UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA
IMPORTANCIA DEL TAMIZADO EN LA LA INDUSTRIA DE LOS CATALIZADORES METALICOS Ejemplos de aplicaciones y efectividad
MATERIA: Laboratorio MATERIA: Laboratorio de Operaciones Unitarias II NOMBRE: VERA NOMBRE: VERA TERAN SARIELA DOCENTE: Ing. DOCENTE: Ing. Hinojosa Salazar Nelson FECHA/E: 10 FECHA/E: 10 de abril
COCHABAMBA-BOLIVIA
INDICE 1. Introducción ...............................................................................................................................
1
2.
Objetivo ......................................................................................................................................
1
3.
Desarrollo del trabajo ...............................................................................................................
1
3.1.
Tipos de catalizadores .....................................................................................................
1
3.2.
Propiedades de los catalizadores ..................................................................................
2
3.3.
Características deseables en un catalizador ...............................................................
3
3.4.
Influencia del tamaño de la partícula en los catalizadores ........................................
4
4.
Conclusiones .............................................................................................................................
5
5.
Bibliografía .................................................................................................................................
6
IMPORTANCIA DEL TAMIZADO EN LA INDUSTRIA DE LOS CATALIZADORES METALICOS Ejemplos de aplicaciones y efectividad
1. Introducción Los catalizadores fueron estudiados a lo largo de la historia, puestos que se encuentran también dentro de cuerpo humano pasaron a ser una parte indispensable para las industrias las cuales pueden lograr aumentar la eficiencia de las reacciones para que el producto final sea más abundante. Los Catalizadores metálicos funcionan en fase heterogénea ya que estos están constituidos por mezcla de compuestos metálicos y su estudio ha estado avanzando en las últimas décadas realizando estudios de área superficial, comportamiento con la temperatura, diámetro de la partícula, porosidad.
2. Objetivo Evaluar cómo afecta el tamizado en la efectividad de los catalizadores metálicos.
3. Desarrollo del trabajo 3.1. Tipos de catalizadores C. Poroso: Es el catalizador que contiene un área considerable debido a sus poros, ejemplos: el platino sobre alúmina (utilizado para la reformación de naftas de petróleo para tener octanajes altos), el hierro (utilizado en síntesis de amoniaco), el níquel Raney (empleado para la hidrogenación de aceites vegetales y animales). C. Tamices moleculares: Los poros de los tamices moleculares solo admiten moléculas pequeñas, impidiendo la entrada de las de gran tamaño, y se derivan de sustancias naturales, como ciertas arcillas y zeolitas, o bien son totalmente sintéticos como es el caso de algunos aluminosilicatos cristalinos. Estos tamices constituyen la base de catalizadores altamente selectivos; los poros controlan el tiempo de residencia de diversas moléculas cerca de la superficie catalíticamente activa, hasta un grado que en esencia permite que sólo las moléculas deseadas reaccionen.
1
C. Monolíticos: Estos pueden ser porosos o no porosos, se emplean en procesos donde son importantes la caída de presión y la eliminación de calor. Ejemplo típico son el reactor de grasa de platino, que se emplea en la oxidación del amoniaco durante la manufactura de ácido nítrico, así como en los convertidores catalíticos que se usan para oxidar contaminantes del escape de automóviles. C. Soportados: Es cuando el catalizador consta de diminutas partículas sobre un material activo dispersado sobre una sustancia menos activa llamada soporte, con frecuencia, el material activo es un metal puro o una aleación metálica. Algunos ejemplo son el convertidos catalítico automotriz de lecho empacado, el catalizador de platino soportado en alúmina, que se emplea en reformación de petróleo y el pentóxido de vanadio sobre sílica, que se utiliza para oxidar dióxido de azufre en manufactura de ácido sulfúrico. C. No soportados: Es cuando no consta de esas diminutas partículas mencionadas en el catalizador soportado solo para diferenciar uno de otro, ejemplo la gasa de platino para oxidación de amoniaco, el hierro promovido para síntesis de amoniaco y el catalizador para deshidrogenación de sílica-alúmina, que se usa en la manufactura de butadieno. 3.2. Propiedades de los catalizadores Como la reacción es levada en la interface es necesario que el área de contacto entre el catalizador y el poro sea grande para proporcionar una velocidad de reacción significativa, es esa razón es que se proporciona catalizadores que tenga poros para aumentar el área superficial. Los catalizadores conforme para el tiempo de reacción estos pierden su eficiencia por envejecimiento de la capa superficial y por la irreversibilidad del proceso, conjuntamente con la contaminación del catalizador. Para diseñar un catalizador se tiene que tener en cuenta las propiedades físicas, químicas y catalíticas para que la vida útil del catalizador aumente. En la figura 1 se observa las consideraciones que se tiene que realizar al momento de diseñar un catalizador para optimizar lo más posible estos.
