Principales etapas del proceso Fischer Tropsch (FT)

El potencial del ‘gas-to-liquid’ (GTL) para la monetización del gas natural en Colombia

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Ingeniería

La construcción de una planta de 50.000 b/d costaría cerca de US$ 1200 millones

Jesús Archila, Manuel Cabarcas y Julio César Pérez, Diciembre 2007

El actual precio del petróleo, las reservas estimadas de gas en Colombia y las perspectivas de mercado hacen viable el desarrollo de un proyecto de GTL en el país. Presentamos una reseña de las condiciones técnico-económicas que harían posible la construcción de una planta de transformación de gas natural a combustibles líquidos y cuál ha sido la evolución del tema en el mundo.

El gas natural ha recorrido un largo camino desde la época en la que sólo era un subproducto de la explotación petrolera, una molestia que se eliminaba quemándolo. Ahora, en el panorama mundial se prevé que el gas natural será el combustible más importante debido a su abundancia, tanto en yacimientos convencionales como no convencionales, a su limpieza y diversidad de aplicaciones. Estas vastas reservas requieren alternativas para su monetización, entre las que se encuentran la construcción de gasoductos, el desarrollo del gas natural licuado –GNL–, el gas natural comprimido –GNC–, la generación eléctrica, la producción de hidrógeno y el “Gas to Liquid” –GTL.

En Colombia, las reservas remanentes de gas, a diciembre 31 de 2005, fueron estimadas en 6,7 Tcf (de las cuales, 1,7 Tcf son no probadas), ubicadas principalmente en los campos de Chuchupa-Ballena en la costa caribe y en los campos Cusiana y Cupiagua del piedemonte llanero. En cuanto a reservas probables, la región de la costa atlántica posee el mayor potencial de futuros descubrimientos en Colombia, producto del éxito de las campañas de exploración iniciadas en 2003 por Ecopetrol S.A., ExxonMobil, Petrobras y más recientemente BHP Billiton, con alrededor de 34 Tcf de gas natural que, de ser probados, pondrían al país en un escenario excelente para la exportación y suministro interno a través de nuevas tecnologías alternativas, como la conversión de gas natural a combustibles sintéticos (GTL), que no sólo le permitiría a Colombia monetizar futuras reservas de gas, sino que también le facilitaría entrar a una nueva era de abastecimiento de combustibles ultralimpios.

Figura 1. Principales etapas del proceso Fischer Tropsch (FT).

La transformación de gas natural a combustibles líquidos ultralimpios –Gas To Liquid (GTL)–, es un conjunto de pasos múltiples, que involucra procesos catalíticos con una gran liberación de energía, a fin de separar las moléculas de gas natural (predominantemente metano) para formar una mezcla gaseosa de hidrógeno y monóxido de carbono, denominada gas de síntesis (syngas), y luego las vuelve a unir para dar lugar a moléculas más largas, debido al reacomodo de las moléculas de hidrógeno y carbono.

Los tres pasos fundamentales de la tecnología GTL, mediante el proceso Fischer Tropsch (figura 1), se describen a continuación:

1. Generación del gas de síntesis, syngas. En esta etapa se produce la mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono a partir del gas natural. Actualmente existe una gran variedad de procesos, entre los que se destacan: reformado de vapor, oxidación parcial, reformado de CO2, reformado autotérmico y plasma; la diferencia principal entre estos procesos es la fracción de H2/CO que se obtiene; además, difieren en condiciones de operación y tipos de catalizadores, entre otros (tabla 1).

2. Síntesis de Fischer-Tropsch (FT). En esta etapa, el syngas es convertido por medio de un catalizador de cobalto o hierro, a crudo sintético siguiendo la reacción exotérmica de Fischer Tropsch:

Los productos obtenidos dependen en gran forma de la composición del gas de síntesis, del tipo de catalizador utilizado, del tipo de reactor, las condiciones de operación y el procesamiento final de la mezcla obtenida en esta etapa. Si las condiciones de temperatura son bajas (200-240 °C) se obtiene principalmente diesel, y si son altas (300-350 °C), naftas. Los reactores deben ser diseñados de tal forma que se recupere el calor y se tenga el máximo control de la temperatura, y son generalmente operados en un rango de presiones entre 145-580 psia (10-40 bar), siendo más utilizados los reactores de baja temperatura con lechos de burbujeo en tres fases, denominadas fase slurry. La etapa de la síntesis de Fischer-Tropsch consta principalmente de: reactor FT, reciclaje y compresión del syngas no reaccionado, remoción de hidrógeno y dióxido de carbono, tratamiento del metano producido (para generar nuevamente más gas de síntesis) y recuperación de productos Fischer-Tropsch (o crudo sintético); este producto es una multicomponente y compleja mezcla de hidrocarburos (lineales y ramificados) y productos oxigenados.

