Cinetica De Reactores

REACCIONES CATALIZADAS POR SÓLIDOS

La catálisis no es de ninguna manera un desarrollo reciente ya que ha sido utilizada por la humanidad desde hace más de 2000 años, inicialmente por los fabricantes de vinos, quesos y pan, quienes se dieron cuenta de que era necesario agregar una pequeña cantidad del producto obtenido en el lote anterior para procesar un nuevo lote de materia prima, sin embargo no fue sino hasta 1835 cuando Berzelius sistematizó las observaciones de los primeros químicos y sugirió que la presencia de pequeñas cantidades de sustancias “ajenas” a la reacción podían afectar significativamente el curso de la misma. Esta fuerza misteriosa que afectaba a las reacciones fue llamada catalítica, posteriormente en 1894 Ostwald sugirió que un catalizador era una sustancia que aceleraba la velocidad de una reacción sin ser consumida durante la misma.

En la actualidad se considera que un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción promoviendo un mecanismo diferente pero sin afectar la condición de equilibrio.

Aunque se sabe también que los catalizadores tienen un determinado tiempo de vida y que al término de esta se desactivan básicamente por dos razones:

Por envenamiento: en los sitios activos se depositan subproductos de reacción

Por envejecimiento: cambio en la estructura cristalina del solido

La catálisis en general y la catálisis heterogénea en particular tiene una gran importancia por su aplicación en una gran cantidad de procesos en la industria química y petroquímica, en la actualidad aproximadamente el 60% de los productos químicos se sintetizan mediante procesos que involucran la presencia de un catalizador.

Tipos de reacciones y catalizadores representativos

Reacción Catalizador

Halogenación-desahlogenación

Hidratación-deshidratación

Alkilación-dealkilación

Hidrogenación-dehidrogenación

Oxidación

Isomerización

Un ejemplo de aplicación de la catálisis heterogénea son los convertidores catalíticos de los automóviles.

Los motores de los automóviles queman una mezcla de gasolina y aire, sin embargo generalmente la combustión no es completa y además de CO2 y agua se producen subproductos como monóxido de carbono e hidrocarburos que no reaccionaron, además de óxidos de nitrógeno NOx procedente de la oxidación de compuestos de nitrógeno presentes en el combustible o del nitrógeno del aire.

Estos contaminantes son convertidos en el catalizador transformándolos en nitrógeno y CO2, los catalizadores utilizados deben ser selectivos hacia CO2 en el caso del monóxido de carbono y los hidrocarburos y hacia nitrógeno en el caso de los óxidos de nitrógeno con velocidades de reacción altas en condiciones de reacción moderadas

Un proceso de catálisis heterogénea, involucra más de una fase, usualmente el catalizador es un sólido y los reactivos y productos son líquidos o gases.

En la práctica la catálisis heterogénea es un proceso económicamente atractivo, especialmente porque el generalmente el catalizador es costoso y es conveniente reutilizarlo y además por que la separación del catalizador de los reactivos y productos es prácticamente completa y sin costo.

Dado que la reacción ocurre en la interface solido-fluido o muy cerca de esta, una gran área interfacial es esencial para lograr una velocidad de reacción aceptable. En muchos casos esta área se logra mediante una estructura porosa, la superficie de estos poros proporciona el área de contacto necesaria para lograr altas velocidades de reacción.

Un catalizador típico silica-alumina para cracking de petróleo posee un volumen de poros de 0.6cm3/g con un radio promedio de poro de 4nm lo que corresponde a una área superficial de 300m2/g.

El proceso global mediante el cual ocurre una reacción catalizada por sólidos, está constituida por una secuencia de etapas individuales, por lo que en general los modelos de velocidad de reacción no son modelos simples.

Etapas del proceso global:

1. Difusión del reactivo A a través de la capa gaseosa estacionaria.

2. Difusión del reactivo A a través de los poros del catalizador.

3. Adsorción sobre la superficie del catalizador.

4. Reacción química.

5. Desadsorción de los productos.

6. Contradifusión a traves de los poros.

7. Cantradifusión a traves de la capa gaseosa.

Modelos cinéticos para reacciones catalizadas por sólidos

Reactores Experimentales:

1. Facilidad para el muestreo.

2. Posibilidad de controlar la temperatura

3. Promover un contacto efectivo entre el catalizador y el fluido.

4. Facilidad del manejo del catalizador.

5. Fácil de construir y de bajo costo.

Tipos de reactores

1. Reactor Diferencial.

2. Reactor Integral.

3. Reactor de Mezcla Completa.

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