09Catalise_e_Mecanismos_Cataliticos

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22/06/2020
CINÉTICA HETEROGÊNEA E 
CÁLCULO DE REATORES
TURMA: EQU6BN-CMA
PROF. GERALDO EUSTÁQUIO DA SILVA JUNIOR
Catalisadores
• Catalisador é uma substância que afeta a velocidade de uma reação 
química, mas que sai do processo sem modificação.
• O aumento da velocidade da reação química pelo catalisador ocorre 
pois essa substância fornece um caminho alternativo para a reação 
que possui uma energia de ativação menor (quando comparado à 
reação ocorrendo sem a presença do catalisador).
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Catalisadores
• Catálise é o nome dado a ocorrência, estudo e o uso de catalisadores 
e processos catalíticos
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Catalisadores
• Catálise Homogênea: quando o catalisador encontra-se na mesma fase que 
a reação (por exemplo um catalisador em meio aquoso para uma reação 
em meio aquoso.
• Exemplo: Catálise da decomposição da água oxigenada na presença de 
íons Brometo.
• 2𝐻2𝑂2(𝑎𝑞) → 2𝐻2𝑂 𝑙 + 𝑂2 𝑔 (processo muito lento : Alta 𝐸𝑎)
• Na presença de 𝐵𝑟− e em meio ácido:
2𝐵𝑟 𝑎𝑞
− +𝐻2𝑂2 𝑎𝑞 + 2𝐻 𝑎𝑞
+ → 𝐵𝑟2 𝑎𝑞 + 2𝐻2𝑂 𝑙 𝐸𝑎1
𝐵𝑟2 𝑎𝑞 +𝐻2𝑂2 𝑎𝑞 → 2𝐵𝑟 𝑎𝑞
− + 2𝐻 𝑎𝑞
+ + 𝑂2 𝑔 𝐸𝑎2
____________________________________
2𝐻2𝑂2 𝑎𝑞 → 2𝐻2𝑂 𝑙 + 𝑂2 𝑔 𝐸𝑎1 𝑒 𝐸𝑎2 ≪ 𝐸𝑎
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Catalisadores
• Catálise Heterogênea: quando o catalisador está em uma fase 
diferente do que a reação química.
• Esse tipo de catálise tem maior interesse econômico (por isso é mais 
utilizada) devido ao fato de que a separação do catalisador dos 
produtos (e reagentes) é mais simples de ser realizada quando 
comparada aos catalisadores heterogêneos.
• Ex: Reação em meio gasoso num reator de leito fixo (PBR) com 
catalisador sólido: Entrada e saída do reator são de espécies gasosas 
enquanto o catalisador permanece no leito do reator.
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Catálise Heterogênea
• Reagentes e produtos em fase fluida (gasosa ou líquida)
• Catalisador em fase sólida.
• A reação ocorre na interface sólido/fluido
• Área superficial disponível para reação será um parâmetro fundamental
• Quanto à estrutura, o catalisador normalmente se constitui de um sólido 
poroso:
• Volume do poro deverá ser suficiente para permitir a ocorrência da 
reação;
• Área superficial desse sólido é alta, devido à alta densidade de poros.
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Catálise Heterogênea
• Por vezes esses poros 
podem ser tão pequenos que 
apenas algumas moléculas 
podem penetrá-los/sair 
desses poros. Dessa 
maneira um catalisador 
poderá afetar não somente o 
rendimento da reação como 
também na seletividade da 
mesma.
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Catálise Heterogênea
• Tipos de catalisadores:
• Catalisadores Mássicos: Catalisador é constituído de um material 
“puro”
• Exemplo: Utilização de catalisadores metálicos (Pt, Co, Ni) em 
processos de hidrogenezação/desidrogenezação de compostos 
orgânicos
• Suportados: Estrutura como de um material compósito. Matriz ou 
suporte com partículas do catalisador propriamente dito dispersos na 
superfície dessa matriz.
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Catálise Heterogênea
• A opção por catalisadores suportados é muitas vezes 
economicamente mais interessante pela possibilidade de se utilizar 
um suporte mais barato que o catalisador.
• Além disso, como a catálise heterogênea é um processo que ocorre 
na superfície do catalisador, as partículas do interior de um 
catalisador mássico não participam do processo.
• Exemplo de catalisadores suportados:
• Catalisador de platina disperso na superfície de um suporte de 
alumina: utilizado na reforma de petróleo;
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Etapas de uma reação catalítica: 1
• 1) Difusão Externa: 
Transferência de massa dos 
reagentes do seio do fluido até 
a superfície do catalisador;
• 𝛿 é a espessura da camada 
limite;
• 𝑈 é a velocidade do 
escoamento;
• 𝐶𝐴𝑏 𝑒 𝐶𝐴𝑠 são respectivamente as 
concentrações da espécie A no 
seio do fluido e na superfície do 
catalisador.
