Laboratorio de Ingeniería de la Reacción Química.

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Andrés Campo Domínguez

Grupo 1C

Laboratorio de Ingeniería de la Reacción Química

3º curso

INDICE

Introducción y objetivos............................................................página 2

Procedimiento experimental.....................................................página 4

Resultados y discusión...............................................................página  6

Conclusiones..............................................................................página 12

Bibliografía.................................................................................página 12

Anexos........................................................................................página 12

1. INTRODUCCION Y OBJETIVOS

El objetivo de la práctica es la preparación de catalizadores sólidos de alúmina soportados sobre sílice, además del estudio de algunas propiedades (acidez y superficie específica) y cómo afectan diversas variables sobre ellas (temperatura y composición).

Un catalizador  es una sustancia (normalmente sólida) que produce cambios en la cinética de la reacción y no sobre la termodinámica de ésta.

Un catalizador disminuye la energía de activación de una reacción determinada provocando una disminución del tiempo de reacción con un menor consumo energético. (Conlleva un aumento de la velocidad de reacción).

Para que un catalizador sea adecuado debe tener unas propiedades adecuadas, éstas se dividen en tres grandes grupos:

• Propiedades catalíticas: Son las que definen al catalizador. Las más importantes son la actividad, estabilidad y selectividad. Una buena actividad favorece a que el catalizador pueda llevar a cabo correctamente su función, la estabilidad ayuda a que esa función perdure en el tiempo (conservación de centros activos), y la selectividad permite que cada catalizador sea efectivo en una reacción de interés. Hay distintos fenómenos que pueden provocar la desactivación del catalizador como la sinterización, el crecimientos de cristales que provoca que el contacto con el fluido sea menor, el envenenamiento del centro activo fuerte, etc.
• Propiedades físicas: Se centran en la estructura del catalizador y en las propiedades de ésta. Las más importantes son las relacionadas con los poros (forma, tamaño, desarrollo poros y superficial,...) y la resistencia mecánica del propio catalizador (muy importante en lecho fijo).
• Propiedades químicas: Muy variadas, dependiendo de qué catalizador se esté usando y las condiciones de su preparación afectarán de una forma u otra (acidez, composición y número de centros activos).

El catalizador se puede clasificar de dos formas diferentes: homogéneos si el catalizador se encuentra en la misma fase que reactivos y productos, o heterogéneos cuando en este caso la fase es diferente entre catalizador y los reactivos/productos de la reacción química.

Los catalizadores heterogéneos son los más utilizados (aunque su estudio es complicado), ya que se separan fácilmente y no precisas de equipos complejos. Dentro de éstos hay dos tipos: másicos y soportados.

Los catalizadores soportados son de gran interés ya que presentan mayor superficie específica y actividad por unidad de masa que los catalizadores másicos. Esto se debe a que en los másicos la fase activa constituye el conjunto del catalizador, mientras que en los soportados se colocan centros activos catalíticos (fase activa) sobre sólido que suele ser inerte (soporte). Además a éstos últimos se le pueden añadir promotores, que pueden ser textuales para mantener la fase activa dispersa, o químicos para mejorar la selectividad y actividad.

- Ejemplos de fases activas: metales, óxidos metálicos, sulfuros metálicos, Pt, Pd, Ni,...

-Ejemplos de soportes: carbón activos, óxidos estables como Al20, SiO2, MgO, zeolitas,...

-Ejemplos de promotores: Alcalinos, alcalino-térreos, PbO, BaO,...

• Caracterización de catalizadores

La caracterización de un catalizador es conocer sus propiedades y ver que variables les afectan. Hay diferentes tipos de técnicas, una se centran en las propiedades texturales y otras en las propiedades químicas.

Una de las técnicas más utilizadas es el método BET, el cuál determina la superficie específica. Este método consiste en la adsorción de N2 a -196ºC por parte del catalizador a estudiar aumentando la presión de trabajo gradualmente.

