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Catálisis HeterogéneaM.C. Manuel Román Aguirre
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M. C. Manuel Román AguirreFisicoquímica: Cinética
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M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industriaquímica (petroquímica básica)
M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en la industria   química (agricultura)   Proceso de producción de amoniaco (NH3)
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M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en energías alternativas       (Celdas de combustible)
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M. C. Manuel Román Aguirre   Catalizadores: Contaminación   banda de             ambiental   conducción                   ...
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Catálisis heterogénea

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Catálisis heterogénea

  1. 1. Catálisis HeterogéneaM.C. Manuel Román Aguirre
  2. 2. M. C. Manuel Román AguirreNegocio$$$$ • 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
  3. 3. M. C. Manuel Román AguirreVida cotidiana El 80 % de los productos químicos requiere al menos un proceso catalítico, es decir, al menos un catalizador
  4. 4. M. C. Manuel Román Aguirre 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
  5. 5. M. C. Manuel Román Aguirre Reacción catalizada CH3 H3C OH + H2O HH3C O H H3C O+ H H3C C+ + H+ + H2O H3C H+ +
  6. 6. M. C. Manuel Román AguirreCatalizador Heterogéneo • 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
  7. 7. M. C. Manuel Román Aguirre Catálisis heterogénea 2CO + 2NO 2CO2 + N2 O N OO O NC C Catalizador sólido
  8. 8. M. C. Manuel Román AguirreLa vida diaria O N OO O NC C
  9. 9. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica• Fenómenos de adsorción y desorción• Formación de complejos intermedios• Energías de activación• Cinética
  10. 10. M. C. Manuel Román Aguirre FisicoquímicaLangmuir: PremioNobel de Quimica 1932
  11. 11. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquimica1. Difusión de reactivos desde la masa de fluido a la superficie del catalizador2. Difusión de reactivos a través de los poros del catalizador3. Adsorcion de los reactivos sobre la superficie del catalizador4. Transformación química de las especies adsorbidas5. Desorción de los productos6. Difusión de los productos a través de los poros7. Difusión de los productos desde la superficie del catalizador
  12. 12. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Adsorción, reacción y desorción C2H2 + H2 C2H6 Ni Formación Adsorción de desorción de los complejos de los reactivos a intermedios reactivos delala superficie superficie del (ruptura y del catalizador formación catalizador de enlaces) Ni
  13. 13. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: energía de activación C2H2 + H2 C2H6 EI E Ea = EI - ER ER ∆ HR = Ep- ER EPEa = Energía de activación ∆ HR = Calor de reacción
  14. 14. M. C. Manuel Román AguirreFisicoquímica: energía de activación C2H2 + H2 C2H6 Ni E
  15. 15. M. C. Manuel Román AguirreFisicoquímica: energía de activación El catalizador, disminuye la barrera de energíaE que deben vencer los reactivos para llegar a productos
  16. 16. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética• 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)
  17. 17. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética• La velocidad global del proceso catalítico estádominada por el fenómeno mas lento
  18. 18. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética Velocidad de reacción Velocidad de difusiónVelocidad Velocidad real T
  19. 19. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética v = kgA a(p Ag -p Ai )v= Velocidad de difusiónkgA = coeficiente de difusióna= área superficial del catalizadorp Ag = presión parcial de A en el flujo de gasp Ai = presión parcial de A en la superficie del catalizador
  20. 20. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética k A+l k’ Al CAl K= v = k Cl p A – k’CAl Cl p Av = velocidad de adsorciónK= constante de equilibrioL = concentración total de sitios activos por unidad de masaCAl = Concentración de la especie AlC l = concentración de sitios activos libresp Ai = presión parcial de A en la superficie del catalizador
  21. 21. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética k Al + Bl k’ Cl + Dl CCl CDlK= v = k CAl Cbl – k’CCl CDl CAl CBlv = velocidad de reaccion de las especies adsorbidasK= constante de equilibrioCi = concentración de la especie ik y k’Al = Constantes de velocidad
  22. 22. M. C. Manuel Román AguirreFisicoquímica: Cinética
  23. 23. M. C. Manuel Román Aguirre Características de interés en un catalizador sólido• Área superficial• Diámetro de poro• Número de sitios activos• Propiedades mecánicas• Estabilidad térmica y química• ACTIVIDAD• COSTO
  24. 24. M. C. Manuel Román Aguirre SuperficieEl área superficial aumenta con la porosidad
  25. 25. M. C. Manuel Román Aguirre Superficie El área superficial aumenta con ladisminución del tamaño de partícula.
