Collecting data through semi-structured interviews

Las espumas cerámicas han estado en continuo desarrollo desde las últimas tres décadas. Comercialmente las espumas han sido utilizadas como filtros para líquidos y gases, y en particular las espumas cerámicas se han utilizado como filtros para metales fundidos o gases calientes (Buciuman y Kraushaar-Czarnetzki, 2003) y como accesorios para hornos (Twigg y Richardson, 2007).

Las espumas presentan baja caída de presión, alta área superficial, mejorando tanto la transferencia de materia como la mezcla radial debido a su tortuosidad, y la transferencia de calor en reacciones altamente endotérmicas y exotérmicas. Como consecuencia, constituyen una atractiva alternativa de cara a su utilización en diversos campos. En concreto, las aplicaciones de las espumas en intercambiadores de calor, reformadores, mezcladores y como soportes catalíticos han adquirido gran importancia en los últimos años (Pestryakov et al., 1996, Richardson et al., 2000, Richardson et al., 2003, Sirijaruphan et al., 2005, Chin et al., 2006, Winé et al., 2006, Pestryakov et al., 2007).

El uso de las espumas como soportes catalíticos es una de las aplicaciones con mayor potencial de este tipo de material. Las espumas se han utilizado en algunas reacciones gas-

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sólido de interés industrial y medioambiental como la purificación de gases residuales (Pestryakov et al., 1996, Van Setten et al., 2003, Fino et al., 2005), combustión de metano y

propano (Schlegel et al., 1994, Cerri et al., 2000), reformado de CO2 (Richardson et al.,

2003), oxidación parcial de hidrocarburos (Panuccio et al., 2006, Williams y Schmidt, 2006), oxidación preferencial de monóxido de carbono en hidrógeno (Wörner et al., 2003, Jhalani y Schmidt, 2005, Sirijaruphan et al., 2005, Chin et al., 2006) y síntesis de Fischer-Tropsch (Chin et al., 2005).

Así por ejemplo, Pestryakov et al. (1996) estudiaron la purificación y neutralización de gases residuales, tales como CO, propano y NOx, procedentes de emisiones de automóviles empleando catalizadores de paladio, platino y óxidos de metales de transición soportados en una espuma metálica, así como catalizadores granulares y tipo monolitos. En el caso de la oxidación de propano encontraron que las espumas presentaban una mayor actividad en comparación con los monolitos, pero una actividad muy parecida en comparación con el catalizador granular, no obstante la caída de presión utilizando las espumas es mucho menor. En la oxidación de CO encontraron que la actividad catalítica de la espuma depende en gran medida del diámetro de la celda, siendo necesaria su optimización en cuanto a la geometría y resistencia de la misma. En la eliminación de NOx las espumas presentaron una mayor conversión en comparación con los monolitos comerciales.

Brown (2001) estudió la metanación de dióxido de carbono (reacción altamente exotérmica)

empleando catalizadores de rutenio en -Al2O3 (gránulos) y espumas de 30 ppi de -Al2O3

con un recubrimiento del 10% de -Al2O3 impregnada de rutenio. Los resultados obtenidos

indican que la actividad catalítica de las espumas es dos veces superior que la obtenida con el catalizador en forma de gránulos. Otros ejemplos de las ventajas de la aplicación de las espumas en reacciones altamente exotérmicas y endotérmicas como la epoxidación de etileno, síntesis de Fischer-Tropsch y reformado de metano se encuentran recopiladas en el estudio realizado por Twigg y Richardson (2007).

A día de hoy existen muy pocos estudios sobre la aplicación de las espumas como catalizadores en reacciones multifásicas, donde el conocimiento de la morfología y propiedades geométricas de las espumas, así como la modelización de la hidrodinámica, dispersión axial y transferencia de materia y calor son esenciales para el correcto diseño de estos reactores a nivel industrial.

En relación con la morfología y las propiedades geométricas de las espumas, éstas han sido estudiadas por diversos autores. Buciuman y Kraushaar-Czarnetzki (2003) estudiaron la

Introducción

15 morfología de las espumas cerámicas proponiendo ecuaciones para el cálculo de la superficie geométrica y la densidad relativa utilizando el tetracaidecaedro para describir la celda unidad de las espumas.

