Processo di Fischer-Tropsch: reazioni, usi, catalizzatori
Il processo di Fischer–Tropsch è un processo industriale in cui si ottengono, a partire da syngas ovvero da una miscela di gas costituita prevalentemente da monossido di carbonio e idrogeno, idrocarburi liquidi.
Attualmente il processo di Fischer-Tropsch ha una posizione rilevante nella ricerca di fonti alternative al petrolio per l’ottenimento di idrocarburi liquidi. Durante la Seconda Guerra Mondiale questo processo fornì i combustibili idrocarburici liquidi necessari per lo sforzo bellico tedesco.
Da allora, sono stati apportati molti perfezionamenti e adattamenti alla tecnologia, incluso lo sviluppo del catalizzatore e la progettazione del reattore.
Reazioni nel processo di Fischer-Tropsch
Il processo di Fischer-Tropsch detto anche sintesi di Fischer-Tropsch si basa sulla reazione tra il monossido di carbonio e l’idrogeno. Essi sono convertiti in una varietà di idrocarburi secondo una reazione che può essere schematizzata come segue:
(2n +1) H2 + n CO → CnH2n+2 + n H2O
dove n è un numero intero. Se n = 1 la reazione rappresenta la formazione del metano che, tuttavia, nella maggior parte delle applicazioni è considerato un sottoprodotto indesiderato. Le condizioni per la realizzazione del processo sono solitamente scelte per massimizzare la formazione di combustibili liquidi idrocarburici di peso molecolare più elevato che sono i prodotti di valore maggiore.
Dal processo si possono ottenere anche le olefine secondo la reazione:
2n H2 + n CO → CnH2n + n H2O
Vi sono, tuttavia, reazioni collaterali tra cui la reazione tra monossido di carbonio e vapore acqueo:
CO + H2O → H2 + CO2
A seconda del catalizzatore, della temperatura e del tipo di processo impiegato, si possono ottenere idrocarburi che vanno dal metano a idrocarburi con un maggior numero di atomi di carbonio.
Si formano anche piccole quantità di prodotti ossigenati a basso peso molecolare come alcol e acidi organici.
La reazione di sintesi di Fischer-Tropsch è, al livello teorico, una reazione di polimerizzazione per condensazione di monossido di carbonio. Pertanto i prodotti obbediscono a una ben definita distribuzione del peso molecolare secondo la relazione nota come distribuzione di Shultz-Flory.
Catalizzatori
Lo sviluppo dei catalizzatori si è concentrato principalmente per la produzione di alcani lineari ad alto peso molecolare e di combustibili diesel. I catalizzatori utilizzati nel processo sono tipicamente metalli di transizione come ferro, cobalto, nichel e rutenio.
Il nichel tuttavia è generalmente scartato in quanto tende a formare prevalentemente metano mentre il rutenio che ha caratteristiche ottimali ha costi troppo elevati. Sono quindi utilizzati catalizzatori a base di cobalto o ferro e questi ultimi contengono almeno un certo numero di promotori come potassio e rame e supporti ad alta area superficiale come silice o allumina.
I catalizzatori a base di ferro possono essere utilizzati sia in regime ad alta temperatura (300-350 ° C) che in regime a bassa temperatura (220-270 ° C), mentre i catalizzatori di cobalto sono utilizzati solo nell’intervallo a bassa temperatura ma hanno un costo molto maggiore di quelli a base di ferro.
Sia i catalizzatori a base di ferro e specialmente quelli a base di cobalto sono sensibili alla presenza di composti dello zolfo e possono essere disattivati da essi.
Usi
Il processo che fu messo a punto negli anni ’20 dello scorso secolo costituisce ancora oggi una valida opzione per l’ottenimento di combustibili anche alla luce del fatto che è un’alternativa al petrolio che è una fonte energetica non rinnovabile.
Il syngas utilizzato nel processo può derivare oltre che da gas naturale anche da carbone o biomassa. La gassificazione della biomassa sta guadagnando interessi crescenti da parte del mondo accademico e dell’industria a causa della sua capacità di produrre combustibili puliti a emissioni zero e rispettosi dell’ambiente; tali tipi di combustibili possono aiutare a soddisfare la crescente domanda di energia a livello globale e a soddisfare le normative ambientali più severe in futuro
