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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