En esta línea, Richardson et al. (2000) proponen tres modelos para el cálculo de la superficie geométrica de las espumas cerámicas. Además estudiaron la influencia del

recubrimiento de la superficie de las espumas con -Al2O3, concluyendo que dicho

recubrimiento aumenta la superficie específica sin apenas afectar al tamaño diámetro de poro y porosidad de la misma. Por otro lado, estudiaron la influencia de la densidad de poros (10-65 ppi) en la caída de presión para un sistema monofásico, encontrando que a medida que aumenta la densidad de poros aumenta la caída de presión. Finalmente, obtienen valores empíricos de los parámetros del modelo convencional de Ergun, en términos del diámetro de poro principal y porosidad, con los que predicen la caída de presión con un error de ±15%. Asimismo, encontraron que la caída de presión utilizando espumas es mucho menor que la caída de presión utilizando un lecho de esferas de vidrio.

En sus primeros estudios Plessis et al. (1994) describen la celda unidad de las espumas metálicas mediante el modelo cúbico, sin embargo este modelo no describe adecuadamente la superficie geométrica de las mismas. Por ello, en estudios posteriores Fourie y Plessis (2002) utilizaron el tetracaidecaedro para describir la celda unidad de la espuma metálica, proponiendo diversas ecuaciones para el cálculo de la superficie geométrica a partir de la porosidad del sólido y la densidad de poros.

En cuanto a la transferencia de materia en sistemas multifásicos empleando reactores de tanque agitado León et al. (2012) en el que las espumas funcionan como hélices de agitación. Concretamente, estudiaron la influencia de la densidad de poros (10, 20 y 40 ppi) en el coeficiente de transferencia de materia líquido-sólido utilizando como modelo la hidrogenación de 3-metil-1-pentin-3-ol empleando catalizadores de paladio soportado en

espumas metálicas a 25 ºC y PH2=1.2 bar, encontrando que existe una densidad de poros

óptima (20 ppi) con la que se obtiene un mayor coeficiente de transferencia de materia. Asimismo, comparan los resultados obtenidos con respecto al reactor empleando el catalizador en suspensión. En este caso, el coeficiente obtenido empleando espumas es seis veces superior al obtenido con el catalizador en suspensión.

Estos mismos autores (Leon et al., 2012) estudiaron el efecto del diseño del agitador en el

coeficiente de transferencia sólido-líquido en la hidrogenación de -estireno a 60 ºC y 5 bar

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distintas formas geométricas, concluyendo que las espumas son más efectivas, en comparación con el catalizador en suspensión, en aquellas reacciones en donde existe limitación en cuanto la transferencia de materia sólido-líquido.

Asimismo, Tschentscher et al. (2011) estudiaron la oxidación de glucosa en un reactor de tanque agitado empleando como catalizador platino soportado en una espumas metálica y

en partículas de -Al2O3 a 60 ºC, obteniendo mayores coeficientes de transferencia de

materia utilizando las espumas.

En cuanto a reactores continuos (columna), se ha estudiado y modelizado la hidrodinámica y transferencia de materia trabajando con distintos modos de operación (contracorriente, corrientes paralelas en flujo ascendente y descendente) a temperatura y presión ambiente empleando espumas metálicas con distintas densidades de poros (5, 10, 20 y 40 ppi) para el sistema oxígeno-agua (Stemmet, 2008). Asimismo, estudia la influencia de la viscosidad y la tensión superficial, operando en co-corriente con flujo ascendente y descendente, en la hidrodinámica y la transferencia de materia.

Actualmente existen muy pocos estudios relacionados con la aplicación de espumas en reacciones multifásicas llevadas a cabo en reactores continuos (tipo columna). En este sentido Patrick et al. (2010) establecieron un modelo para comparar el comportamiento de dos lechos distintos de espumas (espumas y “hairy” espumas) con un lecho de esferas. Como reacciones modelo utilizaron una reacción lenta (hidrogenación de cinamaldehído) y una rápida (3-metil-1-pentin-3-ol), operando con flujos paralelos tanto ascendentes como descendente, en el caso de la reacción rápida se alcanzan mayores selectividades y conversiones con las espumas.