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1.- REACTORES CATALITICOS DE LABORATORIO
Catálisis
En muchos mecanismos de reacción existe una etapa elemental, con una velocidad menor que la del resto de etapas, que limita la velocidad global de la reacción. Para conseguir que la reacción transcurra a mayor velocidad una opción sería aumentar la temperatura; sin embargo, esto podría hacer disminuir la concentración en el equilibrio del producto que deseamos, o bien dar lugar a reacciones secundarias que consuman el producto deseado, o que generen impurezas. Para evitar todo esto suele ser útil el empleo de un catalizador. Existen reacciones catalizadas en las que el catalizador sufre algún tipo de transformación, por ejemplo, una descomposición, siendo esta transformación independiente de la reacción principal, sin embargo en este caso se suele hablar de reacciones promovidas y al catalizador se le denomina promotor. A las sustancias que disminuyen la velocidad de la reacción se les conoce como inhibidores o catalizadores negativos, y su aplicación industrial más importante es la reducción de reacciones secundarias hacia productos no deseados. Las reacciones catalíticas se pueden clasificar en homogéneas, enzimáticas y heterogéneas. Las homogéneas se producen en una sola fase, gaseosa o líquida (esta última es la más frecuente), y en ellas el catalizador se encuentra disperso uniformemente. La catálisis heterogénea, la más importante desde el punto de vista industrial, tiene lugar en sistemas de reacción polifásicos, donde la reacción se produce en la terfase. Normalmente el catalizador es sólido y los reactivos gases, vapores o líquidos. La catálisis enzimática, que ocurre en las reacciones bioquímicas, posee características propias de las dos anteriores aunque mecanísticamente se asemeja más a la catálisis heterogénea.
PRINCIPIOS GENERALES DE LA CATÁLISIS
Mecanismo típico
Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más de los reactivos para formar productos intermedios que, posteriormente, conducen al producto final de reacción. En el proceso se regenera el catalizador. El siguiente esquema es típico de una reacción catalítica,
donde C representa el catalizador, X e Y son reactivos, y Z es el producto de la reacción de X e Y: X + C → X C (1) Y + X C → XY C (2) XY C → C Z (3) C Z → C + Z (4) Aunque el catalizador es consumido por la reacción 1, posteriormente es producido por la reacción 4, por lo que la reacción global es: X + Y → Z Como el catalizador se regenera en una reacción, a menudo sólo se necesitan pequeñas cantidades para incrementar la velocidad de la reacción. Sin embargo, en la práctica los catalizadores son algunas veces consumidos en procesos secundarios.
Catálisis heterogénea
Los catalizadores se emplean en general para acelerar las reacciones lentas o que no podrían efectuarse de otro modo; pero también se utilizan para modificar el nivel de temperaturas de operación, o para influir en la distribución de producto, o bien, aunque más raramente, para retardar la reacción. Los procesos catalíticos se pueden dividir en dos grupos importantes: Homogéneos y heterogéneos. Los procesos catalíticos heterogéneos de mayor importancia industrial son los que emplean principalmente catalizadores sólidos (Ilustración 1). En general, la catálisis heterogénea Los reactivos y el catalizador están en diferente fase. v = f ( superficie de catalizador )
El catalizador participa en alguna etapa del mecanismo, pero queda liberado al final. En la catálisis heterogénea y enzimática el catalizador forma un complejo de adición con la molécula sustrato. En la catálisis ácido-base hay una transferencia protónica entre el catalizador y el sustrato. El catalizador no afecta la posición del equilibrio químico. Puesto que en el equilibrio K = k 1 k − 1 , entonces el catalizador aumenta las velocidades del proceso directo e inverso exactamente en la misma cantidad. Hay una gran variedad de mecanismos para las reacciones catalizadas. Un modelo general, común a reacciones catalizadas por superficies, enzimas o por ácidos y bases, es el siguiente:
Reactores catalíticos
Suelen ser de dos tipos: fluidizado o de lecho empacado, la elección depende de la reacción de interés y del mecanismo cinético observado Los reactores de lecho fluidizado poseen las siguientes propiedades: El flujo es complejo, no es bien conocido, solo se puede estimar de forma aproximada los mecanismos de transferencia de masa, desde el punto de vista de transferencia el contacto no es muy eficiente debido a la diferencia de varias barreras físicas, esto obliga a usar una mayor cantidad de catalizador. El control de temperatura se realiza de forma más fácil, comparado con el reactor de lecho empacado.