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A cinética dessa etapa é dada por:
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝑘𝐶 𝐶𝐴𝑏 − 𝐶𝐴𝑠
O coeficiente de transferência de massa 𝑘𝐶 é 
inversamente proporcional à espessura da camada 
limite e diretamente proporcional à difusividade (𝐷𝐴𝐵)
𝑘𝐶 =
𝐷𝐴𝐵
𝛿
Etapas de uma reação catalítica: 1
• A figura ao lado mostra o perfil 
de variação de concentração da 
espécie A na camada limite
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Etapas de uma reação catalítica: 1
• Altos valores de Reynolds para o escoamento podem reduzir 
significativamente a espessura da camada limite, fazendo com que 
essa etapa não seja a etapa lenta (etapa de controle) do processo.
• Para escoamento interno em um tubo de diâmetro 𝜙, tem-se
𝑅𝑒 =
𝜌𝑈𝜙
𝜇
; ou seja, Re é proporcional à velocidade (U) do 
escoamento e inversamente proporcional à viscosidade \mu do 
fluido.
• Questão para discussão: como podemos minimizar o efeito de 
difusão externa, de modo que esta não seja a etapa lenta 
(etapa de controle) da reação?
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Etapas de uma reação catalítica: 2
• Difusão interna: Difusão do 
reagente pela entrada do poro, 
através do poro, até as vizinhanças 
da superfície catalítica interna: 
Catalisadores possuem sítios ativos 
no interior dos poros. Por isso é 
necessário que as moléculas de 
reagentes se difundam para o 
interior desses poros até chegar 
aos sítios ativos.13
Etapas de uma reação catalítica: 2
• Podem ser de 3 tipos:
• i) Difusão molecular: ocorre em poros de diâmetro grande (1 – 10 
μm) onde o livre percurso médio das moléculas é pequeno quando 
comparado com o diâmetro dos poros.
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Etapas de uma reação catalítica: 2
• ii) Difusão de Knudsen: ocorre em poros de diâmetro médio (10 –
1000 Å) onde o transporte de massa se dá por choques entre as 
moléculas e as paredes dos poros:
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Etapas de uma reação catalítica: 2
• iii) Difusão Configuracional: ocorre em poros com diâmetro de moléculas da 
mesma ordem de grandeza do diâmetro dos poros.
• Como saber se os efeitos de difusão nos poros do catalisador controlam ou 
não a reação química?
• Pode-se verificar a influencia do tamanho da partícula do catalisador 
(𝐷𝑃) na conversão atingida: várias experimentos com 𝐷𝑃 diferentes. 
Quando há influência difusional, a conversão aumenta quanto menor for 
o tamanho da partícula. Chega-se em uma situação onde o tamanho da 
partícula já não mais influencia a conversão.
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Etapas de uma reação catalítica: 2
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Etapas de uma reação catalítica: 2
• Uma outra maneira é avaliar 
a energia de ativação do 
processo:
• As energias de ativação para 
fenômenos difusionais são 
consideravelmente menores 
do que aquelas para a reação 
química propriamente dita.
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Etapas de uma reação catalítica: 3
• 3) Adsorção dos reagentes na superfície catalítica:
• 3.1) Adsorção física (fisissorção): assemelha-se a um processo de 
condensação: forças de van der Walls entre as moléculas 
adsorvidas e a superfície.
• E exotérmico: Com ∆𝐻𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟çã𝑜 da ordem de – 1 a -15 Kcal/mol
• É prejudicado com o aumento da temperatura
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Etapas de uma reação catalítica: 3
• 3) Adsorção dos reagentes na superfície catalítica:
• Adsorção química (quimissorção): possui grande influencia na velocidade 
da reação química.
• Forças de interação são do mesmo tipo das forças interatômicas da 
molécula adsorvida
• Isso provoca uma perturbação bastante significativa na estrutura 
eletrônica da molécula tornando-a mais instável e 
consequentemente a quebra das suas ligações é facilitada
• Também é um processo exotérmico, porém o calor de reação é da 
ordem de grandeza de uma reação química (40 a 400 Kcal/mol)
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Etapas de uma reação catalítica: 3
• A figura abaixo representa a adsorção da espécie A sobre a superfície 
do catalisador. Em vermelho estão os sítio catalíticos ativos.
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Etapas de uma reação catalítica: 4
• 4) Reação química na superfície do catalisador
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Etapas de uma reação catalítica: 5, 6 e 7
• As etapas seguintes são na sequência:
• 5) Dessorção dos produtos da superfície do catalisador
• 6) Difusão interna dos produtos dentro dos poros, até a superfície 
externa do catalisador• 7) Difusão externa dos produtos formados através da camada limite, 
da superfície externa para o seio do fluido.
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Etapas de uma reação catalítica
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Energia envolvida em processos catalíticos
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Vida útil do catalisador: Envenenamento
• Um veneno ou inibidor de um catalisador é uma substância que 
adsorve na superfície do mesmo através de uma força de interação 
muito forte.
• O sítio ativo do catalisador fica se torna então inativo diminuindo a 
eficiência do processo.
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Referências Bibliográficas
• FOGLER, H. S.. Cálculo de Reatores: O essencial da Engenharia das reações químicas. 
Capítulo 1 – Balanços Molares. 1ª Ed. LTC, Rio de Janeiro, 2014.
• AGUIAR, L.. Reatores Químicos. Notas de Aula. Escola de 
Engenharia de Lorena. USP, 2014
• SCHMAL, M.. Cinética e Reatores: Aplicação na Engenharia 
Química. Editora Synergia, Rio de Janeiro, 2009.
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