Engª Reações II 2016-2017
1
♦ Utilização de catalisadores: há mais de 2000 anos
♦ Primeiras utilizações: fabrico de vinho, queijo e pão
♦ 1835 – Berzelius: reúne observações anteriores e sugere que a adição de
pequenas quantidades de uma dada substância pode afetar transformações, devido a uma “força catalítica”.
♦ 1894 – Ostwald: catalisadores são substâncias que podem acelerar as
transformações químicas sem serem consumidos. (Nobel 1909)
1 – INTRODUÇÃO À CATÁLISE HETEROGÉNEA
1.1 – Historial e Importância
Engª Reações II 2016-2017
♦ 1911 – Sabatier: conceito de formação de compostos instáveis intermediários na
superfície do catalisador. (Nobel 1912)
♦ 1915 – Langmuir: teoria da adsorção química. (Nobel 1932)
♦ 1925 – Síntese Fisher-Tropsh: hidrocarbonetos a partir de CO/H2 sobre Fe, Co, Ni
♦ 1925 – Taylor: centros ativos
♦ 1936 – Cracking catalítico com aluminas
♦ Após 1950 – Boudart; Bond; Burwell; Stone; Pines; Sinfelt; Ziegler e Natta:
desenvolvimento de processos catalíticos, base da moderna indústria química e petroquímica.
Engª Reações II 2016-2017
3
1.1 – Historial e Importância
1940/50 - Alquilação e isomerização de parafinas 1950/70 - “Cracking” Catalítico” com zeólitos (HY) 1975 - Gasolina a partir de metanol com zeólito ZSM-5
1970/80 - Transformação de gases de escape nos automóveis com catalisadores de 3 vias.
Engª Reações II 2016-2017
1.1 – Historial e Importância
Tipos de Processos catalíticos com grande relevância industrial/económica:
- Refinação de petróleos e petroquímica – Zeólitos
- Desidrogenação – Cr2O3/Al2O3 ; Fe2O3 ; ZnO
- Hidrogenação – Ni suportado; Pd suportado; Fe ; MgO
Engª Reações II 2016-2017
5
1.1 – Historial e Importância
Catálise
Homogénea – catalisador e reagentes na mesma fase (líquida)
Enzimática – catalisador enzima, muito específico para transformação de determinados substratos
Heterogénea – catalisador sólido, reagentes em fase gasosa ou líquida
Campo fortemente interdisciplinar Química Materiais Ciências da Engenharia Biociências ...
Engª Reações II 2016-2017
1.1 – Historial e Importância
∗ 70 % dos processos na Indústria Química e Petroquímica são catalíticos.
∗ Novos processos introduzidos: 90 % são catalíticos.
∗ 30 – 40 % dos produtos nacionais brutos nas economias desenvolvidas dependem de
tecnologias catalíticas - Combustíveis para setor dos transportes, produção de polímeros, outros produtos da petroquímica, agroquímicos.
∗ Prevenção da poluição
Forte impacto
Engª Reações II 2016-2017
71.1 – Historial e Importância
Funções chave tecnologias catalíticas (em desenvolvimento)Novas formas de produção de energia – matérias primas renováveis
Ex: petróleo de xisto, biomassa como fontes de combustíveis para setor transportes
Novas tecnologias com reduzido impacto ambiental Ex: controlo de emissões de CO2
Química verde – uso mais eficiente de matérias primas, menor produção de desperdícios.
Controlo de poluição (“end-of-pipe processes)
Ex: eliminação NOX em gases de escape de motores diesel
Produção de novos materiais
Ex: nanotubos de carbono
Engª Reações II 2016-2017
1.1 – Historial e Importância
Catálise Heterogénea
Fenómeno de Superfície
Vantagens
Separação catalisador-produtos
Vulnerabilidade à contaminação
Estabilidade
Fácil regeneração
Desvantagens
Menor seletividade Menor atividade Menor reprodutibilidade Cinética mais complexaEngª Reações II 2016-2017
9
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
♦
Catálise
– Fenómeno, estudo e utilização de catalisadores em processos de transformação química.♦
Catalisador
– Substância estranha à estequiometria que altera a velocidade da reação química, sem se consumir apreciavelmente.Pode participar num número elevadíssimo de ciclos catalíticos Não afeta a posição do equilíbrio.
Altera a cinética mas não a termodinâmica.
