ENSAYO SOBRE PREPARATION OF SOLID CATALYSTS DE J.F. LaPage

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BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

COLEGIO DE INGENIERIA EN MATERIALES

ENSAYO SOBRE PREPARATION OF SOLID CATALYSTS DE J.F. LaPage

Por Mariana Romero Juárez

Introducción a los materiales

Dr. Manuel Sánchez Cantú

Otoño 2018

201735058

https://epdf.tips/preparation-of-solid-catalysts.html

Este texto me resulto bastante interesante, aunque debo admitir que no comprendí del todo muchas cosas, no en el sentido de no saber que decía, sino que no sabia muy bien que era eso porque eran muchas palabras nuevas para mí, cosas de las que nunca había escuchado y que muy probablemente no sabia que existía, que esa era su aplicación, etc.

En la introducción podemos encontrar un poco de historia de como fueron creados los catalizadores y remarca que los trabajadores académicos y de la industria tienen mucho por hacer aun para alcanzar una síntesis de catalizadores. Incluye también que las metodologías combinatorias se pueden considerar como versiones modernas del enfoque de Mittasch hacia el desarrollo de catalizadores, que son más rápidas y más eficientes en costos que las tradicionales y que para una mayor comprensión de las áreas de investigación relevantes ahora puede usarse como base para la preparación racional de catalizadores sólidos.

Al entrar al texto del desarrollo de catalizadores industriales nos explica que ya que se tiene una materia el siguiente paso será construir una estructura catalítica en base a lo que el usuario necesita y recalca que es importante que no se haga solo como un experimento de laboratorio ya que es un gasto que no es sustentable y para eso explica que las aplicaciones industriales requieren que un catalizador sea regenerable, reproducible, mecánicamente y térmicamente estable, original, económico, y que posea características morfológicas adecuadas. Luego de esto explica cuales deben ser las condiciones necesarias para que un catalizador pueda trabajar de una forma adecuada. la densidad de grano y especialmente la densidad de llenado son propiedades que preocupan mucho al usuario; y estos dependen de la morfología en términos de volumen de poro. El catalizador se compra en peso con el propósito de llenar un reactor dado, y el costo de la carga del catalizador dependerá de su densidad de llenado. Finalmente, con respecto a la morfología, se señala que los catalizadores en forma de cuentas se prestan mejor a los reactores de manipulación, llenado y vaciado, así como a cualquier tamizado que pueda parecer necesario para eliminar los finos después de una serie de regeneraciones. La resistencia mecánica de un catalizador se demuestra por su resistencia de aplastamiento y abrasión en las paredes o a la erosión por los fluidos que ocurre dentro del proceso

2.1.6 Características térmicas Para ciertos catalizadores, la conductividad térmica y el calor específico requieren consideración. La alta conductividad térmica de la masa catalítica conduce a gradientes de temperatura reducidos dentro del grano, así como en el lecho catalítico, para reacciones endotérmicas o exotérmicas, al mejorar la transferencia de calor. Para otros catalizadores, el calor específico asume más importancia; un calor específico alto permite que un catalizador de craqueo catalítico transporte una gran carga térmica desde la combustión del coque hasta la reacción de craqueo endotérmico, donde se consume de forma útil. Por el contrario, los catalizadores en silenciadores catalíticos son más eficientes cuando son llevados rápidamente a una temperatura alta por los gases de combustión, y un calor específico bajo puede ser ventajoso.

2.1.7 Regenerabilidad Como hemos señalado en relación con la estabilidad, es solo en teoría que el catalizador se encuentra intacto al final de la reacción. Todos los catalizadores envejecen; y cuando sus actividades o sus selectividades se han vuelto insuficientes, deben regenerarse mediante un tratamiento que devolverá una parte o la totalidad de sus propiedades catalíticas. El tratamiento más común es la combustión del carbono, pero también se hace fregar con gases adecuados para desorber ciertos venenos reversibles; la hidrogenolisis de compuestos de hidrocarburos puede realizarse cuando el catalizador lo permite, así como una inyección de compuestos químicos. Cuando el tratamiento no incluye la quema de depósitos de carbono, a menudo se llama rejuvenecimiento. Cuanto más corto es el ciclo de tiempo de funcionamiento entre dos regeneraciones, más importante es la regeneración.