La reactivación del catalizador en caso de ser necesaria es más fácil y eficiente debido a la fluidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador. Este tipo de flujo es adecuado para partículas de tamaño pequeño, ideal para reacciones rápidas en donde se necesita un área de contacto grande. El reactor de lecho empacado posee las siguientes características: La regeneración del catalizador requiere del uso de gases; Es común usar un sistema de re-circulación a fin de aumentar la eficiencia de reactivación Este sistema presenta dificultades en el control de temperatura debido a la formación de zonas calientes y frías en el interior del lecho. No se puede usar un tamaño de catalizador pequeño debido a la formación de tapones y caídas de presión. Balance de materia: Al igual que el PFR, el balance es diferencial, además se toma en cuenta la difusión radial, el balance se realiza tomando en cuenta una geometría radial.
Tipos de reactores heterogéneos de lecho móvil, de lecho fluidizado, de
lodos y biológicos.
Reactor fluidizado Reactor de lecho móvil Reactor de lodos o biológico Reactores de lecho fijo El catalizador permanece esencialmente estacionario (en tubos o bandejas) hasta su descarga o reactivación; sus ventajas son la aproximación al flujo de pistón, alta relación de catalizador a reactivos, versatilidad de las condiciones operativas y tiempos de contacto, posibilidad de altas presiones, simplicidad y mantenimiento. Sin embargo, la baja conductividad térmica de los soportes cerámicos típicos hace que los tubos con unas pocas
pulgadas se comporten de modo cuasi-adiabático (impidiendo el control de temperaturas en reacciones con elevado calor de reacción) y los sobrecalentamientos resultantes pueden degradar el catalizador o su selectividad. Otras limitaciones derivan de la resistencia a la compresión (peso del lecho). En estos reactores es importante maximizar la vida, resistencia y porosidad del catalizador, y minimizar la caída de presión y resistencia a la difusión en los poros, logrando el mejor compromiso entre estas características que suelen estar contrapuestas. Reactores de lodos y lecho fluido Estos emplean partículas pequeñas y condiciones de operación para mantenerlas expandidas; ofrecen las ventajas del fácil reemplazo y regeneración del catalizador (que puede realizarse durante el propio proceso en continuo), una rápida mezcla que facilita la transferencia conectiva (control de temperatura y operación isotérmica), y baja resistencia difusional interna debido al pequeño tamaño de las partículas. En estos sistemas, el diseño del catalizador se concentra en maximizar la actividad, selectividad y resistencia a la atrición (pérdidas y separación). Las reacciones catalíticas heterogéneas en fase gaseosa se llevan a cabo generalmente en lechos fijos con pastillas o gránulos. La disposición de los lechos catalíticos, el diseño del reactor, y el tamaño y forma de las partículas, vienen dictados por los requerimientos de transferencia de calor, flujo de fluidos y pérdidas de presión en el sistema. Las reacciones catalíticas heterogéneas en fase líquida suelen llevarse a cabo en columnas de goteo continuas, empleando catalizadores granulares o encapsulados. Reactivos y disolvente, en su caso, se bombean sobre el lecho, y los gases reaccionantes a emplear (normalmente oxígeno o hidrógeno- pasan en contracorriente o en paralelo. El producto se recoge continuamente del lecho catalítico con o sin filtración del catalizador. Para reacciones donde la fase líquida es discontinua, se emplean invariablemente catalizadores en polvo; estos deben tener resistencia a la atrición (pérdida de finos), buenas características de suspensión (actividad) y fácil filtración. Estas propiedades son función del diseño del catalizador, debiendo buscarse el compromiso entre ellas.
