar el gradiente térmico para aumentar la selectividad de la reacción. También se pretende arrojar algo de luz en la naturaleza de los efectos de las microondas en la catálisis, discerniendo los efectos térmicos de los no térmicos. Igualmente, se pretende estudiar distintas metodologías de medida de temperatura con el fin último de poder conocer la temperatura del catalizador con suficiente homogeneidad y precisión cuando se aplica un calentamiento por microondas. La tesis consta de cuatro capítulos principales. En el capítulo 2 se describe la síntesis de un nuevo material basado en plata y óxido de cobre para la epoxidación de etileno. Este catalizador arroja resultados de actividad muy superiores a la gran mayoría de catalizadores presentados en la bibliografía, además de ser selectivo al calentamiento por microondas. En el capítulo 3 se ha aplicado el calentamiento dieléctrico por microondas a la epoxidación de etileno empleando el catalizador descrito en el capítulo 2. Para ello se ha realizado un estudio de la deposición del catalizador en el reactor estructurado, estudiando cómo afecta la distribución del catalizador al calentamiento por microondas y seleccionando unas condiciones óptimas de deposición. Asimismo, se ha desarrollado una metodología de medida de temperatura cuando se emplea calentamiento por microondas que ha permitido obtener, por primera vez, una estimación directa de las temperaturas tanto de la fase sólida como de la fase gas, dando valores concretos al gradiente de temperatura sólido-gas. En los capítulos 4 y 5 se han estudiado las deshidrogenaciones de propano e isobutano aplicando calentamiento por microondas y empleando distintos tipos de reactores estructurados. En este caso gracias al gradiente sólido-gas, se han obtenido, cuando se emplea en calentamiento microondas, selectividades al producto de interés muy superiores a las que se obtienen con calentamiento convencional. En el último capítulo se recogen las conclusiones generales y se presentan las recomendaciones para la investigación futura en este campo.