Oxidación catalítica de compuestos gaseosos

Roberto Aguilar y Rafael Porcuna

Máster Ingeniería AmbientalTratamiento Avanzado de Emisiones Gaseosas

Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos

ÍNDICE

1. Introducción.........................................................................................................................2

1.1 La Atmósfera................................................................................................................2

1.2 Contaminación Atmosférica.........................................................................................2

2. Compuestos Orgánicos Volátiles..........................................................................................3

2.1 Definición y fuentes de emisión de COVs.....................................................................3

2.2 Efectos de los COVs en el medio ambiente y la salud..................................................5

2.3 Compuestos Orgánicos Volátiles y la Oxidación Catalítica...........................................6

3. Fundamento Teórico Oxidación Catalítica............................................................................8

3.1 Condiciones del Catalizador.......................................................................................11

3.2 Método de Contacto entre el Catalizador y el gas contaminado................................13

4. Usos Oxidación Catalítica...................................................................................................16

4.1 Ventajas Oxidación Catalítica (EPA)............................................................................17

4.2 Limitantes Oxidación Catalítica (EPA).........................................................................17

5. Convertidor Catalítico en Coches...................................................................................18

6. Bibliografía.....................................................................................................................19


1. Introducción

1.1La Atmósfera

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea nuestro planeta, aislándolo del espacio

exterior. Se trata de un sistema dinámico muy complejo en el que se producen gran cantidad

de fenómenos y procesos. La atmósfera es fundamental para la vida, pues:

- Absorbe los rayos cósmicos y gran parte de la radiación ultravioleta.

- Desempeña un papel fundamental en el mantenimiento del balance térmico de la

Tierra.

- Es un componente básico del ciclo hidrológico.

- Es una fuente de determinados compuestos necesarios para la vida.

Por su idóneo mantenimiento es necesario conseguir elevados niveles de calidad en la

misma. A continuación se presenta una tabla donde se recogen los componentes que

componen la atmósfera y en la concentración típica en la que se encuentran.

Componente Concentración aproximada (% en volumen)Nitrógeno (N2) 78,08Oxigeno (O2) 20,95Dióxido de carbono (CO2) 0,0314Argón (Ar) 0,934Neón (Ne) 0,00182Helio (He) 0,000524Criptón (Kr) 0,000114Xenón (Xe) 0,0000087Hidrógeno (H2) 0,00005Metano (CH4) 0,0002Óxido nitroso (N2O) 0,000025

Tabla 1. Composición del aire natural seco (Mendoza Roca et al. 1998)

1.2Contaminación Atmosférica

La calidad del aire y su composición pueden verse alteradas por la actividad humana o por

procesos naturales y entonces se hablará de problemas de contaminación atmosférica. En

España, la ley 34/2007 de calidad del aire y protección de la atmósfera, define la

contaminación atmosférica como “la presencia en el aire de sustancias que puedan tener


efectos nocivos sobre la salud humana, el medioambiente en su conjunto y demás bienes de

cualquier naturaleza”.

De acuerdo con esta definición, un contaminante no es necesariamente una sustancia

extraña a la composición habitual del aire, sino aquella que se encuentre en una proporción tal

que pueda afectar de alguna manera a los seres vivos o al medio.

2. Compuestos Orgánicos Volátiles

Entre los distintos contaminantes atmosféricos, unos de los más difíciles de controlar son

los compuestos orgánicos volátiles.

2.1Definición y fuentes de emisión de COVs

Los compuestos orgánicos volátiles se definen como aquellos compuestos de carácter

orgánico que a 293,15 K (20°C) tienen una presión de vapor de 0,01 kPa o más, o aquellos que

tienen una volatilidad equivalente en las condiciones particulares de uso.

Así, son todos aquellos hidrocarburos que se presentan en estado gaseoso a la

temperatura ambiente normal o que son muy volátiles a dicha temperatura. Suelen presentar

una cadena con un número de carbonos inferior a doce y pueden contener otros elementos

como oxígeno, flúor, cloro, bromo, azufre o nitrógeno.

