[EN] The aim of this thesis is to study the use of zeolites for the separation of light hydrocarbons. In order to do so, different zeolites were synthesized and characterized by different techniques to determine their crystallinity, composition and porosity. Then, adsorption measurements of various gases were carried out in order to determine both the adsorption capacity and the adsorption rate, as well as the isosteric heat of adsorption associated to these processes. Thus, the separation capacity of the zeolites for a given mixture of gases or vapors was evaluated. The main intention is to show how the development of new materials must be focused on the optimization of industrial chemical processes. Specifically, the scope of the materials studied during the thesis is related to the petrochemical industry. Given the nature of the zeolites, i.e. their high chemical and thermal strength, and their narrow pore size distribution in the molecular range, it is possible to use them for the separation of light hydrocarbons. First of all, thermodynamic and kinetic models given in the literature are presented, as well as the equations that calculate the isosteric heat of adsorption. Then, those models are compared in order to choose which provide with the best fitting of the experimental data. So, a methodology in the analysis of the results has been established during the development this work. The thesis is then focused on the separation of CO2 and CH4 for the upgrading of natural gas. In the first part, the effect of the zeolitic topology on the separation performance of both gases is studied, by using purely siliceous small pore zeolites. Next, the effect that the different polarity of the LTA zeolite, determined by the Si/Al ratio, might have on the adsorption capacity and selectivity to separate CO2 and CH4 is analyzed, establishing the optimum aluminum content that combines a good selectivity and high regenerability. Finally, zeolite Rho is used in the separation of both gases, because its pore size is in between the kinetic diameter of both molecules and have the Si/Al ratio close to the previously found optimal. So, it was obtained one of the zeolites with greater selectivity for CO2 and CH4 separation from those described in the open literature. In a third section, a new zeolite, named ITQ-50, obtained by solid state transformation from another zeolite under conditions of ultrahigh pressure, being the first case reported in the literature is presented. The results of adsorption of various gases in zeolite ITQ-50 are also shown. On the one hand, the adsorption of CO2 and CH4 was studied in order to evaluate the capability to separate both gases. On the other hand, the most relevant data from isotherms and kinetic measurements of short chain hydrocarbons (C3-C4) are discussed, focusing the study on the separation of alkanes and alkenes. Finally, the influence of the presence of high germanium content in the zeolitic framework of ITQ-29 on the diffusion of light hydrocarbons, in particular propane and propene, is studied. This is one of the most significant separation processes in the refining and petrochemical industry. / [ES] La presente tesis tiene por objeto estudiar el uso de zeolitas para la separación de hidrocarburos ligeros. Para ello, se sintetizaron distintos materiales zeolíticos y se caracterizaron mediante distintas técnicas para determinar su cristalinidad, composición y porosidad. Posteriormente, se realizaron medidas de adsorción de distintos gases con el fin de conocer tanto la capacidad de adsorción como la velocidad a la cual se adsorben, así como el calor isostérico de adsorción asociado a dicho proceso. De esta forma, se evaluó la capacidad de separación que presentan las zeolitas estudiadas para una determinada mezcla de gases o vapores. Se pretende mostrar cómo el desarrollo de nuevos materiales debe estar enfocado a la optimización de procesos químicos industriales. Concretamente, el campo de aplicación de los materiales estudiados durante la tesis está centrado en la industria petroquímica. Dada la naturaleza de las zeolitas, es decir, su elevada robustez química y térmica, así como su estrecha distribución de tamaños de poro en el rango molecular, se hace posible su utilización para la separación de hidrocarburos ligeros. En