Estructura y montaje de un catalizador para aumentar la efectividad de procesos químicos catalíticos.

Catalizador monolítico de combustible sólido (1) para la realización de una reacción química catalítica heterogéneaen un fluido de reacción,

el cual pasa a través del catalizador (1) y contiene al menos un educto, presentando elcatalizador (1) al menos una abertura de paso (2) para el paso del fluido de reacción a través del catalizador (1),caracterizado por que el catalizador (1) presenta una estructura por capas de al menos dos capas (a, b) dispuestasplanas una sobre otra, estando las capas colocadas unas sobre otras de manera que sus superficies atravesadas por la almenos una abertura de paso se apoyan unas sobre otras en esencia estancas a los fluidos, y desarrollándose la al menosuna abertura de paso (2) a través de las capas (a, b) de la estructura y en ello las aberturas de paso en las capasindividuales están dispuestas de manera que el fluido de reacción puede fluir desde una abertura de paso en una primeracapa en una abertura de paso en la segunda capa que se apoya sobre la primera capa, estando al menos la superficieque en una primera capa (a) de la estructura define al menos una parte de una sección de pared interior de la al menosuna abertura de paso (2) compuesta de un primer material catalíticamente activo, y estando al menos la superficie que enuna segunda capa (b) de la estructura define al menos una parte de una sección de pared interior de la al menos unaabertura de paso (2) compuesta de un segundo material catalíticamente activo, de manera que el fluido de reacción alpasar a través del catalizador (1) es puesto en contacto con al menos dos materiales catalíticamente activos distintos.

Estructura y montaje de un catalizador para aumentar la efectividad de procesos químicos catalíticos Este invento se refiere a un catalizador monolítico de combustible sólido para la realización de una reacción química catalítica heterogénea en un fluido de reacción.

La catálisis se emplea ampliamente en la técnica de procesos químicos para acelerar reacciones o desplazar equilibrios de reacción en una determinada dirección. Un tipo de catalizador es el catalizador de combustible sólido, que cataliza heterogéneamente la reacción de gases o líquidos. Ejemplos para tales catálisis son por ejemplo la síntesis Fischer-Tropsch (FTS) , el proceso Sabatier, el procedimiento Haber-Bosch o una multiplicidad de otras reacciones, que se desarrollan con catalizadores de combustible sólido. El catalizador puede por ejemplo emplearse en un reactor de lecho fijo en forma de una carga o paquete de partículas de combustible sólido. Las partículas de la carga o del paquete pueden componerse del material catalizador o estar recubiertas con él. Una alternativa a ello son los reactores monolíticos, en los cuales el catalizador está construido de una sola pieza o de piezas de construcción unidas fijas unas con otras, que en conjunto forman un cuerpo de catalizador continuo.

Un inconveniente de los reactores monolíticos en comparación con los reactores de lecho fijo es que los reactores monolíticos por su construcción por principio en forma de bloque tienden a una mala relación superficie a volumen. Para evitar este inconveniente, tales catalizadores por eso frecuentemente son fabricados con una multiplicidad de aberturas de paso, de manera que al pasar a través del reactor un fluido de reacción se presente una superficie catalíticamente activa lo más grande posible (véase Güttel y otros, "Reaktoren für die Fischer-Tropsch-Synthese", Chemie Ingenieur Technik, 2007, 79, Nº 5, páginas 531-543) .

Otro inconveniente de los reactores monolíticos convencionales es que un reactor usualmente se compone sólo de un material o está recubierto con sólo un determinado material catalíticamente activo. Un reactor monolítico semejante no puede por eso ser empleado sin más para reacciones en las cuales para conseguir una catálisis óptima sean necesarias diversas sustancias catalíticamente activas.

El documento US 2002/0013224 describe un catalizador monolítico, cuyo monolito comprende un material catalizador activo, que es soportado por una estructura de varias capas, comprendiendo la estructura de varias capas una pila de piezas metálicas porosas delgadas, estando una parte de las superficies de estas piezas metálicas unidas unas con otras mediante una conexión térmicamente conductora.

