Importanza dei fenomeni diffusivi intraparticellari nella sintesi di Fischer Tropsch di bassa temperatura

In quest’ultimi anni, il ruolo ricoperto dal gas naturale nel quadro delle fonti energetiche, data la sua vasta disponibilità e il suo basso costo, è diventato sempre più determinante. Da un lato c’è stato il miglioramento delle tecniche di perforazione che hanno reso disponibili giacimenti di gas naturale altrimenti poco sfruttabili, come lo shale gas. Da un altro lato, i processi Gas to Liquid (GtL) ne hanno aumentato la versatilità e il valore aggiunto. I processi GtL permettono la trasformazione chimica del gas naturale in prodotti liquidi (metanolo, DME e idrocarburi) facilmente trasportabili, mostrandosi in questo modo una tecnologia più sostenibile rispetto al trasporto via gasdotto. Tra i processi GtL, la sintesi di Fischer-Tropsch ricopre un ruolo di spicco data dalla sua ampia gamma di prodotti tra cui combustibili con ottime qualità come carburanti per autotrazione. In particolare il gasolio da sintesi di Fischer-Tropsch è caratterizzato da un alto numero di cetano e è esente da zolfo e aromatici: ciò rende questo prodotto migliore dei carburanti convenzionali sia in termini di prestazione sia in termini ambientali. Inoltre le olefine presenti nei prodotti della sintesi FT possono essere usate come chemicals per l’industria petrolchimica. eni S.p.A., come le altre grandi multinazionali del settore, è da diversi anni impegnata nello sviluppo di una tecnologia GtL proprietaria basata sulla sintesi di Fischer-Tropsch. La ricerca ha portato, ad oggi, alla realizzazione di un un impianto pilota da 20 barili al giorno installato presso la raffineria di San Nazzaro dei Burgundi (Pavia). In questo scenario va a porsi il presente lavoro di tesi che, svolto nell’ambito di un contratto di ricerca fra eni S.p.A. e il Politecnico di Milano, ha avuto lo scopo di studiare l’importanza dei fenomeni diffusivi intraparticellari nella sintesi di Fischer-Tropsch di bassa temperatura, operando in un reattore a letto fisso con un catalizzatore Co/γ-Al2O3. In particolare, proseguendo nell’attività sperimentale precedentemente intrapresa nell’ambito di contratti di ricerca con eni S.p.A., sono stati testati due catalizzatori con diametro particellare pari a 100 µm e 600 µm al fine di studiare gli effetti dei fenomeni diffusivi sulla reattività del sistema. Con l’ausilio di un modello semplificato e di un modello dettagliato in grado di descrivere i fenomeni diffusivi si è cercato poi di razionalizzare e spiegare i dati sperimentali raccolti. Le prove sperimentali sono state condotte a 220, 230, 240 e 250 °C mantenendo il rapporto H2/COFEED a 1.65, la pressione a 25bar e la velocità spaziale GHSV a 6400 cm3/h/gcat. Il presente lavoro di tesi è ripartito in quattro capitoli. Il capitolo 1 è focalizzato sulla valorizzazione del gas naturale e il ruolo ricoperto in tale senso dai processi GtL e in particolare dalla sintesi di Fischer-Tropsch. Il capitolo 2 è volto alla descrizione del processo nei suoi aspetti fondamentali: catalizzatori, meccanismi di reazione, reattoristica e distribuzione dei prodotti. Il Capitolo 3 riporta la descrizione dell’impianto di laboratorio, funzionante in continuo, impiegato per condurre le prove sperimentali. Vengono, inoltre, descritte tutte le procedure utilizzate per la gestione dell’impianto e le metodologie di analisi dei prodotti di reazione. Il Capitolo 4 riporta i risultati di questo lavoro di tesi. In particolare, dopo una sintesi preliminare della letteratura scientifica più rilevante relative all’argomento, sono stati discussi i risultati dei sistemi catalitici a differente granulometria. È stato fatto un confronto dei due sistemi catalitici in termini sia di conversione di CO, che di selettività, al fine di evidenziare la reattività del sistema catalitico in regime chimico e in regime di limitazioni diffusive. Il capitolo si chiude riportando i risultati relativi al modello sviluppato per descrivere il fenomeno delle limitazioni diffusivi all’interno della particella catalitica. Queste caratteristiche, unita al fascino del processo, fanno della sintesi di Fischer-Tropsch un potenziale economico e scientifico. Proseguendo nell’attività sperimentale precedentemente intrapresa nell’ambito di contratti di ricerca con Eni, sono stati testati due catalizzatore con diametro particellare pari a 100 µm e 600 µm al fine di studiare i profili di concentrazione delle specie coinvolte nella singola particella catalitica sia in regime chimico sia in presenza di limitazioni diffusive intra-particellari. Le prove sperimentali sono state condotte a 220, 230, 240 e 250 °C mantenendo il rapporto H2/CO FEED a 1.65, la pressione a 25bar e la velocità spaziale GHSV a 6400 cm3/h/gcat. Il presente lavoro di tesi è ripartito in quattro capitoli. Il capitolo 1 è focalizzato sulla valorizzazione del gas naturale e il ruolo ricoperto in tale senso dai processi GtL e in particolare dalla sintesi di Fischer-Tropsch. Il capitolo 2 è volta alla descrizione del processo nei suoi aspetti fondamentali: catalizzatori, meccanismi di reazione, reattoristica e distribuzione dei prodotti. Il Capitolo 3 riporta la descrizione dell’impianto di laboratorio, funzionante in continuo, impiegato per condurre le prove sperimentali. Vengono, inoltre, descritte tutte le procedure utilizzate per la gestione dell’impianto e le metodologie di analisi dei prodotti di reazione. Il Capitolo 4 riporta i risultati di questo lavoro di tesi. In particolare, dopo una sintesi preliminare delle pubblicazioni scientifiche relative all’argomento, sono stati discussi i risultati dei sistemi catalitici a differente granulometria. È stato fatto un confronto dei due sistemi catalitici in termini di conversione di CO, selettività a metano e selettività a prodotti pesanti, al fine di evidenziare la reattività del sistema catalitico in regime chimico e in regime di limitazioni diffusive. Il capitolo si chiude riportando i risultati relativi al modello sviluppato per descrivere il fenomeno delle limitazioni diffusivi all’interno della particella catalitica.