Evaluación catalítica de ZSM-5, Al-MCM-41 y sistema combinado ZSM-5Al-MCM-41 mediante reacciones de catálisis ácida

Abstract

Resumen En el presente trabajo se sintetizaron la zeolita ZSM-5, el tamiz molecular mesoporoso Al-MCM-41 y un material combinado ZSM-5-Al-MCM-41. Estos tres sólidos fueron comparados con una mezcla mecánica (ZSM-5//Al-MCM-41) preparada mezclando cantidades iguales de zeolita y mesoporoso. Los cuatro materiales fueron caracterizados por fisisorción de nitrógeno, difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido en conjunto con energía dispersiva de rayos X para el análisis químico. La evaluación catalítica fue realizada utilizando reacciones modelo basadas en la transformación de aromáticos, alcanos y olefinas, específicamente la transformación de m-xileno, n-hexano, 3-metilpentano y 1-buteno. La caracterización de los sólidos mostró que se obtuvieron las fases de ZSM- 5 y de Al-MCM-41 con las propiedades esperadas. En cuanto al material combinado, presentó características particulares que indicaron su naturaleza micro y mesoporosa. La transformación de m-xileno se realizó a 370 ºC bajo condiciones que permitieran comparar el comportamiento del material combinado con las fases puras en condiciones favorables a la reactividad de la fase correspondiente denominadas “condiciones de zeolita” (velocidad espacial VEHP de 40 h-1 y relación Nitrógeno/m-xileno de 4) y “condiciones de mesoporoso” (velocidad espacial VEHP de 8 h-1 y relación Nitrógeno/m-xileno de 1,5). A la mayor velocidad espacial y mezcla de alimentación más diluida, sólo la zeolita y la mezcla mecánica mostraron actividad. La disminución de la velocidad espacial y uso de alimentación más concentrada (condiciones más severas), permitió obtener conversiones del orden del 3 % para el material combinado y el mesoporoso, mientras que para la zeolita y la mezcla mecánica se obtuvo un aumento notable en la conversión y una menor relación p-xileno/o-xileno en comparación a las “condiciones de zeolita”. Para los sólidos Al-MCM-41 y ZSM-5-Al- MCM-41, la relación p-xileno/o-xileno se fijó como 1, debido a la ausencia de limitaciones difusionales de estos isómeros dado el tamaño de poro de los materiales. A partir de la transformación de n-hexano y de 3-metilpentano a 500 ºC, se determinó el índice de restricción de los cuatro sólidos. La zeolita ZSM-5 y la mezcla mecánica presentaron valores mayores a 1, mientras que para el Al-MCM-41 y el material combinado se obtuvieron valores menores o iguales a 1, indicando diferentes características estructurales de los sólidos evaluados. La transformación de 1-buteno fue realizada a 470 ºC, obteniéndose el siguiente orden de conversión total del hidrocarburo: ZSM-5 > ZSM-5//Al-MCM-41 ≈ ZSM-5-Al-MCM-41 >> Al-MCM-41 y el siguiente orden de selectividad hacia la formación de isobuteno: Al-MCM-41 > ZSM-5//Al-MCM-41 > ZSM-5-Al-MCM-41 > ZSM-5. Los sólidos más activos fueron más selectivos hacia la formación de productos de craqueo, indicando una acidez más fuerte. Se evaluó la estabilidad catalítica de los sólidos Al-MCM-41 y ZSM-5-Al-MCM-41, realizando pruebas de 48 horas de duración, con regeneración del catalizador en corriente de aire y posterior uso del catalizador regenerado en las mismas condiciones de reacción y tiempo que el catalizador fresco. Ambos sólidos son activos después de la regeneración, obteniéndose mayor estabilidad con el sólido Al-MCM-41 debido probablemente a la menor conversión lograda.