Existe una gran variedad de ellos, superando el millar, pero los más abundantes en el aire

son metano, tolueno, n-butano, i-pentano, etano, benceno, n-pentano, propano y etileno

(Neus Blanch Raga, 2014).

La Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. (EPA) dio la siguiente definición para los

COVs: “cualquier compuesto de carbono, con exclusión del monóxido de carbono, dióxido de

carbono, ácido carbónico, carburos metálicos o carbonatos y carbonato de amonio, que

participa en reacciones fotoquímicas atmosféricas. Esto incluye cualquier compuesto orgánico

distinto de los compuestos que que tienen reactividad fotoquímica despreciable (por ejemplo

se incluyen como COVS, metano, etano, cloruro de metileno,...)”. Según esta definición una

amplia variedad de compuestos orgánicos, tales como alifáticos, hidrocarburos aromáticos y

clorados, aldehídos, cetonas, ésteres, ácidos orgánicos y alcoholes pueden ser considerados

como COVs.


Los compuestos orgánicos volátiles tienen unas propiedades características que pueden

causar efectos negativos sobre la salud y el medio ambiente (Ministerio de Agricultura). Estas

propiedades son:

- Volatilidad: Por definición los COVs son compuestos orgánicos que se evaporan

rápidamente, pues tienen una temperatura de ebullición baja. Esto permite que pasen

rápidamente a la atmósfera, contaminándola y generando importantes riesgos para la

salud, siendo la inhalación la principal vía de entrada al organismo de estos compuestos.

- Liposolubilidad: Los COVs son moléculas orgánicas y la mayor parte de ellas son

liposolubles. Presentan afinidad por las grasas por lo que se acumulan en los tejidos grasos

del cuerpo humano.

- Inflamabilidad: Generalmente los COVs son compuestos inflamables, es decir, arden con

facilidad en contacto con el aire. Por ello suponen un riesgo importante en caso de

incendio.

- Toxicidad: Las propiedades tóxicas de los COVs dependen de cada compuesto y de las

condiciones de exposición. A corto plazo pueden causar reacciones alérgicas o mareos y en

exposiciones más prolongadas se relacionan con lesiones neurológicas y otros efectos

psiquiátricos como irritabilidad, la falta de memoria o la dificultad de concentración.

Como todos los contaminantes, los COVs tienen dos orígenes, natural y antropogénico. El

COV natural más común es el metano, un gas de efecto invernadero generado por la

descomposición de la materia orgánica o por los procesos de digestión y defecación de

animales (especialmente del ganado). Otros COVs de origen natural son los aceites esenciales

constituidos por terpenos, como el isopreno, el pineno y el limoneno. Por otra parte, las

emisiones antropogénicas son debidas principalmente a la evaporación de disolventes

orgánicos y al transporte.


Figura 1. Consejería de Medio Ambiente de Andalucía, 2011

Como se muestra en la imagen anterior, en la que se refleja el origen los COVs en la

provincia de Andalucía, la mayor parte de los COVs generados proceden del uso de disolventes

y del tratamiento y eliminación de residuos.

Los COVs se pueden clasificar de diversas formas. La mayoría de fuentes oficiales los

clasifica en dos grupos, metano (CH4) y compuestos orgánicos volátiles distintos del metano

(COVNM).

2.2Efectos de los COVs en el medio ambiente y la salud

La principal problemática ambiental de las emisiones de COVs radica por un lado en su

propia peligrosidad, pero también en el hecho de que estos compuestos reaccionan en la

atmósfera con los óxidos de nitrógeno (NOx) en presencia de radiación solar ultravioleta,

dando lugar a la contaminación fotoquímica (Neus Blanch Raga, 2014).

El mecanismo de formación de los contaminantes fotoquímicos es el siguiente: el NO

emitido se oxida a NO2 por el O2 atmosférico cuando la radiación solar es muy intensa. El NO2

absorbe esa radiación y se disocia produciendo NO y oxígeno atómico. El oxígeno atómico

formado es muy reactivo y se combina con el oxígeno molecular del aire dando lugar a la

formación de ozono.

