6.1. Общие положения катализа

Современные процессы основного неорганического синтеза, нефтепе­ре­работки, нефтехимии и органического синтеза в настоящее время без при-менения катализаторов представить невозможно. Около 90 % промышлен­ных химико-технологических процессов ведут с применением катализаторов в качестве активаторов. Примерами неорганического синтеза являются тех-но­логические процессы производства аммиака, азотной и серной кислот, нефтехимии и органического синтеза – процессы производства метанола, сти­рола, бутадиена, фенола и ацетона, ацетальдегида и др. В нефтепере­ра­ботке – это процессы каталитическиого крекинга и риформинга, гидроочи­стки и гидрокрекинга, алкилирования изобутана и изомеризации парафи­но-вых углеводородов, производства оксигенатов и т.д.

Каталитические процессы имеют ряд важных преимуществ, по сравне­нию с некаталитическими процессами. Кроме того, что применение катали­за­торов резко ускоряет скорости химических реакций, процессы с их примене­нием могут быть организованы как непрерывные, безотходные, ме­нее энерго­емкие. Они отличаются высокими технико-экономическими пока­за­телями, обеспечивают более высокий выход целевых продуктов.

Применение катализаторов позволяет интенсифицировать химико-тех-нологические процессы, а в ряде случаев осуществлять процессы, которые на практике без применения катализаторов не могут быть реализованы. Особое значение имеет применение катализаторов при обратимых экзотермических процессах, в которых использование катализаторов позволяет существенно сни­жать температуру процесса и добиться приемлемой степени превращения сырья.

Определение понятия катализа можно сформулировать следующим об­ра­зом. Катализ – это явление, состоящее в том, что присутствие в системе ка­ко­го-либо вещества вызывает или ускоряет (реже замедляет) протекание не­ко­торой химической реакции, либо открывает новый путь для химического процесса. Само это вещество в конце реакции оказывается неизменным (в хи­мическом смысле, так как физическое состояние катализатора может достаточно сильно отличаться от исходного). С точки зрения формальной хи­мической кинетики это означает, что у всех каталитических реакций имеется циклический каталитический маршрут. Отметим, что катализатор не сдвигает химическое равновесие, а только изменяет скорость протекания химического процесса. Это означает, что катализатор одинаково влияет на протекание и прямой и обратной реакции. Каждый катализатор способен катализировать только вполне определенные реакции или классы реакций.

Специфичность действия катализатора может различаться весьма силь­но от уникальности в случае некоторых ферментов до катализа многих клас­сов реакций. Общий принцип действия катализатора состоит в снижении энер­гии активации. Схематическая зависимость энергии реагирующей систе­мы от координаты реакции для реакции без катализатора (сплошная линия) и реакции с участием катализатора (пунктирная линия) приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Зависимость энергии реагирующей системы от

координаты реакции

Из рисунка 6.1 видна главная особенность действия катализа­тора – об­ра­зование промежуточного продукта (комплекса субстрат-катализа­тор, пока­зан­ного стрелкой на рисунке), что приводит к разбиению исходной элемен­тарной реакции, по крайней мере, на две стадии, каждая из которых имеет энергию активации, меньшую, чем энергии активации исходной реакции.

В зависимости от места протекания реакции катализ разбивают на го­мо­генный и гетерогенный. Если реагенты и катализатор находятся в одной жидкой или газовой фазе, то это гомогенный катализ, если – в разных фазах (газ – твердое тело или жидкость – твердое тело), то это гетерогенный ката­лиз. Существует и гомогенно-гетерогенный катализ, когда начавшаяся на ге­те­рогенном катализаторе реакция продолжается затем в объеме другой фазы.

Гетерогенный катализ наиболее распространен в химической техно­ло­гии. Он отличается рядом достоинств, например, простотой разделения ка­та­лизатора и продуктов процесса, высокой термостойкостью, сравнительной легкостью регенерации.

Каталитические гетерогенные реакции сопровождаются рядом явлений, связанных со свойствами твердых тел, неоднородных по химическому и фа­зо­вому составу. Важнейшую роль играют нарушения структуры (дефекты) кристаллической решетки катализаторов. Эти нарушения обуславливают энер­гетическую неоднородность поверхностных атомов и обеспечение опре-деленной сорбционной способности поверхности катализатора. В целом эф­фективность применения катализаторов определяется комплексом его хими-чес­ких и физических свойств.