El documento DE 103 35 967 A1 describe un reactor para reacciones en fase gaseosa en presencia de un catalizador en forma de partículas, estando compuesto el reactor de una o varias placas de agujeros, que presentan aberturas que atraviesan totalmente las placas, en las cuales puede ser alojado el catalizador en forma de partículas.

El documento US 6, 746, 651 B1 describe una pila de placas metálicas muy delgadas para proporcionar una gran superficie para la descomposición catalítica de un fluido, estando previstos sobre la superficie flujo abajo de cada placa huecos a través de los cuales puede tener lugar entre las placas un flujo lateral del fluido.

El problema del invento es por lo tanto evitar los inconvenientes mencionados y crear un catalizador monolítico de combustible sólido en el cual puedan desarrollarse simultáneamente diversas reacciones catalíticas.

Este problema es solucionado porque se proporciona un catalizador monolítico de combustible sólido para la realización de una reacción química catalítica heterogénea en un fluido de reacción, el cual pasa a través del catalizador y contiene al menos un educto, presentando el catalizador al menos una abertura de paso para el paso del fluido de reacción a través del catalizador, presentando el catalizador una estructura por capas de al menos dos capas dispuestas planas una sobre otra, desarrollándose la al menos una abertura de paso a través de las capas de la estructura y estando al menos la superficie que en una primera capa de la estructura define al menos una parte de la sección de pared interior de la al menos una abertura de paso compuesta de un primer material catalíticamente activo, y estando al menos la superficie que en una segunda capa de la estructura define al menos una parte de una sección de pared interior de la al menos una abertura de paso compuesta de un segundo material catalíticamente activo, de manera que el fluido de reacción al pasar a través del catalizador es puesto en contacto con al menos dos materiales catalíticamente activos distintos.

En la superficie del catalizador se presentan en relación con la reacción catalítica fisioadsorción y quimioadsorción (véase Ertl, Reaktionen an Oberflächen: Vom Atomaren zum Komplexen, Angewandte Chemie 2008-120/19, páginas 3582 y siguientes) . La ventaja de la estructura por capas del catalizador según el invento consiste en que distintas zonas del cuerpo del catalizador pueden ser fabricadas de distintos materiales. De esta manera puede formarse un reactor monolítico que en las superficies de las aberturas de paso que entran en contacto con el fluido de reacción puede proporcionar diferentes materiales catalíticamente activos para la reacción del fluido que pasa a través de la abertura de paso.

Las capas son colocadas unas sobre otras de manera que dos superficies de las capas, que son atravesadas por en cada caso al menos una abertura de paso, se apoyan unas sobre otras en esencia estancas a los fluidos. Las aberturas de paso en las capas individuales están dispuestas de manera que el fluido de reacción puede fluir desde una abertura de paso en una primera capa a una abertura de paso en la segunda capa que se apoya sobre la primera capa.

En una forma de realización del invento el número de capas del catalizador monolítico de combustible sólido dispuestas planas una sobre otra en la estructura por capas está situado en el intervalo de 10 a 1000.

La superficie que en dos capas adyacentes de la estructura define al menos una parte de la sección de pared interior de la al menos una abertura de paso, en determinadas secciones del catalizador puede estar compuesta del mismo material catalíticamente activo, mientras que la superficie de la abertura de paso en una segunda capa de la estructura anterior o siguiente a estas dos capas está compuesta de un segundo material catalíticamente activo.

En distintas secciones del catalizador pueden emplearse diferentes materiales catalíticamente activos en distintos órdenes de sucesión apropiados. Mediante la adecuada elección de los materiales en la superficie de las aberturas de paso en las respectivas capas en diferentes secciones del catalizador monolítico de combustible sólido y por lo tanto en el desarrollo de la reacción a lo largo de las aberturas de paso puede ser catalizada en cada caso una otra parte de una reacción.

