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LA MAYORÍA de los procesos en catálisis utilizan catalizadores
sólidos. Estossólidos, de composición altamente compleja (en
ocasiones llegan a tener ! omás elementos en su "órmula#, pueden
ser sin em$argo descritos en "orma detres componentes elementales%
la "ase acti&a, el soporte ' el promotor.
La fase activa, como su nom$re lo indica, es la directamente
responsa$le de la
acti&idad cataltica. Esta "ase acti&a puede ser una sola
"ase )umica o unconjunto de ellas, sin em$argo, se caracteriza
por)ue ella sola puede lle&ar aca$o la reacción en las
condiciones esta$lecidas. *in em$argo, esta "ase acti&apuede
tener un costo mu' ele&ado, como en el caso de los metales
no$les(platino, paladio, rodio, etc.# o puede ser mu' sensi$le a la
temperatura (casode los sul"uros de moli$deno ' co$alto#, por lo
cual se re)uiere deun soporte para dispersarla, esta$ilizarla
' proporcionarle $uenas propiedadesmecánicas.
El soporte es la matriz so$re la cual se deposita la "ase
acti&a ' el )ue permiteoptimizar sus propiedades catalticas.
Este soporte puede ser poroso ' por lo
tanto presentar un área super+cial por gramo ele&ada
(&er ta$la #.TABLA 5
-rea super+cial $aja (!m/gr#
no porosos
&idrio a 0 AlO1 *i2
porosos
3ieselgu4r
piedra pómez
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5ran área super+cial
( !m / gr #
no porosos
*iO 0 ALO car$ón 6iO 7nO
porosos ( !.cm /gr#
arcillas naturales
Al O1 MgO *iO
Esto es importante si la reacción )umica es su+cientemente
lenta8 el soportetam$i9n de$e tener resistencia mecánica
ele&ada si se usan :ujos mu'rápidos, o tener resistencia
t9rmica si la reacción es lle&ada a ca$o en altastemperaturas.
En algunos casos como en la reformación de gasolinas elsoporte
act;a tam$i9n como una "ase acti&a la cual sumada a la del
platino
permite el proceso completo de des4idroci0clización
(trans"ormación demol9culas lineales de $ajo octanaje como el
4e
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catalizador en cual)uiera de sus "unciones de acti&idad,
selecti&idad oesta$ilidad. *e conocen dos tipos de promotores%
texturales los )uecontri$u'en a dar ma'or esta$ilidad a la
"ase acti&a, 'electrónicos, los )ueaumentan la acti&idad.
Los casos más conocidos como promotores son elpotasio (electrónico#
' la al;mina (te
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permanecer en estado metálico ' no "ormar un compuesto
(inacti&o# con lamol9cula reaccionante.
Los metales )ue catalizan las reacciones de 4idrogenación
usualmente)uimisor$en el 4idrógeno no mu' "uerte ' lo disocian
4omolticamente. *onesencialmente metales del grupo @ (>e, 2o,
Bi, Ct, Cd, R4, etc.# ' el co$re en
el grupo @. 6am$i9n algunos metales catalizan o
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Figura 16. Estructura de ua zeolita (a) tipo A y (b) tipo !o
".
Otro tipo mu' espec+co de sólidos catalticos son los sul"uros,
los cualesact;an en reacciones de eliminación de azu"re, nitrógeno
' metales de algunasmol9culas. Estos sólidos tienen la "acilidad de
aceptar el azu"re o el nitrógeno 'cederlos como I* o
BI1regenerándose continuamente.
Cara e
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Figura 1#. $odelo de adsorci% de beceo e ua super&cie
deí'uel.
La teoría electrónica se $asa en el 4ec4o de )ue la
)uimisorción in&olucradistorsión o desplazamiento de nu$es de
electrones. Esto puede ser analizadoen "unción de la teora de
$andas o de la teora de or$itales moleculares. En elprimer caso,
@ol3enstein postuló )ue la reacción está controlada por
ladisponi$ilidad de electrones u 4o'os en el catalizador ' )ue la
acti&idaddepende de la "acilidad o di+cultad de remo&er o
ceder un electrón de o 4aciala red. Esta teora relati&amente
antigua (K1# "ue reemplazada por teoras deor$itales moleculares las
cuales 4acen 9n"asis en la in:uencia de los &ecinosmás pró
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6odos los sólidos son no uni"ormes en el sentido )ue las
propiedades "sicas ')umicas &aran con la localización en la
super+cie. Aun en un metal puro losátomos en dislocaciones,
es)uinas ' aristas son di"erentes a los átomos de lascaras. La
4eterogeneidad de las super+cies catalticas puede ser
"ácilmentemostrada por &arios m9todos como adsorción,
en&enenamiento, etc. Esta4eterogeneidad condujo a I.*. 6a'lor
en KP a proponer )ue la reaccióncataltica sólo se lle&a a ca$o
en algunos lugares espec+cos los cualesllamó sitios activos. Estos
sitios pueden ser acti&os para una reacción pero nopara otra '
es di"cil de identi+carlos claramente en una reacción. *in
em$argo,s es posi$le estimar su n;mero ' se calcula )ue en los
metales es del orden! átomos por centmetro cuadrado ' en los
catalizadores ácidos de! átomos por centmetro cuadrado.