Debido a su alto poder oxidante el ozono puede participar en numerosas reacciones,

oxidando los hidrocarburos presentes en el aire e iniciando un ciclo muy complejo en el que se

producen cetonas, aldehídos, ácidos peróxidos, etc. La condensación de estos compuestos


origina aerosoles fuertemente irritantes, que junto con el ozono troposférico, forman el

denominado smog fotoquímico.

El smog fotoquímico produce irritación de ojos, garganta y vías respiratorias, reducción de

la visibilidad y daños en las hojas de las plantas y junto con el ozono, puede atacar el tejido

vivo de plantas y animales e incluso lesionar el sistema nervioso central en caso de dosis altas y

continuadas.

Por otra parte, además de participar en la generación del smog fotoquímico, algunos

compuestos orgánicos volátiles también causan problemas directos sobre los seres vivos.

Tal y como se ha comentado anteriormente, muchos de estos compuestos son

liposolubles, y gracias a su afinidad por las grasas se acumulan en diversas partes del cuerpo

humano. Sus efectos son variados y dependen del compuesto y del periodo al que se ha estado

expuesto. A corto plazo tienen efectos irritantes en los ojos y en el tracto respiratorio,

pudiendo desencadenar también reacciones asmáticas. A largo plazo pueden dañar el hígado,

los riñones o el sistema nervioso central. Algunos además son carcinógenos, como por ejemplo

el benceno, y pueden dañar el intestino delgado.

2.3 Compuestos Orgánicos Volátiles y la Oxidación Catalítica

Existen varias técnicas para la reducción de las emisiones de COV.

Hoy en día, los métodos más comunes son la oxidación térmica y la oxidación catalítica.

En la oxidación total de los COV, las moléculas de este se transforman en CO2 y H2O. Para

romper las moléculas de los COV y oxidarlos a dióxido de carbono y agua, es necesario

superar la energía de activación de esta reacción. Para ello, se requiere una cierta cantidad de

energía necesaria para que la temperatura de la corriente de aire que contiene moléculas de

COV se eleve hasta un cierto punto donde ocurre la reacción (normalmente son temperaturas

superiores a 760 ° C) (Cooley, 2002).

El mayor problema para que se produzca oxidación es la baja concentración de COV en el

gas a tratar, la cual se encuentra normalmente en el intervalo de 0,1 a 10 g / Nm3.

Para poder llevar a cabo la oxidación de una concentración de COV tan reducida, una

enorme cantidad de aire debe ser calentado a una temperatura a la cual las reacciones pueden

desarrollarse superando la barrera impuesta por la energía de activación).


En numerosos casos, la energía contenida en los COV no es lo suficientemente alta como

para mantener la oxidación de foma continua, necesitando una gran cantidad de energía para

mantener el proceso.

El calentamiento de una corriente de gas de 10.000 Nm3 / h a la temperatura de oxidación

térmica (alrededor de 800 °C) requiere un aporte energético muy alto. Si se utiliza un buen

intercambiador de calor, con el cual el 90% de la energía pueda ser transferida a la corriente

de gas entrante, el aporte energético de apoyo necesario para desarrollarse la reacción sería

cercano a 2,8 MW. Si además se tiene en cuenta que esta energía podría venir de la

combustión de un combustible fósil, estaríamos contaminando mediante la expulsión de CO2 a

la atmósfera.

En la oxidación total, las moléculas de COV se transforman en CO2 y H2O. Para romper las

moléculas COV y oxidar a dióxido de carbono y agua, que significa para superar la energía de

activación de esta reacción, se requiere una cierta cantidad de energía, por lo que la

temperatura de la corriente de aire que contiene moléculas de COV que debe elevar hasta un

cierto punto - típicamente superior a 760 ° C (Cooley, 2002).