En otra forma de realización pueden disponerse también sólo unas pocas, por ejemplo dos o tres, sustancias distintas catalíticamente activas, en cada caso en la superficie de una capa, y las capas con las diferentes superficies disponerse apiladas unas sobre otras en un modelo de repetición en el catalizador monolítico de combustible sólido, para construir un catalizador casi homogéneo de distintos materiales catalíticamente activos. Por ejemplo pueden cambiarse dos u otro número hasta máximo diez sustancias catalíticamente activas en las superficies de las capas consecutivas. También pueden seguirse dos o más capas que proporcionen el mismo material catalítico. La sucesión de las capas catalíticas también puede ser elegida a voluntad sin modelo de repetición, para posibilitar determinadas catálisis convenientes en distintas secciones del catalizador.

Las capas consecutivas pueden proporcionar alternamente o en cualquier orden de sucesión dos o más materiales catalíticos distintos en la abertura de paso.

En una forma de realización del invento al menos alguna de las capas de la estructura se compone totalmente del material catalíticamente activo de esta capa. Un catalizador semejante puede componerse por ejemplo de láminas o chapas de una sustancia catalíticamente activa.

Puesto que los materiales catalizadores son parcialmente muy caros, por razones de costes puede ser conveniente emplear como capa un soporte económico y revestir éste totalmente o sólo en partes de las aberturas de paso con un material catalíticamente activo, no estando excluido que el propio soporte del revestimiento pueda tener algún efecto... [Seguir leyendo]

1. Catalizador monolítico de combustible sólido (1) para la realización de una reacción química catalítica heterogénea en un fluido de reacción, el cual pasa a través del catalizador (1) y contiene al menos un educto, presentando el catalizador (1) al menos una abertura de paso (2) para el paso del fluido de reacción a través del catalizador (1) , caracterizado por que el catalizador (1) presenta una estructura por capas de al menos dos capas (a, b) dispuestas planas una sobre otra, estando las capas colocadas unas sobre otras de manera que sus superficies atravesadas por la al menos una abertura de paso se apoyan unas sobre otras en esencia estancas a los fluidos, y desarrollándose la al menos una abertura de paso (2) a través de las capas (a, b) de la estructura y en ello las aberturas de paso en las capas individuales están dispuestas de manera que el fluido de reacción puede fluir desde una abertura de paso en una primera capa en una abertura de paso en la segunda capa que se apoya sobre la primera capa, estando al menos la superficie que en una primera capa (a) de la estructura define al menos una parte de una sección de pared interior de la al menos una abertura de paso (2) compuesta de un primer material catalíticamente activo, y estando al menos la superficie que en una segunda capa (b) de la estructura define al menos una parte de una sección de pared interior de la al menos una abertura de paso (2) compuesta de un segundo material catalíticamente activo, de manera que el fluido de reacción al pasar a través del catalizador (1) es puesto en contacto con al menos dos materiales catalíticamente activos distintos.

2. Catalizador (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que el número de capas (a, b) dispuestas planas unas sobre otras en la estructura por capas del catalizador (1) está situado en el intervalo de 10 a 1000.

3. Catalizador (1) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que en al menos una parte de las capas (a, b) de la estructura, sólo la superficie que en las capas define al menos una parte de una sección de pared interior de la al menos una abertura de paso (2) se compone de un material catalíticamente activo.

4. Catalizador (1) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que al menos una parte de las capas (a, b) de la estructura se compone totalmente de un material catalíticamente activo.

5. Catalizador (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que los materiales catalíticamente activos están elegidos entre el hierro, cobre, cobalto, platino, rutenio, rubidio e iridio, así como aleaciones o combinaciones de los metales citados.

6. Catalizador (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que las capas (a, b) presentan distintos espesores de capa, de manera que mediante la elección de los espesores de capa y opcionalmente del número de capas con igual velocidad de flujo del fluido de reacción pueden ser regulados diferentes tiempos de tratamiento del fluido de reacción para los distintos materiales catalíticos.

