Важнейшими свойствами катализаторов являются их активность, избирательность, большая поверхность, достаточная механическая прочность, способность к противодействию каталитическим ядам, легкость регенерации.
Катализ подразделяется по принципу фазового состояния реагентов на гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе катализатор растворен в массе реагентов и не образует отдельной фазы, а каталитическим действием обладают отдельные молекулы или ионы катализатора.
По фазовому состоянию гомогенные каталитические процессы делят на жидкофазные (в растворах) и газофазные.
Катализаторами в растворах служат кислоты (катион Н+), основания (анион ОН-), ионы металлов (М+, MeJ), а также вещества, способствующие образованию свободных радикалов.
Механизм кислотно-основного (ионного) катализа в растворах заключается в том, что идет обмен протонами между катализатором и реагирующими веществами, сопровождающийся внутримолекулярными превращениями.
По такому типу протекают реакции гидратации, дегидратации, гидролиза, этерификации, поликонденсации в растворах.
При гетерогенном катализе катализатор образует самостоятельную фазу, а каталитическим действием обладают или отдельные центры на поверхности катализатора, или вся поверхность катализатора.
При гомогенном катализе и катализатор, и реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой). При гетерогенном катализе катализатор и реагенты, или продукты реакции, находятся в разных гомогенных фазах; обычно применяются твердые катализаторы. Переходным от гомогенного к гетерогенному является микрогетерогенный катализ, при котором катализатор находится в коллоидном состоянии.
Гомогенные каталитические реакции широко распространены в природе. Синтез белков и обмен веществ в биологических объектах совершается в присутствии биокатализаторов — ферментов. Примером промышленных гомогенных каталитических процессов могут служить реакции этерификации и омыления сложных эфиров, некоторые реакции гидратации, окисления и т.п.
Гетерогенный катализ в промышленности используется в больших масштабах, чем гомогенный.
Большинство промышленных гетерогенных каталитических процессов основано на реакциях между газообразными веществами с участием твердых катализаторов. Твердые катализаторы готовят и применяют в виде небольших пористых зерен, таблеток, гранул.
Процесс катализа на твердых пористых катализаторах состоит из следующих элементарных стадий:
- диффузия реагирующих веществ из ядра потока к поверхности зерен катализатора;
- диффузия реагентов в порах зерна катализатора;
- активированная адсорбция (хемосорбция) на поверхности катализатора с образованием поверхностных химических соединений – активированных комплексов «реагенты – катализатор»;
- перегруппировка атомов с образованием поверхностных комплексов «продукт – катализатор»;
- десорбция продукта с поверхности;
- диффузия продукта в порах зерна катализатора;
- диффузия продукта от поверхности зерна катализатора в ядро потока.
При наличии катализатора определенного состава и структуры наибольшее практическое значение имеет температурный режим каталитических процессов.
Аппаратурное оформление гомогенного катализа не требует сооружений специальной конструкции. Аппаратура гетерогенного катализа специфична и разнообразна.
Гетерогенный катализ проводится в контактных аппаратах, которые различаются в зависимости от способа контакта газов с катализатором, подвода или отвода теплоты и т.п.
По указанным признакам контактные аппараты подразделяются следующим образом: поверхностного контакта (катализ на стенках, трубках, катализаторных сетках); с фильтрующим слоем катализатора; со взвешенным (псевдоожиженным) слоем катализатора; с пылевидным движущимся катализатором.
Во всех этих аппаратах теплообмен может осуществляться различными способами: через внешние (выносные) теплообменники; через теплообменники, встроенные в контактный аппарат (внутренний теплообменник) и т.п. Аппараты последнего типа бывают двух видов: полочные и трубчатые. Полочные и трубчатые контактные аппараты с фильтрующими слоями катализатора наиболее широко применяются в химической промышленности.
В некоторых реакциях каталитическое действие может оказывать один из продуктов, образующихся в процессе химического превращения вещества. Такие каталитические реакции называются автокаталитическими, а явление носит название автокатализа.