Catálisis Heterogénea

Catálisis Heterogénea M.C. Manuel Román Aguirre

M. C. Manuel Román Aguirre Negocio$$$$ • En México, en la década pasada tan solo la industria petroquímica consumía mas de: 10, 000 ton/año de catalizadores equivalente a mas de • US$ 300,000,000.00 • S. Fuentes. Appl. Catal. A. general, 142 (1996) 179-181 • Downstreamtoday.com

M. C. Manuel Román Aguirre Vida cotidiana El 80 % de los productos químicos requiere al menos un proceso catalítico, es decir, al menos un catalizador

“Una entidad que cambia la velocidad de una reacción química tomando parte íntimamente en ella pero sin llegar a ser un producto” J. Blanco, R. Linarte, Catálisis: fundamentos y aplicaciones industriales. 1ra Ed. Trillas, México, 1976 M. C. Manuel Román Aguirre Catalizador

M. C. Manuel Román Aguirre Reacción catalizada

Es un catalizador que no se encuentra en la misma fase que el medio de reacción. Por ejemplo: Un catalizador sólido en un sistema gaseoso M. C. Manuel Román Aguirre Catalizador Heterogéneo

M. C. Manuel Román Aguirre Catálisis heterogénea 2CO + 2NO 2CO2 + N2 O N O O O N C C Catalizador sólido

O N O O O N C C M. C. Manuel Román Aguirre La vida diaria

Fenómenos de adsorción y desorción Formación de complejos intermedios Energías de activación Cinética M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica Langmuir: Premio Nobel de Quimica 1932

Difusión de reactivos desde la masa de fluido a la superficie del catalizador Difusión de reactivos a través de los poros del catalizador Adsorcion de los reactivos sobre la superficie del catalizador Transformación química de las especies adsorbidas Desorción de los productos Difusión de los productos a través de los poros Difusión de los productos desde la superficie del catalizador M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquimica

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Adsorción, reacción y desorción C2H2 + H2 C2H6 Ni Formación de complejos intermedios (ruptura y formación de enlaces) Adsorción de los reactivos a la superficie del catalizador desorción de los reactivos de la superficie del catalizador Ni

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: energía de activación C2H2 + H2 C2H6 EI Ea = EI - ER E ER DHR = Ep- ER EP Ea = Energía de activación DHR = Calor de reacción

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: energía de activación C2H2 + H2 C2H6 Ni E

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: energía de activación El catalizador, disminuye la barrera de energía que deben vencer los reactivos para llegar a productos E

Velocidad controlada por la difusión (que tan rápido difunden los reactivos a la superficie del catalizador o los productos hacia el flujo de reactivos)) Velocidad controlada por la adsorción-desorción (que tan rápido se adsorben los reactivos a la superficie o que tan rápido se desorden los productos de la superficie) Velocidad controlada por la reacción (que tan rápido se consumen los reactivos y se forman los productos) M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética

La velocidad global del proceso catalítico está dominada por el fenómeno mas lento M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética Velocidad de reacción Velocidad de difusión Velocidad Velocidad real T

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética v = kgA a(pAg-pAi ) v = Velocidad de difusión kgA =coeficiente de difusión a =área superficial del catalizador pAg = presión parcial de A en el flujo de gas pAi = presión parcial de A en la superficie del catalizador

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética k A + l Al k’ CAl v = k ClpA – k’CAl K = Cl pA v = velocidad de adsorción K=constante de equilibrio L= concentración total de sitios activos por unidad de masa CAl =Concentración de la especie Al Cl = concentración de sitios activos libres pAi = presión parcial de A en la superficie del catalizador

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética k Al + Bl Cl + Dl k’ CCl CDl v = k CAlCbl – k’CCl CDl K = CAl CBl v = velocidad de reaccion de las especies adsorbidas K=constante de equilibrio Ci= concentración de la especie i k y k’Al =Constantes de velocidad

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética

Área superficial Diámetro de poro Número de sitios activos Propiedades mecánicas Estabilidad térmica y química ACTIVIDAD COSTO M. C. Manuel Román Aguirre Características de interés en un catalizador sólido

M. C. Manuel Román Aguirre Superficie El área superficial aumenta con la porosidad

M. C. Manuel Román Aguirre Superficie El área superficial aumenta con la disminución del tamaño de partícula.

M. C. Manuel Román Aguirre Diámetro de poro El diámetro de poro debe ser suficientemente grande para que los reactivos puedan entrar e interaccionar con la superficie

Superficie M. C. Manuel Román Aguirre

Flujo de reactivos Sitios activos Superficie del catalizador M. C. Manuel Román Aguirre Sitios activos

M. C. Manuel Román Aguirre Estabilidad térmica El catalizador, ya sea en su fase activa o en el soporte, no debe degradarse, colapsar, o cambiar de fase o estructura a la temperatura típica de reacción

M. C. Manuel Román Aguirre Estabilidad química El catalizador, no debe deteriorarse con el medio reaccionante (arrastrarse en la reaccion, contaminarse (envenenarse), cambiar su composicion quimica, etc.)

M. C. Manuel Román Aguirre Actividad, selectividad y estabilidad Actividad: es una medida de la velocidad de la reacción en relación al catalizador utilizado:

Selectividad: es el cociente entre los moles de producto deseado obtenidos y los moles de reactivo consumidos NC S = NA0-NA M. C. Manuel Román Aguirre Actividad, selectividad y estabilidad A + B C A + B D A: REACTIVO LIMITANTE C: PRODUCTO DESEADO NA0: MOLES INICIALES DE A NA: MOLES REMANENTES DE A NC: MOLES PRODUCIDAS DE C

M. C. Manuel Román Aguirre Actividad, selectividad y estabilidad Estabilidad: es la medida de la capacidad de un catalizador para convertir reactivos en productos durante su “tiempo de vida”:

M. C. Manuel Román Aguirre Ventajas y desventajas de la catálisis heterogénea

M. C. Manuel Román Aguirre Clasificación de los catalizadores heterogéneos • J. Blanco, R. Linarte, Catálisis: fundamentos y aplicaciones industriales. 1ra Ed. Trillas, México, 1976

C3/C4 A LPG H2 REFORMACION DE GAS RECUPERACION Y ENDULZAMIENTO DE GAS SATURADO C5/C6 ISOMERIZACION H2S DESTILACION ATMOSFERICA RECUPERACION DE AZUFRE CRUDO AZUFRE H2 GASOLINA REFORMACION HIDROTRATAMIENTO DESTILACION AL VACIO DIESEL H2S ACL ENDULZ. Y RECUP. DE LIGEROS DE GAS NO SATURADO GAS COMBUSTIBLE LPG C3= ALQUILACION C3’s - C4’s MTBE TAME ACEITE DECANTADO FCC COQUIZACION C5=‘s C4=‘s DESTILADOS METANOL n C4 ISOMERIZACION nC4 H2 COMBUSTOLEO H2 COQUE M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (petroquímica básica)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (petroquímica básica)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (agricultura) Proceso de producción de amoniaco (NH3)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (agricultura) Planta de producción de amoniaco (NH3)

Ruta Boots Ruta Hoescht M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (fármacos)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en energías alternativas (Celdas de combustible)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno) CH4 + H2O CO + 3H2 CO + H2O CO2 + H2 CnHm + n H2O nCO + (n + m/2) H2

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en energías alternativas Proyecto CUTE (Clean Urban Tranport for Europe)

banda de conducción banda de valencia M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores: Contaminación ambiental Fotocatálisis sobre TiO2

M. C. Manuel Román Aguirre Catálisis: Investigación

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