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Reacciones catalíticas
heterogéneas
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CATÁLISIS

Reactores catalíticos
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Tipos de reactores
Reactor por lotes (Batch)
Continuous Stirred Tank Reactor
(CSTR) o Reactor de mezcla
perfecta
Plug Flow Reactor (PFR) o reactor
continuo de flujo ideal
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Ecuaciones de diseño de reactores
1) Reactor Batch
𝑑
𝑡
𝑑𝑋
= −𝑟𝑖𝑉
𝑁𝑖0
2) Reactor CSTR
𝑉 = 𝐹𝑖𝑜𝑋
−𝑟𝑖
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Ecuaciones de diseño de reactores
3) Reactor PFR
𝑑𝑉
𝑑𝑋
= −𝑟𝑖
𝐹𝑖0
4) Reactor PBR
𝑑𝑊
𝑑𝑋
= −𝑟′𝑖
𝐹𝑖0
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Ecuaciones básicas
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Pasos de una reacción catalítica
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Isotermas de adsorción
Sea la adsorción:
𝐴 + 𝑆 ↔ 𝐴 ∙ 𝑆
Donde:
A: La especie química
S: Sitio activo
CA·S= Concentración de la especie A adsorbida en el sitio activo S
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Balance de sitios:
𝐶𝑇 = 𝐶𝑣 + 𝐶𝐴∙𝑆 + 𝐶𝐵∙𝑆
Donde:
CT: Concentración molar total (mol/g·cat)
CA: Concentración molar de la especie A adsorbida (mol/g·cat)
CB: Concentración molar de la especie B adsorbida (mol/g·cat)
CV: Concentración molar de sitios vacantes (mol/g·cat)
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Las isotermas muestran la cantidad de un gas que se adsorbe en un
sólido a diferentes presiones, pero a una sola temperatura.
Se postulan dos tipos de adsorción:
Adsorción molecular o no disociativa
Adsorción disociativa
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Adsorción molecular o no disociativa:
𝐶𝑂 + 𝑆 ↔ 𝐶𝑂 ∙ 𝑆
Velocidad de adsorción =
Velocidad de desorción =
Velocidad neta de adsorción =
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Balance de sitios:
En el equilibrio, la velocidad neta de adsorción es igual a cero.
CCO·S=
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Adsorción disociativa:
𝐶𝑂 + 2𝑆 ↔ 𝐶 ∙ 𝑆 + 𝑂 ∙ 𝑆
Velocidad de adsorción =
Velocidad de desorción =
Velocidad neta de adsorción =
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Balance de sitios:
En el equilibrio, la velocidad neta de adsorción es igual a cero.
CO·S=
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Adsorción disociativa
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Reacción superficial
1. Mecanismo de reacción en sitio único
𝐴 ∙ 𝑆 ⇆ 𝐵 ∙ 𝑆
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2.- Mecanismo de reacción de sitio dual
𝐴 ∙ 𝑆 + 𝑆 ⇆ 𝐵 ∙ 𝑆 + 𝑆
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2.1- Reacción entre dos especies adsorbidas
𝐴 ∙ 𝑆 + 𝐵 ∙ 𝑆 ⇆ 𝐶 ∙ 𝑆 + 𝐷 ∙ 𝑆
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2.1- Reacción entre dos especies adsorbidas en diferentes tipos de sitios S y S’
𝐴 ∙ 𝑆 + 𝐵 ∙ 𝑆´ ⇆ 𝐶 ∙ 𝑆´ + 𝐷 ∙ 𝑆
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3.-Mecanismo Eley Riedel (Reacción entre una molécula adsorbida y un gas)
𝐴 ∙ 𝑆 + 𝐵(𝑔) ⇆ 𝐶 ∙ 𝑆 + 𝐷(𝑔)
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Desorción
𝐶 ∙ 𝑆 ⇆ 𝐶 + 𝑆
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Paso limitante de una reacción
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Paso limitante de una reacción
Ejemplo: Reacción de síntesis amoníaco
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Enfoque Langmuir - Hinshelwood
El enfoque consiste en suponer primero una sucesión de pasos de reacción. Al escribir esta
sucesión se debe seleccionar entre mecanismos de adsorción; por ejemplo, molecular o
atómico. Si la reacción es en sitio único o sitio doble. Luego se escriben las leyes de velocidad
para los pasos individuales, suponiendo que todos los pasos son reversibles. Por último se
postula un paso limitante de la velocidad y se usan los pasos no limitantes para eliminar los
términos que dependen de la cobertura.