El proceso descrito corresponde a una oxidación térmica convencional, la cual se produce

en presencia de un oxidante térmico (el oxígeno del aire normalmente) y con un sistema a alta

temperatura (por ejemplo, llamas directas, antorcha de plasma o calentamiento indirecto

mediante cámara térmica).

Una forma de reducir los costos de combustible es la oxidación catalítica. En este caso, la

misma reacción se produce en un lecho de catalizador y la barrera de energía de activación es

notablemente menor, por lo que la temperatura requerida es significativamente más baja –

comenzando normalmente a producirse la reacción en torno a 205 y 260 °C (Cooley, 2002).

Además, la presencia del catalizador posibilita una reacción más rápida, disminuyendo el

tiempo de reacción y por tanto el tiempo de residencia, pudiendo utilizar de este modo

equipos de menor volumen.


Figura 2. Comparación Oxidación Térmica y Catalítica de COV.

Como puede verse en la imagen superior, la presencia del catalizador disminuye la energía

de activación necesaria para que se produzca la reacción de oxidación de los compuestos

orgánicos volátiles y de ese modo reduce la temperatura necesaria a alcanza.

Mediante el uso de un catalizador en el proceso de oxidación, la energía necesaria para

llevar a cabo el proceso puede reducirse hasta en un tercio con respecto a la energía en la

oxidación térmica.

3. Fundamento Teórico Oxidación Catalítica

Los Oxidantes catalíticos operan de una manera muy similar a los Oxidantes térmicos, con

la diferencia principal de que el gas, después de atravesar el área a alta temperatura, pasa a

través de un lecho de catalizador.

La Oxidación Catalítica se basa en la utilización de catalizadores que provocan o aceleran

las reacciones químicas que transforman los compuestos combustibles (sin participar

directamente ellos mismos), permitiendo que las reacciones ocurran a temperaturas mucho

más bajas que en otros sistemas, requiriendo un aporte energético menor y con un tiempo de

residencia más corto dentro del reactor.

Para llevar a cabo este proceso, se calienta una mezcla de la corriente de gas con aire u

oxígeno y se hace pasar por una capa catalizadora. Dicha capa incrementa la tasa de oxidación,

lo que posibilita la conversión a temperaturas de reacción más bajas que en unidades de

oxidación térmica convencional.


El oxígeno y los COV emigran hacia la superficie del catalizador por medio de difusión

gaseosa y son adsorbidos en los centros activos del catalizador sobre la superficie de este,

donde de forma inmediata ocurre la oxidación.

Figura 3. Esquema Oxidación Catalítica COVs

Los productos de la reacción de oxidación a su vez son desorbidos de los centros activos

activos por el gas y transferidos de vuelta por difusión hacia la corriente gaseosa.

Al permitirse que la reacción de oxidación tenga lugar a temperaturas mucho más bajas

que en la oxidación térmica convencional, los costes de operación debidos al consumo

energético son muy inferiores a los de esta.

También se reducen los costes de equipos porque requieren una menor cantidad de

material aislante y los materiales de construcción son más baratos. Además, el tiempo

necesario para la puesta en marcha y parada de un equipo de oxidación catalítica es muy

inferior al de una oxidante a térmica debido a las respectivas temperaturas de funcionamiento.

Los factores de diseño de mayor importancia para la oxidación catalítica incluyen:

- La temperatura (una temperatura de funcionamiento lo suficientemente alta como

para oxidar el gas residual en el catalizador).


- El tiempo de residencia (tiempo de residencia suficiente en el lecho de catalizador para

que se produzca la reacción de oxidación).

- La turbulencia o mezcla de aire de combustión con el gas de desecho.

- La concentración de los gases combustibles a eliminar.

- Las características del catalizador.

- La presencia de agentes de enmascaramiento en el gas residual que puedan reducir la

eficacia del lecho de catalizador.

Figura 4. Oxidante Catalítico (Anguil Environmental Systems Inc.)

En un oxidante catalítico, la corriente de gas es introducida a una cámara de mezclado

donde también es calentada.

