Estudio del mecanismo de reacción de la transesterificación de triglicéridos utilizando ZnO-Na₂ZrO₃ como catalizador para la producción de biodiésel - Guerrero Gudiño, Laura Adriana (Universidad Autónoma Metropolitana, 2023)
Se proponen dos hipótesis mecanísticas de la reacción de transesterificación de triglicéridos sobre el ZnO-Na2ZrO3 para la obtención de biodiésel. Estas hipótesis se evalúan al describir la actividad catalítica observada en un estudio experimental reportado en la literatura. El estudio se llevó en un reactor de tanque agitado operado por lote, el cual está constituido por tres fases: fluida (metanol), dispersa (triglicéridos) y solida (catalizador), en transitorio y en estado estacionario. La primera hipótesis se basa en el formalismo Eley-Rideal (ER). La segunda hipótesis, Inter-Metoxi, se basa en evidencia teórica (estudios DFT), evidencia experimental (evaluación catalítica del material) y fundamentos de la cinética química. Se considera que la reacción de transesterificación involucra al anión metóxido desorbido y (mono, di y tri) glicéridos en una inter-región química (iq), película adyacente a la superficie catalítica, donde se presentan fuerzas tipo Van der Waals entre estas especies químicas y el sitio activo. Los mecanismos de reacción se transfieren a modelos cinéticos y se acoplan las velocidades de reacción al modelo del reactor. Se ajustaron las observaciones experimentales de la evaluación catalítica reportadas mediante un análisis de regresión. Se utilizan las subrutinas DVODE y ODRPACK programadas en FORTRAN para resolver el sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias resultante, y la estimación de los parámetros cinéticos por minimización de la función objetivo. Para evaluar la confianza del modelo se realizó análisis estadístico y fenomenológico. Ambos formalismos cinéticos son capaces de describir las observaciones experimentales. Sin embargo, el modelo Inter-Metoxi mostró mejor confianza estadística en términos de los parámetros cinéticos. Además, se encontró que todas las velocidad de reacción juegan un rol importante en la reacción de transesterificación, y se cuestiona el desarrollo de modelos cinéticos que siguen aproximaciones cinéticas (pseudo-equilibrio) desde el principio. Se recomienda el desarrollo de modelos basados en la solución completa. Se realizan simulaciones a nivel de reactor multifásico, variando el rango de los coeficientes de transporte de masa interfacial, la constante de partición de triglicérido y la relación molar metanol: aceite, para analizar su efecto en el comportamiento cinético y macroscópico de la transesterificación en términos de la actividad y producción de biodiésel. Se encontró que minimizar las resistencias interfaciales en el sistema trifásico de reacción permite obtener mayores conversiones a biodiesel en menos tiempo. Una menor partición del TG a la fase fluida disminuye la velocidad de producción de esteres metílicos y de adsorción de metanol, impactando negativamente en la transesterificación. Cada modelo responde diferente a la variación de la relación molar metanol: aceite. En relaciones molares altas, el modelo basado en el formalismo ER disminuye la velocidad de adsorción del metanol, la velocidad global del metanol y la concentración de ésteres metílicos en la iq. Por otro lado, para el mecanismo Inter-Metoxi, estas velocidades se incrementan. Sin embargo, en ambos mecanismos, aumenta incrementa la fracción de especies adsorbidas. Los modelos cinéticos desarrollados en esta investigación y la estrategia numérica empleada pueden ser herramientas útiles en futuros estudios que se centren en el diseño y escalado de un reactor industrial para la transesterificación de triglicéridos utilizando el catalizador ZnO-Na2ZrO3.