  26. 26. M. C. Manuel Román Aguirre Diámetro de poroEl diámetro de poro debe ser suficientemente grande para que los reactivos puedan entrar e interaccionar con la superficie
  27. 27. M. C. Manuel Román Aguirre Superficie Soporte Área Diámetro de superficial poro m2/g (Å)MCM-41 (SiO2) 1000-1500 15-40Sílice 200- 400 NAnanométricaCarbón activado 2000 a 3000 8
  28. 28. M. C. Manuel Román Aguirre Sitios activos Flujo dereactivos Sitios activos Superficie del catalizador
  29. 29. M. C. Manuel Román Aguirre Sitios activos Flujo dereactivos Sitios activos Superficie del catalizador
  30. 30. M. C. Manuel Román Aguirre Estabilidad térmica El catalizador, ya sea en su fase activa o en elsoporte, no debe degradarse, colapsar, o cambiar de fase o estructura a la temperatura típica de reacción
  31. 31. M. C. Manuel Román Aguirre Estabilidad químicaEl catalizador, no debe deteriorarse con el medio reaccionante (arrastrarse en la reaccion, contaminarse (envenenarse), cambiar su composicion quimica, etc.)
  32. 32. M. C. Manuel Román Aguirre Estabilidad químicaEl catalizador, no debe deteriorarse con el medio reaccionante (arrastrarse en la reaccion, contaminarse (envenenarse), cambiar su composicion quimica, etc.)
  33. 33. M. C. Manuel Román Aguirre Estabilidad químicaEl catalizador, no debe deteriorarse con el medio reaccionante (arrastrarse en la reaccion, contaminarse (envenenarse), cambiar su composicion quimica, etc.)
  34. 34. M. C. Manuel Román Aguirre Actividad, selectividad y estabilidadActividad: es una medida de la velocidad de la reacción en relación al catalizador utilizado: cantidad de reactivo convertido (unidad de tiempo)·(cantidad de catalizador)
  35. 35. M. C. Manuel Román Aguirre Actividad, selectividad y estabilidad Selectividad: es el cociente entre los moles de producto deseado obtenidos y los moles de reactivo consumidos A+B C A+B D NCA: REACTIVO LIMITANTE S= NA0-NAC: PRODUCTO DESEADONA0: MOLES INICIALES DE ANA: MOLES REMANENTES DE ANC: MOLES PRODUCIDAS DE C
  36. 36. M. C. Manuel Román Aguirre Actividad, selectividad y estabilidadEstabilidad: es la medida de la capacidad de un catalizador para convertir reactivos en productos durante su “tiempo de vida”: cantidad de reactivo convertido cantidad de catalizador
  37. 37. M. C. Manuel Román Aguirre Ventajas y desventajas de la catálisis heterogénea  Cat.Homogénea Cat. HeterogéneaCondiciones de reacción Suaves SeverasSeparación de productos y cat. Difícil FácilRecuperación del catalizador Caro No RequiereEstabilidad térmica catalizador Baja AltaTiempo de vida del catalizador Variable AltoActividad Alta VariableSelectividad Alta Media-bajaSensibilidad al envenenamiento Baja AltaDeterminación de propiedades Viable Muy Difícilestéricas y electrónicas delcatalizadorDeterminación del mecanismo Frecuente Muy DifícilProblemas de difusión Bajo Importantes
