SEGUNDO CAPITULO

WHAT IS A CATALYST? La catálisis heterogénea ha alcanzado un gran auge en los últimos años debido a las múltiples ventajas que presentan los catalizadores sólidos frente a los convencionalmente utilizados en reacciones catalíticas homogéneas. La mayoría de los procesos, entre (85-90) por ciento, emplean catalizadores para convertir materias primas en productos de valor agregado. Importantes avances se reportan en el desarrollo de nuevos productos con la introducción de nuevos catalizadores sólidos, entre los que destacan aquellos ligados al descubrimiento de procesos que evitan el daño al medio ambiente, y al potencial aprovechamiento de fuentes energéticas distintas al petróleo, entre otros. En este trabajo se analiza información publicada sobre el tema, la que no es suficientemente amplia pero permite abordar los métodos que pueden emplearse en la preparación de catalizadores sólidos y la selección de las condiciones experimentales de su obtención para lograr una efectiva actividad catalítica y la mejor alternativa de diseño.

La elaboración de catalizadores sólidos constituye el know-how de todo proceso catalítico, pues gran parte de sus propiedades y su influencia en el proceso principal dependen de las condiciones experimentales de su obtención. Tales procesos, conocidos también por catálisis, pueden ser: homogéneos o heterogéneos

MATERIALES CATALÍTICOS Y SU PREPARACIÓN. *Tipo de material Catalítico Los materiales más comunes utilizados para catalizadores son metales y óxidos. Los metales son generalmente materiales de muy alta energía superficial por lo tanto son muy reactivos para muchas reacciones catalíticas.La forma del catalizador depende en su mayoría de la naturaleza de la reacción, el polvo se usa bastante en los microreactores, pero este polvo se comprime bajo presión para formar una tableta ´grande

* Lo qué hace un buen catalizador.

Lo qué hace un buen catalizador. La producción son los parámetros de reacción cinética correctos. El catalizador debe tener un área de superficie expuesta al reactivo. La longevidad, es crucial para la rentabilidad de un proceso La rentabilidad esta relacionada con el tiempo/rendimiento del catalizador. La descomposición del catalizador se debe a los siguientes tres puntos: 1) sinterización,- Perdida del área superficial 2) Desgaste- Pulverización del catalizador 3) Envenenamiento- Perdida de actividad por unidad de área El catalizador debe ser amigable con el medio ambiente: -Debe minimizar los subproductos de la reacción tóxicos de la reacción -No debe de liberar materia tóxica al medio ambiente -Debería ser regenerado y reciclable

*Fabricación del catalizador Métodos más utilizados para la fabricación de un catalizador -Impregnacion -Slurry precipitation -Co-precipitation -Fusion -The Raney method -Physical mixing -

ACTIVIDAD Y SELECTIVIDAD CATALÍTICA

* Cinética de la conversión catalítica. Existen al menos dos fases que son necesarias para realizar la reacción. Esto implica que la composición no es uniforme. -El operar en fase heterogénea necesariamente se debe tener en cuenta: *El cambio en las dimensiones de la velocidad de reacción *La presencia de fenómenos de transferencia de masa y energía *Expresiones de velocidad de reacción complejas (ecuaciones LH,LHHW,etc) Las propiedades básicas que un catalizador debe presentar para tener una aplicación industrial son presentar para tener una aplicación industrial son:  Actividad  Selectividad  Estabilidad

 Actividad Medida de que tan rápido un reactivo clave se consume en una reacción química. La actividad puede explicarse de un punto de vista estrictamente cinético como: (-RA)= Cantidad convertida de una substancia o reactivo dado ________________________________________ (masa de catalizador)(unidad de tiempo) Con la ecuación anterior se tiene tres posibilidades de expresar la actividad 1.Expresión de velocidad de reacción 2.Coeficiente cinético 3.Energía de activación Otra medida de actividad es el TON (Turn Over Number), nombre que proviene del campo de la bioquímica. Esta basado en el número de sitios activos presentes; por lo tanto, TON= n° de moles obtenidos de producto/moles de catalizador En la catálisis heterogénea la actividad depende de la superficie expuesta.

 Actividad TOF De manera alternativa se tiene el aTOF: Turnover Frequency, TOF (frecuencia de repetición) TOF= n° moles obtenidos de producto/ tiempo x moles de catalizador  SELECTIVIDAD Y RENDIMIENTO B PRODUCTO DESEADO A C A B C La selectividad representa cuanto del producto deseado se forma al no deseado. SB/C = moles formados de B ________________ moles consumidas de C

Sitios activos y área activa del catalizador heterogéneo. *Fase activa: El compuesto y/o la fase cristalográfica que presenta las propiedades catalíticas. En 1926 Taylor sugiere que una reacción catalítica no se presenta en toda superficie de la fase activa, sino que únicamente en ciertos sitios activos o centros activos. -Sitio Activo del Catalizador: Lugar donde ocurre la reacción catalítica, puede visualizarse como átomos no saturados que existen en los sólidos; como son las orillas, dislocaciones o irregularidades existentes en los nanocristales de fase activa.

DISPERSIÓN Con la preparación de catalizadores se busca aprovechar al máximo la cantidad de fase activa que se presenta propiedades catalíticas. En el caso ideal, se desea que cada átomo de la fase activa se utilice como sitio activo. Con los métodos de preparación de catalizadores actuales se logran cristalitos de fase activa en la escala de nm, que incluye varios átomos agrupados en cúmulos. Y como se vio los átomos en el plano basal no son, generalmente activos. Se introduce entonces el concepto de dispersión (de la fase activa), como una medida de la “efectividad “ de la preparación; Como definición definición general se puede tomar la siguiente: Dispersión = cantidad de fase activa que actúa como sitio activo _____________________________________ cantidad de fase activa utilizada en la preparación ´Para obtener una buena dispersión se requiere en principio de una gran área del soporte *Se utilizan soportes de grandes áreas *Una estructura porosa

El soporte es necesario para dispersar la fase activa y presentar grandes área activas. Algunos soportes comunes son:-alúmina m2/g Titania m2g Carbón activado ~1200 m2/g Soportes recientemente sintetizados: Zeolita ZSM-5 (HMFI) 400 m2/g Zeolita MOR 500 m2/g SBA m2/g

MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL CATALIZADOR

*Medición de la actividad : Microreactores para plantas 1 Reactores de lecho fijo. Existen diversos tipos: a)Una sola pasada. El gas reactivo pasa sobre el lecho catalítico, los productos se recogen al final de la cama, los catalizadores tienden a estar en forma de pellet. b)B) reciclar para reacciones de baja conversión. El gas sin reaccionar se recicla para volver a la parte frontal del reactor y hacer gas añadido. 2 Reactores multitubulares. Consiste en muchos tubos de pequeño diámetro rellenos de catalizador y rodeado de refrigerante. 3 Reactores de lecho fluidizado. Su objetivo principal es dar una buena mezcla y transferencia de calor, en medio de la reacción y las paredes 4 Reactor Batch. Consiste básicamente en un tanque donde los reactivos y el catalizador se colocan en fase liquida y se obtiene los productos después de cierto periodo de tiempo.