Estudio cinético de la hidroconversión de aceite de Jatropha curcas L. sobre catalizadores Pt-Pd/Al2O3-USY para la producción de biocombustibles

Abstract

RESUMEN: Los procesos de hidrotratamiento son ampliamente usados en la industria petroquímica para mejorar características de los combustibles como lo es el octanaje, y a su vez eliminar contaminantes como azufre, nitrógeno, metales pesados, aromáticos y grupos oxigenados, entre otros. Todo esto con el fin de obtener fracciones más ligeras de crudo menos contaminantes y de mayor calidad, que cumplan con las normas ambientales. El proceso de hidroconversión similar al proceso de hidrotratamiento, utiliza como material de inicio aceites de origen vegetal de diferentes calidades. El proceso reside en la transformación de los ácidos grasos de aceites vegetales en hidrocarburos lineales del orden de longitud de cadena a fracciones de gasolina y diésel de tipo renovables. En este trabajo se estudia la aplicación del proceso de hidroconversión catalítica sobre aceite de Jatropha curcas L para la obtención de diferentes fracciones de hidrocarburos considerados del tipo de biocombustibles líquidos. Jatropha curcas L es una planta oleaginosa, es una especie endémica no comestible con origen en Centroamérica y México, en donde se registran variedades toxicas y no toxicas. La almendra de la semilla de Jatropha curcas L. llega a tener un 60 % en peso de aceite, este rendimiento depende de distintos factores tales como genotipo, tipo de suelo, clima y condiciones de cultivo. La planta de Jatropha curcas L. presenta resistencia a sequias y tiene capacidad de crecimiento en suelos áridos, por lo que su cultivo puede establecerse en tierras no apta para otros cultivos, por lo que no desplazaría cultivos alimenticios. Las características de Jatropha curcas L. hacen de ella una alternativa viable y sustentable para la generación de biocombustibles. Por otro lado, las propiedades fisicoquímicas del aceite de Jatropha curcas L. son recomendables para la producción de biocombustibles debido a sus excelentes propiedades de flujo a bajas temperaturas y alto poder calórico, ligeramente menos al del petrodiesel. Este aceite permite su fácil incorporación a los procesos actuales de hidrotratamiento, obteniendo una mezcla de hidrocarburos similares al de origen fósil llamado también biocrudo, a partir del cual pueden generarse combustibles de origen renovable que cumplan con las especificaciones de las normas Internacionales de combustibles fósiles. La actividad, selectividad y rendimiento del proceso de hidroconversión aplicado a aceites vegetales dependen en gran medida del tipo de catalizador utilizado el cual fue monitoreada por Espectroscopia infrarroja (FTIR) y cromatografía de masas acoplado a espectroscopia de masas (CG/MSD). Por lo cual en este trabajo se plantea el desarrollo de catalizadores bifuncionales que lleven a cabo las reacciones de conversión total de los ácidos grasos a hidrocarburos, generando altos niveles de conversión y enfocando la selectividad del proceso hacia un producto en particular como diésel o turbosina de tipo renovables. Así mismo que beneficie las rutas de reacción que promuevan menor cantidad de gases contaminantes (CO y CO2). El catalizador desarrollado en este trabajo debe proporcionar dos tipos de actividad catalítica para llevar a cabo las reacciones deseadas en el proceso de hidroconversión de aceites vegetales. Una función ácida la cual genera los arreglos moleculares en los compuestos formados y una función hidrogenante que permita la ruptura inicial de los compuestos insaturados hasta la formación de los hidrocarburos finales. Para el desarrollo de la función ácida generalmente se utilizan materiales cristalinos como las zeolitas. Estos silico-aluminatos se caracterizan por su alta acidez y su gran área superficial por lo que su uso se ha extendido hacia los catalizadores para procesos de hidrotratamiento. En este trabajo se eligió una Zeolita USY debido a su gran acidez y tamaño de poro que permite el acceso a las moléculas de ácidos grasos de mayor tamaño. Por su parte la función hidrogenante esta brindada por átomos metálicos. Los metales de transición como el platino presentan los mayores índices de actividad hidrogenante, por lo que se incorporó el platino a un soporte catalítico ácido. El catalizador bifuncional fue evaluado en la hidroconversión de aceite de Jatropha curcas L. utilizando diferente relación ácido/metal con el fin de analizar el efecto de la formulación del catalizador sobre la actividad y selectividad del proceso. Así mismo se analizó el efecto de otros parámetros de reacción como la temperatura, presión y tiempo de residencia (WHSV). Para esto se desarrolló un análisis paramétrico el cual mediante el uso de un modelo cinético de las reacciones de hidroconversión, desarrollado mediante la metodología de agrupamiento (LUMPS) que represente adecuadamente al proceso de hidroconversión de aceite de Jatropha curcas L. Este modelo resultó ser una herramienta para establecer las condiciones de operación del proceso de Hidroconversión de Jatropha curcas L. adecuadas para la producción de combustibles renovables.

