Ossidazione parziale catalitica di CH4 e i-C8H18 su catalizzatori Rh/Al2O3 in reattore autotermico

Catalytic partial oxidation (CPO) is an attractive technology for the small-scale production of syngas or hydrogen from fuel (in excess with respect to combustion stoichiometry) and oxygen. The CPO process mainly occurs as a sequence of exothermic and endothermic steps, wherein a part of the hydrocarbon is oxidized to CO2 and H2O, and the remaining fuel is converted to synthesis gas by steam reforming. The process is exothermic and it can be carried out under autothermal conditions. Rh-based catalysts are very active and selective to synthesis gas and allow to reach thermodynamic equilibrium in a few milliseconds. These features allow for the design of simple and compact reactors, with fast dynamic response and low heat capacity, which are ideal for mobile production of synthesis gas. Liquid fuels CPO is gaining attention for the on-board production of hydrogen and in view of its applications in the automotive field, such as Lean NOx traps and Fuel cells. In this work we studied the behaviour of a pilot scale CPO reformer in steady state conditions. CH4 and i-C8H18 CPO experiments were carried out over a 2 wt% Rh/α-Al2O3 catalyst coated over 400 CPSI cordierite honeycomb monoliths. The axial temperature and composition profiles were obtained using the spatially sampling resolved technique. Tests with diluted i-C8H18/air mixture were also performed. This methodology pointed out that the reaction mechanism on the catalyst surface is indirect-consecutive. Due to the high temperature in the gas phase, homogeneous reaction take place. This process can’t be carried out in the same operating conditions due to the high temperatures reached on the catalyst surface which cause catalyst deactivation. It’s necessary to develop new strategies to improve catalyst stability.

L’ossidazione parziale catalitica è un processo adatto alla produzione di piccola scala di syngas a partire da combustibile (in eccesso rispetto alla stechiometria di combustione) e ossigeno. Il processo avviene attraverso step di reazioni endotermiche ed esotermiche dove l’idrocarburo è ossidato a CO and H2O, e successivamente convertito a syngas mediante steam reforming. Il processo è esotermico, quindi ha la possibilità di essere condotto in reattori adiabatici garantendo alta selettività e resa. Sono stati utilizzati catalizzatori a base di Rh (2% w/w)/Al2O3 supportati su cordierite, preparati mediante tecnica di dip-coating. Tali catalizzatori sono molto attivi e consentono il raggiungimento dell’equilibrio termodinamico in pochi millisecondi; tale caratteristica consente di lavorare con volumi di reazione molto ridotti. L’utilizzo di combustibili liquidi, quali benzina e gasolio, permettono l’utilizzo di tale tecnologia per la produzione di idrogeno on-board. Nel presente lavoro di tesi è stato utilizzato iso-ottano in quanto ottimo surrogato della benzina. Sono state condotte indagini sul comportamento del catalizzatore al variare della severità delle condizioni operative, partendo da prove ad alta diluizione fino ad arrivare a prove a composizione prossime a quelle stechiometriche. L’utilizzo della tecnica a campionamento assiale ha consentito di studiare l’evoluzione delle specie e della temperatura lungo l’intero asse del reattore; tale metodologia ci fornisce indicazioni sul meccanismo di reazione che è risultato essere di tipo indiretto-consecutivo. A causa delle alte temperature nella fase gas, sono presenti reazioni omogenee. Dai risultati ottenuti si evince la difficoltà di condurre tale processo nelle condizioni operative adatte a causa della elevate temperature raggiunte sulla superficie del catalizzatore che provocano disattivazione del catalizzatore per fenomeni di sintering. Si rende necessario lo studio di nuove strategie per migliorare la stabilità del catalizzatore.