催化加氢过程根据反应机理可分两类：一类是在催化剂的作用下，氢气与油品中的 S、N、O 和重金属等少量杂质反应，以脱除杂质的加氢处理过程的反应，工业应用主要为加氢精制过程；另一类加氢过程是使油品中主要组分结构发生变化的加氢转化反应，工业应用主要为加氢裂化过程。
一、加氢处理反应加氢精制是指在催化剂和氢气存在下，石油馏分中含硫、含氮、含氧化合物发生加氢脱硫、脱氮、脱氧反应，含金属的有机化合物发生氢解反应，烯烃和芳烃发生加氢饱和反应。通过加氢精制可以改善油品的气味、颜色和安定性，提高油品的质量，满足环保对油品使用的要求。
1.加氢脱硫反应硫在石油馏分中的含量一般随馏分沸点的上升而增加。含硫化合物主要是硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩、苯并噻吩和二苯并噻吩（硫芴）等物质。含硫化合物的加氢反应，是在加氢精制条件下石油馏分中的含硫化合物进行氢解，转化成相应的烃和 H2S，从而硫杂原子被脱掉。几种含硫化合物的加氢精制反应如下：
硫醇通常集中在低沸点馏分中，随着沸点的上升，硫醇含量显著下降，>300℃ 的馏分中几乎不含硫醇。硫醇加氢精制反应为：
RSH+H2
加载中... HR+H2S
硫醚存在于中沸点馏分中，300～500℃ 馏分的硫化物中，硫醚可占 50%。重质馏分中，硫醚含量一般下降。硫醚加氢精制反应为：
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二硫化物一般存在于 110℃ 以上馏分中，在 300℃ 以上馏分中的含量无法测定。二硫化物加氢精制反应为：
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杂环硫化物是中沸点馏分中的主要硫化物。沸点在 400℃ 以上的杂环硫化物，多属于单环环烷烃衍生物，多环衍生物的浓度随分子环数增加而下降。杂环硫化物加氢精制反应为：
加载中...+H2
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加载中...C4H9SH
加载中...C4H10+H2S
苯并噻吩加氢反应为：
加载中...+H2加载中...
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二苯并噻吩（硫芴）加氢反应为：
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含硫化合物的加氢反应速率与其分子结构有密切关系，不同类型含硫化合物的加氢反应速率按以下顺序递减：硫醇 > 二硫化物 > 硫醚 > 噻吩 > 苯并噻吩 > 二苯并噻吩。
2.加氢脱氮反应石油馏分中的氮化物主要是杂环氮化物，非杂环氮化物含量很少。石油中的氮含量一般随馏分沸点的升高而增加。在较轻的馏分中，单环、双环杂环含氮化合物（吡啶、喹啉、吡咯、吲哚等）占支配地位，而稠环含氮化合物则集中在较重的馏分中。含氮化合物大致可以分为：脂肪胺及芳香胺类，吡啶、喹啉类型的碱性杂环化合物，吡咯、咔唑型的非碱性氮化物。
在加氢精制过程中，氮化物在氢作用下转化为 NH3和烃，从而脱除石油馏分中的氮，达到精制的目的。几种含氮化合物的加氢精制反应如下：
脂肪胺在石油馏分中的含量很少，它们是杂环氮化物开环反应的主要中间产物，很容易加氢脱氮。脂肪胺的加氢脱氮反应如下：
R—NH2
加载中...RH+NH3
腈类可以看作是氢氰酸（HCN）分子中的氢原子被烃基取代而生成的一类化合物（RCN）。腈类在石油馏分中含量很少，较容易加氢生成脂肪胺，进一步加氢，C—N 键断裂释放出 NH3而脱氮。腈类的加氢脱氮反应如下：
RCN
加载中...RCH2NH2
加载中...RCH3+NH3
苯胺加氢在所有的反应条件下主要的烃产物是环己烷，其反应如下：
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加载中...
加载中...+NH3
六元杂环氮化物吡啶的加氢脱氮反应如下：
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加载中...加载中...C5H11NH2加载中...C5H12+NH3
六元杂环氮化物中的喹啉是吡啶的苯同系物，加氢脱氮反应如下：
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加载中...加载中...
加载中...加载中...
加载中...+NH3
五元杂环氮化物吡咯的加氢脱氮包括五元环加氢、四氢吡咯 C—N 键断裂以及正丁烷的脱氮。其反应如下：
加载中...加载中...C4H9NH2
加载中...C4H10+NH3
五元杂环氮化物吲哚的加氢脱氮反应大致如下：
加载中...
加载中...
加载中...+NH3
五元杂环氮化物咔唑加氢脱氮反应如下：
加载中...
加氢脱氮反应基本上可分为不饱和系统的加氢和 C—N 键断裂两步。由以上反应总结出以下规律：
单环化合物的加氢活性顺序为：吡啶（280℃）> 吡咯（350℃）≈ 苯胺（350℃）> 苯类（>450℃）。由于聚核芳环的存在，含氮杂环的加氢活性提高，且含氮杂环较碳环活泼得多。
从加氢脱氮反应的热力学角度来看，氮化物在一定温度下需要较高的氢分压才能进行加氢脱氮反应，为了脱氮安全，一般采用比脱硫反应更高的压力。
在几种杂环化合物中，含氮化合物的加氢反应最难进行，稳定性最高。当分子结构相似时，三种杂环化合物的加氢稳定性顺序依次为：含氮化合物 > 含氧化合物 > 含硫化合物。
3.加氢脱氧反应石油馏分中氧化物的含量很小，原油中含有环烷酸、脂肪酸、酯、醚和酚等。在蒸馏过程中这些化合物都发生部分分解转入各馏分中。石油馏分中经常遇到的含氧化合物是环烷酸。含氧化合物的氢解反应，能有效地脱除石油馏分中的氧，达到精制目的。几种含氧化合物的氢解反应如下：
酸类化合物的加氢反应：
R—COOH+3H2加载中... R—CH3+2H2O
酮类化合物的加氢反应：
R—CO—R'+3H2
加载中... R—CH3+R'H+H2O
环烷酸和羧酸在加氢条件下进行脱羧基和羧基转化为甲基的反应，环烷酸加氢成为环烷烃。其反应为：
加载中...加载中...
加载中...+2H2O
加载中...+CH4+2H2O
苯酚类加氢成芳烃：
加载中...+H2
加载中...
加载中...+H2O
呋喃类加氢开环饱和：
加载中...+4H2
加载中... C4H10+H2O
在加氢进料中，各种非烃类化合物同时存在。加氢精制反应过程中，脱硫反应最易进行，无须对芳环先饱和而直接脱硫，故反应速率大而耗氢少；脱氧反应次之，脱氧化合物的脱氧类似于含氮化合物，先加氢饱和，后 C—杂原子键断裂；而脱氮反应最难。反应系统中，硫化氢的存在对脱氮反应一般有一定促进作用。在低温下，硫化氢和氮化物的竞争吸附而抑制了脱氮反应。在高温条件下，硫化氢的存在增加了催化剂对 C—N 键断裂的催化活性，从而加快了总的脱氮反应，促进作用更为明显。