Comúnmente en la combustión catalítica se aprovecha el calor de los gases residuales que

salen previa eliminación de los COVs. El gas de desecho generalmente pasa a través de un

intercambiador recuperativo de calor donde es precalentado por un gas de post-combustión.

El gas calentado atraviesa posteriormente el lecho de catalizador.

Para reducir el consumo de combustible requerido para la oxidación, los oxidantes

catalíticos pueden tener alguna forma de recuperación de calor. El porcentaje de recuperación

de calor en el diseño de oxidantes catalíticos generalmente aumenta con la disminución de la

concentración de entrada de contaminantes combustibles.

La recuperación de calor puede ser o bien regenerativo o recuperativo. En la recuperación

de calor regenerativo, los gases de escape calientes y los gases fríos de entrada se pasan

alternativamente a través de un lecho fijo, normalmente empleando cerámica.

En la tecnología de calor por recuperación, se recupera calor haciendo pasar los gases de

escape calientes a través de un intercambiador de calor aire-aire sin contacto para calentar el

aire entrante para el oxidante.


Un aumento de la temperatura también aumenta la velocidad de reacción ya que el nivel

promedio de la energía de las moléculas también aumenta y una mayor fracción poseerá la

energía de activación necesaria para la reacción. Sin embargo, los costes operativos

aumentarán y subproductos no deseados pueden formarse a altas temperaturas.

El uso de un catalizador ofrece una ventaja adicional, su selectividad, ya que a menudo

suprime la formación de subproductos de reacción. Esto resulta en un uso óptimo de los

reactivos y en una reducción de la corriente de desechos (Everaert y Baeyens, 2004).

La aplicación de un sistema de oxidación térmica o un sistema de oxidación catalítica sin

recuperador de calor en la actualidad es muy inusual. Pero es importante anotar, que la

economía de combustible es parcialmente compensada por el incremento en los costos del

mantenimiento de la operación (se requiere limpieza periódica del equipo y el reemplazo del

catalizador de forma periódica).

Los catalizadores experimentan una gradual pérdida de actividad por envejecimiento

térmico, ensuciamiento y erosión de sus superficies. Ciertos contaminantes venenosos, tales

como, fósforo, arsénico, antimonio, plomo y zinc, también causan la desactivación.

La oxidación catalítica no es recomendada para gases residuales que contengan

cantidades significativas de material particulado que no pueda ser vaporizado. La materia

particulada puede cubrir el catalizador rápidamente de manera que los centros activos del

catalizador están inoperativos y no pueden participar en la oxidación de los contaminantes en

la corriente de gas.

Este efecto de la materia particulada sobre el catalizador, con el paso del tiempo

desactivará el catalizador. Esto es debido a que toda la superficie activa del catalizador está

contenida en poros relativamente pequeños, donde puede alojarse la materia particulada

inhabilitando la entrada a ese poro y taponándolo (EPA, 1998: Environmental Protection

Agency - la Agencia para la Protección del Ambiente en EE. UU.).

No existen reglas generales con respecto a la concentración y tamaño de la materia

particulada que puede ser tolerada por los catalizadores, porque el tamaño de los poros y el

volumen de los catalizadores varían ampliamente.

3.1 Condiciones del Catalizador

Los catalizadores basados en los metales nobles Pt, Pd, Au y Ag son generalmente muy

buenos oxidantes. Los más utilizados en la oxidación de COVs son Pt y Pd (S. Scirè et al). Pero


aunque los metales nobles son muy activos y selectivos, la presencia de Cl2 en el medio de

reacción puede causar la desactivación de estos catalizadores. Además, la baja disponibilidad y

el elevado coste de estos metales, hace que sus aplicaciones sean reducidas.

Los catalizadores que se utilizan comúnmente son de metal -por ejemplo de platino,

paladio o rodio, sustentados en cerámica o metal- o metales base sustentados en pastillas de

cerámica, óxidos de metal sencillos o combinados, a menudo sustentados por un portador

fuertemente mecánico como, por ejemplo, óxidos de cobre, cromo, manganeso, níquel y

cobalto, entre otros.

