Etapele elementare ale procesului catalitic

ETAPELE ELEMENTARE ALE PROCESULUI CATALITIC

Cataliza eterogena sau ,,cataliza de contact'' decurge la interfata gaz-solid. In cataliza de contact, reactia se produce intre reactantii adsorbiti si activati pe suprafata catalizatorilor. Complexitatea proceselor de cataliza consta in faptul ca ele presupun o succesiune de etape intermediare, fiecare din acestea putand fi etapa determinanta de viteza.

Intr-un proces catalitic eterogen reactantii trebuie sa difuzeze din faza fluida spre suprafata externa a granulei catalitice, iar de aici spre suprafata interna majoritara, prin pori, unde reactioneaza. Produsii de reactie trebuie sa parcurga drumul invers. Deci, un proces catalitic global, al unui amestec fluid care traverseaza un strat catalitic poros, constituit prin asezarea dezordonata a granulelor catalitice poroase, rezulta din combinarea unui numar de procese elementare de natura chimica si fizica (figura 5.1.).

Figura 5.1. Etapele elementare ale unui proces catalitic

a-      parcurgerea stratului catalitic granular de catre fluxul reactant gazos;

b-      etapele procesului catalitic la nivelul unei granule de catalizator poros:

1- transportul fortat al moleculelor reactante in stratul poros, prin

curgerea ansamblului de faza fluida, la traversarea reactorului;

2- difuzia externa a reactantului, din curentul principal de fluid, spre suprafata externa a granulei, prin filmul stationar de fluid (strat Nernst) ce inconjoara granula de catalizator;

3- difuzia interna (in pori) constand in patrunderea moleculelor reactante, de la suprafata externa a granulei in porii acesteia;

4- adsorbtia reactantilor pe centrii activi ai suprafetei externe si interne a solidului;

5- reactia superficiala (transformarea chimica) intre componentii activati prin adsorbtie;

6- desorbtia produsilor de reactie;

7- difuzia interna (prin pori) a produsilor de reactie spre suprafata externa a granulei;

8- difuzia externa a produsilor prin filmul de fluid de la suprafata

externa a granulei catalitice, in curentul principal de fluid;

9- evacuarea produsilor din strat prin transport fortat.

Considerand o granula sferica de catalizator, filmul cvasistationar de la nivelul granulei opune rezistenta trecerii moleculelor de reactant. Datorita acestei rezistente la trecerea moleculelor de reactant, apare fenomenul de difuzie externa a reactantilor, care se traduce printr-un gradient de concentratie. Cu cat este mai gros filmul stationar sau ,,stratul limita'', cu atat gradientul este mai mare si fenomenul de difuzie este mai important. Fluxul de reactant de-a lungul stratului limita este proportional cu diferenta de concentratie (c_g- c_s).

Are loc patrunderea moleculelor de reactant printre moleculele de catalizator pana la suprafata interna a macrosolidului prin difuzie interna. Pentru a strabate granula prin porii particulei si granulelor, moleculele de reactant trebuie sa invinga rezistenta la trecerea prin pori prin fenomenul de difuzie interna, facilitand astfel, accesul reactantilor in porii catalizatorului. Difuzia interna depinde de raportul intre diametrul porilor si diamterul moleculei gazoase si se poate realiza prin mecanisme diferite, de difuzie moleculara (care are loc atunci cand la parcurgerea moleculelor de reactant a porilor, probabilitatea de ciocnire a moleculelor de fluid intre ele este mai mare decat probabilitatea ciocnirii moleculelor de fluid cu peretii porilor), difuzie Knudsen (care are loc in porii mici cand probabilitatea ciocnirii moleculelor de fluid intre ele este mai mica decat probabilitatea ciocnirii moleculelor de fluid cu peretii porilor) sau difuzie superficiala. Intre suprafata granulei (c_s) si un punct oarecare din interiorul solidului poros (c_i) se creeaza un gradient de concentratie (c_s- c_i) datorita rezistentei opusa de mediul poros transferului de reactant si faptului ca reactantul se consuma in reactie la contactul cu zonele intime ale catalizatorului. Fluxul de reactant este proportional cu aceasta diferenta de concentratie.  Cu cat gradientul de concentratie este mai mare, cu atat fenomenul de difuzie interna este mai important.

Figura 5.2. Procese de difuzie in cataliza eterogena

Fenomenele de sorbtie (adsorbtie si desorbtie) preced si succed reactia catalitica superficiala. In urma coliziunii moleculelor reactante cu suprafata catalitica se produce adsorbtia reactantilor pe suprafata interna a catalizatorului solid.

Reactia chimica cu transformarea reactantului in produs de reactie are loc pe suprafata interna; moleculele de reactant reactioneaza si se transforma in molecule de produs adsorbit.

Ulterior, are loc desorbtia produsului de reactie cu eliberarea centrilor activi catalitic.

Moleculele de produs desorbite strabat porii particulelor si granulelor pana la suprafata aparenta prin difuzie interna a produsului; cand moleculele de produs au ajuns la nivelul suprafetei externe are loc difuzia externa a produsului.

Se pot enumera cele sapte etape succesive ale procesului catalitic in cataliza de contact :

1.     Difuzia externa a reactantilor (D_E);

2.     Difuzia interna a reactantilor (D_I);

3.     Adsorbtia reactantului pe suprafata interna a catalizatorului solid;

4.     Reactia chimica in stare adsorbita cu transformarea reactantului in

produs adsorbit;

5.     Desorbtia produsului de reactie de pe suprafata solida;

6.     Difuzia interna a produsilor de reactie (D'_I);

7.     Difuzia externa a produsilor de reactie (D'_E).

Etapele 1, 2, 6, 7 sunt etape fizice de transport, de difuzie.

Etapele 3, 4, 5 sunt etapele actului catalitic asociat reactiei chimice de transformare pe suprafata solida areactantului in produs de reactie.

c_g - concentratia reactantilor in faza omogena;

c_i - concentratia reactantului in pori;

c_s - concentratia reactantului la nivelul suprafetei externe.

Figura 5.3. Reactia chimica in faza adsorbita

Unde: A si B - reactanti;

A_a si B_a - reactanti adsorbiti;

C_a si D_a - produsi adsorbiti;

C si D - produsi de reactie.