Este documento presenta una introducción a la catálisis heterogénea. Explica que un catalizador aumenta la velocidad de una reacción química sin ser consumido en el proceso. Describe las propiedades de los catalizadores sólidos como su densidad, superficie específica y porosidad. También cubre temas como la preparación de catalizadores soportados, los tipos de soportes como óxidos inorgánicos y polímeros orgánicos, y los métodos de preparación como la precipitación y proceso sol-gel.

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Catálisis Heterogénea
PROF. JUAN F. ALVAREZ
Octubre 2020
Introducción a la
catálisis Heterogénea

2. Contenido
¿Que es un catalizador?
1
Propiedades de un catalizador
2
SOPORTES
3
Preparación de catalizadores
4
Catalizadores soportados
5
6

3. Velocidad de reacción
Energía de activación
Equilibrio termodinámico
Adsorción

4. INTRODUCCIÓN
¿Qué es un catalizador?
Una sustancia que aumenta la velocidad de una
reacción química (hacia el equilibrio) pero que no se
consume apreciablemente en la reacción.

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8. -8
-6
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-2
0
2
4
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8
10
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
Delta
de
Energía
Libre
de
Gibss
ΔG
(kcal/mol)
Desplazamiento de agua
Desplazamiento de agua
ΔG Es un índice de la fuerza
motriz de la reacción o del
proceso. En general una
reacción espontánea debe
estar acompañada por un
decremento de la energía de
Gibbs del sistema
El catalizador solo actúa sobre reacciones
termodinámicamente posibles, el catalizador
favorece la reacción en ambos sentidos.
El catalizador no modifica la constante
de equilibrio.

9. Los reactivos, productos y el
catalizador están en fases
diferentes, usualmente el
catalizador es sólido y los reactivos
y productos están en fase liquida o
como vapor.
Catalizadores Homogéneos Catalizadores Heterogéneos
Ventajas:
Uniformidad de los sitios activos
Mayor selectividad en algunas reacciones.
Control más fácil de temperatura para
reacciones muy exotérmicas.
Ventajas:
Separación más fácil del catalizador de reactivos y
productos.
Eliminación de problemas de corrosión y de
tratamiento de desechos líquidos.
Desventajas:
Procedimientos de separación y recuperación
del catalizador son caros.
Serios problemas de corrosión, cuando se
usan catalizadores ácidos o solventes.
Tratamientos caros de desechos tóxicos
obtenidos después de separación,
regeneración y reciclo de catalizador.
Posibilidad de contaminación de los productos
por el catalizador.
Desventajas:
Puede haber diferentes sitios activos.
Algunas veces hay menor selectividad.
Dificultad en el control de temperatura para
reacciones muy exotérmicas.
Puede haber limitaciones de transferencia de masa
interfase e intrafase.
Requerimientos de resistencia mecánica y de
erosión para los catalizadores.
Los reactivos, productos y el catalizador
están en una sola fase, usualmente la
fase liquida

10. Un
El catalizador no se altera
químicamente, a menos que exista
un proceso de desactivación. Si la reacción es de tipo
paralelo, el catalizador puede
mostrar selectividad hacia
determinado producto.
La velocidad de reacción es
proporcional a la cantidad de
catalizador, cuando el catalizador
es sólido depende de la cantidad
de sitios activos.
CH4 + ½O2 CO + 2H2
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
K≈1011
K≈1031
90%
selectividad
r
catalizado
de
peso
tiempo
reaccionan
que
molesA
rA
_
_
*
_
_
)
( =
−
Un catalizador no cambia el equilibrio
termodinámico, pero puede hacer ,
pero puede hacer que se alcance el
equilibrio más rápidamente.

11. Difusión externa
de los reactivos
Difusión interna
de los reactivos
poro
Adsorció
n
Reacción Desorció
n
Agua
Metano
Agua
Metano
H2
CO
Sitio
activo
Difusión interna
de los productos
Difusión externa
de los productos
Reformado de
metano

15. ¿Cómo aumenta la velocidad de
reacción un catalizador
Velocidad de reacción

16. Catalizadores Sólidos Propiedades

17. Catalizadores Sólido Propiedades FÍSICAS
Para una Pastilla
Densidad del Sólido: δs= gr sólido / cm3 sólido
Densidad aparente: δp= gr sólido / cm3 pastilla
Volumen de poro: vg= cm3 hueco / gr sólido = 1/ δp -1/ δs
Porosidad: % vol hueco: ε (%) = vg (cm3 hueco/gr sól). δp= (cm3 hueco/cm3 past).100
Para un Lecho
Densidad del Sólido: δs= gr sólido / cm3 sólido
Densidad aparente: δb= gr sólido / cm3 lecho
Volumen hueco: v1= cm3 hueco lecho / gr = 1/ δb -1/ δp
Porosidad: % vol hueco: ε (%) = v1(cm3 lecho hueco/gr ). δb= (gr /cm3 lecho
past).100
Superficie Específica
es la suma de la superficie exterior más la interior del material considerado. La superficie interior
está formada por las paredes de los poros y/o fallas que tenga, generalmente es >que el área
externa. Sg = S/W (m2/g)