  38. 38. M. C. Manuel Román Aguirre Clasificación de los catalizadores heterogéneos Tipo de fase Procesos industriales Ejemplos activa Metales Hidrogenación, deshidrogenacion, Ni, Pd, Pt, Ag combustión total, metanación, oxidación Óxidos metálicos Oxidación, deshidrogenación, Cr2O3, V2O5, semiconductores hidrodealquilación, desproporción de MoO3 olefinas, polimerización, hidrogenación Sales metálicas Hidrodesulfuración, oxicloración CoS, NIS, CuCl2 Óxidos metálicos Isomerización, deshidratación, Al2O3, SiO2- aisladores (ácidos y desintegración catalítica, alquilación, Al2O3, MgO bases) hidratación Bifuncionales Reformación Pt/Al2O3•J. Blanco, R. Linarte, Catálisis: fundamentos y aplicaciones industriales. 1ra Ed. Trillas, México, 1976
  39. 39. M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (petroquímica básica) C 3 /C 4 A LPG H2 RECUPERACION REFORMACION Y ENDULZAMIENTO DE GAS DE GAS SATURADO H 2S RECUPERACION DE AZUFRE C5/C6 ISOMERIZACION HIDROTRATAMIENTOCRUD DESTILACION AZUFRE O H2 ATMOSFERICA GASOLINA REFORMACION DIESEL H 2S ACL ENDULZ. Y RECUP. GAS COMBUSTIBLE DE LIGEROS DE DESTILACION GAS NO SATURADO LPG AL VACIO C 3= FCC ALQUILACION C3’s - C4’s ACEITE C 5 =‘s C 4 =‘s DECANTADO DESTILADOS TAME MTBE n C4 METANOL nC 4 ISOMERIZACION COQUIZACION H2 COMBUSTOLEO H2 COQUE
  40. 40. M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industriaquímica (petroquímica básica)
  41. 41. M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en la industria química (agricultura) Proceso de producción de amoniaco (NH3)
  42. 42. M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en la industria química (agricultura) Planta de producción de amoniaco (NH3)
  43. 43. M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (fármacos) CHO O CO2Et NaEtO/EtOH HCl/H2O CH3 CH3 HC NOH - HCOOEt i NH2OH Pr i Pr - NaCl - H2O CH3 ClCH2CO2Et i Pr NaEtO - NaCl O Ruta Boots - H 2O CN CH3 CH3 i Pr i Pr - NH3 H 2O (CH3CO)2O AlCl3 - CH3COOH COOH Ruta Hoescht CH3i iPr Pr (CH 3CO)2O O HF CO Ibuprofen OH 8000 Tm/año CH 3 PdCl2(PPh3)2 i Pr H2 CH 3 HCl i Pd/C Pr
  44. 44. M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en energías alternativas (Celdas de combustible)
  45. 45. M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno) CH4 + H2O CO + 3H2 CO + H2O CO2 + H2 CnHm + n H2O nCO + (n + m/2) H2
  46. 46. M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno)
  47. 47. M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno)
  48. 48. M. C. Manuel Román AguirreCatalizadores en energías alternativasProyecto CUTE(Clean Urban Tranport for Europe)
  49. 49. M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores: Contaminación banda de ambiental conducción Cr(III) O2- Cr(VI) foton UV λ > 348 nm O2 Eg H+ + [HO]· banda de H2O CO2 + H2O valencia orgánicosFotocatálisis sobre TiO2
  50. 50. M. C. Manuel Román Aguirre Catálisis: Investigación 70000 60000 50000# de Articulos 40000 30000 20000 10000 0 1950 1974 1980 1988 1993 1997 2001 Año
  51. 51. Catálisis: InvestigaciónLineas de investigacion en CIMAV• Materiales catalíticos nanoestructurados• Catalizadores para celdas de combustible• Producción de hidrogeno• Fotocatálisis (control de contaminantes)• Petroquímica (desulfuración, crackeo)• Química fina (obtención de materiales para la industria farmacéutica y cosmética)
  52. 52. Catálisis: InvestigaciónBuscando solución a problemas de:• Contaminación ambiental• Fuentes alternas de energía• Mejora en el desempeño de procesos petroquímicos• Aprovechamiento de recursos regionales

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