2.1.8 Reproducibilidad La reproducibilidad caracteriza la preparación de un catalizador tanto como el catalizador mismo; es de interés para los usuarios industriales que desean estar seguros de la calidad de 

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2 Developing Industrial Catalysts

cargas sucesivas de catalizador; y también preocupa a los diversos ingenieros responsables del desarrollo del catalizador desde el laboratorio hasta la fabricación industrial. De hecho, la preparación de un catalizador generalmente tiene lugar en varias etapas bastante complejas que dependen de un gran número de variables difíciles de controlar simultáneamente. El resultado es que es indispensable verificar rápidamente que la reproducibilidad de la preparación es factible, así como tener en cuenta que la fórmula desarrollada en el laboratorio debe ser capaz de extrapolarse a escala piloto y a escala industrial en condiciones económicas aceptables.

2.1.9 Originalidad También es importante que el catalizador y el proceso en el que se utilizará puedan explotarse legalmente a través de licencias. Esto solo es posible si el catalizador es original, lo que es raro, o si pertenece al dominio público, que es más frecuente. En el primer caso, puede estar protegido por patentes fundamentales; en el segundo caso, las posibles patentes pueden aplicarse solo a las mejoras. Cuanto mayor sea la originalidad, mayores serán las regalías potenciales asociadas con el catalizador o con el proceso para el cual es la parte que controla.

2.1.10 costo Incluso cuando un catalizador posee todas las propiedades y características recién enumeradas, queda un último requisito: debe resistir la comparación con catalizadores competitivos o procesos con funciones equivalentes desde el punto de vista del costo; o al menos su costo no debe suponer una carga demasiado pesada para la economía del proceso para el que se utilizará.

2.2 El catalizador ideal y el catalizador óptimo Todas las propiedades y características anteriores no son independientes; cuando uno de ellos cambia para mejorar, los otros también se modifican, y no necesariamente en la dirección de una mejora general. Como resultado, los catalizadores industriales nunca son ideales. Afortunadamente, sin embargo, el ideal no es del todo indispensable. Ciertas propiedades, como la actividad y la reproducibilidad, son siempre necesarias, pero la selectividad, por ejemplo, apenas tiene sentido en reacciones como la síntesis de amoníaco; y lo mismo se aplica a la conductividad térmica en una reacción isotérmica. La estabilidad siempre es de interés, pero se vuelve menos importante en los procesos que incluyen la regeneración continua del catalizador, cuando es la regenerabilidad la que debe optimizarse. Además, la originalidad puede ser de importancia secundaria para ciertas situaciones de fabricación, como las relevantes para la defensa nacional. El objetivo, por lo tanto, no es un catalizador ideal, sino el óptimo, que puede definirse por los estudios de viabilidad económica relacionados no solo con el catalizador sino también con el resto del proceso. Y cuando se establece el proceso catalítico y el catalizador en

2.2 La pregunta de Ideal Catalyst y Optimum Cutulyst 

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debe competir como un reemplazo, el costo del catalizador de reemplazo y el método de fabricación predominan para llegar a la fórmula óptima. Dependiendo del uso y la competencia económica, por lo tanto, los estudios de optimización establecen una jerarquía entre las propiedades y características de un catalizador; y el conocimiento de esta jerarquía ayuda a orientar mejor los esfuerzos del equipo de investigación responsable de crear y desarrollar el catalizador y su proceso. Incluso cuando la jerarquía no se fija al principio, puede evolucionar en el curso del desarrollo del catalizador, a veces incluso después de la industrialización.

