2. La Ingeniería de Reacción Química (IRQ) es el
campo que estudia las velocidades y mecanismos
de reacciones químicas y el diseño de los
reactores en los que estas tienen lugar.
3. Catalizadores y Catálisis
Un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de
reacción química, pero emerge del proceso sin alterar.
La catálisis es la ocurrencia, el estudio y el uso de
catalizadores y procesos catalíticos.
Los catalizadores afectan tanto la selectividad como el
rendimiento.
4. Características del catalizador
ACTIVIDAD: Aumentan r respecto a la manifestada sin catalizar a las mismas
condiciones de P, T, C, etc.
SELECTIVIDAD: Modifican r solo de ciertas reacciones
ESTABILIDAD: Mantiene sus cualidades en el tiempo.
Generalmente, el catalizador pierde efectividad con t debido a cambios físicos
y/o químicos ocurridos durante la rxn.
Se debe calcular el tiempo de vida útil.
Y también existen diferentes formas y tamaños
6. Esquema de un reactor catalítico de lecho empacado
Estos están compuestos por: un lecho de catalizador empacado,
pastilla de catalizador y una superficie de la pastilla de catalizador
7. Pasos en una reacción catalítica
1. Difusión externa (o resistencia de la película): difusión de
los reactivos hacia la superficie exterior del catalizador.
2. Difusión interna (o resistencia a la difusión en los poros):
difusión de los reactivos hacia el interior del catalizador, donde
se va a producir la reacción mayoritariamente.
3. Adsorción química (o física en ciertas ocasiones) en la
superficie: durante la unión de las moléculas del reactivo en
algún lugar de la superficie del catalizador.
4. Reacción química superficial: reacción en la superficie de la
partícula de catalizador.
5. Desorción química en la superficie: durante la separación de
las moléculas de producto de la superficie del catalizador.
6. Difusión interna (o resistencia a la difusión en los poros):
difusión de los productos hacia el exterior del catalizador.
7. Difusión externa (o resistencia de la película): durante la
salida de los productos hacia el seno de la fase gaseosa.
8. Sitio activo
Un sitio activo es un punto en la superficie que puede formar fuertes enlaces químicos con un átomo o
molécula adsorbidos.
Las reacciones no se catalizan en toda la superficie, sino solo en ciertos sitios o centros activos que resultan
de átomos no saturados en la superficie.
Etilidino sobre platino
9. El paso de adsorción
Sitios vacantes y ocupados
Para el sistema que se muestra, la concentración
total de sitios es:
Ct = Cv + CA.S + CB.S
12. El paso de reacción superficial
1. Sitio Único
La reacción de superficie puede ser un mecanismo de un solo sitio en el que solo el sitio en el que
se adsorbe el reactivo está involucrado en la reacción. Por ejemplo, una molécula de A adsorbida
puede isomerizarse (o tal vez descomponerse) directamente en el sitio al que está unida, como:
Como en cada paso el mecanismo de reacción es elemental, la ley de velocidad de reacción
superficial es:
donde KS es la constante de equilibrio de la reacción superficial 𝐾𝑆 =
𝐾𝑆 𝐾−𝑆
13. 2. Sitio doble
La reacción superficial puede ser un mecanismo de sitio dual en el que el reactivo adsorbido interactúa con
otro sitio (ocupado o desocupado) para formar el producto
Por ejemplo, el A adsorbido puede reaccionar con un sitio vacante adyacente para producir un sitio vacante en
el que se adsorbe el producto, como la deshidratación del butanol.
Para la reacción genérica
14. La correspondiente ley de velocidad de reacción superficial es
Otro ejemplo de un mecanismo de sitio dual es la reacción entre dos especies absorbidas, como la
reacción de CO con O
Para la reacción genérica
La correspondiente ley de velocidad de reacción superficial es
15. Un tercer mecanismo de sitio dual es la reacción de dos especies adsorbidas en diferentes tipos de sitios
S y S', como la reacción de CO con O
Para la reacción genérica
La ley de la velocidad de reacción de la superficie correspondiente es
Las reacciones que involucran mecanismos de sitio simple o doble, que se describieron
anteriormente, a veces se denominan cinéticas de Langmuir-Hinshelwood.
16. 3. Eley-Rideal
Un tercer mecanismo es la reacción entre una molécula absorbida y una molécula en fase gaseosa, como la
reacción de propileno y benceno
Para la reacción genérica
La ley de la velocidad de reacción de la superficie correspondiente es
A este tipo de mecanismo se conoce como mecanismo de Eley-Rideal.
21. Isomerización de n-pentano (N) a i-penteno (I) sobre alúmina
1. Seleccionar un mecanismo (Mecanismo de Sitio Único)
Tratar cada paso de reacción como una reacción elemental al escribir las leyes de
velocidad
22. 2. Suponga un paso limitante de la velocidad.
Elija primero la reacción de superficie, ya que más del 75 % de todas las
reacciones heterogéneas que no están limitadas por difusión están limitadas por
reacción de superficie. La ley de velocidad para el paso de reacción superficial
es:
23. 3. Encuentre la expresión para las concentraciones de las
especies adsorbidas
CN.S y CI.S. Usar los otros pasos que no son limitantes para
resolver CN.S y CI.S. Para esta reacción:
24. 4. Escriba un balance del sitio. Derive la ley de velocidad.
S
I
S
N
t C
C
C
C
5. Combine los pasos 2, 3 y 4 para llegar a la ley de velocidad
I
I
N
N
P
I
N
S
N
I
I
N
N
P
I
N
k
N
t
s
S
N
P
K
P
K
K
P
P
k
r
r
P
K
P
K
K
P
P
K
C
k
r
r
1
1
25. Conversión catalítica de gases de escape
1994 2004 2008
HC 0.41 0.125 0.10
CO 3.4 3.4 3.4
NO 0.4 0.4 0.14
CO NO CO2
1
2
N2
