LA CATÁLISIS INCIDE DE FORMA PREDOMINANTE EN LOS PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES
ES UNA CIENCIA CRUCIAL PARA EL DESARROLLO DE LA INDUSTRIA QUÍMICA
MÁS DE UN 80 % DE LOS PRODUCTOS QUÍMICOS MANUFACTURADOS SE OBTIENEN MEDIANTE PROCESOS CON AL MENOS UNA ETAPA QUE PRECISA DE UN CATALIZADOR.
EL HIDRÓGENO EN LOS PROCESOS CATALÍTICOS INDUSTRIALES
H2
+
Co-reactantes
+
catalizador
HOMOGÉNEOS
HETEROGÉNEOS
COMMODITIES
(Productos químicos
básicos)
FINE CHEMICALS
(Productos químicos
de alto valor añadido)
FINE CHEMISTRY
BULK CHEMISTRY
EL HIDRÓGENO EN LOS PROCESOS CATALÍTICOS INDUSTRIALES
2. FINE CHEMISTRY:
1. BULK CHEMISTRY:
ALGUNOS PROCESOS REPRESENTATIVOS:
– SÍNTESIS DEL AMONIACO
– SÍNTESIS DE METANOL
– PROCESOS FISCHER-TROPSCH
– PROCESOS DE HIDROTRATAMIENTO EN LA INDUSTRIA DEL PETROLEO (HIDRODESULFURACIÓN)
– PROCESO OXO (HIDROFORMILACIÓN)
HIDROGENACION DE GRASAS VEGETALES INSATURADAS:
MARGARINAS
PROCESOS DE HIDROGENACION ENANTIOSELECTIVA
CON ESPECIAL INCIDENCIA EN LA INDUSTRIA FARMACEUTICA
EL HIDRÓGENO EN LOS PROCESOS CATALÍTICOS INDUSTRIALES
– EL HIDRÓGENO CONSTITUYE, SIN DUDA, UNO DE LOS REACTIVOS MÁS EMPLEADOS EN LOS PROCESOS CATALÍTICOS
– UN IMPORTANTE PORCENTAJE DEL HIDRÓGENO PRODUCIDO A PARTIR DE DIFERENTES FUENTES, ESPECIALMENTE GAS NATURAL, SE TRANSFORMA EN DISTINTOS TIPOS DE PROCESOS CATALÍTICOS
CH4
+
H2O
CO
+
3H2
Gas de Síntesis
PROCESO DE
“STEAM-REFORMED”
DEL GAS NATURAL
ALGUNOS EJEMPLOS CLÁSICOS DE PROCESOS CATALÍTICOS HETEROGÉNEOS CON PARTICIPACIÓN DEL HIDRÓGENO
SINTESIS DEL AMONIACO: (PROCESO HABER-BOSCH)
– ES UNO DE LOS PROCESOS CATALÍTICOS MÁS ANTIGUOS EN PRODUCCIÓN: FRITZ-HABER, PATENTE DE 1910.
3 H2(g)
+
N2(g)
2NH3
??= – 92.4 KJ·mol-1 (298 K)
– EL AMONIACO ES UNO DE LOS COMMODITIES QUE SE PRODUCE EN MAYOR CANTIDAD: ~ 100 MILLONES DE TONELADAS ANUALES (1990), CON UNA PREVISION DE CRECIMIENTO ANUAL DEL 2 %.
– APLICACIONES; FERTILIZANTES, PRODUCTOS QUÍMICOS (HNO3), EXPLOSIVOS (NH4NO3), FIBRAS (NYLON), ETC.
– ES UN PROCESO CATALÍTICO QUE CORRESPONDE A UNA REACCIÓN QUÍMICA MUY SIMPLE:
PROCESO EXOTÉRMICO, FAVORECIDO TERMODINÁMICAMENTE A ALTAS PRESIONES Y BAJAS TEMPERATURAS
(PRINCIPIO DE LE CHATELIER)
SÍNTESIS DEL AMONIACO (PROCESO HABER-BOSCH)
CONDICIONES DE OPERACIÓN:
– TEMPERATURA MEDIA (~450 ºC)
– ALTAS PRESIONES (100-300 BAR)
CATALIZADOR DE HIERRO POROSO DE ALTA ÁREA SUPERFICIAL, CONSTITUIDO
POR MICROCRISTALES DE Fe-?, QUE ACTÚAN COMO LOS CENTROS
CATALÍTICAMENTE ACTIVOS.
400 ºC H2(G) / N2
SOBRE EL CATALIZADOR EMPLEADO:
– EL CATALIZADOR EMPLEADO EN EL PROCESO TECNOLÓGICO ACTUAL ES CASI IDÉNTICO AL FORMULADO EN LA PATENTE DE HABER (1910).
– SE TRATA DE UN CATALIZADOR DE Fe, PREPARADO A PARTIR DE UNA MAGNETITA, Fe3O4, CON PROMOTORES BASADOS EN ÓXIDOS DE Al, Ca Y K; Al2O3, CaO Y K2O, QUE SON FUNDIDOS Y POSTERIORMENTE REDUCIDOS (CATALIZADOR DE BASF).
– LOS CATIONES Al3+, Ca2+, Y K+ NO SE VEN AFECTADOS; Al2O3 Y CaO EVITAN LA SINTERIZACIÓN DE LAS PEQUEÑAS PARTÍCULAS DE Fe-?.
SÍNTESIS DEL AMONIACO (PROCESO HABER-BOSCH)
SOBRE EL MECANISMO ÍNTIMO DEL PROCESO:
– LAS MOLÉCULAS DE H2 Y N2 SUFREN, EN LAS CONDICIONES EXPERIMENTALES DE TRABAJO, PROCESOS DE ADSORCIÓN DISOCIATIVA.
– LOS ÁTOMOS DE N ADSORBIDOS FORMAN ”NITRUROS DE SUPERFICIE”, EN UNA DISTRIBUCIÓN COMO LA REPRESENTADA EN LA FIGURA, DONDE APARECE TAMBIÉN LA DISTRIBUCIÓN DE LOS ÁTOMOS DE H.
– LOS ÁTOMOS DE N SON ESTÁTICOS, EN TANTO QUE LOS ÁTOMOS DE H SON MUY MÓVILES.
Átomos de Fe
Átomos de N
(Gp:) Sección vertical
Átomos de Fe
Átomos de H
SÍNTESIS DEL AMONIACO (PROCESO HABER-BOSCH)
SOBRE EL MECANISMO ÍNTIMO DEL PROCESO:
1. Proceso de adsorción disociativa
2. Reacción de los átomos adsorbidos
3. Proceso de desorción del producto
N2, (g)
N2*
2 N*
H2, (g)
2 H*
N* + H*
NH*
NH2*
H*
H*
NH3*
NH3*
NH3, G
MECANISMO SIMPLIFICADO DE LA SINTESIS DE NH3
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