Influence of forced feed composition cycling on catalytic methanol synthesis

Authors

  • A. Nappi,

    1. Department of Chemical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1
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    • Corso F. Turati 15/H, 10128 Torino, Italy.

  • L. Fabbricino,

    1. Department of Chemical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1
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    • Zenon Environmental Inc., 845 Harrington Court, Burlington, Ontario, Canada L7N 3P3.

  • R. R. Hudgins,

    1. Department of Chemical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1
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  • P. L. Silveston

    Corresponding author
    1. Department of Chemical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1
    • Department of Chemical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1
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Abstract

Studies have been carried out between 230 and 270°C and 1.97 and 2.93 MPa total pressure on the synthesis of methanol over an industrial catalyst of the copper-zinc oxide-alumina type using a gradientless reactor. Two modes of forced feed composition cycling were explored: periodic variations of the mole fraction of H2 and CO and periodic variation of the CO2 content. The latter mode substantially improved methanol production and suppressed the parasitic formation of methane, while the former mode had just the opposite effect. Measurements of methanol, methane and CO during a cycle as well as separate observations of the response to step-changes in concentration indicated substantial storage of CO on the catalyst surface. Rapid response of methane to the CO2 content suggests over-reduced areas of the catalyst surface are responsible for methane formation and that these regions are readily oxidized. CO2 or H2O associated with methane formation appear to relate to the dynamics of methanol formation.

Abstract

On a étudié, entre 230°C et 270°C et sous une pression totale de 2.93 MPa, la synthèse du méthanol sur un catalyseur industriel du type cuivre-oxyde de zinc-alumine, en employant un réacteur sans gradient. On a exploré deux modes de cyclage forcé de la composition de l'alimentation, à savoir (a) des variations péiodiques de la fraction molaire de H2 et CO et (b) des variations périodiques de la teneur en CO2. Le second mode a amélioré, d'une manière importante la production du méthanol et a supprimé la formation parasite du méthane, tandis que le premier mode a eu l'effet contraire. Les mesures des concentrations de méthanol, de méthane et de CO, durant un cycle, de même que des observations de la réponse à des demandes échelon de la concentration ont indiqué une accumulation importante de CO sur la surface du catalyseur. La réponse rapide du méthane à une augmentation de la teneur en CO2 suggère que des régions trop réduites de la surface du catalyseur sont responsables de la formation du méthane et que ces régions sont facilement réoxydées. La relation entre la formation du méthane et la concentration du CO2 ou de H2O semble liée à la dynamique de la formation du méthanol.

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