Usaremos la siguiente reacción para ejemplificar:
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Leyes de velocidad
Adsorción:
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Leyes de velocidad
Reacción superficial:
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Leyes de velocidad
Desorción:
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Suponemos que la adsorción es el paso
limitante
𝐾𝐴 < 𝐾𝑆 < 𝐾𝐵
𝑟𝑆
ൗ 𝐾 ≈ 0
𝑆
𝑟𝐷𝐵
ൗ 𝐾 ≈ 0
𝐵
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Suponemos que la adsorción es el paso
limitante
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Suponemos que la reacción es el paso
limitante
𝑘𝑆 < 𝑘𝐴 < 𝑘𝐷𝐵
𝑟𝐴𝐷Τ𝐾 ≈ 0
𝐴
𝑟𝐷𝐵
ൗ 𝐾 ≈ 0
𝐵
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Suponemos que la reacción es el paso
limitante
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Suponemos que la desorción es el paso
limitante
𝑘𝐷𝐵 < 𝑘𝐴 < 𝑘𝑆
𝑟𝐴𝐷Τ𝐾 ≈ 0
𝐴
𝑟𝑆
ൗ 𝐾 ≈ 0
𝑆
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Ejemplo
Dada la siguiente reacción:
𝐶6𝐻5𝐶𝐻3 + 𝐻2 → 𝐶6𝐻6 + 𝐶𝐻4
Siendo los pasos de la reacción catalítica:
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Ejemplo
Proponga una ley de velocidad asumiendo que la reacción es el paso limitante.
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Ejercicio de aplicación
La siguiente reacción se efectúa en un reactor de lecho empacado.
𝐶6𝐻5𝐶𝐻3 + 𝐻2 → 𝐶6𝐻6 + 𝐶𝐻4
La velocidad de alimentación molar de tolueno al reactor es de 50 mol/min y el reactor se opera
a 40 atm y 640 °C. La alimentación consiste en 30 % de tolueno, 45 % de hidrógeno y 25 % de
inertes. Se usa hidrógeno en exceso para ayudar a evitar la coquificación.
a) Calcule la X
b) Grafique W vs X
c) Grafique las presiones parciales del tolueno, hidrógeno y el benceno en función del peso del
catalizador.
Dato: Asumir que el peso del catalizador empleado es de 10000 kg.
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Solución
1) Ecuación de diseño
𝑑𝑊
𝑑𝑋
= −𝑟𝑇
𝐹𝑇𝑜
2) Ley de velocidad
𝑇
−𝑟 =
𝑘𝑃𝐻2𝑃𝑇
1+𝐾𝐵𝑃𝐵+𝐾𝑇𝑃𝑇
3) Estequiometría
𝐶𝑇 = 𝐶𝑇0
𝐶𝐻2 = 𝐶𝑇0
𝐵
𝐶 = 𝐶𝑇0
1−𝑋
1+𝗌𝑋
𝜃𝐻2−
𝑋 1+
𝗌𝑋
𝑋
1+𝗌
𝑋
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Ejercicio de aplicación
e) ¿Cuál es el peso del catalizador que podemos tener sin bajar la presión de 1 atm?
f) Grafique W vs X, y (caída de presión)
g) Grafique las presiones parciales del tolueno, hidrógeno y el benceno en función del peso del
catalizador.
Dato:
 El parámetro de caída de presión es 9.8∙10-5 Kg−1.
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Estequiometría
1) Sistema Batch
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Estequiometría
2) Sistema continuo
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Estequiometría
2) Sistema continuo para líquidos (Volumen constante)
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Estequiometría
2) Sistema continuo para gases (Reacciones con cambio de volumen)
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