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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.

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Presentation Transcript
cat lisis heterog nea

Catálisis Heterogénea

M.C. Manuel Román Aguirre

negocio

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
vida cotidiana

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

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
catalizador heterog neo
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
cat lisis heterog nea7

M. C. Manuel Román Aguirre

Catálisis heterogénea

2CO + 2NO 2CO2 + N2

O

N

O

O

O

N

C

C

Catalizador sólido

la vida diaria

O

N

O

O

O

N

C

C

M. C. Manuel Román Aguirre

La vida diaria
fisicoqu mica
Fenómenos de adsorción y desorción

Formación de complejos intermedios

Energías de activación

Cinética

M. C. Manuel Román Aguirre

Fisicoquímica
fisicoqu mica10

M. C. Manuel Román Aguirre

Fisicoquímica

Langmuir: Premio Nobel de Quimica 1932

fisicoquimica
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
fisicoqu mica adsorci n reacci n y desorci n

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

fisicoqu mica energ a de activaci n

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

fisicoqu mica energ a de activaci n15

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

fisicoqu mica cin tica
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
fisicoqu mica cin tica18

M. C. Manuel Román Aguirre

Fisicoquímica: Cinética

Velocidad de reacción

Velocidad de difusión

Velocidad

Velocidad real

T

fisicoqu mica cin tica19

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

fisicoqu mica cin tica20

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

fisicoqu mica cin tica21

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

caracter sticas de inter s en un catalizador s lido
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
superficie

M. C. Manuel Román Aguirre

Superficie

El área superficial aumenta con la porosidad

superficie25

M. C. Manuel Román Aguirre

Superficie

El área superficial aumenta con la disminución del tamaño de partícula.

di metro de poro

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

superficie27
Superficie

M. C. Manuel Román Aguirre

sitios activos

Flujo de reactivos

Sitios activos

Superficie del catalizador

M. C. Manuel Román Aguirre

Sitios activos
sitios activos29

Flujo de reactivos

Sitios activos

Superficie del catalizador

M. C. Manuel Román Aguirre

Sitios activos
estabilidad t rmica

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

estabilidad qu mica

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.)

estabilidad qu mica32

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.)

estabilidad qu mica33

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.)

actividad selectividad y estabilidad

M. C. Manuel Román Aguirre

Actividad, selectividad y estabilidad

Actividad: es una medida de la velocidad de la reacción en relación al catalizador utilizado:

actividad selectividad y estabilidad35
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

actividad selectividad y estabilidad36

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”:

clasificaci n de los catalizadores heterog neos

M. C. Manuel Román Aguirre

Clasificación de los catalizadores heterogéneos
  • J. Blanco, R. Linarte, Catálisis: fundamentos y aplicaciones industriales. 1ra Ed. Trillas, México, 1976
catalizadores en la industria qu mica petroqu mica b sica

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)
slide43

Ruta Boots

Ruta Hoescht

M. C. Manuel Román Aguirre

Catalizadores en la industria química (fármacos)

slide44

M. C. Manuel Román Aguirre

Catalizadores en energías alternativas (Celdas de combustible)

slide45

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

slide46

M. C. Manuel Román Aguirre

Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno)

slide47

M. C. Manuel Román Aguirre

Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno)

slide48

M. C. Manuel Román Aguirre

Catalizadores en energías alternativas

Proyecto CUTE

(Clean Urban Tranport for Europe)

slide49

banda de

conducción

banda de

valencia

M. C. Manuel Román Aguirre

Catalizadores: Contaminación ambiental

Fotocatálisis sobre TiO2

cat lisis investigaci n51
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)

Catálisis: Investigación
cat lisis investigaci n52
Buscando solución a problemas de:

Contaminación ambiental

Fuentes alternas de energía

Mejora en el desempeño de procesos petroquímicos

Aprovechamiento de recursos regionales

Catálisis: Investigación