7. Catalizador (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la al menos una abertura de paso (2) se forma mediante rebajes continuos coincidentes o por lo menos dispuestos en solape unos tras otros en las capas (a, b) situadas unas sobre otras.

8. Catalizador (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la al menos una abertura de paso (2) está formada en un lado por un rebaje (5) en la pared interior de un cilindro hueco (8) o cono hueco (8) que se desarrolla a través de la estructura por capas del catalizador, y en el otro lado por un cuerpo (6) insertable con ajuste de precisión en el cilindro hueco (8) o cono hueco (8) , presentando opcionalmente el cuerpo (6) insertable con ajuste de precisión una pared exterior plana o presentando en su pared exterior un rebaje (7) , que en el estado insertado viene a quedar situado de manera que él junto con el rebaje (5) en la pared interior del cilindro hueco (8) o cono hueco (8) configura la al menos una abertura de paso.

9. Catalizador (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la al menos una abertura de paso (2) se desarrolla helicoidal entre la entrada de la abertura de paso (2) y la salida de la abertura de paso (2) fuera del catalizador (1) .

10. Catalizador (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que en al menos una sección de la al menos una abertura de paso (2) la superficie que en una primera capa (a) de la estructura define al menos una parte de una sección de pared interior de la abertura de paso (2) , con respecto a la superficie que en una segunda capa

(b) dispuesta plana sobre ella define al menos una parte de una sección de pared interior de la abertura de paso (2) , está dispuesta desplazada, de manera que así en la al menos una sección de la abertura de paso (2) , definida por estas dos capas (a, b) , existen aristas independientes (4) en el interior de la abertura de paso (2) .

11. Instalación para la realización de reacciones químicas catalíticas heterogéneas en un fluido de reacción, comprendiendo la instalación un catalizador (1) según una de las reivindicaciones 1 a 11.

12. Instalación según la reivindicación 12, en la cual la reacción química es la síntesis Fischer-Tropsch.

13. Instalación según la reivindicación 13, caracterizada por que ella presenta adicionalmente un dispositivo para la obtención del educto CO2 a partir de aire L y/o adicionalmente un dispositivo para la obtención del educto H2 por medio de electrolisis de agua H2O.

14. Procedimiento para la construcción de un catalizador (1) según una de las reivindicaciones 1 a 11, en el cual capas

(a, b) , que presentan superficies al menos en parte catalíticamente activas de diferente material, son colocadas planas unas sobre otras, estando al menos la superficie que en una primera capa (a) de la estructura define al menos una parte de una sección de pared interior de una abertura de paso (2) compuesta de un primer material catalíticamente activo, y estando al menos la superficie que en una segunda capa (b) de la estructura define al menos una parte de una sección de pared interior de una abertura de paso (2) compuesta de un segundo material catalíticamente activo, y estando las capas colocadas unas sobre otras de manera que sus superficies atravesadas por la abertura de paso se apoyan unas sobre otras en esencia estancas a los fluidos, y desarrollándose la al menos una abertura de paso a través de las capas (a, b) de la estructura y en ello las aberturas de paso en las capas individuales están dispuestas de manera que el fluido de reacción puede fluir desde una abertura de paso en una primera capa en una abertura de paso en la segunda capa que se apoya sobre la primera capa.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, en el cual para la realización de la al menos una abertura de paso (2) se produce un rebaje (5) en la pared interior de un cilindro hueco (8) o cono hueco (8) que se desarrolla a través de la estructura por capas del catalizador y en el cilindro hueco (8) o cono hueco (8) se inserta con ajuste de precisión un cuerpo (6) , presentando el cuerpo (6) insertado con ajuste de precisión opcionalmente una pared exterior plana o presentando en su pared exterior un rebaje (7) , que en el estado insertado viene a quedar situado de manera que él junto con el rebaje (5) en la pared interior del cilindro hueco (8) o cono hueco (8) configura la al menos una abertura de paso (2) .