primer lugar, se presentan los modelos de ajuste termodinámicos y cinéticos de las isotermas y cinéticas de adsorción descritos en la bibliografía, así como las ecuaciones que permiten calcular el calor isostérico de adsorción. A continuación, se comparan dichos modelos con el fin de elegir cuál se ajusta mejor a los datos experimentales. Esto ha permitido establecer una metodología en el análisis de los resultados obtenidos a lo largo de la elaboración del trabajo. Un segundo apartado se centra en la separación de CO2 y CH4 para la valorización de gas natural. En una primera parte se estudia el efecto que la topología zeolítica tiene en la capacidad de separar ambos gases, para lo que se usaron zeolitas puramente silíceas de poro pequeño. A continuación, se analiza el efecto que la distinta polaridad de la zeolita con estructura LTA, determinada a través de la relación Si/Al, pudiera tener en la capacidad adsorción y selectividad para separar CO2 y CH4, estableciendo un óptimo en el contenido en aluminio que permitiese aunar una buena selectividad y una alta regenerabilidad. Finalmente, se utiliza zeolita Rho en la separación de ambos gases, por ser de tamaño de poro comprendido entre el diámetro cinético de ambas moléculas y tener la relación Si/Al cercana al óptimo previamente encontrado. Se obtuvo así una de las zeolitas con mayor selectividad para lleva a cabo la separación de CO2 y CH4 de entre las descritas en la bibliografía. En un tercer apartado se presenta una nueva zeolita, ITQ-50, obtenida por transformación en estado sólido a partir de otra zeolita en condiciones de ultra alta presión, siendo éste el primer caso reportado en la bibliografía. También se muestran y discuten los resultados de adsorción de distintos gases en dicha zeolita. Por un lado, se mostraron los resultados obtenidos en la adsorción de CO2 y CH4 con el objeto de evaluar sus propiedades para la separación de estos gases. Y por otro lado, se exponen los datos más relevantes derivados de las medidas de isotermas y cinéticas de adsorción de hidrocarburos de cadena corta (C3-C4), centrando el estudio en la separación de alcanos y alquenos. Finalmente, se estudia la influencia que tiene la presencia de contenidos elevados de germanio en la red de la zeolita ITQ-29 sobre la difusión de hidrocarburos ligeros, en concreto, propano y propeno, ya que ésta es una de las separaciones más relevantes en la industria del refino y petroleoquímica. / [CA] La present tesi té per objecte estudiar l'ús de zeolites per a la separació d'hidrocarburs lleugers. Per a això, es van sintetitzar diferents materials zeolítics i es van caracteritzar mitjançant diferents tècniques per determinar la seva cristal¿linitat, composició i porositat. Posteriorment, es van realitzar mesures d'adsorció de diferents gasos per tal de conèixer tant la capacitat d'adsorció com la velocitat a la qual s'adsorbeixen, així com la calor isostérica d'adsorció associada a aquest procés. D'aquesta manera, es va avaluar la capacitat de separació que presenten les zeolites estudiades per a una determinada barreja de gasos o vapors. Es pretén mostrar com el desenvolupament de nous materials ha d'estar enfocat a l'optimització de processos químics industrials. Concretament, el camp d'aplicació dels materials estudiats durant la tesi està centrat en la indústria petroquímica. Donada la naturalesa de les zeolites, és a dir, la seva elevada robustesa química i tèrmica, així com la seva estreta distribució de mides de porus en el rang molecular, es fa possible la seva utilització per a la separació d'hidrocarburs lleugers. En primer lloc, es presenten els models d'ajust termodinàmic i cinètic dels processos d'adsorció descrits en la bibliografia, així com les equacions que permeten calcular la calor isostérica d'adsorció. A continuació, es comparen aquests models per tal d'escollir quin s'ajusta millor a les dades experimentals. Això ha permès establir una metodologia en l'anàlisi dels resultats obtinguts al llarg de l'elaboració del treball. Un segon apartat se centra en la separació de CO2 i CH4 per a la valorització de gas natural. En una primera part s'estudia l'efecte que la topologia zeolítica té en la capacitat de separar els dos gasos, per al que es van utilitzar zeolites purament silícies de porus petit. A