La tendencia es a utilizar diversos tipos de óxidos metálicos (Gervasini et al.) tanto simples

(como el óxido de cromo) como mixtos (como las perovskitas). Para ambos tipos de

catalizadores la desactivación es uno de sus grandes inconvenientes. Por ejemplo, los óxidos

de cromo son muy activos, pero su aplicación se restringe a operar a temperaturas muy bajas

porque a altas temperaturas se forman oxicloruros de cromo, que además de desactivar el

catalizador son compuestos muy tóxicos.

Otro óxido muy utilizado como catalizador es el óxido de cerio. El problema de éste según

es que los óxidos de cerio no son estables térmicamente y se desactivan en pocas horas debido

a la fuerte adsorción de las especies HCl y Cl2 en el catalizador. No obstante, si se modifica el

CeO2 con otros óxidos metálicos, especialmente con ZrO2, mejora tanto la actividad catalítica

como su resistencia térmica.

Recientemente, también se han propuesto como catalizadores activos para la oxidación

de COVs catalizadores basados en zeolitas, obteniéndose unos resultados bastante

interesantes. La actividad de este tipo de catalizadores se atribuye principalmente a la elevada

acidez del material, aunque influyen también otros factores como la topología de la estructura

zeolítica.

Es posible mejorar la actividad de las zeolitas mediante la adición de otros elementos

como Fe, Mn o metales nobles como Pd y Pt, ya que estos metales están altamente dispersos

sobre la superficie del catalizador y sus propiedades redox mejoran la capacidad oxidativa del

catalizador. No obstante, la formación de coque y el ataque por cloro pueden llevan a la

desactivación de estos catalizadores. Por ello, sigue siendo necesario encontrar materiales

mucho más activos, selectivos y estables.

La presencia de venenos de los catalizadores en el gas residual puede repercutir

notablemente en su vida útil. Algunos ejemplos de venenos de los catalizadores son el azufre,


los halógenos, el zinc, el plomo, etc. Las corrientes de gas que contengan los contengan no

serán, por tanto, aptas para la oxidación catalítica (a menos que se extraigan estos venenos

tratando previamente la corriente de gas).

3.2 Método de Contacto entre el Catalizador y el gas contaminado

El método para hacer el contacto entre la corriente que contiene los COV y el catalizador

sirve para distinguir los sistemas de oxidación catalítica. Tanto los sistemas de lecho fijo como

los de lecho fluido son utilizados.

Los oxidantes catalíticos de lecho fijo pueden usar un catalizador monolítico o un catalizador

de lecho modular:

- Oxidantes de Catalizador Monolítico. El método más difundido para hacer contacto

entre la corriente que contiene los COV y el catalizador es el catalizador monolítico. En

este esquema el catalizador es un bloque sólido poroso que contiene canales paralelos

no intersectantes alineados en la dirección del flujo de gas. Los monolitos ofrecen las

ventajas de una atrición mínima debida a la expansión/contracción durante el

arranque/apagado y una baja caída de la presión total.

Figura 5. Catalizador monolítico

- Oxidantes Catalíticos de Lecho Empacado. Un segundo esquema para hacer contacto

es un lecho empacado sencillo en el cual las partículas de catalizador están sostenidas

ya sea en un tubo o en bandejas poco profundas a través de las cuales pasa el gas. Este

esquema no es muy empleado debido a su caída de presión inherentemente alta en

comparación a un monolito y el rompimiento de las partículas del catalizador debido a

la expansión térmica cuando el lecho encerrado de catalizador es calentado/enfriado

durante el arranque/apagado. Sin embargo, el oxidante tipo bandeja de un esquema


de lecho empacado, en donde el catalizador es granulado, es utilizado por varias

industrias. El catalizador granulado es ventajoso cuando están presentes grandes

cantidades de contaminantes tales como los compuestos de fósforo o silicio.

Figura 6. Catalizador de Lecho Empacado

Los Oxidantes catalíticos de lecho fluido tienen la ventaja de poseer velocidades muy altas

de transferencia de masa, aunque la caída de presión total es más bien mayor que la de un

oxidante monolítico.

