Desactivación de catalizadores de reformado de gas natural por sintering inducido

Abstract

El reformado de gas natural con vapor de agua es el proceso industrial más extendido para la producción de gas de síntesis (H2 + CO). Los catalizadores en base a níquel son ampliamente utilizados en el reformado con vapor y están sujetos a tres tipos de desactivación; sintering, formación de carbono y envenenamiento con azufre. El proyecto está enfocado en la desactivación por sintering fenómeno que se refiere al crecimiento de las partículas metálicas e indirectamente está relacionado con la resistencia del catalizador hacia la formación de carbono y el envenenamiento con azufre. Específicamente se considera la influencia del tiempo, la temperatura y la morfología del soporte para determinar el comportamiento del sintering de catalizadores. Con los datos obtenidos se identifica los mecanismos dominantes y parámetros cinéticos en los catalizadores seleccionados. Es así que, en el presente trabajo, se prepararon catalizadores de níquel soportado sobre α-Al2O3 y γ-Al2O3 por el método de impregnación; asimismo, también se utilizó un catalizador comercial (Ni/CaO-Al2O3). Los catalizadores fueron sometidos a condiciones de sintering inducido en atmósfera de H2 y H2O en un reactor de lecho fijo con flujo continuo, y evaluados a diferentes temperaturas y tiempos de sintering. Los catalizadores sin desactivar y los desactivados por sintering se analizaron mediante difracción de rayos X (DRX); esto se hizo para determinar las características de las partículas de níquel de los catalizadores. Posteriormente, a partir de ecuaciones semi-empíricas de los diferentes modelos hallados en literatura, se estiman que los mecanismos de crecimiento de partículas de níquel. Asimismo, se profundiza en el comportamiento asociado al crecimiento de partícula mediante la estimación de parámetros cinéticos de los catalizadores. Los resultados indican que el mayor crecimiento de níquel se presenta en el catalizador de Ni/αAl2O3 con 151% de aumento del tamaño seguido del catalizador de Ni/γ-Al2O3 con un aumento de 141% del tamaño inicial; el catalizador de menor crecimiento de níquel es el catalizador comercial (Ni/CaO-Al2O3) con 124% de incremento de tamaño de níquel; sin embargo, todos tienen un comportamiento similar hasta llegar a su estabilización. Asimismo, a partir de los valores de la dispersión de níquel en el soporte se encuentran aproximaciones de parámetros cinéticos (la dispersión en equilibrio, la constante de sintering y la energía de activación) usando ecuaciones potenciales. Se encontró que, para todos los catalizadores, la magnitud de la dispersión de equilibrio depende principalmente del tiempo, mientras que la constante de sintering (ks) depende de la temperatura. Los valores estimados de las energías de activación del proceso de sintering de los catalizadores, a partir de la ecuación de Arrhenius, son de 13.88 kcal/mol para el catalizador de Ni/α-Al2O3, de 8.46 kcal/mol para el catalizador de Ni/γ-Al2O3, y de 4.66 kcal/mol para el catalizador comercial. Para la identificación del proceso controlante del crecimiento de partícula de níquel se usó la ecuación (general power-law: SPLE) encontrando que el proceso interfacial es el dominante durante el proceso de sintering para todos los catalizadores estudiados. Finalmente cabe estacar que el catalizador de Ni/γ-Al2O3 presenta características catalíticas más favorables de entre los catalizadores preparados dado que presenta un menor porcentaje de crecimiento de partícula que favorece a una mayor estabilidad térmica y su alta área superficial (alrededor de 100 m2/g) facilita la dispersión de níquel, lo cual proporciona mayor cantidad de sitios activos.