♦
Desativação
– O catalisador é regenerado no processo catalítico mas pode não ficar exatamente no mesmo estado: número de ciclosEngª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
♦
Processos catalíticos heterogéneos
– 2 ou mais fases♦
Centros Ativos
Superfície do catalisador não uniforme: diversas regiões da superfície apresentam propriedades diferentes (composição, propriedades eletrónicas, propriedades
geométricas, estrutura, cristalinidade, …) – propriedades do seio do sólido menos relevantes para a reatividade da superfície.
Centros ativos são locais específicos da superfície do catalisador onde ocorre a interação de adsorão química com o reagente e se dá a reação.
Normalmente: catalisador sólido, reagentes/produtos em fase líquida ou gasosa.
Engª Reações II 2016-2017
11
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
> Catalisador monofuncionalEx: centro ácido de Bronsted (-OH) num óxido; centro metálico- átomo na superfície de uma partícula metálica
> Catalisador bi- ou multifuncional
Centros ativos de tipos diferentes – duas ou mais funções catalíticas
Exs: catalisadores bifuncionais apresentando uma função ácida e outra metálica usados em processos de “hidrocracking”, hidroisomerização
Valores possíveis de concentração de centros ativos: 1015/cm2 → Metais 1011/cm2 → Cat. Ácidos
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Velocidade da reação r = k
0exp(-E
A/RT)ПC
ir
♦Inconvenientes: » Aumentar temperatura de reaçãogastos energéticos » reações secundárias» reações equilibradas exotérmicas são deslocadas para os reagentes
♦Concentrações de reagentes
Inconvenientes: > reatores mais resistentes (fase gasosa) > reações secundárias (bimoleculares)
♦
Reduzir Energia de Ativação -
CATÁLISE
Engª Reações II 2016-2017
13
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
∆
G
omantém-se
K
eq= exp (-
∆
G
o/RT)
Catalisador altera a cinética do passo directo e inverso
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Engª Reações II 2016-2017
15
♦
Reação Catalisada
– adsorção transitória de um ou mais reagentes
nos centros ativos, rearranjo das ligações e desorção dos produtos.
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
R + X
→
RX
RX
→
PX
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
ADSORÇÃO
Adsorção num sólido: processo espontâneo de interação (ligação) de
moléculas em fase gasosa ou líquida com a superfície de um sólido
Processo espontâneo
⇒
∆
G < 0
∆
G < 0 e
∆
S < 0
⇒
∆
H =
∆
G + T
∆
S < 0
(processo exotérmico)
Engª Reações II 2016-2017
17
♦
Adsorção Física -
forças de interação do tipo
van der Waals
calor de adsorção reduzido (≈ 40 kJ mol
-1)
não há alteração química do adsorvido
adsorção em multicamadas
♦
Adsorção Química
–
envolve formação de
ligações químicas
calor de adsorção mais elevado (> 80 kJ mol
-1)
1ª etapa da reação catalítica
rearranjo estrutural interno na molécula adsorvida
formação de monocamada (ads. máxima)
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
⇒A interação de adsorção forte entre o reagente e o centro
ativo do catalisador origina a formação de espécies de
superfície onde se produziu um rearranjo interno do reagente
(alteração dos ângulos e distâncias das ligações químicas) que pode favorecer a sua transformação química por uma via
energeticamente mais fácil do que a transformação não
Engª Reações II 2016-2017
19
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Ciclo
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
♦
Princípio de Sabatier
Complexos intermediários formados com o catalisador
não devem ser nem demasiado estáveis nem demasiado
instáveis
estabilidade ótima
(intensidade de interação)
para
atividade catalítica máxima
.
- Interações fracas não produzirão as alterações estruturais
necessárias no reagente adsorvido
Engª Reações II 2016-2017
21
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
J. Fahrenfort, L. L. Van Reyen, W. H. M. Sachtler in “The Mechanism of Heterogeneous Catalysis”, J. H. De Boer Ed., Elsevier, Amsterdam 1960, p.23
Temperatura de decomposição do ácido fórmico sobre diversos metais (medida da atividade catalítica)
função da energia de formação do formato de metal correspondente (medida da força da interação)
Atividade máxima é atingida para
interações de adsorção intermédias
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Adsorção Física Adsorção Química
Engª Reações II 2016-2017
23
Adsorção Dissociativa
Moléculas saturadas poderão ser quimicamente adsorvidas após dissociação em fragmentos que se ligarão à superfície.
Adsorção Molecular
Moléculas insaturadas ou com eletrões não partilhados poderão ser adsorvidas facilmente sem dissociação.