Una ventaja adicional de los lechos fluidos es una alta transferencia del calor en

comparación a un coeficiente normal de transferencia de calor de gases. Esta mayor velocidad

de transferencia de calor para calentar los tubos de transferencia sumergidos en el lecho

permite mayores velocidades de liberación de calor por unidad de volumen de gas procesado y

por lo tanto, puede permitir que los gases de desecho con mayores valores de calentamiento

sean procesados sin exceder las temperaturas máximas permisibles en el lecho de catalizador.

En estos reactores el aumento de la temperatura de la fase gaseosa desde la entrada del

gas a la salida del gas es bajo, dependiendo del grado de transferencia de calor a través de las

superficies de transferencia de calor incrustadas en el lecho. Las temperaturas de los

catalizadores dependen de la velocidad de reacción ocurriendo en la superficie del catalizador

y la velocidad de intercambio de calor entre el catalizador y las superficies de transferencia de

calor incrustadas en el lecho.


Como regla general, los sistemas de lecho fluido son más tolerantes a la materia

particulada en la corriente gaseosa que los catalizadores de lecho fijo o monolítico. Esto es

debido al roce constante de las partículas fluidizadas de catalizador entre sí, que ayudan a

remover la materia particulada hacia el exterior.

Una desventaja del lecho fluido es la pérdida gradual de catalizador por atrición. Sin

embargo, se han perfeccionado catalizadores resistentes a la atrición para superar esta

desventaja.

Las unidades de oxidación catalítica son muy versátiles y permiten operar en un amplio

intervalo de variables. En la tabla 2 se muestran algunos de estos valores.

Presión 1 atm Velocidad espacial, h-1 103-105

Concentración de reactivos, ppm 102-103 Reactivos Disolventes halogenados, hidrocarburos,

compuestos olorosos (aminas, mercaptanos, aldehídos), hidrocarburos

oxigenados (cetonas, ésteres) Temperatura, °C 25-500 Agente oxidante O2 en aire

Concentración de oxidante, %vol. 5-21 Tiempo de Residencia 0,1 – 2 seg

Tabla 2. Intervalo variables oxidación catalítica.

No obstante, para poder utilizar esta técnica a nivel industrial es necesario disponer de

catalizadores activos, selectivos, estables y baratos.

Dependiendo del COV a destruir, el sistema catalítico puede operar entre 205 C a 500⁰C y

con un tiempo de residencia de 0,1 seg, lo que contrasta con los sistemas térmicos que

operarían a 980⁰C para un tiempo de residencia tope de 2 seg.


Figura 7. Oxidante Catalítico industrial

4. Usos Oxidación Catalítica

Los Oxidantes catalíticos pueden ser utilizados para reducir las emisiones provenientes de

una variedad de fuentes estacionarias.

Los procesos de evaporación de solventes asociados con las operaciones de recubrimiento

de superficies e imprenta son una fuente principal de emisiones de COV y como se ha

comentado la oxidación catalítica es utilizada ampliamente por muchas industrias en esta

categoría.

Los Oxidantes catalíticos también son utilizados para controlar las emisiones de las

siguientes fuentes:

• Ollas para el cocimiento de barnices;

• Hornos del núcleo de la fundición;

• Hornos para el procesamiento de papel filtro;

• Secadoras del barniz de la madera multilaminar;

• Estaciones de carga de gasolina en volumen;

• Válvulas de purga de proceso en la Industria Manufacturera de Químicos

Orgánicos Sintéticos (IMQOS);

• Productos de caucho y manufactura de polímeros; y

• Manufactura de resinas de polietileno, poliestireno y poliéster.


La oxidación catalítica es más adecuada para sistemas con menores volúmenes de escape,

cuando hay poca variación en el tipo y concentración de COV y cuando los venenos catalíticos

u otros contaminantes como el silicio, el azufre, los hidrocarburos pesados y la materia

particulada no están presentes.

