PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE SINTÉTICO POR PROCESO GTL-FT TECNOLOGÍA

PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE SINTÉTICO POR PROCESO GTL-FT

TECNOLOGÍA

1. INTRODUCCIÓN

Este capítulo trata el aspecto tecnológico del proyecto de inversión. De esta manera se completa el estudio de ingeniería básica que fue iniciado con los análisis de localización y tamaño.

En primera instancia se describió el proceso completo de conversión del gas natural en combustibles sintéticos mediante reacción de Fischer-Tropsch, también conocido como proceso Gas-To-Liquids – Fischer-Tropsch (GTL-FT). El objetivo fue presentar en forma resumida los aspectos generales del mismo.

A continuación se identificaron las tecnologías disponibles en la actualidad y se describieron haciendo hincapié en sus ventajas y desventajas. Además, se realizó una comparación entre ellas teniendo en cuenta la mayor cantidad de aspectos tecnológicos, económicos y del proceso.

Valíendose de lo anterior, para finalizar, se concretó la elección de la tecnología óptima para el proyecto.

2. GAS-TO-LIQUIDS - FISCHER TROPSCH

2.1. Características generales

GTL-FT es un proceso de refinería que permite la obtención de combustibles sintéticos líquidos a partir de gas natural vía síntesis de Fischer-Tropsch. Consiste en 3 etapas principales:

• Conversión del gas natural rico en metano en gas de síntesis (mezcla de H2 y CO).
• Reacción de Fischer-Tropsch sobre catalizadores para dar crudo sintético.
• Upgrading o mejoramiento de ese petróleo sintético en productos finales (GLP, nafta, kerosene, gas oil, etc.).

[pic 3]

Figura 6.1.Etapas del proceso GTL-FT.

[pic 4]

2.2. Obtención de gas de síntesis

En aplicaciones Gas-to-liquids, el gas de síntesis (una mezcla gaseosa de hidrógeno y monóxido de carbono) se obtiene a partir de dos métodos principales: oxidación parcial (POX) o bien reformado autotérmico de gas natural (ATR).

Oxidación parcial (POX)

La oxidación parcial, como su nombre sugiere, consiste en combustión parcial no catalítica de los componentes del gas natural en presencia de vapor con oxígeno en una cámara de combustión a elevada temperatura y presión.

Los mecanismos químicos que intervienen en este proceso son muy complejos. Se puede hacer una interpretación simplificada si se toma el metano como materia prima:

[pic 5]

[pic 6]

[pic 7]

La primera reacción es altamente exotérmica y produce suficiente calor como para proveer a las otras dos.

La reacción neta puede escribirse como sigue:

[pic 8]

Es una reacción exotérmica y el proceso global es un productor neto de energía por lo que para una operación eficiente es importante la remoción de calor a través de calderas recuperadoras de calor.

Otra reacción a tener en cuenta porque es no deseada (produce hollín) es la descomposición del metano:

[pic 9]

La temperatura del reactor se encuentra en el rango de 1250-1500ºC y la presión entre 25 y 80 bar. El tiempo de residencia es muy corto: 2 a 5 segundos.

Este proceso produce un gas de síntesis con una relación H2/CO teórica de 2. Sin embargo, la relación práctica es menor y generalmente se encuentra entre 1,5 y 1,8. Estos valores son demasiado bajos para la síntesis de Fischer-Tropsch (por razones estequiométricas requiere una relación de 2). Para solucionar este deficit de hidrógeno, debe instalarse una unidad productora de dicho gas en paralelo.

Reformado autotérmico (ATR)

El reformado autotérmico es la combinación de la oxidación parcial y el reformado con vapor llevada a cabo en un único reactor. El calor de reacción endotérmico del reformado con vapor de metano se provee mediante la oxidación parcial del hidrocarburo en la primera sección del reactor.

El reformador presenta dos zonas diferenciadas: una de combustión y otra de reformado con vapor catalítico.

Las reacciones que toman lugar en la zona de combustión del reformador autotérmico pueden resumirse con la siguiente:

[pic 10]

Las reacciones en la zona de reformado con vapor son:

[pic 11]

[pic 12]

Se utiliza un catalizador de niquel soportado sobre magnesio-alúmina en el lecho catalítico de esta última zona del reactor.

El reactor opera generalmente en el rango de 20 a 70 bar. En cuanto a las temperaturas, la de salida de la zona de combustión oscila entre 1200-1250ºC, mientras que la del lecho catalítico está entre 850 y 1000ºC.

La ventaja que presenta este tipo de reformador en aplicaciones GTL es que permite la obtención de un gas de síntesis con una relación óptima H2/CO. Esto se puede lograr ajustando las temperaturas de precalentamiento de materias primas o bien reciclando CO2 hacia el reformador.

2.3. Síntesis de Fischer-Tropsch

La síntesis de Fischer-Tropsch es una hidrogenación catalítica de monóxido de carbono para dar un amplio rango de productos que pueden ser usados para la producción de gas oil de alta calidad, nafta y otros compuestos lineales como 1-alquenos e hidrocarburos oxigenados.

La reacción general es la siguiente:

[pic 13]

Puede verse que esta reacción es altamente exotérmica y presenta un cambio entálpico por mol de CO convertido de aproximadamente 165-180 kJ (dependiendo de la composición específica del producto). Este valor es mucho mayor si se lo compara con los procesos típicos de la industria del petróleo.

Las distintas reacciones posibles en la síntesis de Fischer-Tropsch se detallan a continuación:

• Principales:

Parafinas: [pic 14]

Olefinas:[pic 15]

Reacción cambio agua-gas: [pic 16]

• Secundarias:

Alcoholes: [pic 17]

Reacción de Boudouard: [pic 18]

Los productos de esta síntesis son principalmente hidrocarburos saturados de cadena recta que van desde el metano hasta parafinas pesadas. Pero también pueden producirse algunas olefinas y compuestos oxigenados.

El mecanismo de reacción corresponde al de una polimerización en la cual el bloque constructivo, o monómero, es la unidad -CH2-. Debido a que este mecanismo es de crecimiento en etapas, los productos formados son hidrocarburos de cadena C1+y siguen la distribución de Anderson, Schultz y Flory (ASF) que se muestra en la Figura 6.2.

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