Con los datos obtenidos de esta experimentación se puede construir las isotermas de BET a partir de su ecuación:
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Con la pendiente  y la ordenada en el ordenada en el origen  se pueden calcular CBET y Vm que nos permiten el cálculo de la superficie específica Sg:[pic 4][pic 5]

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donde:

- NA es el Número de Avogadro.

-α es la superficie que ocupa cada molécula.

- V1mol es el volumen que ocupa un mol de una sustancia en condiciones normales.

1. PROCEDIMIENTO EXPERIIMENTAL

El procedimiento experimental se divide en tres sesiones: la primera consiste en la preparación de gel de sílice, que servirá como soporte de la alúmina. En la segunda etapa se acaban los catalizadores mediante impregnación de la alúmina sobre la sílice, y se calcina el producto final. En la tercera se determina la acidez de los distintos catalizadores, con el posterior cálculo de la superficie específica.

• Sesión 1

Previamente se debe regular el caudal de ácido sulfúrico con el que se va a trabajar, pues la velocidad de adición debe estar comprendida en torno a 6 mL/min para llevar a cabo un buen control de la reacción. Si la adición es muy lenta el gel de sílice no precipitará, en cambio si es muy rápida es mucho más difícil el control de la reacción.

Para la preparación del soporte se añade ácido sulfúrico 3N sobre 80 mL de una disolución acuosa de silicato de sodio, haciendo que precipite el gel de sílice. La adición del ácido sulfúrico se realiza a temperatura ambiente y mediante agitación manual constante con una varilla de vidrio.

Se añade sulfúrico hasta que el pH de la disolución quede comprendido entre 8,2 y 9,8 (se comprueba con papel de pH). Al precipitar la sílice hay una mayor oposición a la agitación, pero llega un momento en que esta oposición disminuye siendo otro indicativo de que no se debe añadir más sulfúrico.

Una vez obtenido el precipitado, se filtra a vacío lavándolo dos veces con 200 mL de agua destilada, y se introduce el sólido recuperado de la filtración en la estufa durante toda la noche a una temperatura comprendida entre los 40 y 50 ºC.

• Sesión 2

Se recoge la sílice de la estufa y se divide en tres partes iguales. Una de éstas se introduce en 100 mL de disolución acuosa de nitrato de aluminio al 35% en peso, otra se introduce en 100 mL de disolución acuosa de nitrato de aluminio al 5% en peso, y la última se deja intacta. La alúmina se soporta sobre la sílice por impregnación.

Tras unas 6 horas se sumerge el sólido en 100 mL de una disolución 3N de hidróxido de amonio, para así eliminar los posibles restos ácidos del ácido sulfúrico. Posteriormente se filtra, y se deja secar el sólido durante una hora a 110 ºC.

Por último se lleva a cabo la calcinación del catalizador, eliminando así las impurezas restantes. Cada catalizador se divide en dos crisoles, y se introducen una parte en una mufla a 400ºC y otros en la de 700ºC, durante 2-3 horas como mínimo. Al utilizar diferentes temperaturas de calcinación se pretende afectar sobre las propiedades del catalizador, así como su superficie específica.

• Sesión 3

La medida del pH se lleva a cabo mediante el método colorimétrico.

Se toman 5 tubos de ensayo para cada catalizador en unas condiciones (se necesitan en total 20 tubos de ensayo), y se introduce en cada uno 0,25 g de catalizador. Posterioimente se añade N-butilamina 0,05N en cantidades crecientes:

Tabla 1. Cantidades aproximadas de N-butilamina para la medida de acidez

Los tubos de ensayo se introducen durante 6 horas mínimo a una estufa a 50ºC, comprobando que estén perfectamente cerrados.

Pasado un tiempo adecuado, se sacan los tubos y se dejan enfriar hasta que alcancen la temperatura ambiente. Una vez alcanzada se añade una gota de indicador rojo neutro y se espera hasta que se vea una coloración.

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