Las aplicaciones típicas incluyen plantas de anhídrido maleíco, ftálico, tereftálico y otros

de síntesis orgánica, procesos de curtido y secado de polímeros , industrias que producen un

aire de salida contaminado con sulfuros, HCN, cloruros y CO, industria farmacéutica e industria

química.

4.1 Ventajas Oxidación Catalítica (EPA)

- Alta eficiencia a concentraciones de contaminantes muy bajas.

- Consumo de energía bajo.

- Pequeño tamaño de la unidad de depuración.

- Menores requisitos de combustible.

- Menores temperaturas de operación.

- Pocos o ningún requisito de aislamiento.

- Peligros de incendio reducidos.

- Problemas de flashback (ráfaga hacia atrás) reducidos.

- Menor volumen/tamaño requerido.

4.2 Limitantes Oxidación Catalítica (EPA)

- El fenómeno de envenenamiento.

- Sensibilidad térmica.

- Limitaciones de transferencia de masa.

- Costo inicial alto.

- Es posible el envenenamiento del catalizador.

- El material particulado seguido debe ser removido primero.

- El catalizador usado que no pueda ser regenerado pudiera necesitar ser desechado.

Los Oxidantes catalíticos ofrecen muchas ventajas siempre que la aplicación sea apropiada.

Sin embargo, la selección de un oxidante catalítico debe ser considerada cuidadosamente, ya

que la sensibilidad de los Oxidantes catalíticos a las condiciones del flujo de la corriente de


entrada de los COV y la desactivación del catalizador limitan su aplicabilidad para varios

procesos industriales.

5. Convertidor Catalítico en Coches

El convertidor catalítico o catalizador es un componente del motor de combustión

interna alternativo y Wankel que sirve para el control y reducción de los gases nocivos

expulsados por el motor de combustión interna. Se emplea tanto en los motores de gasolina o

de ciclo Otto como más recientemente en el motor diésel.

Consiste en una malla cerámica de canales longitudinales revestidos de materiales nobles

como Platino, Rodio y Paladio, situado en el escape, antes del silenciador.

Los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO) antes de ser expulsados por

el escape, son convertidos en dióxido de carbono y vapor de agua. Los óxidos de nitrógeno

(NOx) son disociados en Nitrógeno molecular (N2), principal constituyente de aire atmosférico,

y oxígeno O2. Para que estas reacciones de disociación se produzcan ha de estar el catalizador

a una temperatura de 500⁰C.

Catalizador de doble vía

En un catalizador de doble vía, usado mayormente en el motor diésel, ocurren dos

reacciones simultáneas:

1. Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2

2. Oxidación de hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados a dióxido de

carbono y agua:

CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

Este tipo de catalizadores se usan en motores diesel ya que trabajan con exceso de

oxígeno, generando unas tasas muy altas de Óxidos de Nitrógeno incompatibles con el metal

noble que los disocia.

En estos motores el NOx se elimina con la recirculación de gases de escape.

Catalizador de triple vía

En un catalizador de triple vía ocurren tres reacciones simultáneas:

1. Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno: 2NOx → xO2 + N2

https://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno

https://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno

https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93xidos_de_nitr%C3%B3geno

https://es.wikipedia.org/wiki/Redox


2. Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2

3. Oxidación de hidrocarburos no o parcialmente quemados a dióxido de carbono y agua:

CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O.

La oxidación de los inquemados se da en presencia de platino, mientras que el proceso de

oxidación del monóxido de carbono y la reducción de N2 se da en presencia de rodio, u otros

catalizadores como circonio o paladio, más baratos que el rodio, pero menos eficientes.

En esta segunda fase la reacción real es 2CO + 2NO → 2CO2 + N2

Estos catalizadores pertenecen a los motores de ciclo Otto ya que la proporcIón de NOx es

mucho menor que en los diesel, al no trabajar con exceso de oxígeno.

6. Bibliografía

Cooley R., Burning Questions – Catalytic Oxidation Q and A, Environmental Protection.

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Oxidación catalítica de compuestos gaseosos

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