2.2.1 Desarrollo de catalizador Un catalizador sólido de la vida real es algo completamente diferente para su usuario, su fabricante o su creador. El usuario considera el catalizador dentro del marco de su función de promover una reacción química y sus propiedades. El ingeniero responsable de la fabricación del catalizador lo considera desde un punto de vista diferente, aunque sigue reconociendo las necesidades del usuario. Para este ingeniero, el catalizador es principalmente un producto químico caracterizado por su composición y su método de preparación, a partir de la naturaleza de sus sales precursoras de los agentes activos, a través de las condiciones de diversas operaciones unitarias utilizadas para construir el sólido catalítico. Todas estas operaciones, precipitación, maduración, filtración, lavado, formación, secado, impregnación, calcinación y activación, debe controlarse meticulosamente para que, al final del proceso de fabricación, el catalizador se ajuste a la gama de especificaciones garantizadas para el usuario. Finalmente, aunque el químico físico que diseña un catalizador sólido estará interesado en los dos puntos de vista anteriores, se concentrará en definirlo en términos fisicoquímicos intrínsecos, como su textura (distribución de poro, superficie específica del sólido en general, superficie de los agentes activos depositados, densidad estructural y densidad de grano), sus características cristalográficas (examen de rayos X o de difracción de electrones para determinar con precisión la presencia de un compuesto definido, una solución sólida o una aleación), sus propiedades electrónicas (niveles de energía) de los electrones, estado de valencia de ciertos elementos o el carácter d para otros elementos o aleaciones metálicas), y especialmente sus propiedades superficiales aisladas o preferiblemente en su atmósfera de reacción (las características termodinámicas de quimisorción, las modificaciones químicas y electrónicas de la superficie catalítica, estado de oxidación o reducción superficial, acidez o basicidad, y naturaleza de los enlaces en la fase adsorbida ) Estos diversos aspectos del catalizador están relacionados a través de causa y efecto. Las propiedades buscadas en el catalizador industrial por el usuario fluyen desde sus características fisicoquímicas intrínsecas; y las propiedades industriales y fisicoquímicas dependen estrechamente del método de preparación. Por lo tanto, es esencial que el equipo de investigación y los ingenieros encargados de desarrollar un catalizador y su proceso correspondiente reciban capacitación y se les den las herramientas para seguir el desarrollo del catalizador a través de todos sus diversos aspectos, económicos y legales incluidos. Teniendo en cuenta esta complejidad, el enfoque de un catalizador óptimo solo puede ser un procedimiento experimental que avanza paso a paso a través de la prueba y el error.

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2 Desarrollar catalizadores industriales

2.2.2 Elaboración de las primeras fórmulas catalíticas Una jerarquía inicial de las cualidades requeridas surge del análisis detallado de la transformación química más los datos de las pruebas exploratorias para seleccionar las especies catalíticas. Esta jerarquía depende de leyes generales de cinética e ingeniería química, así como de observaciones de operaciones industriales que son más o menos análogas. Los pasos de su articulación son los siguientes: Comenzando con la especie activa seleccionada en el laboratorio, se prepara una familia de catalizadores que están relacionados a través de variaciones en el proceso de fabricación, como la secuencia de las operaciones de la unidad, de las cuales algunas se consideran a priori crítico en razón de su influencia sobre las propiedades del catalizador. Los catalizadores de esta familia inicial no se eligen al azar, pero sobre la base del conocimiento general de la química inorgánica y la química del sólido, más los conocimientos adquiridos de catalizadores análogos que parecen más cercanos al objetivo fijado. Posteriormente, se prepara una lista de características fisicoquímicas a determinar para los diversos catalizadores de la familia. Estas características serán las más probables de producir resultados significativos a partir de correlaciones con propiedades mecánicas y catalíticas o con las condiciones de preparación. Los catalizadores de esta familia inicial se someten luego a experimentos cuyos resultados deben permitir: (a) Una buena estimación de los rendimientos previstos, las condiciones de preparación preferidas y las características fisicoquímicas. (b) Una identificación de propiedades críticas para el catalizador (es decir, aquellas propiedades más difíciles de obtener), así como las operaciones de la unidad clave (es decir, las esenciales para el rendimiento del catalizador) y las características fisicoquímicas de las que depende el rendimiento del catalizador. A continuación, se lleva a cabo una segunda serie de pruebas con el fin de aclarar los puntos que se mostraron más importantes al final de la primera serie de pruebas, tanto en la preparación de los catalizadores como en la determinación del rendimiento y las características fisicoquímicas. Al final de esta segunda serie, y posiblemente una tercera, los resultados deberían ser lo suficientemente buenos para los siguientes tres objetivos parciales: (a) Establecer algunas correlaciones entre las propiedades del catalizador, las características intrínsecas del sólido y las condiciones de preparación, como se ilustra en la figura 1. Estas correlaciones proporcionarán una base para perfeccionar el catalizador, y pueden usarse en última instancia para definir las pruebas de control durante la fabricación industrial. (b) Hacer una selección inicial de algunos catalizadores aceptables para estudiar más a fondo. (c) Comenzar a usar uno de los catalizadores aceptables para un estudio práctico de los problemas del proceso de reacción química. Sería ilógico retrasar

