CONCEPTOS BÁSICOS DE CATÁLISIS HETEROGÉNEA

10/02/2010
CONCEPTOS BÁSICOS DE
CATÁLISIS HETEROGÉNEA
Dr. Rogelio Cuevas García
Conceptos básicos de catálisis heterogénea
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Se dice que un reactor opera en fase homogénea si se trabaja
en una sola fase. En contraste, el reactor que opera en fase
heterogénea requiere la presencia de al menos dos fases
para que la reacción se lleve a cabo. A continuación se
discutirán las diferencias entre ambos tipos de operación
Qué es una fase? FASE: región uniforme en un sistema. Esto
significa propiedades físicas uniformes y composición química
uniforme.
Dr. Rogelio Cuevas García
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Conceptos básicos de catálisis heterogénea
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Una mezcla de varios químicos en una sola solución,
que no p
puede
consiste de una sola fase, note q
distinguir alguna frontera entre ellos. Se tiene una
mezcla homogénea
Si se observa una mezcla y puede verse una
frontera entre los componentes,
Entonces los
componentes en la mezcla están en diferentes
fases. Una mezcla que contiene un sólido y un
liquido consiste en dos fases. Se tiene una mezcla
heterogénea.
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Conceptos básicos de catálisis heterogénea
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Sin embargo, la diferencia principal entre la operación de un
reactor en fase homogénea o con más de una fase presente
(operación heterogénea), se presenta en la descripción
matemática del problema.
Como se recordara termodinámicamente FASE es una región
uniforme en un sistema.
Esto significa propiedades físicas uniformes y propiedades
químicas uniformes.
¿Cuáles
C ál son las
l propiedades
i d d físicas?
fí i ?
¿Cuáles son las propiedades químicas?
En nuestro caso ¿De que depende la velocidad de reacción?
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Reacciones en fase homogénea.
De los conceptos anteriores si se realiza una reacción en fase
homogénea se tiene que la temperatura y la composición son
uniformes a lo largo de dicha fase.
Por lo tanto, la velocidad de reacción es la misma en la totalidad
de la fase.
Reacción en fase heterogénea:
Existen al menos dos fases que son necesarias para realizar la
reacción. Esto implica que la composición no es uniforme.
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Reactores heterogéneos
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El operar en fase homogénea o heterogénea altera a las
funciones matemáticas que expresan a la velocidad de
reacción. Al operar en fase heterogénea necesariamente se
deben tener en cuenta:
 El cambio en las dimensiones de la velocidad de reacción
 La presencia de fenómenos de trasferencia de masa y
energía.
 Expresiones
de velocidad de reacción complejas
(ecuaciones LH,
LH LHHW,
LHHW etc.)
etc )
A continuación se discutirán dichas diferencias.
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Velocidad de reacción
Velocidad de reacción intrínseca: Aquella en que las concentraciones solo
cambian por efecto de la reacción.
Reaccion heterogenea
(-R A ')=
moll
 gcat  tiempo
(-R A '')=
mol
 área  tiempo
Velocidades de reacción
Velocidad de reacción global
Expresiones que incluyen los fenómenos de
transferencia de masa y energía en la expresión
matemática.
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Características del catalizador
Las propiedades básicas que un catalizador debe
presentar para tener una
na aplicación industrial
ind strial son:
son
 Actividad
 Selectividad
 Estabilidad
Actividad
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 tienen tres posibilidades de expresar
la actividad:
1.
Expresión de velocidad de reacción
2.
Coeficiente cinético
3.
Energía de activación
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Actividad
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 = nº de moles obtenidos de producto/ moles de
catalizador


En catálisis homogénea es fácil de determinar por que es la
cantidad de materia en solución.
En catálisis heterogénea la actividad depende de la superficie
expuesta
actividad TOF
De manera alternativa se tiene el TOF:
TOF
Turnover Frequency, TOF (frecuencia de repetición)
TOF = nº moles obtenidos de producto /tiempo x moles de
catalizador
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Selectividad y rendimiento
Sea la reacción
La selectividad representa cuanto del producto deseado se
forma respecto al no deseado.
S B /C 
moles formadas de B
moles formadas de C
En cambio el rendimiento esta basado en la alimentación.
 B / C ( o YB/C ) 
moles formadas de B
moles consumidas de A
Sitios activos y área activa del catalizador heterogéneo
• Fase activa:
El compuesto
p
y/o la fase cristalográfica
y
g
que p
q
presenta las
propiedades catalíticas
En 1926 Taylor sugiere que una reacción catalítica no se
presenta en toda la 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.
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Se consideran a los sitios
activos del catalizador; a
los sitios con defectos
electrónicos o capas de
valencia no ocupadas
Dispersión
Con la preparación de catalizadores se busca aprovechar al máximo la
cantidad de fase activa que se presenta propiedades catalíticas.
E ell caso ideal,
En
id l se desea
d
que cada
d átomo
át
d la
de
l fase
f
activa
ti se utilice
tili 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
did de
d la
l “efectividad
“ f ti id d “ de
d la
l preparación;
ió Como
C
d fi i ió generall se
definición
puede tomar la siguiente:
Dispersión 
cantidad de fase activa que actua como sitio activo
cantidad de fase activa utilizada en la preparación
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• Para obtener una buena dispersión
p
se requiere
q
en p
principio
p
de una gran área del soporte
+ Área= + dispersión =+actividad;
se utilizan soportes con grandes áreas
U estructura
Una
t
t
porosa.
Conceptos básicos: soporte
• El soporte es necesario para dispersar la fase
activa y presentar grandes áreas activas.
activas
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Soportes
Algunos soportes comunes son:
-alúmina
150-300 m2/g
Titania
50-100 m2g
Carbón activado ~1200 m2/g
Soportes recientemente sintetizados
Zeolita ZSM-5 (HMFI) 400 m2/g
Zeolita MOR
500 m2/g
SBA-15
800 m2/g
Características del catalizador
Para cada proceso químico debe diseñarse
un tipo de catalizador especial, con
funcionalidades que promuevan preferencialmente las reacciones deseadas.
Un catalizador además debe tener
suficiente resistencia mecánica, al igual
que un área específica grande, sin que
esto impida la difusión de reactivos al
interior del catalizador.
Los catalizadores que se utilizan en la mayoría de los procesos deben ser
sólidos porosos de alta área específica, térmicamente estables y que
cumplan con los requerimientos de alta reactividad y selectividad.
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