Highly conductive structured catalysts for the methanol synthesis

Despite several years of industrial operation, methanol synthesis process still attracts investments in research for its intensification. In particular, efforts have been recently devoted to design and optimize small-scale processes aimed to the valorization of stranded/associated natural gas reservoirs and biomass feedstock. Thanks to their outstanding heat transfer properties when loaded in multi-tubular reactors, highly conductive structured catalysts are promising for the intensification of a number of existing catalytic processes, especially those involving highly exo-/endothermic gas-solid or gas-solid-liquid reactions. This PhD work was devoted to study the potential associated with the adoption of conductive structured catalysts in multi-tubular methanol reactors with external cooling, with a particular focus on compact units. An optimization study of the performances of compact conductive structured reactors was also carried out, specifically focusing on their operation at low catalyst loads. To prove the feasibility of these catalytic systems for the methanol synthesis, the second part of the work (including the period spent at NTNU, Trondheim) concerned the preparation and testing of washcoated copper open-cell foams. In view of the experimental activities, a literature review, addressing the most widely used techniques for the catalytic activation of metallic structures, was prepared. Eventually, prototypes of copper open-cell foams were washcoated with a commercial Cu/ZnO/Al2O3 catalyst and tested in the methanol synthesis at relevant industrial conditions. The foams were also tested in the reverse-water-gas-shift (RWGS) reaction at atmospheric pressure. In this regard, the RWGS reaction was chosen as simple probe reaction for ranking the intrinsic activity of Cu/ZnO/Al2O3 methanol catalysts.

Nonostante i numerosi anni di pratica industriale, il processo di sintesi del metanolo continua ad attrarre parecchi investimenti destinati alla ricerca in visione di una sua intensificazione. In particolare, recentemente sono stati dedicati sforzi volti alla progettazione e all'ottimizzazione di processi di piccola scala allo scopo di valorizzare materie prime derivanti da biomasse e per sfruttare le riserve associate/remote di gas naturale. Grazie alle loro straordinarie performance di scambio termico quando caricati in reattori multitubolari, i catalizzatori strutturati ad alta conducibilità sono promettenti nell'ambito dell'intensificazione di diversi processi catalitici esistenti, specialmente per quelli che coinvolgono reazioni gas-solido o gas-solido-liquido fortemente endo-/esotermiche. Questo lavoro di dottorato ha riguardato lo studio del potenziale che i catalizzatori strutturati conduttivi avrebbero se applicati in reattori multitubolari a raffreddamento esterno per la sintesi di metanolo, con particolare attenzione verso unità reattoristiche compatte. E' stato poi fatto uno studio di ottimizzazione delle performance di reattori strutturati conduttivi compatti, con specifica attenzione verso l'operazione di tali reattori a basso carico di catalizzatore. Al fine di provare la fattibilità dell'applicazione di questi sistemi catalitici per la sintesi di metanolo, nella seconda parte di questo lavoro (che include anche un periodo all'estero presso la Norwegian University of Science and Technology, NTNU, Trondheim) sono state preparate e testate delle schiume di rame a celle aperte ricoperte con uno strato di catalizzatore attivo nella sintesi di metanolo. In visione dell'attività sperimentale, è stata preparata una rassegna di letteratura riguardante le tecniche più usate per l'attivazione catalitica di strutture metalliche. Infine, sono stati ricoperti dei prototipi di schiume di rame a celle aperte con un catalizzatore commerciale per la sintesi di metanolo a base di Cu/ZnO/Al2O3 e poi testati nella sintesi di metanolo in condizioni rilevanti dal punto di vista industriale. Le schiume sono poi state testate nella reazione di reverse-water-gas-shift (RWGS) a pressione atmosferica. Tale reazione è stata selezionata come semplice reazione rappresentativa della sintesi di metanolo per classificare l'attività intrinseca dei catalizzatori a base di Cu/ZnO/Al2O3.