REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

Catlisis I U.M.S.ADocente:Ing. Sandro Poppe Facultad de TecnologaQumica Industrial

LA CATALISIS1. OBJETIVOS

Dar a conocer la importancia de la catlisis en la qumica. Estudiar la importancia de la catlisis en la industria y en la vida cotidiana. Conocer las aplicaciones de catlisis.

2. HISTORIA DE LA CATALISIS

En la Edad Media los conocimientos relacionados con las transformaciones qumicas eran manejados a nivel de magia y poderes sobrenaturales por un grupo de "iniciados". En este contorno los "iniciados" o alquimistas observaron que la presencia de algunos elementos extraos en una mezcla, haca posible la obtencin de algunos productos tiles al hombre.

Desconociendo la naturaleza del fenmeno llegaron a imaginar que debera haber alguna substancia que cambiara los metales comunes como el plomo y el hierro en el metal ms valioso hasta entonces conocido, el oro. A esta misteriosa substancia nacida de la imaginacin del hombre se le llam la piedra filosofal. Analizando su significado se puede deducir que el vocablo "piedra" posiblemente provino de la observacin generalizada de que un mineral o substancia slida era el causante de los fenmenos observados. El vocablo filosofal es claramente calificativo de una concepcin puramente imaginativa del fenmeno. Siglos pasaron en esta bsqueda sin que se lograra transformar ms que el hierro en sulfuro de hierro (pirita) al que se le conoce como el "oro de los tontos", por el brillo y color similares que este material tiene con el oro. El desconocimiento de los principios de la termodinmica clsica impidi a los alquimistas saber que intentaban llevar a cabo un proceso imposible de realizar.La acumulacin de experiencias y observaciones en este campo de las transformaciones casi mgicas, llev a la asimilacin de estos fenmenos en una definicin propuesta por Berzelius en 1836.

BERZELIUSLa descripcin textual del fenmeno es la siguiente: "Se ha probado que algunas substancias simples o compuestas, solubles o insolubles, tienen la propiedad de ejercer sobre otras sustancias un efecto muy diferente al de la afinidad qumica. A travs de este efecto ellas producen descomposicin en los elementos de esas substancias y diferentes recombinaciones de esos elementos, de los cuales ellas permanecen separadas. Esta nueva fuerza desconocida hasta hoy es comn a la naturaleza orgnica e inorgnica. Yo no creo que sea una fuerza completamente independiente de las afinidades electroqumicas, por el contrario, es una nueva manifestacin de esa afinidad. Sin embargo, como no podemos ver su conexin y mutua dependencia es ms conveniente dar a esta fuerza un nombre separado. Yo la llamar fuerza cataltica y llamar a la descomposicin de substancias por esta fuerza catlisis, de manera similar que a la descomposicin de substancias por la afinidad se le llama anlisis."En contraste con la piedra filosofal que fue el sueo de los alquimistas, los catalizadores no pueden transmutar los metales baratos en oro, aun cuando llegan a producir materiales valiosos a partir de materia prima de poco valor.La reaccin cataltica ms antigua promovida por el hombre es la fermentacin del vino, la cual segn anlisis de textos antiguos debi haber empezado aproximadamente 5 000 aos a.C.

Esta reaccin tan nica que puede ser considerada como una bendicin de la naturaleza (o la inversa para unos pocos) es una reaccin de catlisis enzimtica, en la cual la enzima transforma selectivamente los azcares en alcohol.Recuerde que la calidad depende de la enzima y la cantidad de usted.Le sigue en edad de aplicacin la hidrlisis de grasas animales para la manufactura de jabn, utilizando como catalizador las cenizas de la madera (ricas en xido de potasio).

