Catalytic partial oxidation of octane isomers on Rh coated monoliths : in situ measurement of temperature and concentration profiles

Catalytic Partial Oxidation (CPO) of octane isomers is a promising technology for the small-scale production of syngas (H2 and CO). Rh coated monoliths can be used as catalysts which, due to Rh high activity, allow the use of reduced reactive volumes (contact time is in the order of milliseconds) and the achievement of high syngas yield. As the CPO process is globally exothermic, it can be conducted in adiabatic reactors. The reaction mechanism of the CPO process involves the superposition of exothermic and endothermic reactions at the catalyst inlet. Thus, a hot spot temperature is induced, which may lead to catalyst deactivation via sintering. In previous works, diluted feed mixtures were adopted to guarantee the stability of the catalyst. In this work, the effect of the variation of the operative conditions of octane CPO tests has been studied by performing temperature and composition measurements. Thus, octane experiments at variable fuel feed concentration, inlet flow rate and C/O ratio have been performed. The effect of the variation of the washcoat has been investigated by testing Rh/α-Al2O3 and Rh/MgAl2O4 catalysts. The stability of the catalysts has been continuously monitored along each octane experimental campaign. The temperature hot spot, which leads to catalyst deactivation, can be limited acting on the operative conditions of the process itself. However, a compromise is required between the stability of the catalyst and the achievement of high performances (syngas yield, reactants conversion and reactor adiabaticity). Rh/MgAl2O4 catalyst showed higher activity compared to Rh/α-Al2O3 one, allowing the reduction of the hot spot temperature and the obtainment of the same performances with reduced reactive volumes.

L’Ossidazione Parziale Catalitica (CPO) degli isomeri di ottano è una tecnologia promettente per la produzione su piccola scala di syngas (H2 e CO). Si possono usare catalizzatori a base di Rh che, grazie alla sua elevata attività, permettono l’uso di volumi reattivi ridotti (tempo di contatto nell’ordine dei millisecondi) e l’ottenimento di elevata resa a syngas. Il processo di CPO è globalmente esotermico, quindi può essere condotto in reattori adiabatici. Il meccanismo di reazione del processo di CPO prevede la sovrapposizione di reazioni esotermiche e endotermiche all’ingresso del catalizzatore. Quindi, si genera un hot spot di temperatura, che può causare la disattivazione del catalizzatore per sintering. In lavori precedenti, sono state usate miscele diluite in alimentazione per garantire la stabilità del catalizzatore. In questo lavoro, l’effetto della variazione delle condizioni operative sul processo di CPO di ottani è stato studiato eseguendo misure di temperatura e composizione. Quindi, sono stati eseguiti esperimenti variando la concentrazione di combustibile alimentata, la portata in ingresso e il rapporto C/O. L’effetto della variazione del supporto catalitico è stato investigato testando catalizzatori Rh/α-Al2O3 e Rh/MgAl2O4. La stabilità dei catalizzatori è stata continuamente monitorata lungo ogni campagna sperimentale in ottano. L’ hot spot di temperatura, che porta alla disattivazione del catalizzatore, può essere limitato agendo sulle condizioni operative del processo stesso. Comunque, è necessario un compromesso tra la stabilità del catalizzatore e il raggiungimento di prestazioni elevate (resa a syngas, conversione dei reagenti e adiabaticità del reattore). Il catalizzatore Rh/MgAl2O4 ha mostrato attività superiore a quella del catalizzatore Rh/α-Al2O3, permettendo la riduzione dell’hot spot di temperatura e dei volumi reattivi a pari prestazioni.