continuació, s'analitza l'efecte que la diferent polaritat de la zeolita amb estructura LTA, determinada a través de la relació Si/Al, pogués tenir en la capacitat adsorció i selectivitat per separar CO2 i CH4, establint un òptim en el contingut en alumini que permetés unir una bona selectivitat i una alta regenerabilitat. Finalment, s'utilitza zeolita Rho en la separació d'aquestos gasos, per tindre una mida de porus comprès entre els diàmetres cinètics de les dues molècules i tenir la relació Si/Al propera a l'òptim prèviament trobat. Es va obtenir així una de les zeolites amb major selectivitat per portar a terme la separació de CO2 i CH4 d'entre les descrites a la bibliografia. En un tercer apartat es presenta una nova zeolita, ITQ-50, obtinguda per transformació en estat sòlid a partir d'una altra zeolita en condicions d'ultra alta pressió, sent aquest el primer cas reportat a la bibliografia. També es mostren i discuteixen els resultats d'adsorció de diferents gasos en aquesta zeolita. D'una banda, es van mostrar els resultats obtinguts en l'adsorció de CO2 i CH4 amb l'objecte d'avaluar les seves propietats per a la separació d'aquests gasos. I d'altra banda, s'exposen les dades més rellevants derivades de les mesures d'isotermes i cinètiques d'adsorció d'hidrocarburs de cadena curta (C3-C4), centrant l'estudi en la separació d'alcans i alquens. Finalment, s'estudia la influència que té la presència de continguts elevats de germani a la xarxa de la zeolita ITQ-29 sobre la difusió d'hidrocarburs lleugers, en concret, propà i propè, ja que aquesta és una de les separacions més rellevants en la indústria petroquímica. / Palomino Roca, M. (2016). Estudio de procesos de separación de hidrocarburos ligeros mediante el empleo de tamices moleculares [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63244

Los procesos de separación de mezclas de hidrocarburos y gases ligeros mediante adsorción selectiva empleando sólidos microporosos son de interés en numerosas aplicaciones industriales. El objetivo de este trabajo se centra en la purificación de productos gaseosos de interés en la industria petroquímica y la separación de mezclas de CH4/CO2 para la valorización de gas natural. Se pretende evaluar diferentes métodos sencillos que permitan determinar de forma experimental las isotermas de los gases puros a partir de mezclas, y por tanto evaluar la termodinámica de los procesos de adsorción competitiva de forma rigurosa. También se utiliza el método de cálculo de la teoría de la solución ideal adsorbida (IAST Ideal adsorbed Solution Theory) para estimar la adsorción binaria de los compuestos en una mezcla de gases a partir de las isotermas de los compuestos puros y se compara con los valores experimentales de adsorción competitiva. En primer lugar, se evalúa la capacidad de diferentes zeolitas de poro medio, ZSM-5, IM-5 y TNU-9, en procesos de separación de mezclas de hidrocarburos ligeros lineales y ramificados (propano, isobutano, n-pentano y neopentano). Se establecen los modelos de ajuste de las isotermas de adsorción, así como las ecuaciones que permiten calcular el calor isostérico de adsorción y el cálculo de la predicción IAST. En un segundo apartado se ha desarrollado un método que, combinando isotermas gravimétricas y volumétricas de mezclas de dos gases de diferente peso molecular, permite obtener las isotermas de cada uno de los adsorbatos por separado. Para ello, se han utilizado mezclas de CO2 y CH4 en distintas proporciones y las zeolitas Beta, ITQ-29 y B-DDR como adsorbentes. Se debe tener en cuenta que la zeolita Beta se utiliza como modelo de adsorbente no selectivo y como punto de comparación para las otras zeolitas. La combinación de isotermas volumétricas y gravimétricas permitió calcular la isoterma completa de cada gas en una mezcla binaria durante un proceso de adsorción competitiva. Por otro lado, se ha aplicado el método de cálculo IAST a este mismo caso de estudio. Los resultados obtenidos por ambos métodos no coinciden, especialmente para el caso de la zeolita B-DDR que presenta una adsorción muy preferencial por el CO2. Sin embargo, la estimación termodinámica IAST se acerca mucho a los resultados experimentales obtenidos por la zeolita Beta, lo que indica que este método no es adecuado para la determinación de la selectividad en