En la Edad Media los alquimistas llevaban a cabo algunas reacciones catalticas para producir compuestos como el cido sulfrico, sin embargo, fue hasta principios del siglo XIX cuando ya hubo una generalizacin de los hechos:1812 Thenard observ la descomposicin espontnea del agua oxigenada al adicionar polvos metlicos.1817 Sir Humphrey Davy report que un hilo de platino en contacto con alcohol se pona incandescente, a la vez que apareca simultneamente cido actico.1825 Fumiseri sugiri que deba existir un lazo posible entre la adsorcin y la reaccin qumica, dando importancia a la heterogeneidad de las superficies.1831 Se encuentra la primera patente para la oxidacin de S02 catalizada por esponja de platino.1834 Faraday hace mencin al fenmeno de envenenamiento de los metales por ciertas impurezas.1836 Berzelius agrup todas esas observaciones atribuyndolas a una fuerza misteriosa capaz de destruir las uniones moleculares.1915 Empieza la explotacin industrial del proceso de sntesis de amoniaco descubierto por Haber, el cual es catalizado por el hierro.1920 Aparece el primer libro de catlisis escrito por Paul Sabatier y que de alguna manera fue la punta del iceberg de la serie de conocimientos y aplicaciones futuras.A partir de los aos 1939-1940 con la guerra vino la explotacin masiva de los recursos petroleros. Fundamentalmente el crecimiento de esta industria en esos aos estuvo ligado al desarrollo de un catalizador, el catalizador de desintegracin. Este proceso produce la ruptura de molculas pesadas del petrleo en molculas o fracciones ms ligeras para su uso en gasolinas principalmente. Este catalizador ha sido mejorado a travs del tiempo en varias ocasiones, siendo actualmente el ms utilizado en la refinacin del petrleoEntre los procesos catalticos ms importantes por su volumen de aplicacin en estos momentos se pueden citar:- La sntesis de amoniaco, producto del cual Mxico tena planeado ser el mayor productor del mundo.- La sntesis de cido sulfrico, de la cual se deca hasta hace unos aos que su produccin era un ndice del grado de desarrollo industrial de un pas.- La hidrogenacin de aceites y grasas vegetales para consumo alimenticio.- La desintegracin cataltica que aumenta el rendimiento del petrleo en productos ligeros.- La reformacin de gasolinas para uso en automviles y camiones.- Los convertidores catalticos en los escapes de automvil para disminuir la contaminacin atmosfrica.- Los procesos de hidrotratamiento (hidrodesulfuracin ,hidrodenitrogenacin, hidrodemetalizacin) para disminuir impurezas del petrleo.

3. LA CATALISIS

Un catalizador, es una sustancia que acelera la velocidad de una reaccin qumica sin sufrir en s ningn cambio qumico.Los catalizadores son considerados aceleradores de la velocidad de un proceso qumico, cuando se habla de un catalizador, es aquella especie que ser involucrada en un proceso qumico y/o biolgico, donde su funcin es la de llevar a cabo el procesos en menor tiempo, adems de que este se conserve integro en cuanto estructura y composicin qumica al final de proceso, para un posible reciclado o recuperacin parcial o total del catalizador en estudio. Aunque este ciclo cataltico, no es tarea fcil de llevarlo acabo. Sin embargo existen diferentes tcnicas para la recuperacin parcial o total del catalizador, la cantidad de ste en el proceso va de 10-1 a 10-6 respecto al resto de los reactivos involucrados en el proceso.Un catalizador es todo aquello que facilita reacciones qumicas sin participar en ellas, como enzimas o sales minerales ionizadas. Un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de una reaccin, mas emerge del proceso inalterada. Un catalizador normalmente cambia la velocidad de reaccin, promoviendo un camino molecular diferente (mecanismo) para la reaccin.

Por ejemplo, hidrgeno y oxgeno gaseosos son virtualmente inertes a temperatura ambiente, pero reaccionan rpidamente cuando son expuestos al platino, que por su vez, es el catalizador de la reaccin.Normalmente cuando hablamos al respecto de un catalizador, queremos referirnos a aquel que aumenta la velocidad de reaccin, ms all, que estrictamente hablando, un catalizador puede tanto acelerar como demorar la formacin de una especie de producto en particular. Un catalizador cambia apenas la velocidad de una reaccin; el no afecta el equilibrio. La catlisis homognea se refiere a los procesos en los cuales un catalizador esta en solucin con por lo menos uno de los reactivos. La catlisis heterognea involucra ms de una fase, normalmente el catalizador es slido y los reactivos y productos estn en forma lquida o gaseosa.