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Ad. Física Estado Transição Ad. Química
Adsorção dissociativa de hidrogénio sobre níquel
Engª Reações II 2016-2017
25
ADSORÇÃO FISICA (não específica)
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Comparação entre Adsorção Física e Química
Critério
Adsorção Física
Adsorção Química
Adsorvente Todos os sólidos Alguns sólidos
Adsorbato Moléculas fase fluida Algumas moléculas
Temperatura de adsorção Baixa Mais alta
Especificidade Baixa Alta
Cobertura superficial Camadas múltiplas Monocamada
Reversibilidade Reversível Por vezes irreversível
Calor de adsorção Baixo (1-2 kcal/mol) Mais alto(20-100 kcal/mol)
Engª Reações II 2016-2017
27
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Exemplos de complexos de adsorção
(moléculas adsorvidas)
R. Burwell, Survey of Progress en Chemistry, Academic Press, New York, 1977, vol.8, pp.1.
Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Metais de Transição
– afinidade de adsorção (reações) com H2 e hidrocarbonetosMetais Nobres
- cat. Oxidação (outros metais seriam oxidados)Óxidos não estequiométricos
(NiO, ZnO) - Adsorção Oxigénio (Cat. Oxidação)Óxidos estequiométricos
(alumina, silica, zeólitos) - Adsorção água(Desidratação) podem ser ácidos: (reações com formação de carbocatiões: polimerização, isomerização, “cracking”, alquilação)Engª Reações II 2016-2017
29
Fenómeno de Superfície
Exemplo: Esquematização das etapas de adsorção + reação para o processo deeliminação de monóxido de carbono no escape dos automóveis CO+1/2O2→ CO2
Engª Reações II 2016-2017
Energética das fases de natureza química: Exemplo da Oxidação de CO
Exemplo da Oxidação de CO: energética da adsorção mais reação
Engª Reações II 2016-2017
31
Exemplo da Oxidação de CO
♦
Adsorção de CO
♦
Adsorção de O
2sobre Pt com dissociação
♦
Produto CO
2adsorvido resulta da adição de oxigénio atómico
adsorvido ao CO adsorvido
♦
Desorção de CO
2para a fase gasosa
♦
Ação do catalisador: permite passo energeticamente favorável
para a dissociação do oxigénio molecular e para formação do
produto
♦
A via não catalítica é muito lenta a temperaturas normais dada a
estabilidade do O
2Engª Reações II 2016-2017
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Conjunto completo de Etapas no Processo Catalítico Heterogéneo
1 – Difusão Externa dos reagentes 2 – Difusão Interna dos reagentes 3 – Adsorção dos reagentes
4 – Reação Química de Superfície 5 – Dessorção dos produtos
6 – Difusão Interna dos produtos 7 – Difusão Externa dos produtos
Engª Reações II 2016-2017
33
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
♦
Atividade
- Reagente transformado por unidade de tempo e de massa
(ou de área) de catalisador
(velocidade da reação que o catalisador promove)
(mol A/h/gcat)
(determinação da velocidade da reação: cap. Teste de Catalisadores)
Para cada catalisador a atividade dependerá da temperatura e das concentrações dos componentes da mistura reacional
Catalisador – Substância capaz de acelerar uma transformação química que seja
Engª Reações II 2016-2017
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
- “Turnover frequency” (TOF)
Quantidade de reagente transformado por unidade de tempo e por
centro ativo
Ou: número de ciclos catalíticos por unidade de tempo
Mede a atividade intrínseca de cada centro ativo
Necessário conhecer a concentração de centros ativos por unidade de massa do catalisador
TOF = (mol A/h/gcat) * mol centros/gcat
= moléculas transformadas por centro e por unidade de tempo
unidades (tempo
-1)
Engª Reações II 2016-2017
35
- Temperatura isocinética –
temperatura de reação à qual se obtém a mesma velocidade de reação numa série de testes de catalisadores com iguais concentrações de reagentesAtividade superior
↔
Temp. isocinética inferior- Conversão X
A - Fração de reagente A que é convertida num reatorreator contínuo - XA = (FAe – FA)/Fae FAe – caudal molar de A à entrada do reator
reator descontínuo - XA = (nAe – nA)/nae nAe – nº de moles de A inicial no reator
Fundamental: para comparar atividades de catalisadores usando a conversão é
necessário que as conversões experimentais sejam obtidas para iguais tempos de contato entre reagente e catalisador.
