Oxidación catalítica

¿Qué es?

Los oxidantes catalíticos funcionan de manera muy similar a los oxidantes térmicos, con la principal diferencia de que el gas, después de pasar por el área de la llama, pasa a través de un lecho de catalizador. El catalizador tiene el efecto de aumentar la velocidad de la reacción de oxidación, lo que permite la conversión a temperaturas de reacción más bajas que en las unidades de oxidación térmica. Por tanto, los catalizadores también permiten utilizar oxidantes más pequeños. El principio se ilustra en la Figura 1.

El gas residual se calienta mediante quemadores auxiliares a aproximadamente 300–500 ° C antes de ingresar al lecho del catalizador. La temperatura máxima de diseño del gas residual del catalizador suele ser de 500 a 700 ° C. Hay catalizadores de baja temperatura que funcionan a temperaturas de 200 a 250 ° C.

El método de poner en contacto la corriente de gas con el catalizador sirve para distinguir los sistemas de oxidación catalítica. Se utilizan tanto sistemas de lecho fijo como de lecho fluidizado.

Los catalizadores para la oxidación de COV son típicamente metales preciosos, como platino, paladio y rodio, soportados sobre cerámica o metal, o metales base soportados sobre gránulos cerámicos, óxidos metálicos simples o mixtos, a menudo soportados por un portador mecánicamente fuerte, como óxidos de cobre, cromo, manganeso, níquel, cobalto, etc. Los catalizadores a base de platino son activos para la oxidación de COV que contienen azufre, mientras que se desactivan rápidamente por la presencia de cloro.
La presencia de venenos del catalizador o agentes de enmascaramiento (cegamiento) en la corriente de gas residual, como partículas o productos químicos reactivos, puede tener un impacto significativo en la vida útil del catalizador. El envenenamiento por cegamiento puede ser reversible, por ejemplo, el revestimiento de la superficie del catalizador con aceites o grasas reduce su eficacia, pero el revestimiento puede quemarse aumentando la temperatura. Sin embargo, si ciertos productos químicos están presentes, el envenenamiento del catalizador se vuelve irreversible.

Al igual que con la oxidación térmica, se utilizan oxidantes catalíticos rectos, oxidantes catalíticos regenerativos y oxidantes catalíticos recuperativos.

Las condiciones normales de funcionamiento de los oxidantes catalíticos incluyen:
  • gas natural como combustible preferido (cuando se necesita combustible adicional);
  • un quemador distribuido como quemador adecuado;
  • cámaras construidas de acero inoxidable o acero al carbono;
  • una sección de quemador con una longitud suficiente para proporcionar un flujo uniforme y una distribución de temperatura a través de la superficie del catalizador;
  • perfil de flujo plano a través de la superficie del catalizador;
  • el gas residual se mueve a través del lecho de catalizador en "flujo pistón" con un mínimo de retromezclado;
  • un tiempo de residencia típico de 0.3 a 0.5 segundos.
Al igual que con la oxidación térmica, puede ser necesario algún tratamiento previo de los gases residuales, como la condensación del vapor de agua de un gas residual húmedo, la eliminación de sólidos y líquidos y, típico del sistema catalítico, la eliminación de los venenos del catalizador.

Diseño, mantenimiento y eficiencia

La oxidación catalítica debe diseñarse de tal manera que se facilite la eliminación del catalizador con fines de limpieza o sustitución. Los oxidantes catalíticos deben inspeccionarse periódicamente y, si es necesario, limpiarse para mantener un buen rendimiento y eficiencia. Cuando ocurren deposiciones excesivas, se deben tomar acciones preventivas limpiando (parcialmente) el gas entrante antes de que ingrese al oxidante.

La temperatura del lecho del catalizador, la caída de presión a través del lecho del catalizador, la temperatura de combustión y el contenido de monóxido de carbono y oxígeno de la corriente de gas efluente deben controlarse para mantener las condiciones óptimas de combustión.

La oxidación catalítica es más adecuada para sistemas con menores volúmenes de gases residuales, cuando hay poca variación en el tipo y concentración de COV, y donde no están presentes los venenos del catalizador u otros contaminantes incrustantes.

Aplicabilidad

La oxidación catalítica se utiliza principalmente para la eliminación de COV de la evaporación de solventes. Los ejemplos de implementación son:
  • Estaciones de combustible de carga a granel;
  • Producción de productos químicos orgánicos;
  • Producción de caucho y polímeros;
  • Producción de resina;
  • Aplicación y secado de recubrimientos cargados de solventes.

Tabla 1 muestra los límites de aplicación y las restricciones asociadas con la oxidación catalítica (adaptado de EIPPCB, 2016, Tabla 3.209).

Tabla 1. Límites y restricciones de aplicación asociados con la oxidación catalítica.
Inconveniente Límites / Restricciones
Flujo de gas (Nm3/marido) 1200-90000 (oxidante directo y regenerativo)
90-90000 (oxidante térmico recuperativo)
Temperatura (° C) 300-500 antes del catalizador
500-700 después del catalizador
Presión (MPa) Atmosférico
Caída de presión (mbar) 10 - 50
Contenido de partículas (Nm3/marido) <3
Tiempo de residencia (s) 0.3 - 0.5 (depende del volumen del lecho del catalizador)

Referencias

EIPPCB (2016). Documento de referencia sobre las mejores técnicas disponibles (MTD) para los sistemas comunes de tratamiento / gestión de aguas residuales y gases residuales en el sector químico. Informe del CCI sobre ciencia por políticas.
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