18. Las especies activas, constituidas por uno o mas compuestos que contribuye
cada uno con sus propiedades funcionales diferentes, o interactúan entre ellos
creando efectos sinergeticos en la interfase.
Promotores físicos, elementos o compuestos añadidos en pequeñas
cantidades que ayudan a estabilizar el área superficial del material o a
incrementar su resistencia mecánica.
Promotores químicos, son elementos o compuestos que modifican la actividad
y selectividad de las especies activas.
Soportes, son compuestos presentes en la mayor proporción en el material
compuesto, que pueden jugar un papel múltiple en el catalizador
Catalizador-Extrudado
Promotor
Soporte
Catalizadores Sólido Propiedades QUIMICAS

19. Catalizadores Sólido Propiedades QUIMICA
Es necesario tomar en cuenta en la influencia de los factores que tienen un rol
en la quimioselectividad o regioselectividad (esto es su influencia sobre:
 la estructura molecular
 los efectos estéricos y electrónicos producidos por los sustituyentes) tanto
como la estructura del catalizador, esto es la naturaleza de los átomos metálicos,
geometría de los arreglos
estructura local y textura del soporte
efectos electrónicos y geométricos de un segundo
metal o de un ligante superficial.

20. Soportes
Un soporte ideal es aquel que es:
1.- Barato
2.- Disponible en grandes cantidades y a una composición uniforme
3.- Porosidad suficiente para permitir dispersión del catalizador al interior de la superficie.
4.- Libre de compuestos que puedan envenenar el catalizador.
5.- Estable ante las condiciones de regeneración.
6.- Resistente para resistir cualquier choque térmico o mecánico que esta expuesto a sufrir.
7.- Resistente al agotamiento.
8.- Inerte al ataque de componentes de los flujos de alimentación y a los productos y a los
componentes presentes en los flujos de regeneración a los cuales será expuesto.
9.- No catalítico con respecto a reacciones colaterales

21. INTRODUCCIÓN

22. PREPARACIÓN / CARACTERIZACIÓN
DE CATALIZADORES SOPORTADOS

23. Tipos de catalizadores
Los catalizadores pueden clasificarse en másicos y soportados
 Los másicos son aquellos en los que el 100% del material es susceptible
de actuar como centro activo si está en la superficie.
 Los soportados están compuestos como mínimo de dos sustancias: la
fase activa y el soporte que le confiere una serie de propiedades
adicionales
 Entre las propiedades podemos destacar:
 dispersa la fase activa
 aporta textura y posible interacción para estabilizar la dispersión
 aporta estabilidad térmica
 mejora las propiedades mecánicas
 confiere la forma adecuada para su uso en un reactor

24. Parámetros para la Preparación del
Catalizador
Si el catalizador debe o no ser soportado
La forma de las partículas: pastillas, cilindros, anillos, esferas, monolitos
Influencia de la fracción de espacios vacíos o libres en:
fenómenos de flujo y difusión y de resistencia mecánica.
El tamaño de las partículas. Para una forma dada el tamaño influye
solamente sobre fenómenos de flujo y difusión. Sin embargo, las partículas
pequeñas son más fáciles de preparar.

25. CATÁLISIS HETEROGÉNEA
CATALIZADORES
SOPORTADOS
SOPORTE ESPECIE ACTIVA
EN SUPERFICIE

26. CATALIZADORES
SOPORTADOS
METALES
ÓXIDOS
ESPECIES DISCRETAS:
-IONES INTERCAMBIADOS
-MOLÉCULAS ANCLADAS

27. RAZONES PARA EL USO
DE CAT. SOPORTADOS
• DISPERSIÓN DE LA FASE ACTIVA
• COSTES: menor cantidad de f. activa
•ACTIVIDAD: mayor superficie
• SELECTIVIDAD: dispersión de la fase
activa
•REGENERABILIDAD: cat. heterogéneos

28. SOPORTES
 ÓXIDOS INORGÁNICOS
 POLÍMEROS ORGÁNICOS
Generalmente los soportes son:

29. ALGUNOS ÓXIDOS INORGÁNICOS
USADOS COMO SOPORTE
SOPORTE ÁREA ESPECÍFICA UTILIZACIÓN
 SÍLICE 200-800 m2/g Reducción Nox/
Polimerización
 ALÚMINA 5-10/160-250 m2/g Hidrogenación/Craqueo
 ARCILLAS 180-1600 m2/g Craqueo/Isomerización/
ZEOLITAS Deshidratación
 SÓLIDOS
MESOPOROSOS 1000 m2/g Epoxidación
MCM-41

30. Métodos utilizados para la preparación de
catalizadores
Precipitación
Coprecipitación
Intercambio Iónico
Síntesis Hidrotérmica
Proceso Sol-Gel