La aplicación industrial de un catalizador 4eterog9neo re)uiere
de laoptimización de las tres principales caractersticas de un
catalizador% acti&idad,selecti&idad ' esta$ilidad.
La actividad es la consecuencia directa del e"ecto
acelerador, ' se de+ne comouna &elocidad de reacción en moles
trans"ormados por segundo ' por gramode catalizador. En el caso de
algunos catalizadores se pre+ere dar esta&elocidad corregida
por el área del catalizador o mejor a;n normalizada por eln;mero de
átomos de catalizador )ue están en contacto con la
reacción(turnover number #. Esta ;ltima e
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la selecti&idad 4acia D será%
La estabilidad de un catalizador es la &aria$le +nal a
optimizar en su aplicaciónindustrial ' la )ue se relaciona
directamente con la &ida ;til del catalizador. La&ida de
operación de un catalizador de$e ser e&aluada en "unción de
lacantidad de productos "ormados, de manera )ue en el mnimo de
tiempo de$epermitir amortizar el costo del catalizador ' la
operación del proceso. *i $ien enlas condiciones de uso de los
catalizadores en la actualidad casi todos 9stosso$repasan
largamente este mnimo de &ida ;til, se re)uiere de una serie
depre&enciones para e&itar )ue el catalizador se
desacti&e prematuramente.
El "enómeno de la desactivación está ntimamente ligada a la
esta$ilidad delcatalizador. Las principales causas de
desacti&ación son%
# En&enenamiento de la super+cie cataltica por una mol9cula
)ue se adsor$e"uertemente.
# 2o)ui+cación ("ormación de car$ón# de la super+cie por
des4idrogenaciónde algunos 4idrocar$uros cclicos.
1# Reconstrucción t9rmica de la super+cie con disminución del
área acti&a(sinterización#.
P# C9rdida de la "ase acti&a por desgaste del catalizador.
2uando algunoscatalizadores se desacti&an pueden ser
regenerados para recuperar suspropiedades (totalmente o en parte#.
El proceso de regeneración está ligado al
proceso de desacti&ación. Algunos catalizadores de procesos
como el dedesintegración cataltica se desacti&an mu' rápido por
la "ormación de car$ónen su super+cie ' de$en ser continuamente
regenerados. El proceso de:uidización de la desintegración
cataltica o$edece a la necesidad de trasladarcontinuamente el
catalizador del reactor al regenerador ' &ice&ersa
(>igura#.
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Figura 1*. Es'ue+a de u reactor de lec,o -uidizado
LA 2A6-L** Y EL CE6RLEO
*o$re el origen del petróleo e
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propano (21I# )ue es un (# ' $utano (2PI!# )ue contiene cuatro
átomos decar$ono (2P#. La composición tpica del gas natural es la
siguiente% 2 JKS,2 F.S, 21 F.S, 2P .1S,
i2P .PS e i2T 1S.
El gas natural &iene acompa=ado de ácido sul"4drico (I*# )ue
es corrosi&o,por lo )ue es necesario una puri+cación para
eliminarlo. 6radicionalmente el
gas natural es utilizado como com$usti$le para uso dom9stico
(estu"as# eindustrial (generadores de &apor para tur$inas#. En
la ;ltima d9cada sinem$argo, su consumo para la producción de
4idrógeno se 4a ele&ado. El4idrógeno tiene muc4a demanda en
di"erentes procesos de una re+nera. Lareacción tpica del metano con
&apor de agua es%
/0 /2 2 /
El 4idrógeno se separa del 2O ' puede ser utilizado para la
sntesis delamoniaco a tra&9s de la reacción%
Estas dos reacciones requieren de catalizadores para su
aplicación industrial.
El tama=o de las mol9culas de 4idrocar$uro )ue componen el
petróleo &aradesde 24asta 2P! 0 2! o aun ma'ores, de
a4 )ue tam$i9n se le puedaclasi+car en crudos ligeros o pesados. El
contenido de impurezas como azu"re(*#, nitrógeno (B# ' &anadio
(@# de un petróleo tam$i9n es mu' importante 'a
)ue determina la calidad ' el precio del mismo.El petróleo, una
&ez e
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F# gasóleo pesado.
5eneralmente los productos o$tenidos en este proceso no son
su+cientes encalidad ni cantidad para los re)uerimientos actuales.
Cor lo tanto se re)uieretrans"ormar estos productos en otros de uso
más con&eniente. La ma'or partede estos procesos
soncatalíticos (K!S#.
En relación a la aplicación de sus productos, el petróleo puede
ser separado en%
# com$usti$le para automó&iles, a&iones ' má)uinas
diesel,
# com$usti$les para cale"acción e industrias (calderas#,
1# materia prima para la o$tención de 4idrógeno ' gas para
cocina,
P# materia prima para productos )umicos ' petro)umicos,
# aceites lu$ricantes ' grasas, sin ol&idar un o$jeti&o
contemplado una d9cadaanterior ' )ue "ue
F# o$tener alimentos (protenas#.
CRO2E*O* 2A6ALÍ2O* EL CE6RLEO
El o$jeti&o de estos procesos es el de modi+car las
"racciones del petróleo parala o$tención de productos en cantidad '
calidad acorde con los re)uisitos delmercado. Codemos clasi+carlos
en la siguiente "orma%