2.2 El catalizador ideal y el catalizador óptimo 

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Naturaleza de los componentes del catalizador Condiciones de preparación 

Sólido catalítico 

k 

Propiedades 

b 

Mecánica 

r'I Figura 1. Los diferentes aspectos de la catálisis y sus interrelaciones (adoptadas a partir de ref [I]).

estudiando los problemas del proceso global para la formulación del catalizador óptimo, ya que de acuerdo con los criterios económicos la idea de un catalizador óptimo tiene significado solo en el marco de los problemas totales planteados por la unidad. Por lo tanto, es necesario comenzar el estudio de estos problemas en un catalizador que se considere aceptable, para deducir aquellos elementos que orientarán la optimización del catalizador industrial. En esta etapa, es el momento de algunas observaciones prácticas: (a) Aunque el estudio de las propiedades catalíticas a veces puede realizarse en moléculas modelo para la preparación inicial, generalmente es preferible operar con materias primas industrialmente representativas, y bajo condiciones industrialmente representativas, lo antes posible. (b) Para los catalizadores iniciales, a veces se omite el estudio de la estabilidad, una propiedad que esencialmente demanda una gran cantidad de tiempo para la evaluación. Generalmente, la estabilidad se estudia solo con fórmulas que ya son aceptables y, a menudo, después de haber desarrollado una prueba para el envejecimiento acelerado. (c) Para que un catalizador sea considerado como aceptable, un estudio de su proceso de fabricación debería haberse iniciado y avanzado a la escala piloto para juzgar su factibilidad de producción. De hecho, a partir de este momento, la experimentación se vuelve costosa, y es necesario asegurarse de que el catalizador no sea solo una curiosidad de laboratorio. (d) Tan pronto como se obtengan los primeros resultados del estudio del proceso con la fórmula inicial aceptable, un análisis económico y posiblemente una revisión legal la estabilidad se estudia solo con fórmulas que ya son aceptables y, a menudo, después de haber desarrollado una prueba para el envejecimiento acelerado. (c) Para que un catalizador sea considerado como aceptable, un estudio de su proceso de fabricación debería haberse iniciado y avanzado a la escala piloto para juzgar su factibilidad de producción. De hecho, a partir de este momento, la experimentación se vuelve costosa, y es necesario asegurarse de que el catalizador no sea solo una curiosidad de laboratorio. (d) Tan pronto como se obtengan los primeros resultados del estudio del proceso con la fórmula inicial aceptable, un análisis económico y posiblemente una revisión legal la estabilidad se estudia solo con fórmulas que ya son aceptables y, a menudo, después de haber desarrollado una prueba para el envejecimiento acelerado. (c) Para que un catalizador sea considerado como aceptable, un estudio de su proceso de fabricación debería haberse iniciado y avanzado a la escala piloto para juzgar su factibilidad de producción. De hecho, a partir de este momento, la experimentación se vuelve costosa, y es necesario asegurarse de que el catalizador no sea solo una curiosidad de laboratorio. (d) Tan pronto como se obtengan los primeros resultados del estudio del proceso con la fórmula inicial aceptable, un análisis económico y posiblemente una revisión legal a partir de este momento, la experimentación se vuelve costosa, y es necesario asegurarse de que el catalizador no sea solo una curiosidad de laboratorio. (d) Tan pronto como se obtengan los primeros resultados del estudio del proceso con la fórmula inicial aceptable, un análisis económico y posiblemente una revisión legal a partir de este momento, la experimentación se vuelve costosa, y es necesario asegurarse de que el catalizador no sea solo una curiosidad de laboratorio. (d) Tan pronto como se obtengan los primeros resultados del estudio del proceso con la fórmula inicial aceptable, un análisis económico y posiblemente una revisión legal

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2 Desarrollar catalizadores industriales debe llevarse a cabo para juzgar con mayor precisión la viabilidad industrial del proceso propuesto. Si los resultados que uno puede esperar de estas revisiones se desvían demasiado de los requisitos comerciales, el proyecto de investigación debe abandonarse. Si se demuestra que el proceso propuesto es económicamente viable, se continúa con la optimización del catalizador, teniendo en cuenta los problemas que se encontrarán en el curso de su uso en el proceso propuesto.

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