On the intensification of heat transfer in Fischer-Tropsch tubular reactors through the adoption of packed-metal foams

The low-temperature Fischer-Tropsch synthesis is a strongly exothermic process wherein the temperature control is a crucial issue. In this thesis work, we demonstrate experimentally the adoption of a Fischer-Tropsch tubular reactor loaded with a highly conductive open-cell Al foam packed with catalysts pellets to enhance heat exchange. Accordingly, the performances of a highly active Co/Pt/Al2O3 catalyst packed into the metallic structure are assessed at process conditions relevant to industrial Fischer-Tropsch operation and compared with those obtained in a conventional randomly packed fixed-bed reactor. The structured catalyst reaches outstanding performances (CO conversion > 65%) with a remarkable temperature control. Indeed, almost flat axial temperature profiles are found along the catalytic bed even under the most severe process conditions (i.e., high CO conversions ≈ high reaction duties), showing the excellent ability of this reactor concept to manage the strong exothermicity of the reaction. In contrast, when the same experiment is carried out over the same Co/Pt/Al2O3 catalyst just randomly packed in the reactor, an abrupt increase of the catalyst temperature occurs already at low temperature, eventually leading to thermal runaway. The results herein collected prove the potential of metal foams as enhanced catalyst supports for the intensification of strongly exothermic processes in nonadiabatic tubular reactor. Furthermore, the effectiveness of the “packed-foam” configuration also demonstrates the possibility to overcome the inherently limited catalyst inventory of the washcoated conductive structured reactors proposed so far, thus boosting the productivity per reactor volume.

La sintesi di Fischer-Tropsch a bassa temperatura è un processo fortemente esotermico in cui il controllo della temperatura è un problema cruciale. In questo lavoro di tesi, dimostriamo sperimentalmente l'adozione di un reattore tubolare Fischer-Tropsch caricato con una schiuma di Alluminio altamente conduttiva impaccata con granuli di catalizzatore per migliorare lo scambio di calore. Di conseguenza, le prestazioni di un catalizzatore di tipo Co / Pt / Al2O3 altamente attivo impaccato nella struttura metallica vengono valutate in condizioni di processo rilevanti per il funzionamento industriale della sintesi Fischer-Tropsch e confrontate con quelle ottenute in un reattore convenzionale a letto fisso impaccato casualmente. Il catalizzatore strutturato raggiunge prestazioni eccezionali (conversione di CO> 65%) con un notevole controllo della temperatura. Infatti, dei profili di temperatura assiale quasi piatti si trovano lungo il letto catalitico anche nelle condizioni di processo più severe (cioè elevate conversioni di CO ≈ elevati calori di reazione), dimostrando l'eccellente capacità di questo concetto di reattore di gestire la forte esotermicità della reazione. Al contrario, quando lo stesso esperimento viene eseguito sullo stesso catalizzatore di tipo Co / Pt / Al2O3 impaccato in modo casuale nel reattore, un brusco aumento della temperatura del catalizzatore si verifica già a bassa temperatura, portando infine al runaway termico. I risultati qui raccolti dimostrano il potenziale delle schiume metalliche come supporti catalitici potenziati per l'intensificazione di processi fortemente esotermici in reattori tubolari non adiabatici. Inoltre, l'efficacia della configurazione "packed-foam" dimostra anche la possibilità di superare l'inventario di catalizzatore intrinsecamente limitato dei reattori washcoated strutturati conduttivi proposti finora, aumentando così la produttività per volume del reattore.