Adoption of highly conductive structures for the intensification of heat transfer performances of compact Fischer Tropsch reactors

The high exothermicity of the Fischer-Tropsch process makes temperature control a critical issue. In this work, the possibility of operating with a tubular reactor under industrially significant LTFT conditions with packed conductive structures combined with a highly active cobalt catalyst has been experimentally demonstrated. Firstly, the performance of a classic packed-bed reactor is compared with the one of a configuration involving the use of an aluminium foam. The catalytic bed so structured allows to achieve exceptional performance with excellent thermal control of the system in spite of the classic configuration that, already at low operating temperatures, shows thermal runaway. Subsequently, the role of the geometry of the structure used is investigated, comparing the thermal behaviour of a reactor loaded with the aluminium foam and an equivalent but crushed structure. The poorer performance of this last configuration highlights the importance of employing a continuous structure to improve the reaction heat removal. Considering the problems of reproducibility of foam structures, a comparison is made with a reactor configuration using a POCS. The latter has shown improved thermal control thanks to greater uniformity of geometry and higher reactor-structure contact. In the end, the last chapter focuses on the identification of milder activation condition for the previously used cobalt catalyst. The possibility of conducting in-situ reduction to a lower temperature than that currently used (i.e. 300°C instead of 400°C) is assessed. The performances of the new configuration are considerably worse, both in terms of activity and stability. Subsequently, it is investigated the possibility of using ex-situ reduced catalyst at a standard temperature of 400°C, then passivated with oxygen and finally de-passivated in-situ at 300°C. This configuration gives promising results by providing comparable catalytic performance to the catalyst reduced under standard conditions.

L’elevata esotermicità del processo Fischer-Tropsch fa sì che il controllo della temperatura sia un problema di primaria importanza. È qui dimostrato sperimentalmente la possibilità di operare con un reattore tubolare in condizioni industrialmente significative di LTFT con strutture conduttive impaccate abbinate a un catalizzatore al Cobalto altamente attivo. Nella prima parte di questo elaborato sono confrontate le prestazioni di un classico reattore a letto impaccato con quelle di una configurazione che prevede l’impiego di una schiuma di alluminio. Il letto catalitico così strutturato permette di raggiungere prestazioni eccezionali con un ottimo controllo termico del sistema a dispetto della configurazione classica che, già a basse temperature operative, mostra un runaway termico. Successivamente è investigato il ruolo della geometria della struttura impiegata, confrontando il comportamento termico di un reattore caricato con la schiuma di alluminio sopracitata e una struttura analoga ma frantumata. Le peggiori prestazioni di questa ultima configurazione evidenziano l’importanza di impiegare una struttura continua per migliorare lo smaltimento del calore di reazione. Considerando le problematiche di riproducibilità delle strutture a schiuma, è inoltre effettuato un confronto con una configurazione reattoristica utilizzante una POCS. Quest’ultima dimostra un controllo termico migliore grazie ad una maggiore uniformità della struttura e ad un più elevato contattamento reattore-struttura. In fine, l’ultimo capitolo è incentrato sulla individuazione di condizioni di attivazione più blande per il catalizzatore al Cobalto precedentemente impiegato. È quindi valutata la possibilità di condurre una riduzione in-situ ad una temperatura inferiore a quella attualmente utilizzata, 300°C invece di 400°C. Le prestazioni della nuova configurazione sono notevolmente peggiori, sia in termini di attività che di stabilità. Successivamente è considerata la possibilità di utilizzare un catalizzatore ridotto ex-situ alla temperatura standard di 400°C, passivato poi con ossigeno ed infine depassivato in-situ a 300°C. Questa configurazione mostra risultati promettenti fornendo prestazioni catalitiche comparabili al catalizzatore ridotto in condizioni classiche.