Conversión catalítica de n-hexano en olefinas como modelo de la valorización de bioaceites

Abstract

El uso de biomasa lignocelulósica residual (BLR) es una alternativa como fuente renovable para la obtención de productos químicos de alto valor agregado. Industrias locales como la agroindustria mezcalera a base de Agave salmiana genera importantes cantidades de biomasa residual (bagazo) que se puede usar como materia prima en procesos termoquímicos como la pirólisis, donde se lleva a cabo el rompimiento de la estructuras de la biomasa, obteniendo entre otros productos una fracción líquida conocida como bioaceite. Esta compleja mezcla incluye muy diversos compuestos orgánicos y se puede fraccionar para valorizar selectivamente cada fracción. Una alternativa de interés actual es separar parafinas u olefinas de cadena larga, para someterlas a rompimiento en presencia de zeolitas ZSM-5 para producir olefinas ligeras de gran valor en el mercado como etileno, propileno y butileno. En este proceso se debe optimizar el rendimiento y selectividad de las olefinas ligeras, para lo cual se utilizan ZSM-5 modificadas y se optimizan las condiciones de temperatura y tiempo espacial. En este trabajo se usó hexano (n-C6) como molécula modelo para evaluar el efecto de catalizadores modificados a base de ZSM-5, en un reactor de flujo continuo, operado a presión atmosférica (Patm), temperatura (T) de 400-550 C y tiempo espacial (W/F) de 0.357-0.577 gCat·gC6-1·h, a partir de estas condiciones, los resultados mostraron que todas las zeolitas ZSM-5 estudiadas fueron estables hasta por 6 h. A Patm, 500 C y W/F de 0.577 gCat·gC6-1·h Además, la ZSM-5 con mayor acidez, Al/(Si+Al)=0.0322, exhibió una conversión de n-C6 de 84.06%, y la ZSM-5 con menor acidez, (Al/(Si+Al)=0.012), favoreció la mayor selectividad hacia propileno (31%). En relación con la morfología, la comparación de las zeolitas jerárquicas ZSM-5-TPABr y ZSM-5-NaOH con respecto a ZSM-5 a Patm, 500 C y W/F de 0.357 gCat·gC6-1·h, mostró que las zeolitas jerárquicas mejoraron la conversión de n-hexano hasta 90.41%, pero la selectividad a propileno disminuyó a 13 %. Para las condiciones del estudio realizado, los resultados contribuyen a identificar las condiciones de operación y de la morfología y acidez del catalizador, para lograr el mejor balance entre alta conversión de n-C6 y selectividad preferente hacia propileno. Esta información es importante para guiar la conversión de hidrocarburos, y más adelante de oxigenados, para la producción de olefinas.

The use of residual lignocellulosic biomass (RLB) is an alternative as a renewable source for obtaining high value-added chemical products. Local industries such as the Agave salmiana based mezcal agro-industry generate significant amounts of residual biomass (bagasse) that can be used as raw material in thermochemical processes such as pyrolysis, where the biomass structures are broken, obtaining between other products a liquid fraction known as bio-oil. This complex mixture includes many different organic compounds and can be fractionated to selectively valorize each fraction. An alternative of current interest is to separate paraffins or long chain olefins, to subject them to breaking in the presence of ZSM-5 zeolites to produce light olefins of great value in the market such as ethylene, propylene, and butylene. In this process, the performance and selectivity of the light olefins must be optimized, for which modified ZSM-5 are used and the conditions of temperature and space time are optimized. In this work, hexane (n-C6) was used as a model molecule to evaluate the effect of modified catalysts based on ZSM-5, in a continuous flow reactor, operated at atmospheric pressure (Patm), temperature (T) of 400- 550 C and space time (W/F) of 0.357-0.577 gCat gC6-1 h, from these conditions, results showed that all the ZSM-5 zeolites studied were stable for up to 6 h. At Patm, 500 C and W/F of 0.577 gCat gC6-1 h In addition, the ZSM-5 with the highest acidity, Al/(Si+Al)=0.0322, exhibited an n-C6 conversion of 84.06%, and the ZSM-5 with lower acidity, (Al/(Si+Al)=0.012), favored the highest selectivity towards propylene (31%). In relation to morphology, the comparison of the hierarchical zeolites ZSM-5-TPABr and ZSM-5-NaOH with respect to ZSM-5 at Patm, 500 C and W/F of 0.357 gCat gC6-1 h, showed that the hierarchical zeolites improved the n-hexane conversion up to 90.41%, but the selectivity to propylene decreased to 13%. For the conditions of the study carried out, results contribute to identify the operating conditions and the morphology and acidity of the catalyst, to achieve the best balance between high conversion of n-C6 and preferential selectivity towards propylene. This information is important to guide the conversion of hydrocarbons, and later of oxygenates, to produce olefins.