Extension of the Single-Event Methodology to Metal Catalysis: Application to Fischer-Tropsch Synthesis

Extension de la méthodologie des événements constitutifs à la catalyse métallique : Application à la synthèse Fischer-Tropsch

¹ Laboratory of Chemical Technology, Ghent University, Krijgslaan 281- S5, 9000 Ghent - Belgium
² Institut français du pétrole, IFP Energies nouvelles, BP 3, 69390 Vernaison - France
e-mail: gisela.lozano@ugent.be - joris.thybaut@ugent.be - guy.marin@ugent.be - karine.surla@ifpenergiesnouvelles.fr

^⋆ Corresponding author

Abstract

The single-event methodology has been extended to metal catalysis using Fischer-Tropsch synthesis on an iron-based catalyst as case study. The reaction mechanism has been assessed in terms of elementary steps that could be categorized in reaction families such as reductive elimination, β-hydride elimination and methylene insertion. A computer code has been developed for the generation of the reaction network containing these elementary steps. The representation of reacting and intermediate species explicitly takes into account metal-carbon bonds as well as the presence of oxygen. The model has been validated using iron-based catalytic data at 623 K, 0.6 to 2.1 MPa, inlet molar H₂/CO ratio between 2 and 6. 14 parameters, among which 10 activation energies and 4 atomic chemisorption enthalpies have been adjusted to the experimental data. Experimentally observed trends in alkane and 1-alkene product yields with the carbon number were adequately reproduced as well as the individual molar yields of the non-hydrocarbon products.

Résumé

La méthodologie par événements constitutifs a été étendue à la catalyse métallique en utilisant la synthèse Fischer-Tropsch sur un catalyseur au fer comme cas d'étude. Le mécanisme réactionnel a été décomposé en étapes élémentaires qui peuvent être classées par type de réactions, telles que l'élimination réductrice, l'élimination d'hydrure en β, et l'insertion de groupe méthylène. Un code de calcul a été développé pour générer le réseau réactionnel impliquant ces étapes élémentaires. La représentation des réactifs et des espèces intermédiaires prend en compte explicitement les liaisons carbone-métal et inclut la présence d'atomes d'oxygène. Le modèle a été validé sur une base de données obtenues sur un catalyseur à base de fer à 623 K, sur une plage de 0,6 à 2,1 MPa, un ratio H₂/CO en entrée variant de 2 à 6. Quatorze paramètres, dont 10 énergies d'activation et 4 enthalpies de chimisorption atomique ont été ajustés aux données expérimentales. Les tendances observées expérimentalement pour les rendements en alcanes et alcènes-1 en fonction du nombre de carbones sont correctement reproduites, ainsi que les rendements molaires des produits non-hydrocarbures.