بررسی عملکرد نانو ذرات اکسید آهن به عنوان کاتالیست فرایند فیشر- تروپش در رآکتور بستر ثابت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران، دانشکده مهندسی شیمی

چکیده

در این پژوهش، نانو ذرات اکسید آهن (α-Fe2O3) با گستره 50-20 نانومتر به عنوان کاتالیست سنتز فیشر- تروپش در رآکتور بستر ثابت مورد ارزیابی قرار گرفت. آنالیزهای XRD, SEM و BET بر روی نانو ذرات اکسید آهن تازه و قرص نانوکاتالیست آهن تهیه شده انجام شد، تا اثر روش تهیه بر فعالیت کاتالیست بررسی گردد. نانوکاتالیست تهیه شده، فعالیت و گزینش‌پذیری مناسبی در شرایط معمولی سنتز فیشر- تروپش از خود نشان داد. به‌منظور بهینه‌سازی شرایط عملیاتی سنتز FT به کمک نانوکاتالیست آهن از روش طراحی آماری تاگوچی بهره گرفته شد. برای تشکیل جدول طراحی آزمایش‌ها سه فاکتور دما، نسبت مولی H2/CO و سرعت فضایی گاز سنتز ورودی به رآکتور به ترتیب در محدوده‌های C° 300-260 ، 2-67/0 و NL gFe-1h-1 15-3 در سه سطح انتخاب شد. آزمایش‌ها در فشار ثابت bar 20 انجام شدند. میزان تولید C5+ به ازای مقدار مصرف گاز CO (بازده تولید C5+) به عنوان تابع هدف انتخاب گردید. شرایط بهینه عملیاتی حاصل از نتایج طراحی آماری به‌صورت زیر می‌باشد: دما C° 260، نسبت مولی 67/0= H2/CO و سرعت فضایی NL gFe-1h-1 3. بازده تولید C5+ در شرایط بهینه (g/g cat. mol CO consumed) 5948/35 به‌دست آمد. برای مقایسه عملکرد نانوکاتالیست تهیه شده با کاتالیست‌های دیگر از پارامتر α که از مدل ASF به‌دست آمده، استفاده شد. نانوکاتالیست آهن به‌کار برده شده در رآکتور بستر ثابت در مقایسه با نانوکاتالیست‌های NANOCAT, BASF و کاتالیست صنعتی UCI گزینش‌پذیری C5+ بالاتری از خود نشان داد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Iron Oxide Nanoparticles as Fischer-Tropsch Synthesis Catalysts in Fixed Bed Reactors

نویسندگان [English]

  • K. Kalantari
  • M. Sohrabi
Department of Chemical Engineering, Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

Iron oxide nanoparticles (α-Fe2O3, 20-50 nm) have been evaluated as catalysts in Fischer-Tropsch Synthesis in a fixed bed reactor. XRD, BET and SEM analyses were performed on fresh nanopowders and nanocatalyst to investigate the preparation method effect on catalyst activity. Activity and selectivity of this catalyst were determined at a constant pressure of 20 bar. To optimize the operating conditions of FTS, Taguchi experimental design method has been implemented. The effect of three pertinent factors has been considered: temperature, inlet H2/CO molar ratio and syngas space velocity. Experiments were carried out under a wide range of conditions including reaction temperature of 260-300 °C, inlet H2/CO molar ratio of 0.67-2.00 and space velocity of 3-15 NL gFe-1h-1. The rate of formation of heavier hydrocarbons (C5+) as a function of CO consumption has been chosen as the response of the system. The results from statistical design showed that the optimum conditions were: reaction temperature: 260 °C, inlet H2/CO molar ratio: 0.67, syngas space velocity: 3 NL g Fe-1h-1. Under these conditions, the rate of formation of C5+ versus CO consumption was 35.5948 g/g cat. mol CO consumed. Growth probability of hydrocarbons (α) was taken as a basis for comparing the performance of several iron nanocatalysts (NANOCAT, 3nm and BASF, 20-80nm) and industrial UCI catalyst applied in the slurry phase FT process with the present iron nanocatalyst. Results indicated that iron oxide nanoparticle applied in a fixed bed reactor exhibits a higher activity in hydrocarbon chain growth in comparison with those applied in a slurry phase FT process.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Iron Oxide Nanoparticles
  • Nanocatalyst
  • Fischer-tropsch Synthesis
  • Fixed Bed Reactor
  • Taguchi Experimental Design
منابع

[1] Tavakoli A., Sohrabi M. & Kargari A., “Application of Anderson-Schulz-Flory (ASF) equation in the product distribution of slurry phase FT synthesis with nanosized iron catalysts”, Chem. Eng. J., Vol. 136, pp. 358-363, 2008.

[2] Van der Laan G.P. & Beenackers A.A.C.M., “Hydrocarbon selectivity model for the gas-solid Fischer-Tropsch synthesis on precipitated iron catalysts”, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 38, pp. 1277-1290, 1999.

[3] Schulz H., “Short history and present trends of Fischer–Tropsch synthesis”, Appl. Catal. A Gen., Vol. 186, pp. 3-12, 1999.

[4] Wan H.J., Wu B.S., Zhang C.H., Xiang H.W., Li Y.W., Xu B.F. & Yi F., “Study on Fe-Al2O3 interaction over precipitated iron catalyst for Fischer-Tropsch synthesis”, Catalysis Communications, Vol. 8, pp. 1538-1545, 2007.

[5] Mansker L.D., Jin Y., Bukur D.B. &, Datye A. K. Appl. Catal. A Gen., “Characterization of slurry phase iron catalysts for Fischer–Tropsch synthesis”, Vol. 186, pp. 277-296, 1999.

[6] Itoh H., Hosaka H., Ono T. & Kikuchi E., “Properties and product selectivities of iron ultrafine particles as a catalyst for liquid phase hydrogenation of carbon monoxide”, Appl. Catal., Vol. 40, pp. 53-66, 1988.

[7] Huang C.S., Xu L. & Davis B.H., “Fischer-Tropsch Synthesis: impact of pretreatment of ultrafine iron oxide upon catalyst structure and selectivity”, Fuel Sci. Technol. Int., Vol. 11, pp. 639-666, 1993.

[8] Huang C.S., Ganguly B., Huffman G.P., Huggins F.E. & Davis B.H., “Fischer-Tropsch Synthesis: mossbauer studies of pretreated ultrafine iron oxide catalysts”, Fuel Sci. Technol. Int., Vol. 11, pp. 1289-1312, 1993.

[9] Xu L., Bao S., O’Brien R.J., Houpt D.H., Davis B.H., “Iron Fischer-Tropsch catalysis- properties of an ultrafine iron oxide catalyst”, Fuel Sci. Technol. Int., Vol. 12, pp. 1323-1353, 1994.

[10] Mahajan D., Kobayashi A. & Gupta N., “Fischer-Tropsch synthesis catalysed by ultrafine particles of iron: cessation of water-gas shift activity”, J. Chem. Soc., Chem. Commun., pp. 795-796, 1994.

[11] Mahajan D., Gutlich P. & Stumm U., “The role of nano-sized iron particles in slurry phase Fischer-Tropsch synthesis”, Catal. Commun., Vol. 4, pp. 101-107, 2003.

[12] Mahajan D., Gutlich P., Ensling J., Pandya K., Stumm U. & Vijayaraghavan P., “Evaluation of nanosized iron in slurry-phase Fischer-Tropsch synthesis”, Energy Fuels, Vol. 17, pp. 1210-1221, 2003.

[13] Sarkar A., Seth D., Dozier A.K., Neathery J.K., Hamdeh H.H., Davis B.H., “Fischer-Tropsch synthesis: morphology”, Phase Transformation and Particle Size Growth of Nano-scale Particles, Catal Lett, Vol. 117, pp. 1-17, 2007.

[14] Davis B.H., “Fischer-Tropsch synthesis: relationship between iron catalyst composition and process variables”, Catalysis Today, Vol. 84, pp. 83-98, 2003.

[15] Liu Y., Teng B.T., Guo X.H., Li Y., Chang J., Tian L., Hao X., Wang Y., Xiang H. W., Xu Y. Y. & Li Y. W., “Effect of reaction conditions on the catalytic performance of Fe-Mn catalyst for Fischer-Tropsch synthesis”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol. 272, pp. 182-190, 2007.

[16] Ji Y.Y., Xiang H.W., Yang J.L., Xu Y.Y., Li Y.W. & Zhong B., “Effect of reaction conditions on the product distribution during Fischer-Tropsch synthesis over an industrial Fe-Mn catalyst”, Appl. Catal. A Gen., Vol. 214, pp. 77-86, 2001.

[17] Van Der Laan G.P. & Beenackers A.A. C.M., “Kinetics and Selectivity of the Fischer-Tropsch Synthesis: A Literature Review”, Catal. Rev. Sci. Eng., Vol. 41, pp. 255-318, 1999.

[18] Schulz H. & Claeys M., “Kinetic modelling of Fischer-Tropsch product distributions”, Appl. Catal. A Gen., Vol. 186, pp. 91-107, 1999.

[19] Zimmerman W.H., Bukur D.B., Ledakowicz S., “Kinetic model of Fischer-Tropsch selectivity in the slurry phase”, Chem. Eng. Sci., Vol. 47, pp. 2707-2712, 1992.