Гетерогенный катализ

Большинство известных промышленных каталитических реакций – это реакции между газообразными реагентами на твердых катализаторах. Изменение реакционного пути происходит в этом случае благодаря образованию промежуточных непрочных продуктов взаимодействия реагирующих веществ с катализатором.

В общем случае процесс гетерогенного катализа на твердых пористых катализаторах складывается из нескольких элементарных стадий (рис. 5.2), а именно:

1) внешняя диффузия реагирующих веществ из ядра потока к поверхности зерен катализатора (через пограничный слой газа);

2) внутренняя диффузия реагентов в порах зерна катализатора;

3) активированная адсорбция веществ на поверхности катализатора с образованием поверхностных непрочных химических соединений – активированных комплексов;

4) перегруппировка атомов с образованием поверхностных комплексов продукт – катализатор;

5) десорбция продукта с поверхности;

6) внутренняя диффузия продукта в порах зерна катализатора;

7) внешняя диффузия продукта реакции от поверхности зерна катализатора в ядро потока (через пограничный слой газа).

В отличие от некаталитического гетерогенного процесса, протекающего в системе г – т, в данном случае появляются дополнительные промежуточные стадии, в частности, активированная адсорбция молекул исходных веществ на поверхности катализатора (стадия III). При этом желательно, чтобы твердые катализаторы имели большую легко доступную поверхность, что достигается уменьшением размера зерен и увеличением их пористости. В ряде случаев внутренняя поверхность таких катализаторов достигает десятков и даже сотен квадратных метров на 1 см³ катализатора.

При наличии пористого катализатора реакция протекает как на внешней, так и на внутренней поверхности гранул катализатора. Часто внутренняя поверхность в тысячи раз превышает внешнюю поверхность, в этом случае влияние последней на процесс невелико. Чтобы судить о роли

Рис. 5.2 Элементарные стадии гетерогенного катализа: 1 – турбулентный поток газа; 2 – пограничный слой газа; 3 – наружная поверхность катализатора; 4 – поры катализатора; 5 – внутренняя поверхность пор;

I – внешняя диффузия; II – внутренняя диффузия; III – активированная адсорбция; IV – перегруппировка атомов на поверхности; V – десорбция продукта; VI – внутренняя диффузия продукта; VII – внешняя диффузия продукта

каждой из этих поверхностей, примем, например, внутреннюю поверхность катализатора равной 10 м ²/см³, или 10 ⁷ м ²/м ³ (в действительности она бывает более 100 м²/см³), определим их соотношение для гранулы (зерна) катализатора диаметром d = 0,005 м (5 мм)

где υ – объем гранулы, м³.

Из соотношения видно, что внутренняя поверхность значительно превышает наружнюю поверхность. Следовательно, в данном случае в практических расчетах наружнюю поверхность можно не учитывать. Так как при гетерогенном катализе процесс протекает главным образом на внутренней поверхности катализатора, то для описания большинства каталитических процессов более подходит квазигомогенная модель, а не модель частицы с невзаимодействующим ядром.

В настоящее время установлено, что не вся поверхность катализатора однородна, поэтому катализ осуществляется только на так называемых активных центрах.