31. SiCl4 + CH4 + O2 SiO2 + CO2 + HCl
AEROSIL DEGUSSA (UE)
CABOSIL CABOT (USA)
Partículas 1nm
Partículas 10nm
SÍLICE PIROGÉNICA

32. 800
850
900
950
1.000
1.050
1.100
1.150
0,0000 0,2000 0,4000 0,6000 0,8000 1,0000
Presión relativa, P/P
0
HZSM-5
V ads.
(ml/gr)
ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
(B.E.T.)
N2 ó Ar

33. ZEOLITAS
O
Si
O
O
Si
O O
Al
O
O
H
Al
O
H
O
Si
O
O
O
O

34. SÓLIDOS MESOPOROSOS:MCM-41
SÓLIDO SILÍCEO AMORFO
CON DIÁMETROS DE PORO
DE 20 A 100 Å

35. Síntesis de mallas moleculares
Zeolitas
Silicas
Aluminofosfatos
Modificación de mallas moleculares

36. Síntesis de materiales laminares y mesoporosos
 Manufactura de catalizadores por el
método sol-gel
Síntesis con soluciones acuosas
Síntesis con alcóxidos
Preparación de xerogeles y
aerogeles

37. Catalizadores monolíticos
Materiales
Preparación
Aplicaciones

38. Pastillas con canales.
Tamaño típico 20-40 mm en diámetro y 10-20 mm in
altura. Comparados con la forma en anillos, la presencia
de varios
canales de menor tamaño cambian la relación entre
fuerza mecánica
y transferencia de fenómenos de transporte de masa y
calor.
Monolitos
Tamaño de 50x100x200 mm hasta 250x250x250 mm o más.
El gas fluye a través de los canales largos, los cuales
constituyen la mayor parte del volumen. Los monolitos se
utilizan cuando el flujo de gas es alto, o contiene polvo u
hollín.
Anillos
Tamaño típico 6-20 mm. El canal central mejora
significativamente el transporte de gas tanto en la pastilla
como en el lecho catalítico.
Pastillas
Se usan para reactores de lecho fijo. El tamaño
típico es de 1.5 - 10 mm en diámetro.
Extrudados.
Tamaños típicos de 1-5 mm en diámetro y 10-30 mm en
longitud
Se usan solamente para catalizadores impregnados.
Fragmentos.
Tamaño típico 1-12 mm.
Se prepara normalmente por trituración de
catalizadores manufacturados por fusión.
Esferas
Tamaño típico 3-12 mm. Se usa
mayoritariamente para catalizadores
impregnados.
Fragmentos
Extrudados
Anillos
Esferas
Monolitos
Pastillas
con canales
Pastillas
Formas de Soportes

39. Selección del Catalizador
La selección del catalizador para un nuevo proceso
requiere de una serie de consideraciones Técnicas y
Económica
 escogencia del elemento o fase activa
escogencia del soporte
 diseño del reactor y transporte de masa
 diseño y separación del catalizador
transferencia de calor
recuperación y refinación del catalizador
utilizado

40. Catalizadores
Estructurados

41. METODO SOL GEL
El proceso sol‐gel puede ser llevado a cabo a baja T. Con este método es
posible la creación de materiales de alta homogeneidad a nivel molecular.
♣ Se produce la formación de materiales de alta limpieza con composición y
estructura determinada.
♣ El proceso sol‐gel es la síntesis de redes‐estructuras inorgánicas
obtenidas a baja Tª en líquidos: reales o disoluciones coloidales
♣ Con el método sol‐gel se pueden obtener nuevos materiales vítreos,
vidrio cerámicoy otros materiales de alta resistencia.

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Principales ventajas del método sol‐gel
 Ahorro de energía porque se desarrolla a moderadas temperaturas
 Obtención de materiales de alta homogeneidad
 Se utiliza una tecnología medioambiental apropiada
Disminuye las pérdidas de componentes en el tratamiento térmico
obteniéndose la formación del material con alta compacticidad de contenido del
componente
Desventajas
Relativo alto coste del material inicial, especialmente el alcoholato
empleado en la variante del método sol‐gel
METODO SOL GEL

43. MÉTODO SOL-GEL
Precursor
disuelto
Adición de
agua/H
+
/base para
hidrólisis y
condensación
Formación
de un gel
Envejecimiento
Eliminación de
dte.
M-OR
M-OR + H2O → M-OH + R-OH
M-OH + XO-M → M-O-M + X-OH
X=R,H
Secado evaporación:
Secado supercrítico:
XEROGEL
AEROGEL
Tratamiento
térmico/mecánico
MATERIAL FINAL:
POLVO
MONOLITO
PELLET
MEMBRANA

44. MÉTODO SOL-GEL

45. Asignación I
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1) Seleccione un proceso catalítico, Heterogéneo, homogéneo y Enzimático
2) Describa el proceso
3) Realice el DPF del proceso
4) Tipo de catalizador y reacción a catalizar
5) Impacto medio ambiental .
Tiempo de entrega 1 semana

46. Mural Mateo Manaure, 1955, Fac. Ciencias