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.
Nel processo di Fischer-Tropsch 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 del processo di Fischer-Tropsch
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
Confronto tra processo Bergius e processo di Fischer-Tropsch
Il processo Bergius e il processo di Fischer-Tropsch rappresentano due strategie storiche per la produzione di carburanti sintetici da fonti non petrolifere, sviluppate entrambe in Germania nella prima metà del XX secolo. Pur avendo come obiettivo comune la sintesi di idrocarburi liquidi, si basano su principi chimici differenti, con approcci e implicazioni tecnologiche distinte.
Il processo Bergius, si fonda sull’idrogenazione diretta del carbone. In esso, il carbone, finemente polverizzato, viene miscelato con un agente legante (come il catrame) e un catalizzatore, e successivamente trattato con idrogeno molecolare ad altissima pressione (circa 200 atm) e ad alta temperatura (intorno ai 450 °C). La reazione avviene in fase liquida e consente di ottenere direttamente una miscela di idrocarburi, prevalentemente nella forma di benzina, gasolio e frazioni medie.
Al contrario, il processo di processo di Fischer-Tropsch, si articola in due fasi distinte. In un primo stadio, si effettua la gassificazione del carbone o di un’altra fonte carboniosa per ottenere syngas, ovvero una miscela di monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H₂). Nella fase successiva, questo syngas viene fatto reagire su un catalizzatore metallico (generalmente ferro o cobalto) a temperature comprese tra 150 e 300 °C e a pressioni più moderate (10–40 atm), generando una vasta gamma di idrocarburi a catena lineare, alcoli, cere e carburanti liquidi.
Una delle principali differenze tra i due processi risiede nella gestione della materia prima: il Bergius lavora direttamente sul carbone, mentre il processo di Fischer-Tropsch necessita di un syngas intermedio. Ciò implica che il processo Bergius sia intrinsecamente più diretto, ma anche più severo dal punto di vista ingegneristico, richiedendo impianti capaci di resistere a condizioni estreme di pressione e temperatura.
In termini di prodotti finali, il processo Bergius fornisce idrocarburi prevalentemente di peso molecolare medio, ideali come carburanti liquidi, con una composizione relativamente omogenea e priva di composti aromatici. Il processo di processo di Fischer-Tropsch, invece, può essere modulato in base al catalizzatore e alle condizioni operative per ottenere un’ampia gamma di composti, inclusi carburanti diesel di altissima purezza, gas sintetico, alcheni e cere.
Dal punto di vista della flessibilità e della sostenibilità, il processo di Fischer-Tropsch mostra un netto vantaggio. Infatti, il syngas può essere ottenuto non solo dal carbone, ma anche da gas naturale (GTL, Gas to Liquids) e da biomasse (BTL, Biomass to Liquids), rendendolo un processo più adattabile alle esigenze della transizione energetica. Il Bergius, invece, resta vincolato all’utilizzo del carbone, una risorsa abbondante ma ad alto impatto ambientale.
Pertanto mentre il processo Bergius ha rappresentato una pietra miliare nella storia della chimica industriale per la produzione di combustibili sintetici, il processo di Fischer-Tropsch grazie alla sua maggiore versatilità, efficienza e compatibilità con fonti rinnovabili, si è affermato come la base delle moderne tecnologie per la produzione sostenibile di carburanti liquidi.
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il 2 Ottobre 2020