Reactor de goteo con relleno de espuma cerámica para la oxidación catalítica de fenol en agua

Resumen

Las reacciones multifásicas tienen lugar entre reactivos presentes en distintas fases, como consecuencia la velocidad global depende de la cinética de la reacción y de la transferencia de materia entre fases. En los reactores de lecho fijo de goteo, el relleno proporciona una superficie de contacto entre fases adecuada para aumentar la velocidad de transferencia de materia. En esta línea las espumas cerámicas constituyen una generación de nuevos materiales que presentan ciertas propiedades ventajosas para llevar a cabo reacciones heterogéneas, como una elevada superficie geométrica externa, alta porosidad y baja caída de presión. El objetivo principal de la presente Tesis Doctoral consiste en el estudio de las características técnicas y la modelización de un reactor trifásico de lecho fijo de goteo con un relleno de espuma cerámica. Para ello, se ha elegido como reacción modelo la oxidación de fenol catalizada por cobre. El uso de las espumas cerámicas no sólo se limita a los reactores de lecho fijo, sino que se puede extender a otro tipo de reactores, como son los reactores multifásicos de tanque agitado. Por ello, en el presente trabajo también se aborda, de una forma más secundaria, la aplicación de las espumas en un reactor de tanque agitado para la hidrogenación catalítica de m-nitrotolueno. La correcta modelización de los reactores de lecho fijo de goteo requiere del conocimiento de la cinética de la reacción y de los aspectos hidrodinámicos y de transferencia de materia en el relleno de espuma cerámica. Estos temas son los principales aspectos abordados este trabajo. En primer lugar (Capítulo 3) se ha estudiado en un reactor discontinuo la cinética de la oxidación de fenol catalizada por cobre en fase homogénea. Se ha analizado la influencia en la velocidad de la reacción de las principales condiciones de operación (pH, concentración de cobre, presión y temperatura). A partir de los resultados obtenidos se ha propuesto un esquema de reacción y un modelo cinético, determinado por regresión los principales parámetros cinéticos del mismo. En el Capítulo 4, se ha estudiado de forma análoga la oxidación de fenol en fase heterogénea, empleando un catalizador de cobre soportado sobre alúmina. Se ha estudiado la influencia en la velocidad de reacción y la estabilidad del catalizador de los principales parámetros del proceso (pH de la disolución acuosa, temperatura, concentración inicial de fenol, etc.). En el Capítulo 5, se aborda el estudio de la hidrodinámica y la transferencia de materia en un lecho de espuma cerámica para el sistema agua-oxígeno. En ambos casos, se ha trabajado en régimen de goteo, analizando la influencia de las velocidades superficiales del gas y líquido en la retención dinámica de líquido y el coeficiente volumétrico de transferencia de materia. Los resultados experimentales se han correlacionado en función de los números adimensionales relevantes del proceso. En la última parte de este capítulo, se ha estudiado un reactor de tanque agitado en el que las espumas se encuentran ancladas al rodete del agitador. La transferencia de materia se ha comparado con respecto al caso de emplear un agitador convencional (Rushton). En el Capítulo 6, se ha estudiado el comportamiento del reactor de lecho fijo de goteo. Se ha considerado la reacción de oxidación de fenol catalizada en fase homogénea, ya que en los capítulos 3 y 4 se determinó que es la forma más eficaz de operar. Además, se han considerado dos configuraciones de operación en relación con la fase líquida: en discontinuo con recirculación total de líquido y en continuo con recirculación parcial de líquido. Para la primera configuración se ha estudiado la influencia en la velocidad de reacción de la hidrodinámica, la concentración de cobre y la temperatura. Para la segunda configuración se ha estudiado la influencia en la velocidad de reacción del tiempo de residencia, la concentración de cobre, la temperatura y el tipo de relleno (espumas cerámicas y esferas de vidrio). Asimismo, para cada configuración se ha propuesto un modelo utilizando el modelo cinético para la reacción desarrollado en el Capítulo 3 y los modelos hidrodinámicos y de transferencia de materia del Capítulo 5. El modelo se ha validado empleando los resultados experimentales obtenidos en este capítulo. En el Capítulo 7, se ha estudiado la hidrogenación de m-nitrotolueno en un reactor trifásico de tanque agitado. En primer lugar, se ha procedido a la preparación y caracterización de los catalizadores de paladio. En el caso de las espumas se ha estudiado la influencia de la velocidad de agitación en la velocidad global de la reacción. Por último, se han comparado los resultados obtenidos utilizando el catalizador en forma de polvo y un agitador Rushton (sistema convencional).