1 – introduÇÃo À catÁlise heterogÉnea 1.1 ... · química e petroquímica. 1.1 ... cinética...
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♦ 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
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♦ 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.
1.1 – Historial e Importância
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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.
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1.1 – Historial e Importância
Tipos de Processos catalíticos com grande relevância industrial/económica:
- Refinação de petróleos e petroquímica– Zeólitos
- Desidrogenação– Cr 2O3/Al2O3 ; Fe2O3 ; ZnO
- Hidrogenação– Ni suportado; Pd suportado; Fe ; MgO
- Oxidação– Pd suportado; Pt-Pd ; Ag suportada; V2O5 suportado
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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
QuímicaMateriaisCiências da EngenhariaBiociências...
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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
económico e social
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1.1 – 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 materiaisEx: nanotubos de carbono
Processos industriais energeticamente mais favoráveis
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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 complexa
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1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
♦ Catálise– Fenómeno, estudo e utilização de catalisadores emprocessosde transformação química.
♦ Catalisador – Substância estranha à estequiometria que altera a velocidade
da reação química, semse consumir apreciavelmente.
Pode participar numnúmero 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 ciclos
catalíticos comatividade interessante não é ilimitado.
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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 emfase líquida ou gasosa.
Maioria catalisadores industriais: metais, óxidos de metais, sulfuretos
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1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
> Catalisador monofuncional
Ex: 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
Um único tipo de centros ativos – uma função catalítica
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1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Velocidade da reação r = k0exp(-EA/RT)ПCi
r♦ Aumentar temperatura de reaçãoInconvenientes: » gastos energéticos » reações secundárias» reações equilibradas exotérmicas são deslocadas para os reagentes
♦Concentrações de reagentesInconvenientes: > reatores mais resistentes (fase gasosa) > reações secundárias (bimoleculares)
♦ Reduzir Energia de Ativação -CATÁLISE
Novo percurso reacional energeticamente mais favorável
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1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
∆Go mantém-se
Keq= exp (-∆Go/RT)
Catalisador altera a cinética do passo directo e inverso
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♦ 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
PX → P + X
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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)
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♦ Adsorção Física - forças de interação do tipo van der Waalscalor de adsorção reduzido (≈ 40 kJ mol-1)não há alteração química do adsorvidoadsorção em multicamadas
♦Adsorção Química – envolve formação de ligações químicascalor de adsorção mais elevado (> 80 kJ mol-1)1ª etapa da reação catalíticarearranjo estrutural interno na molécula adsorvidaformação de monocamada (ads. máxima)
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
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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 químic as)
que pode favorecer a sua transformação química por uma via
energeticamente mais fácil do que a transformação não
catalisada.
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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
- Interações demasiado fortes produzirão espécies adsorvidas muito estáveis; passo de reação seguinte desfavorecido
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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 ácidofórmico sobre diversos metais (medida da atividade catalítica)função da energia de formação do formatode metal correspondente (medida da forçada interação)
Atividade máxima é atingida para interações de adsorção intermédias
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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.
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
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1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Ad. Física Estado Transição Ad. Química
Adsorção dissociativa de hidrogénio sobre níquel
Adsorção molecular de etileno sobre platina
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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)
Energia de ativação Baixa (< 1 kcal/mol) Mais alta
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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.
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1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
Metais de Transição– afinidade de adsorção (reações) com H2 e hidrocarbonetos
Metais 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)
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Fenómeno de Superfície
Exemplo: Esquematização das etapas de adsorção + reação para o processo de eliminação de monóxido de carbono no escape dos automóveis CO+1/2O2→ CO2
1.2 – Definições, Conceitos e Teorias
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Energética das fases de natureza química: Exemplo da Oxidação de COExemplo da Oxidação de CO: energética da adsorção mais reação
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Exemplo da Oxidação de CO
♦Adsorção de CO
♦Adsorção de O2 sobre Pt com dissociação
♦ Produto CO2 adsorvido resulta da adição de oxigénio atómico adsorvido ao CO adsorvido
♦Desorção de CO2 para 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 O2
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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
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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 termodinamicamente possível.
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1.3 – Propriedades dos Catalisadores
- “Turnover frequency” (TOF)
Quantidade de reagente transformado por unidade de tempo e por centro ativoOu: 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)
Atividade
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- Temperatura isocinética– temperatura de reação à qual se obtém a mesma velocidade de reação numa série de testes de catalisadores com iguais concentrações de reagentes
Atividade superior ↔ Temp. isocinética inferior
- Conversão XA - Fração de reagente A que é convertida num reator
reator 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.
1.3 – Propriedades dos Catalisadores Atividade
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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)
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1.3 – Propriedades dos Catalisadores
♦Seletividade- Propriedade muito relevante em vários processos catalíticos
Exs:
� 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 aumentar o rendimento no produto desejado.
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1.3 – Propriedades dos Catalisadores
♦ Área Específica ae – Área da superfície interface sólido-fluido por unid. massa importante 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 seletividade
Tipos 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.
Importante: Acessibilidade aos centros ativos na superfície.
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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)
♦ Baixo Custo
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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
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1.3 – Propriedades dos Catalisadores
Ex. Suportes: Básicos – MgO, CaO, BaOÁcidos – Alumina (γ-Al2O3), SiO2, ZeólitosNeutros – 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 regenerabilidade
baixo custo
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Exemplo: Cat. suportado de Ag/α-Al2O3; usado na epoxidação do etileno: C2H4 + 1/2O2 → C2H4O
Imagem obtida por microscopia electrónica de varrimento(a) cat. fresco (b) cat.usado (desativado)
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♦ 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 líquido
elevada resistência ao atrito
dimensões menores do que Leito Fixo
para Leito Fluidizado (20-30 µm)