procesos de separación sobre sólidos microporosos en los que hay adsorción preferencial. En un tercer apartado se presenta el estudio de la adsorción dinámica de mezclas CO2/CH4 en condiciones variables de presión y composición a temperatura constante, sobre diferentes zeolitas. Como primera etapa, se llevó a cabo la adsorción dinámica de CO2 y N2 sobre la zeolita 13X con el objeto de poner a punto un nuevo equipo de curvas de ruptura diseñado en el Instituto de Tecnología Química (ITQ), logrando encontrar resultados que están de acuerdo con los publicados en la literatura para esta separación. Adicionalmente, se han evaluado las propiedades de separación de mezclas de gases CO2/CH4 por métodos dinámicos sobre las zeolitas Beta e ITQ-29, encontrando que los valores obtenidos para los gases puros CO2 y CH4 por métodos dinámicos y estáticos son muy similares para estas zeolitas y que, efectivamente, éstas son capaces de separar mezclas de CO2 y CH4. Sin embargo, en el caso de las curvas de ruptura para las mezclas CO2/CH4 sobre la zeolita Beta, se encuentran zonas de transferencia de masa menos abruptas que en el caso de la zeolita ITQ-29, confirmando que la zeolita Beta es un adsorbente menos eficiente para la separación de esta mezcla. / The separation processes of hydrocarbons and light gas mixtures by selective adsorption using microporous solids are interesting in numerous industrial applications. The objective of this work focuses on the purification of gaseous products of interest in the petrochemical industry and the separation of CH4/CO2 mixtures in order to increase the natural gas' value. The aim is to evaluate different simple methods that allow to determine experimentally the isotherms of pure gases from mixtures, and therefore to evaluate the thermodynamics of competitive adsorption processes in a rigorous way. The Ideal Adsorbed Solution Theory (IAST) calculation method is also used to estimate the binary adsorption of the compounds in a mixture of gases from the isotherms of the pure compounds and it is compared to the values of competitive adsorption experiments. Firstly, the capacity of different medium pore zeolites, ZSM-5, IM-5 and TNU-9, is evaluated in separation processes of linear and branched light hydrocarbon mixtures (propane, isobutane, n-pentane and neopentane). The adjustment models of the adsorption isotherms are established, as well as the equations that allow to calculate the isoteric heat of adsorption and the calculation of the IAST prediction. In a second section, a method has been developed that, combining gravimetric and volumetric isotherms of mixtures of two gases of different molecular weight, allows to obtain the isotherms of each of the adsorbates separately. For this, mixtures of CO2 and CH4 have been used in different proportions and zeolites Beta, ITQ-29 and B-DDR as adsorbents. It must be taken into account that zeolite Beta is used as a model of a non-selective adsorbent and as a point of comparison for the other zeolites. The combination of volumetric and gravimetric isotherms allowed to calculate the complete isotherm of each gas in a binary mixture during a competitive adsorption process. On the other hand, the IAST calculation method has been applied to this same case study. The results obtained by both methods do not coincide, especially for the case of zeolite B-DDR which presents a very preferential adsorption by CO2. However, the thermodynamic estimation with IAST is very close to the experimental results obtained by the zeolite Beta, which indicates that this method is not suitable for the determination of the selectivity in separation processes on microporous solids in which there is preferential adsorption. In a third section we present the study of the dynamic adsorption of CO2/CH4 mixtures under variable conditions of pressure and composition at constant temperature, on different zeolites. As a first step, the dynamic adsorption of CO2 and N2 was carried out on the 13X zeolite in order to fine-tune the breakthrough curve equipment designed by the Chemical Technology Institute (ITQ), achieving results that are in accordance with the published results in the literature for this separation. Additionally, the separation properties of CO2/CH4 gas mixtures were evaluated by dynamic methods on Beta and