Engª Reações II 2016-2017
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
♦
Seletividade
- Fração do reagente consumido que é transformada num produtoFavorecimento de uma dada reação entre várias possíveis - Si = reagente convertido em i / reagente convertido total
Pode ser expressa em função das velocidades de reação dos vários processos:
A → B SB = rA.B / (rA.B+ rA.C) (velocidade de transformação A em B/velocidade total de transformação de A (em B e em C)) A → C
A → B → C SB = (rA.B – rB.C) / rA.B
(velocidade de transformação A em B – velocidade de transformação de B em C / velocidade total de transformação de A)
Engª Reações II 2016-2017
37
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
♦
Seletividade
- Propriedade muito relevante em vários processos catalíticosExs:
Isomerização de hidrocarbonetos vs “cracking” Oxidação seletiva vs oxidação total em CO2
Isomerização de xilenos: formação preferencial p-xileno Produção de gasolina vs gasóleo no “hidrocracking”
♦
Estabilidade
- Manutenção das propriedades de atividade e seletividadeQuímica, térmica, textural, estrutural
Seletividade interessante do catalisador poderá permitir a redução
drástica do consumo de energia em processos de separação e
Engª Reações II 2016-2017
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
♦
Área Específica a
e–
Área da superfície interface sólido-fluido por unid. massaimportante para nº de centros ativos por massa (atividade) valores possíveis de centenas de m2/gcatalisador em materiais porosos
Catalisadores porosos – elevadas ae (óxidos)
Catalisadores não porosos – (ex: metais) dispersos em pequenas partículas numa matriz porosa
♦
Regenerabilidade
- Reposição da atividade e seletividadeTipos de Desativação: envenenamento; deposição de espécies que bloqueiam acesso dos reagentes; redução de área específica por sinterização; perda de espécies ativas; perda de cristalinidade, porosidade.
Engª Reações II 2016-2017
39
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
♦
Porosidade
Engª Reações II 2016-2017
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
♦
Propriedades Térmicas e Mecânicas
Térmicas
- Capacidade calorífica e condutividade térmica (processos não atérmicos)importante no controlo dos gradientes de temperatura dentro da partícula de catalisador e no leito catalítico
Ex: “cracking” catalítico – elevada capacidade calorífica permite forte acumulação de energia durante a regeneração do cat. (queima de coque), a ser usada na promoção das reações endotérmicas de “cracking”.
Ex: Conversores dos gases de escape – baixa capacidade calorífica para catalisador atingir rapidamente a temperatura de trabalho adequada.
Mecânicas
- Resistência ao esmagamento (leito fixo), atrito (leito móvel)prevenção de formação de finos (perda de catalisador)
Engª Reações II 2016-2017
41
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
Preparação de um catalisador industrial com todas propriedades
anteriores a nível interessante –
Muito Difícil
Por vezes: fase ativa é muito dispendiosa e não tem propriedades
texturais interessantes -
área específica muito baixa
( baixo nº
de centros ativos acessíveis por unidade de massa)
Catalisadores Suportados
Fase ativa dispersa sobre superfície de um suporte poroso
Engª Reações II 2016-2017
1.3 – Propriedades dos Catalisadores
Ex. Suportes: Básicos – MgO, CaO, BaO
Ácidos – Alumina (γ-Al2O3), SiO2, Zeólitos Neutros – MgAl2O4, ZrCrO4
Anfotéricos - α-Al2O3, TiO2, CeO2, ZrO2
Catalisadores Suportados
Suporte
– nula ou baixa atividade elevada área superficial estabilização da fase ativa dispersa porosidade adequada resistência ao meio reacional propriedades mecânicas estabilidade térmica, resistência sinterização regenerabilidadeEngª Reações II 2016-2017
43
Exemplo: Cat. suportado de Ag/
α
-Al
2O
3; usado na epoxidação do
etileno: C
2H
4+ 1/2O
2→
C
2H
4O
Imagem obtida por microscopia electrónica de varrimento (a) cat. fresco (b) cat.usado (desativado)
Engª Reações II 2016-2017
♦
Morfologias e dimensões dos grãos de catalisador industriais
Função do tipo de reator:
R. de Leito Fixo
-mais usualmente reagentes em fase gasosa
esferas, “pellets”, cilindros, etc. com elevada resistência mecânica dimensões 10 – 25 mm para reduzir perdas de carga
R. de Leito Móvel
–reagentes líquidos, tanques com agitação e outros
suspensões de partículas dispersas num líquidoelevada resistência ao atrito
dimensões menores do que Leito Fixo para Leito Fluidizado (20-30 µm)
Engª Reações II 2016-2017
45