2. 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
3. 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
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. M. C. Manuel Román Aguirre
Reacción catalizada
CH3
H3C OH
+ H2O
H
H3C O H H3C O+ H H3C
C+
+ H+
+ H2O
H3C
H+ +
6. M. C. Manuel Román Aguirre
Catalizador 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. M. C. Manuel Román Aguirre
Catálisis heterogénea
2CO + 2NO 2CO2 + N2
O
N
O
O O
N
C C
Catalizador sólido
8. M. C. Manuel Román Aguirre
La vida diaria
O
N
O
O O
N
C C
9. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica
• Fenómenos de adsorción y desorción
• Formación de complejos intermedios
• Energías de activación
• Cinética
10. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica
Langmuir: Premio
Nobel de Quimica
1932
11. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquimica
1. Difusión de reactivos desde la masa de fluido a la
superficie del catalizador
2. Difusión de reactivos a través de los poros del
catalizador
3. Adsorcion de los reactivos sobre la superficie del
catalizador
4. Transformación química de las especies adsorbidas
5. Desorción de los productos
6. Difusión de los productos a través de los poros
7. Difusión de los productos desde la superficie del
catalizador
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 de
lala superficie
superficie
del (ruptura y
del
catalizador formación
catalizador
de enlaces)
Ni
13. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: energía de activación
C2H2 + H2 C2H6
EI
E Ea = EI - ER
ER
∆ HR = Ep- ER
EP
Ea = Energía de activación ∆ HR = Calor de reacción
14. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: energía de activación
C2H2 + H2 C2H6
Ni
E
15. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: energía de
activación
El catalizador,
disminuye la
barrera de energía
E
que deben vencer
los reactivos para
llegar a productos
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. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: Cinética
• La velocidad global del
proceso catalítico está
dominada por el fenómeno
mas lento
18. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: Cinética
Velocidad de reacción
Velocidad de difusión
Velocidad
Velocidad real
T
19. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: Cinética
v = kgA a(p Ag -p Ai )
v= Velocidad de difusión
kgA = coeficiente de difusión
a= área superficial del catalizador
p Ag = presión parcial de A en el flujo de gas
p Ai = presión parcial de A en la superficie del catalizador
20. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: Cinética
k
A+l k’
Al
CAl
K= v = k Cl p A – k’CAl
Cl p A
v = velocidad de adsorción
K= constante de equilibrio
L = concentración total de sitios activos por unidad de masa
CAl = Concentración de la especie Al
C l = concentración de sitios activos libres
p Ai = presión parcial de A en la superficie del catalizador
21. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: Cinética
k
Al + Bl k’
Cl + Dl
CCl CDl
K= v = k CAl Cbl – k’CCl CDl
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
22. M. C. Manuel Román Aguirre
Fisicoquímica: Cinética
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. M. C. Manuel Román Aguirre
Superficie
El área superficial aumenta con la
porosidad
25. M. C. Manuel Román Aguirre
Superficie
El área superficial aumenta con la
disminución del tamaño de partícula.
26. 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
27. M. C. Manuel Román Aguirre
Superficie
Soporte Área Diámetro de
superficial poro
m2/g (Å)
MCM-41 (SiO2) 1000-1500 15-40
Sílice 200- 400 NA
nanométrica
Carbón activado 2000 a 3000 8
28. M. C. Manuel Román Aguirre
Sitios activos
Flujo de
reactivos Sitios
activos
Superficie
del
catalizador
29. M. C. Manuel Román Aguirre
Sitios activos
Flujo de
reactivos Sitios
activos
Superficie
del
catalizador
30. 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
31. 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.)
32. 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.)
33. 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.)
34. M. C. Manuel Román Aguirre
Actividad, selectividad y estabilidad
Actividad: 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. 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
NC
A: REACTIVO LIMITANTE S=
NA0-NA
C: PRODUCTO DESEADO
NA0: MOLES INICIALES DE A
NA: MOLES REMANENTES DE A
NC: MOLES PRODUCIDAS DE C
36. 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”:
cantidad de reactivo convertido
cantidad de catalizador
37. M. C. Manuel Román Aguirre
Ventajas y desventajas de la
catálisis heterogénea
Cat.Homogénea Cat. Heterogénea
Condiciones de reacción Suaves Severas
Separación de productos y cat. Difícil Fácil
Recuperación del catalizador Caro No Requiere
Estabilidad térmica catalizador Baja Alta
Tiempo de vida del catalizador Variable Alto
Actividad Alta Variable
Selectividad Alta Media-baja
Sensibilidad al envenenamiento Baja Alta
Determinación de propiedades Viable Muy Difícil
estéricas y electrónicas del
catalizador
Determinación del mecanismo Frecuente Muy Difícil
Problemas de difusión Bajo Importantes
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. 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
HIDROTRATAMIENTO
CRUD 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. M. C. Manuel Román Aguirre
Catalizadores en la industria
química (petroquímica básica)
41. M. C. Manuel Román Aguirre
Catalizadores en la industria
química (agricultura)
Proceso de producción de amoniaco (NH3)
42. M. C. Manuel Román Aguirre
Catalizadores en la industria
química (agricultura)
Planta de producción de amoniaco (NH3)
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 CH3
i i
Pr 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. M. C. Manuel Román Aguirre
Catalizadores en energías alternativas
(Celdas de combustible)
45. 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
46. M. C. Manuel Román Aguirre
Catalizadores en energías alternativas
(producción de hidrógeno)
47. M. C. Manuel Román Aguirre
Catalizadores en energías alternativas
(producción de hidrógeno)
48. M. C. Manuel Román Aguirre
Catalizadores en energías alternativas
Proyecto CUTE
(Clean Urban Tranport for Europe)
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
orgánicos
Fotocatálisis sobre TiO2
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. Catálisis: Investigación
Lineas 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. Catálisis: Investigación
Buscando solución a problemas de:
• Contaminación ambiental
• Fuentes alternas de energía
• Mejora en el desempeño de procesos
petroquímicos
• Aprovechamiento de recursos regionales