4. IMPORTANCIA DE LA CATALISISLa catlisis es un proceso muy importante desde el punto de vista de la industria, ya que la produccin de la mayora de los productos qumicos requiere catlisis. La catlisis es un campo de investigacin muy importante en la ciencia aplicada e involucra a muchos otros campos provenientes de la qumica y la fsicaSe estima que el 90% de todos los productos qumicos producidos comercialmente involucran catalizadores en alguna etapa del proceso de su fabricacin.Hasta la fecha el desarrollo y mejoramiento tecnolgico de los procesos del petrleo ha ido ms rpido que la comprensin de los numerosos fenmenos que estn involucrados en ellos. Esto hace que en algunos aspectos se considere que la catlisis 2 es una disciplina tecnolgica y emprica, ms que de investigacin cientfica. Sin embargo, a partir de mediados de los aos setenta el estudio de los fenmenos catalticos ha crecido muy fuertemente de manera que se puede considerar en la actualidad una rama de la ciencia.En 2005, los procesos catalticos generaron cerca de 900.000 millones de dlares en productos de todo el mundo.La catlisis estn penetrante que las subreas no son fcilmente clasificables. Algunas reas de particular concentracin se estudian ms adelante.La catlisis consiste en un fenmeno en que una cantidad relativamente pequea de un material extrao a la estequiometra, el catalizador, aumenta o disminuye la velocidad de una reaccin qumica sin ser consumido en el proceso.La industria qumica nacional ha venido dando muestras de una concientizacin creciente para la importancia de la catlisis, nominada mente para la necesidad de conocer mejor sus fundamentos y para la ventaja de una correcta caracterizacin de los catalizadores que utiliza y como ellos pueden o no perjudicar el medio ambiente.Su importancia es muy amplia, ya que se relaciona con temas de relevante inters, por ejemplo, la rapidez con que un medicamento acta en el organismo, o con problemas industriales, tales como el descubrimiento de catalizadores para acelerar la sntesis de algn producto nuevo.Los procesos qumicos consisten en la transformacin de materia prima en productos a travs de reacciones qumicas. Las reacciones con inters industrial tienen que ser rpidas, lo que frecuentemente se consigue a causa de un catalizador. Por otro lado, la opcin de seleccionar el catalizador permite muchas veces obtener productos in-termediarios, termodinmicamente menos estable. Esto quiere decir, el uso de catalizadores puede ser considerado como una de las variables (adems de la temperatura, presin, composicin y tiempo de contacto) que permite controlar la velocidad y direccin de una reaccin qumica. No es por lo tanto de admirar que un gran nmeros de procesos qumicos son catalticos; de stos, la mayora usan catalizadores slidos.

5. LA CATALISIS EN LA VIDA COTIDIANA

Un conservante es una sustancia utilizada como aditivo alimentario, que aadida a los alimentos detiene o minimiza el deterioro causado por la presencia de diferentes tipos de microorganismos (bacterias, levaduras y mohos).Deben constar en el etiquetado de los productos. Alargan la duracin de los alimentos, pero en muchos casos sus posibles efectos nocivos sobre la salud no estn bien delimitados.Tambin se utilizan biocatalizadores en detergentes, es decir, bioenzimas para destruir las manchas de origen orgnico. Las enzimas que limpian la ropa optimizan la eficiencia de los detergentes, a la vez que permiten el trabajo de limpieza a bajas temperaturas y perodos ms cortos de lavado, reduciendo significativamente el consumo de energa y las emisiones de CO2. Otro beneficio ambiental asociado al uso de enzimas en los detergentes es que stas son biodegradables y reemplazan a los constituyentes qumicos de los detergentes sintticos que se vienen liberando al ambiente desde hace muchos aos.Una molcula de enzima puede actuar sobre muchas molculas de sustrato (leche, sangre, barro), por lo cual una cantidad pequea de enzima agregada a un detergente de lavado proporciona un gran beneficio en la limpieza, de manera que la concentracin de enzimas en la formulacin de un detergente es mnima (menos del 1 % del volumen total).

