3. Классификация каталитических реакций и катализаторов

Все катализаторы, применяемые в нефтепереработке и нефтехимии, по характеру взаимодействия катализатора с реагирующими веществами и по типу промежуточных продуктов разделяют на кислотно-основные и окислительно-восстановительные.

В кислотно-основных реакциях промежуточными активными частицами являются ионы, и катализатор инициирует их образование в результате передачи протонов от катализатора к реагенту или от реагента к катализатору. Катализаторами в этом случае являются кислоты (кислотный катализ) и основания (основной катализ).

В окислительно-восстановительных реакциях промежуточными активными частицами являются радикалоподобные нейтральные образования и каталитическое воздействие связано с переходом электрона от молекулы катализатора к молекуле реагента и наоборот.

Кислотно-основные и окислительно-восстановительные функции катализаторов могут быть совмещены и тогда катализаторы имеют двойную активность, т.е. называются бифункциональными катализаторами.

Многие промышленные катализаторы являются бифункциональными, т.к. окислительно-восстановительный катализатор наносят на носитель, являющийся кислотным катализатором.

В нефтеперерабатывающей промышленности:

1. к кислотному катализу можно отнести:

• каталитический крекинг;

• алкилирование изобутана бутеном;

• полимеризацию олефинов.

2. к окислительно-восстановительному:

   • гидрогенизацию и дигидрогенизацию.

3. бифункциональный катализ широко применяется в процессах:

   • риформинга;

   • гидрокрекинга;

   • изомеризации парафиновых углеводородов.

Катализ основаниями в нефтеперерабатывающей промышленности не применяется.

4. Гомогенный и гетерогенный катализ

В зависимости от того, находится ли катализатор в той же фазе, что и реагирующие вещества, или образуют самостоятельную фазу, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе.

Если реагенты и катализатор находятся в одной фазе (газовая смесь или раствор), то осуществляется гомогенный катализ.

При гетерогенном катализе катализатор – твердое вещество, а реагенты – жидкие или газообразные вещества. Реакция в этом случае протекает на поверхности катализатора. Гетерогенный катализ распространен в нефтеперерабатывающей промышленности значительно больше, чем гомогенный.

5. Основные стадии гетерогенного каталитического процесса

Реакция газообразных реагентов на твердом катализаторе складывается из следующих стадий:

1. диффузия реагентов из газового потока к внешней поверхности частиц катализатора (внешняя диффузия).

2. диффузия реагентов в поры катализатора (внутренняя диффузия).

3. адсорбция реагентов на поверхность катализатора.

4. химическая реакция на поверхности катализатора.

5. десорбция продуктов реакции.

6. диффузия продуктов реакции в порах катализатора.

7. диффузия продуктов реакции от внешней поверхности частиц катализатора в газовый поток.

При этом стадии (2) - диффузия реагентов в поры катализатора и (6) - диффузия продуктов реакции в порах катализатора осуществляются только на пористом катализаторе.

При установившемся режиме скорости всех стадий равны. Обычно одна из стадий является лимитирующей, т.е. скорость которой предельна и не может повыситься при повышении скорости остальных стадий. В зависимости от того, какая из стадий является лимитирующей, различают следующие области протекания реакции: