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 S. Fuentes. Appl. Catal. A. general, 142 (1996) 179-181 Downstreamtoday.com

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

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

M. C. Manuel Román Aguirre Reacción catalizada

Catalizador Heterogéneo 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

Catálisis heterogénea M. C. Manuel Román Aguirre Catálisis heterogénea 2CO + 2NO 2CO2 + N2 O N O O O N C C Catalizador sólido

M. C. Manuel Román Aguirre La vida diaria C O N

M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica Fenómenos de adsorción y desorción Formación de complejos intermedios Energías de activación Cinética

M. C. Manuel Román Aguirre Langmuir: Premio Nobel de Quimica 1932 Fisicoquímica Langmuir: Premio Nobel de Quimica 1932

M. C. Manuel Román Aguirre 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

Fisicoquímica: Adsorción, reacción y desorción 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

Fisicoquímica: energía de activación 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

Fisicoquímica: energía de activación M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: energía de activación C2H2 + H2 C2H6 Ni E

Fisicoquímica: energía de activación 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

Fisicoquímica: Cinética 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)

Fisicoquímica: Cinética M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética La velocidad global del proceso catalítico está dominada por el fenómeno mas lento

Fisicoquímica: Cinética M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética Velocidad de reacción Velocidad de difusión Velocidad Velocidad real T

Fisicoquímica: Cinética 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

Fisicoquímica: Cinética M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética k A + l Al k’ CAl v = k Cl pA – 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

Fisicoquímica: Cinética M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética k Al + Bl Cl + Dl k’ CCl CDl v = k CAl Cbl – 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

Fisicoquímica: Cinética M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética

Características de interés en un catalizador sólido 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

M. C. Manuel Román Aguirre Superficie El área superficial aumenta con la porosidad

M. C. Manuel Román Aguirre Superficie El área superficial aumenta con la disminución del tamaño de partícula.

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

M. C. Manuel Román Aguirre Superficie Soporte Área superficial m2/g Diámetro de poro (Å) MCM-41 (SiO2) 1000-1500 15-40 Sílice nanométrica 200- 400 NA Carbón activado 2000 a 3000 8

M. C. Manuel Román Aguirre Sitios activos Flujo de reactivos Superficie del catalizador Sitios activos

M. C. Manuel Román Aguirre Sitios activos Flujo de reactivos Superficie del catalizador Sitios activos

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

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.)

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.)

M. C. Manuel Román Aguirre Estabilidad química M. C. Manuel Román Aguirre 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: es una medida de la velocidad de la reacción en relación al catalizador utilizado:

Actividad, selectividad y estabilidad M. C. Manuel Román Aguirre Selectividad: es el cociente entre los moles de producto deseado obtenidos y los moles de reactivo consumidos A + B C A + B D S = NC NA0-NA A: REACTIVO LIMITANTE C: PRODUCTO DESEADO NA0: MOLES INICIALES DE A NA: MOLES REMANENTES DE A NC: MOLES PRODUCIDAS DE C

Actividad, selectividad y estabilidad M. C. Manuel Román Aguirre Estabilidad: es la medida de la capacidad de un catalizador para convertir reactivos en productos durante su “tiempo de vida”:

Ventajas y desventajas de la catálisis heterogénea M. C. Manuel Román Aguirre   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 Selectividad Media-baja Sensibilidad al envenenamiento Determinación de propiedades estéricas y electrónicas del catalizador Viable Muy Difícil Determinación del mecanismo Frecuente Problemas de difusión Bajo Importantes

Clasificación de los catalizadores heterogéneos M. C. Manuel Román Aguirre Clasificación de los catalizadores heterogéneos Tipo de fase activa Procesos industriales Ejemplos Metales Hidrogenación, deshidrogenacion, combustión total, metanación, oxidación Ni, Pd, Pt, Ag Óxidos metálicos semiconductores Oxidación, deshidrogenación, hidrodealquilación, desproporción de olefinas, polimerización, hidrogenación Cr2O3, V2O5, MoO3 Sales metálicas Hidrodesulfuración, oxicloración CoS, NIS, CuCl2 Óxidos metálicos aisladores (ácidos y bases) Isomerización, deshidratación, desintegración catalítica, alquilación, hidratación Al2O3, SiO2-Al2O3, MgO Bifuncionales Reformación Pt/Al2O3 J. Blanco, R. Linarte, Catálisis: fundamentos y aplicaciones industriales. 1ra Ed. Trillas, México, 1976

Catalizadores en la industria química (petroquímica básica) M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (petroquímica básica) CRUDO DESTILACION ATMOSFERICA AL VACIO COQUIZACION HIDROTRATAMIENTO TAME MTBE FCC RECUPERACION Y ENDULZAMIENTO DE GAS SATURADO REFORMACION DE GAS DE AZUFRE C5/C6 ISOMERIZACION ENDULZ. Y RECUP. DE LIGEROS DE GAS NO SATURADO ALQUILACION C3’s - C4’s n C4 C3/C4 A LPG H2 AZUFRE H2S GASOLINA DIESEL GAS COMBUSTIBLE LPG C3= nC4 COMBUSTOLEO ACL ACEITE DECANTADO METANOL DESTILADOS COQUE C5=‘s C4=‘s

Catalizadores en la industria química (petroquímica básica) M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (petroquímica básica)

Catalizadores en la industria química (agricultura) M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (agricultura) Proceso de producción de amoniaco (NH3)

Catalizadores en la industria química (agricultura) M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (agricultura) Planta de producción de amoniaco (NH3)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en la industria química (fármacos) Ruta Boots Ruta Hoescht

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en energías alternativas (Celdas de combustible)

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

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores en energías alternativas Proyecto CUTE (Clean Urban Tranport for Europe)

M. C. Manuel Román Aguirre Catalizadores: Contaminación ambiental banda de valencia conducción Fotocatálisis sobre TiO2

Catálisis: Investigación M. C. Manuel Román Aguirre Catálisis: Investigación

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)

Catálisis: Investigación Buscando solución a problemas de: Contaminación ambiental Fuentes alternas de energía Mejora en el desempeño de procesos petroquímicos Aprovechamiento de recursos regionales