6. APLICACIONES DE LA CATALISIS

MedicinaLos mecanismos de reaccin donde se ven involucrados catalizadores naturales en diversos procesos biolgicos del cuerpo humano no son tarea fcil de entender , el ciclo de Krebs, juega un papel muy importante en la vida del ser humano, en este tipo de proceso se ven involucrados catalizadores, que actan bsicamente como una secuencia en cascada de reacciones de tipo bioqumico que intentan degradar diferentes productos; los azcares, las grasas, los carbohidratos y las protenas que hemos tomado en los alimentos, para ser convertidos en energa a travs de diversas reacciones en cadena de acciones qumico-catalticas.

Polmeros: Existen grandes aplicaciones en esta rea como lo son: polimerizaciones mediante metalocenos, complejos de coordinacin, polimerizaciones controladas y/o vivientes (RAFT, ATRP) etc., Por mencionar algunas. Dentro de las polimerizaciones controladas y/o vivientes, existe la polimerizacin radiclica por transferencia de tomo (ATRP), donde el componente principal de este tipo de tcnica de polimerizacin es el catalizador organometlicos, los cuales ha demostrado ser excelentes controladores en cuanto pesos moleculares (Mw y Mn) e ndices de polidisperdidad de cadena (IPD), obteniendo altos grados de conversin en menores tiempos de polimerizacin, por mencionar algunos catalizadores importantes a base de Rutenio, h2Cp*(CH2=CN)Cl(PPh3) .

Farmacia: Dentro de esta rea existen innumerables aplicaciones debido a que la mayora de los frmacos que existen en el mercado se obtienen de manera sinttica, por mencionar algunos ejemplos interesantes, en el 2008, Sithambaram y colaboradores, reportaron la sntesis de diferentes quinoxalinas, medicamentos empleados para controlar enfermedades relacionadas con el sistema nervioso central, la obtencin de este tipo de medicamento emplea catalizadores de manganeso, los cuales son relativamente fcil de preparar, econmicamente son baratos y tiene tiempos de vida largos, es decir su actividad cataltica es considerada como buena, debido a que pueden rehusarse varias veces en el mismo proceso (Sithambaram, 2008). Otro tipo de medicamentos de carcter antifngico son las 1,4-naftodionas y sus derivados, la cules son sintetizadas y modificadas empleando catalizadores a base de Cerio (CeCl3) .En la industria farmacutica, uno de los aspectos ms relevantes de la catlisis homognea por complejos metlicos es que permite la preparacin selectiva de uno u otro enantimero, ya que los seres vivos, usualmente, absorben y asimilan uno solo de los enantimeros, aunque en algunos casos como el antiinflamatorio de uso frecuente, Naproxen, el ismero S, mientras que el R es txico para los humanos.

Alimentos margarinaUna de las aplicaciones ms obvias de la catlisis es la hidrogenacin (reaccin con elhidrgenogas) de las grasas usandonquelcomo catalizador para producir lamargarina Muchos otros productos alimenticios se preparan a travs de biocatlisis.

DetergentesTambin se utilizanbiocatalizadores en detergentes, es decir para destruir las manchas con una mejor facilidad. Lasenzimas que limpian la ropaoptimizan la eficiencia de los detergentes, a la vez que permiten el trabajo de limpieza a bajas temperaturas y perodos ms cortos de lavado.

Industria combustible

gasolina

En esta rea existen infinidad de ejemplos, los combustibles como la de alto grado se consigue mediante un proceso conocido como hidrofinado, es decir, la hidrogenacin de petrleo refinado a alta presin en presencia de un catalizador, como por ejemplo el xido de molibdeno. El hidrofinado no slo convierte el petrleo de bajo valor en gasolina de mayor valor, sino que al mismo tiempo purifica qumicamente eliminando el azufre como contaminante.El refinado depetrleohace un uso intensivo de la catlisis para laalquilacin,craqueo cataltico(rotura de hidrocarburos de cadena larga en trozos ms pequeos), reformado denaftay elreformado con vapor(conversin dehidrocarburosengas de sntesis). Laspilas de combustibleLaspilas de combustiblese basan en catalizadores de las reacciones tanto andicas como catdicas.

