Síntesis y caracterización de los sistemas ácidos WO3/ZrO2 y WO3/TiO2 aplicados en la hidratación de etileno a etanol

Synthesis and characterization of WO3/ZrO2 and WO3/TiO2 acid systems applied to the hydration of ethylene to ethano

Este trabajo se enfoca en la síntesis y la caracterización de dos sistemas ácidos obtenidos por el método de impregnación húmeda incipiente, partiendo de una sal de tungsteno y empleando a los óxidos metálicos ZrO₂ y TiO₂ como soportes. Los dos sistemas de catalizadores WO₃/ZrO₂ y WO₃/TiO₂ se prepararon con cargas de tungsteno de 10, 30 y 40% en peso. Para los dos tipos de catalizadores se determinaron las densidades superficiales, transiciones de fase, estructura morfológica y estabilidad térmica para cada una de las cargas de tungsteno empleadas para preparar los catalizadores. Adicionalmente, se evaluó la actividad catalítica de estos catalizadores sólidos para la hidratación de etileno a etanol en presencia de una mezcla de fases líquida y gaseosa, empleando una relación equimolar de etileno a agua a presiones entre 30 y 40bar. Los resultados revelaron que los catalizadores que presentaron un mejor desempeño alcanzando una selectividad hacia el etanol de 98%, fueron aquellos con una carga baja de tungsteno (10% en peso) y a una presión de trabajo entre 30 y 40bar.

Introducción

El etanol es utilizado en la industria química como producto intermedio para la producción de otros compuestos tales como dietil éter, acetaldehído, ácido acético, acetato de etilo, acrilato de etilo y etilaminas, y como combustible automotor por sí solo o en mezclas con gasolina. Recientemente, se han publicado estudios de algunas reacciones de interés del etanol tales como el reformado con vapor de agua para la producción de hidrógeno, la deshidratación para la producción de etileno, y la oxidación para la producción de ácido acético.

La obtención de etanol a partir de etileno es un proceso catalítico que fue descubierto por la compañía Shell y se lleva a cabo en fase gaseosa a presiones en el rango de 30 a 100 bar y temperaturas en el rango de 480 a 598K, sobre un catalizador ácido (H₃PO₄ soportado en SiO₂). El ácido fosfórico presente en el catalizador constituye entre el 55 y 75% del peso total. Sin embargo, el catalizador de H₃PO₄/SiO₂ se desactiva hidrotérmicamente debido a que se presenta una elución del ácido fosfórico desde el sólido hacia la corriente gaseosa por evaporación del ácido a la temperatura de operación del reactor. 

Algunas alternativas para reemplazar el catalizador H₃PO₄/SiO₂ han tratado de igualar su acidez, cambiando el soporte del ácido fosfórico o sustituyendo el catalizador por mezclas de compuestos que posean una elevada acidez y estabilidad a las condiciones de reacción. Entre estas mezclas de compuestos se destacan dos catalizadores ácidos generados por la mezcla de óxidos metálicos de tungsteno y zirconio (WZ) o de tungsteno y titanio (WT), los cuales se obtienen por el método de impregnación húmeda incipiente.

En ellos se encuentra una variación en la acidez inherente del tipo Lewis al tipo Brønsted, por lo que estos catalizadores pueden usarse en reacciones orgánicas donde la acidez del catalizador es fundamental. Por otra parte, estos sólidos han sido probados con éxito en la reacción de hidratación catalítica del etileno en fase gaseosa, obteniéndose resultados similares al catalizador comercial de ácido fosfórico (selectividades elevadas y los mismos subproductos de oxidación.