2
Figura 1. Propiedades que tienen que ser optimizadas al momento de diseñar un catalizador
3.3. Características deseables en un catalizador Actividad catalítica: Se refiere a la velocidad con la cual se induce a la reacción a seguir hacia el equilibrio químico, en las mismas condiciones de temperatura, presión, concentración, etc. La actividad catalítica puede aumentarse con la temperatura, pero esto puede disminuir la vida útil del catalizador y favoreciendo a reacciones químicas indeseables. Selectividad de un catalizador: Es una medida de la extensión a la cual el catalizador acelera una reacción específica para formar uno o más productos deseados. Varía usualmente con la presión, temperatura, composición de los reactantes, extensión de la conversión y naturaleza del catalizador, y por lo cual se debe hablar de la selectividad de una reacción catalizada bajo condiciones específicas. Estabilidad: Es la capacidad de un catalizador de mantener sus propiedades, en especial la actividad y la selectividad durante un tiempo de uso suficiente para aplicarlo industrialmente. En general el catalizador pierde eficacia con el tiempo debido a cambios físicos o químicos ocurridos durante la reacción. La estabilidad puede expresarse también como el tiempo de vida útil del catalizador. Un buen 3
catalizador debe mantenerse inalterable por un largo tiempo de funcionamiento (meses o años según el tiempo de reacción).
3.4. Influencia del tamaño de la partícula en los catalizadores Si se tiene una esfera catalítica en la que el reactivo A se convierte en el producto B con una ley de velocidad
–r” As=kr C As,
consideraremos una reacción
rápida y otra lenta. Primeramente la expresión que obtenemos del ejemplo es :
Para una reacción rápida k r >> kc y la ecuación queda:
Se observa que para incrementar la velocidad de reacción tiene que aumentar Kc, Ca o ambas por lo que si tomamos en cuanta Kc tenemos:
Aquí claramente observamos que para aumenta la constante tenemos que disminuir el tamaño de la partícula. Si la reacción fuera lenta llegamos a la expresión de:
Se puede observar que la velocidad de reacción queda independizada del tamaño de la partícula, pero en ciertos casos cuando se utiliza catalizadores porosos las consideración son todo lo contrario, además que para eliminar el espesor de la capa límite externa aumentando la velocidad del flujo se puede
4
eliminar pero para una velocidad fija disminuir el tamaño de partícula facilita eliminar el espesor de la capa límite. Para una mejor explicación de la influencia del tamaño de los catalizadores analizaremos una reacción de isomerización con diferentes tamaños de partícula 1, 4 y 20
m
con un área superficial de 2.1076, 0.8034 y 0.3535 m 2/g
respectivamente utilizando el catalizador MoO xCy. Para las condiciones 18.5 bar y 370ºC se llevó acabo con MoO 3 se obtuvo:
Y para 1 m no se observó conversión. Analizando la gráfica concluimos que la conversión es función del tamaño de partícula por lo que en este caso a mayor tamaño de partícula mayor conversión.
4. Conclusiones Ya que el tamizado como afecta al tamaño de partícula y este último a las velocidades de reacción aportando de distintas maneras según el caso que se estudia se llegó a la conclusión que el tamizar y llegar a un tamaño de partícula es importante porque tiene efectos en la eficiencia de la reacción pero para una mayor optimización de esta operación de tamizar tiene realizarse un estudio más detallado de los componentes que se desea utilizar y producir.
5
5. Bibliografía Elementos de ingeniería de las reacciones químicas, H. Scott Fogler (2008),4 Ed. cap 10 y 12. Fenómenos de transporte, Robert Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot, (1992), cap 17 Síntesis y caracterización de catalizadores tipo MoOxCy y Pr/Wox/ZrO2 y su evaluación en la isomería de 7 y 8 átomos de carbono, Laura Olivia Alemán Vázquez.(2005) Catálisis, Aguilar Soto Jose Francisco,(2010)
6