Enzimas

En nuestro cuerpo tambin tenemos catalizadores siendo estos enzimas fabricadas por nuestro organismo para poder acelerar la degradacin de sustancias , como por ejemplo en el proceso de digestin donde las mas complejas son simplificadas y fraccionadas para que puedan ser digeridas , absorbidas y aprovechadas de mejor forma por distintos capilares y posteriormente puedan brindar energa dando nutricin celular.Los enzimas son biomolculas especializadas en la catlisis de las reacciones qumicas que tienen lugar en la clula. Son muy eficaces como catalizadores ya que son capaces de aumentar la velocidad de las reacciones qumicas mucho ms que cualquier catalizador artificial conocido, y adems son altamente especficos ya que cada uno de ellos induce la transformacin de un slo tipo de sustancia y no de otras que se puedan encontrar en el medio de reaccin.La enzimas son grandes protenas globulares que catalizan (aceleran) reacciones qumicas y son esenciales para las funciones celulares. Las enzimas son muy especficas para las reacciones que catalizan y los qumicos (sustratos) que utilizan. Los sustratos se acomodan en su enzima de manera anloga a la que una llave calza en un cerradura . Muchas enzimas estn compuestas de varias protenas que actan juntas como una unidad. La mayor mayor parte de una enzima tiene funciones regulatorias o estructurales. La reaccin catalizada tiene lugar en una pequea parte de la enzima llamada sitio activo, el cual es formado por aproximadamante 2 - 20 aminocidos.

En la naturaleza, lasenzimasson catalizadores en elmetabolismoy elcatabolismo. La mayora de biocatalizadores estn basados en protenas, es decir, enzimas, pero otras clases de biomolculas tambin exhiben propiedades catalticas incluyendo lasribosomas, y dedesoxirribozimassintticas.

7. CATALIZADORES INDUSTRIALES USADOS ACTUALMENTE

AntimonioActualmente, se emplean 3 compuestos distintos de antimonio:

SbO3: la mayora del polister se sintetiza con este catalizador SbAc3: se emplea para el 30% de la produccin total de polister. Glicolato de antimonio: se emplea en algunos casos.Es importante para el xito de todos estos catalizadores la correlacin entre el precio y el rendimiento del producto.No se encuentran diferencias de calidad significativas entre polmeros de polister catalizadas por oxido, acetato o glicolato de antimonio.

GermanioLos poliesteres catalizados con germanio se usaron principalmente durante los primeros aos en aplicaciones de pelcula debido a su alta claridad. Hoy da la mayor parte se consume por productores de polister japoneses, a los que les gusta el alto brillo del polmetro para las aplicaciones de botella.El germanio se suele usar para la catlisis como xido de germanio.El motivo principal para remplazar este catalizador gradualmente es el precio de unos 500 dolares/Kg de dixido de germanio puro.

Desarrollos de nuevos catalizadoresEl desarrollo de sistemas de catalizadores libres de antimonio tuvo lugar con el increble crecimiento de la produccin de botellas a partir de polister durante finales de los 80 y principios de los 90. Uno de los motivos principales fue la discusin de temas medioambientales entre el pblico y el otro de los motivos era el deseo de mejorar la reactividad. An sigue siendo un objetivo el conseguir un sistema cataltico capaz de aumentar significativamente la capacidad de la planta y que proporcione la misma o mejor calidad que se obtiene con el antimonio.

Tabla .Propiedades mejorables de los catalizadores de antimonioPropiedadEfecto sobre el producto o el procesado

Eficacia cataltica150-300 ppm Sb segn el equipamiento y la tecnologa, proporcionan: IV 0,15-0,25 dl/g por hora. No es muy buena dado que se utilizan concentraciones demasiado altas de Sb y una viscosidad baja.

Precipitacin y decoloracinSb metal como partculas negras finas, oxihidratos de Sb, Sb2O5, SbPbO4y otras especies Sb-P insolubles