ABSTRACT: Hydrotreating process are widely used in the petrochemical industry to improve fuel characteristics such as the octane, remove contaminants such as, sulfur, nitrogen, heavy metals, aromatic, oxygenated groups and others. All this in order to get lighter fractions of oil clean, which meet environmental standards quality. The hydroconversion process is similar to the hydrotreating process. The hydroconversion process used as initial material vegetable oil of different qualities. The process resides in the processing of free fatty acids of vegetable oils to get linear hydrocarbon chain length fractions of gasoline and diesel type renewable. The study search the application of the catalytic hydroconversion process on Jatropha curcas L seed oil to obtain different hydrocarbon fractions considered the type of liquid biofuels. Jatropha curcas L is an oilseed plant, is an inedible species endemic with origins in Central America and Mexico. In addition, these are two toxic and non-toxic varieties. The seed kernel of Jatropha curcas L. have reached 60% weight of oil, this performance depends of many factors such as genotype, soil type, climate and growing conditions. Jatropha curcas L. is resistant to drought and can adapt in dry soil, so his crop can be established on land not suitable for other crops, so it does not displace food crops. The characteristics of Jatropha curcas L. make it are a viable and sustainable for the generation of alternative biofuel. Furthermore, the physicochemical properties of Jatropha curcas L. seed oil are recommended for the production of biofuels because of their excellent flow properties at low temperature and high calorific value is slightly less than the petrodiesel. This oil allows for easy incorporation into existing hydrotreating processes, obtaining a mixture similar to fossil fuel also called bio-crude oil. This can be generated by renewable fuels that meet the specifications of the International Standards of fossil fuels. The activity, selectivity and yield of the hydroconversion process applied to vegetable oils depend of the type of catalyst used. These parameters were monitored by infrared spectroscopy (FTIR) and chromatography coupled with mass spectroscopy (GC/MSD). Therefore in this paper the development of bifunctional catalysts to carry out the total conversion of fatty acids to hydrocarbons, generating high levels of yield focusing in the selectivity of a particular product such as diesel or jet fuel arises from renewable fuel type. Also to benefit the reaction pathways that promote less polluting gas (CO and CO2). The catalyst developed in this work should provide two types of catalytic activity, to generate the desired reactions in the hydroconversion process of vegetable oil. An acidic function which produce the molecular arrangements in the compounds formed and a hydrogenation function which allows the initial rupture of the unsaturated compounds to form the final hidrocarbons. For the development of the acid function usually crystalline materials such as zeolites are used. These silico - aluminates are characterized by the high acidity and the high surface area so its use has spread to the catalyst for hydrotreating processes. In this work, zeolite USY was chosen due its higher acidity and pore size that allows access to molecules larger similar to free fatty acids. Meanwhile the hydrogenating function is provided by transition metals such as platinum that have the highest rates of hydrogenation activity, so platinum were included an acidic catalyst support. The bifunctional catalyst was tested in the hydroconversion of Jatropha curcas L. seed oil using diverse acid/metal ratio in order to analyze the catalyst effect on the activity and selectivity of the process. Likewise analize the reaction parameters such as temperature pressure and residence time (WHSV) effect was analyzed. This information was used for development a parametric study using a kinetic model of the hydroconversion process reactions. The methodology was developed by grouping (LUMPS) that adequately represents hydroconversion process oil of Jatropha curcas L. This model proved to be a tool to set the operating conditions of the process of Jatropha curcas L. Hydroconversion process suitable for the production of renewable fuels.