Thermodynamically Controlled Catalysis: Equilibria in Fischer-Tropsch Synthesis

ISSN： 0008-4433

Source： Canadian Metallurgical Quarterly, Vol.34, Iss.4, 1995-10, pp. : 331-341

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Abstract

Previous treatments of the thermodynamic equilibria in Fischer-Tropsch synthesis have ignored the thermodynamic properties of the catalyst. When the assumption is made that the metal is the catalyst, the oxidation state of the gas is fixed at the P_co₂/P_co ratio, at which the metal catalyst oxidizes. Thermodynamic equilibria show that only cobalt and iron have P_CO₂ to P_CO ratios, required to maintain the catalyst element as metal, that permit longer chain hydrocarbons to form. Nickel has a higher P_co₂/P_co ratio, so that only methane is a stable synthesis product, and nickel is therefore only a methanation catalyst. Thermodynamic equilibria predict the correct operating temperatures and pressures for Fischer-Tropsch synthesis on cobalt and iron catalysts. Thermodynamic equilibria also predict linear ASF plots with characteristic high methane and low ethane values. All of the extensive database of Sarup and Wojciechowski for synthesis on a cobalt catalyst is predicted by thermodynamic equilibria with a ∆F for formation of hydrogen in cobalt being a simple linear function of the square root of the final hydrogen pressure.RésuméDes traitements anterieurs d'équilibres thermodynamiques dans la synthèse de Fischer-Tropsch ont ignoré les propriétés thermodynamiques du catalyseur. Lorsque nous assumons que le métal est le catalyseur, l'état d'oxydation du gaz est fixé par le rapport P_co₂/P_co auquelle metal catalyseur s'oxyde. Les équilibres thermodynamiques montrent que seuls le cobalt et le fer ont le rapport P_co₂ à P_co requis pour maintenir le métal comme étant l'élément catalyseur qui permet à de plus grandes chaînes d'hydrocarbons de se former. Le nickel a un plus grand rapport P_co₂/P_co ce qui fait que seul le méthane est l'élément de synthèse stable, le nickel n'est donc qu'un catalyseur de methanisation. Les équilibres thermo-dynamiques prédisent correctement les température et pression opérationnelles pour la synthèse de Fischer-Tropsch sur les catalyseurs cobalt et fer. Les équilibres thermodynamiques prédisent aussi des tracés linéaires ASF avec des valeurs caractéristiques hautes pour le méthane et basses pour l'éthane. Toutes les bases de données extensives de Sarup et Wojciechowski pour la synthèse sur catalyseur au cobalt sont prédites par les équilibres thermodynamiques, avec une formation d'hydrogène ∆F dans le cobalt qui est une fonction simple de la racine carrée de la pression finale de l'hydrogène.