ITQ-29 zeolites, finding that the values obtained for pure CO2 and CH4 gases by dynamic and static methods are very similar for these zeolites and that, indeed, they are capable of separating mixtures of CO2 and CH4. However, in the case of the breakthrough curves for the CO2/CH4 mixtures on the Beta zeolite, less abrupt mass transfer zones are found than in the case of the ITQ-29 zeolite, confirming that the Beta zeolite is an adsorbent less efficient for the separation of this mixture. / Els processos de separació de mescles d'hidrocarburs i gasos lleugers mitjançant adsorció selectiva emprant sòlids microporosos són d'interès en nombroses aplicacions industrials. L'objectiu d'aquest treball se centra en la purificació de productes gasosos d'interès en la indústria petroquímica i la separació de mescles de CH4/CO2 per a la valorització de gas natural. Es pretén avaluar diferents mètodes senzills que permeten determinar de forma experimental les isotermes dels gasos purs a partir de mescles, i per tant avaluar la termodinàmica dels processos d'adsorció competitiva de forma rigorosa. També s'utilitza el mètode de càlcul de la teoria de la solució ideal adsorbida (IAST Ideal Adsorbed Solution Theory) per a estimar l'adsorció binària dels compostos en una mescla de gasos a partir de les isotermes dels compostos purs i es compara amb els valors experimentals d'adsorció competitiva. En primer lloc, s'avalua la capacitat de diferents zeolites de porus mitjà, ZSM-5, IM-5 i TNU-9, en processos de separació de mescles d'hidrocarburs lleugers lineals i ramificats (propà, isobutano, n-pentà i neopentano). S'estableixen els models d'ajust de les isotermes d'adsorció, així com les equacions que permeten calcular la calor isostérico d'adsorció i el càlcul de la predicció IAST. En un segon apartat s'ha desenvolupat un mètode que, combinant isotermes gravimètriques i volumètriques de mescles de dos gasos de diferent pes molecular, permet obtenir les isotermes de cadasqun dels adsorbats per separat. Per a açò, s'han utilitzat mescles de CO2 i CH4 en diferents proporcions i les zeolites Beta, ITQ-29 i B-DDR com a adsorbents. S'ha de tenir en compte que la zeolita Beta s'utilitza com a model d'adsorbent no selectiu i com a punt de comparació per a les altres zeolites. La combinació d'isotermes volumètriques i gravimètriques va permetre calcular la isoterma completa de cada gas en una mescla binària durant un procés d'adsorció competitiva. D'altra banda, s'ha aplicat el mètode de càlcul IAST a aquest mateix cas d'estudi. Els resultats obtinguts per tots dos mètodes no coincideixen, especialment per al cas de la zeolita B-DDR que presenta una adsorció molt preferencial pel CO2. No obstant açò, l'estimació termodinàmica IAST s'acosta molt als resultats experimentals obtinguts per la zeolita Beta, la qual cosa indica que aquest mètode no és adequat per a la determinació de la selectivitat en processos de separació sobre sòlids microporosos en els quals hi ha adsorció preferencial. En un tercer apartat es presenta l'estudi de l'adsorció dinàmica de mescles CO2/CH4 en condicions variables de pressió i composició a temperatura constant, sobre diferents zeolites. Com a primera etapa, es va dur a terme l'adsorció dinàmica de CO2 i N2 sobre la zeolita 13X amb l'objecte de posar a punt un nou equip de corbes de ruptura dissenyat en l'Institut de Tecnologia Química (ITQ), aconseguint trobar resultats que estan d'acord amb els publicats en la literatura per a aquesta separació. Addicionalment, s'han avaluat les propietats de separació de mescles de gasos CO2/CH4 per mètodes dinàmics sobre les zeolites Beta i ITQ-29, trobant que els valors obtinguts per als gasos purs CO2 i CH4 per mètodes dinàmics i estàtics són molt similars per a aquestes zeolites i que, efectivament, aquestes són capaces de separar mescles de CO2 i CH4. No obstant açò, en el cas de les corbes de ruptura per a les barreges CO2/CH4 sobre la zeolita Beta, es troben zones de transferència de massa menys abruptes que en el cas de la zeolita ITQ-29, confirmant que la zeolita Beta és un adsorbent menys eficient per a la separació d'aquesta mescla. / Sánchez, LY. (2018). Empleo de zeolitas en procesos de adsorción y separación de hidrocarburos de cadena corta [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107362