Reactores Heterogénos

Reactores catalíticos heterogéneos
Diseño de reactores heterogéneos
Juan A. Conesa Ferrer Universidad de Alicante

DISEÑO DE REACTORES HETEROGÉNOS

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TEMA 1: Reactores catalíticos HETEROGÉNEOS
0. Resumen El siguiente tema consta de dos partes. La primera es un estudio de las reacciones heterogéneas catalizadas por sólidos, donde se incluye un seguimiento detallado de las ecuacionescinéticas de las mismas según cual sea la etapa determinante de la velocidad de reacción: difusión externa desde el entorno hasta la superficie, adsorción, reacción, desorción, difusión interna a través de una pastilla porosa, efectos caloríficos o combinaciones de varias de las anteriores. La segunda trata sobre el diseño de los reactores catalíticos, de los cuales existe una gran variedad, aunque detodos ellos solo se va a estudiar los reactores de lecho fijo por etapas. El estudio se centrará también en los reactores adiabáticos con enfriamiento entre etapas.

1. Introducción La velocidad de una reacción puede ser modificada por la presencia de unas sustancias, que normalmente no son ni reactivos iniciales ni productos. Estas sustancias reciben el nombre de catalizadores, y producen unaumento de la velocidad de reacción. Los catalizadores pueden ser sólidos o líquidos. Los catalizadores sólidos pueden perder su actividad catalítica con el tiempo. Un catalizador puede hacer variar la velocidad de reacción de un proceso en miles o millones de veces, por lo que suele ser muy interesante su utilización en procesos industriales (producción de ácido sulfúrico, amoníaco, etc). Lascaracterísticas de un catalizador se podrían resumir en: 1. Selectividad de los catalizadores. Se refiere a la capacidad que tienen estas sustancias de actuar en ciertas reacciones y de no hacerlo en otras distintas. 2. Un catalizador aumenta la velocidad de reacción o favorece una reacción frente a otra, pero en ningún caso determina el equilibrio o el punto final de la misma, que vendráncondicionados siempre por cuestiones termodinámicas. 3. Para utilizar un catalizador en una reacción determinada, se hace necesario llevar a cabo un número elevado de ensayos y pruebas, hasta dar con el más adecuado, dentro de una lógica.
© Juan A. Conesa. Universidad de Alicante

REACTORES CATALITICOS

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4. La actividad de un catalizador no sólo depende de su constitución química, sino tambiénde su estructura física o cristalina, ya que el catalizador puede perder su actividad por encima de ciertas temperaturas. Por lo tanto, un estudio exhaustivo de un catalizador debe incluir una investigación de la superficie del mismo. Por ello se ha de procurar que los catalizadores tengan una gran superficie sólida activa por unidad de volumen.

5. En presencia de un catalizador las moléculasreaccionantes sufren un debilitamiento de sus enlaces o forman productos intermedios en las proximidades de la superficie del sólido. Se han propuesto varios modelos que intentan explicar este comportamiento:

a) el producto intermedio es una asociación de la molécula reactivo con una región de la superficie del sólido

b) las moléculas de reactivo se encuentran bajo la influencia de las fuerzasde la superficie, moviéndose en un entorno cercano a ella

c) se forman radicales libres en la superficie del catalizador, que se mueven hacia el gas provocando una serie de reacciones, hasta que finalmente se destruyen; en esta última teoría, la reacción va a tener lugar en el seno del gas, siendo la superficie del catalizador un generador de radicales libres.

6. Según la teoría del estadode transición, el catalizador reduce la barrera de energía potencial que se debe sobrepasar para que los reaccionantes pasen a productos. Esto provocará a su vez una disminución de la energía de activación, y por lo tanto, un aumento de la velocidad de la misma, como se puede observar en la Figura 1.

Para poder llevar a cabo un diseño de reactores para este tipo de reacciones, será necesario...