subproductos de reaccin de Sb oligomeros de Sb

Objetivos de desarrollo para nuevos catalizadores de PETPara definir los objetivos de desarrollo para un catalizador nuevo, se recogen en la tabla las propiedades del antimonio que podran ser mejoradas.La eficacia cataltica est relacionada: Con la calidad del polmero: cuanto menos catalizador mayor pureza del polister en general. Con el costo de produccin: cuanto menos catalizador ms bajo es el costo.La precipitacin y la decoloracin:Tienen varios efectos secundarios, como puntos negros creados por depsitos de antimonio metlicos en las paredes de las tuberas y reactor, y un tono verdoso-grisaceo o blanco-grisaceo en el polmero. Tambin la velocidad y nivel de cristalizacin del polister est influenciada significativamente por el tipo y concentracin del catalizador. As, se ha encontrado que catalizadores de titanio proporcionan una baja velocidad de cristalizacin.Un importante impacto durante el proceso con antimonio, es la reaccin del oxgeno con glicol o glicolatos durante la esterificacin y prepolicondensacin, seguida de la formacin de CO que reduce el Sb3+ presente en la mezcla de reaccin para dar un precipitado grisceo. De todo esto se puede resumir los siguientes objetivos de desarrollo para un nuevo catalizador de polister: Mayor eficacia del cataltica, alta velocidad de reaccin en fase fundida y policondensacin en fase slida, baja concentracin de catalizador y bajo coste. Alta pureza del polmero, color blanco, alta transparencia, filtrabilidad excelente y bajo contenido de oligomeros Alta estabilidad trmica y oxidativa del polmero, pequea generacin del acetaldehdo. No txico, inerte para el medioambiente, fcil manipulacin y fcil aplicacin. Que no tenga impacto negativo para el procesado: como hilado, soplado, o produccin de pelculasTitanioLos alcoxidos de titanio son los catalizadores mas novedosos para producir poli(butilentereftalato) (PBT). Hasta hoy los alcoxidos de titanio simples no desempean un papel como catalizadores para la produccin de PET.Las propiedades negativas de los alcoxidos de titanio simples son: la decoloracin amarilla, la precipitacin de TiO2 por hidrlisis unido a la baja reproducibilidad de la actividad cataltica y la inestabilidad trmica del polister. Para las que ya se han desarrollado soluciones bastante competentes. Debido a la alta actividad cataltica y la posible aceleracin de la reaccin de esterificacin, el titanio ser una de las herramientas principales para el desarrollo de nuevos sistemas catlisis.

Aluminio y ZeolitasDurante la ltima dcada, los catalizadores basados en aluminio se han convertido en el centro de los desarrollos tcnicos. Las primeras patentes que sugieren el alumnio como catalizador datan de antes de los 50, adems desde hace 25 aos que ya se han usado zeolitas como aditivos finamente dispersos para modificar las pelculas de polister.Para poder realizar una reaccin se policondensacin con xito son necesarias concentraciones de 900 ppm en zeolitas. Estos valores pueden reducirse si se utilizan zeolitas con un contenido original en agua de aprox 30% en peso, ya que se ha demostrado que el secado de las zeolitas despus de su sntesis proporciona una actividad cataltica ms baja.

A parte del titanio y el aluminio slo unos pocos elementos, como Sm, Sn, Fe, Mo, W y algunas combinaciones Mg-K-P y Zr-Si-Co se han propuesto como catalizadores de policondensacin durante la ltima dcada.

Hasta hoy no hay sustituto comercial del antimonio a la vista, a pesar de que se han ensayado algunos de los catalizadores descritos a escala industrial.El riesgo de cambiar el catalizador de una planta de polister operando en continuo es alto debido a la estrecha unin entre el tipo de catalizador y el procesado textil y de botellas.

8. LA CATALISIS Y EL MEDIO AMBIENTE

Los catalizadores pueden mejorar el medioambiente Procesos a menores temperaturas y en condiciones medias drsticas. Pueden aumentar la selectividad de los procesos. Eliminacin de contaminantes mediante procesos catalticos.

La solucin:

Eliminacin de los contaminantesde los gases de escape mediante la conversin cataltica.Catalizadores de tres vas ,Eliminan CO, NOx e hidrocarburos

9. BIBLIOGRAFIA

Internet http://es.wikipedia.org/wiki/Cat%C3%A1lisis https://www.google.com.bo/search?q=catalisis http://es.wikibooks.org/wiki/Bioqu%C3%ADmica/Cat%C3%A1lisis http://www.uab.es/servlet/Satellite?cid=1096481466568&pagename=UABDivulga%2FPage%2FTemplatePageDetallArticleInvestigar&param1=1297322819107 http://www.slideshare.net/nancysantosaguiar/catlisis-heterognea18