3. Mejoramiento del producto. Se utiliza un hidrocraqueador, a un costo menor comparado con una refinería convencional, debido a la calidad de las cadenas largas de hidrocarburos generadas en la reacción de FT. En este proceso se consume una pequeña cantidad de H2 y se produce una pequeña porción de gas. En esta instancia, la mezcla de hidrocarburos obtenidos en la etapa anterior se convierte en productos finales como nafta, diesel y lubricantes, para luego ser comercializados en mercados internacionales o locales.

Además de las etapas nombradas existe una serie de sistemas adicionales, que incluyen el tratamiento del agua contaminada con hidrocarburo producto de la reacción de Fischer-Tropsch, los sistemas de tuberías, los sistemas de bombeo, los tanques de almacenamiento y los sistemas de carga de productos. La generación de energía eléctrica es el sistema adicional tal vez más importante, sobre todo en proyectos a gran escala, debido a que esta se obtiene a partir del calor liberado en los diferentes procesos.

Evolución histórica de la tecnología GTL. Después de la Primera Guerra Mundial las sanciones económicas impuestas obligaron a los científicos alemanes a buscar nuevas alternativas para obtener combustibles líquidos, aprovechando las abundantes reservas de carbón del país; así, en 1923, Franz Fischer y Hanz Tropsch desarrollaron un método que permitía convertir el metano obtenido al calentar carbón, en combustible diesel de alta calidad, aceites lubricantes y ceras. En 1945, las compañías químicas alemanas habían construido nueve plantas utilizando el proceso FT (para alcanzar una producción de 3 millones de toneladas de combustible sintético en el período de 1939 a 1945).

Luego de la Segunda Guerra Mundial las plantas alemanas fueron trasladadas a Rusia, donde constituyeron la base de la elaboración de ceras y productos químicos; a partir de entonces, los principales países industrializados como Japón y Estados Unidos, comenzaron a evaluar la eficiencia del proceso en diferentes condiciones, pero no lo hicieron a escala comercial debido a que la industria de exploración y explotación petrolera entró en su máximo auge gracias a los avances en la tecnología de refinación, como el craqueo y la desulfuración.

En 1950, el gobierno sudafricano crea la empresa estatal Sasol, y más tarde, en 1955, inicia operaciones en un complejo de combustibles sintéticos de 8000 b/d (denominada Sasolburg) en Johannesburgo, convirtiendo bajos bloques locales de carbón en gasolina y diesel sintético. En 1980 se construiría la planta de combustibles sintéticos a partir de carbón más grande del mundo, con una capacidad de 160.000 b/d, denominada Secunda. Debido a las consecuencias de la crisis internacional de petróleo en 1973, y la revolución iraní de 1979, resurgieron las tecnologías de conversión basadas en gas natural, guardadas momentáneamente en laboratorios de investigación de algunas de las principales compañías, primordialmente de energía.

Descripción de productos. Los productos líquidos obtenidos mediante la tecnología GTL disminuyen las emisiones de componentes contaminantes producidos por los automotores. Además, comparados con los productos destilados de una refinería convencional, poseen mayor fracción de hidrógeno a carbón (H:C), lo cual significa que se disminuyen las emisiones de material particulado y óxidos de nitrógeno (NOx), y menor cantidad de azufre y aromáticos, lo cual disminuye de gran manera las emisiones, no sólo de material particulado sino también de sulfuros.

Figura 2. Propiedades del diesel GTL.

Diesel. Puede ser hasta 70% de la producción de una planta de GTL. Es incoloro, inodoro, de baja toxicidad, posee un contenido de azufre menor de 5 ppm y aromáticos menor de 1% (figura 2), y un número de cetano mayor de 70, comparado con las especificaciones del diesel convencional de aproximadamente 50. Por las características del diesel GTL, este se convierte en un producto con amplio mercado internacional. En Europa, las especificaciones del diesel fueron reducidas en el año 2000, de 500 ppm a 350 ppm de azufre, mientras que en Japón y Estados Unidos, para el mismo año, se disminuyeron a 500 ppm. Para los próximos años se esperan reducciones mucho más estrictas: para Europa y Japón se reducirán probablemente a 10 ppm en el año 2008. Los estudios realizados en Colombia manifiestan que el diesel contiene 4500 ppm de azufre, mientras que el mal denominado “ACPM ecológico” sólo contiene 1500 ppm.

Nafta. Es el segundo producto en cantidad que se produce en una planta GTL y varía entre 15% y 25% de la producción total. Este producto es de muy elevada calidad y altamente parafínico, pero con la

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