PROCESO FISCHER TROPSCH, Diapositivas de Ingeniería de Procesos

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YARASCA ARCOS, FELIPE ESTUARDO

DOCENTE:

ASIGNATURA:

INGENIERÍA DE PROCESOS QUÍMICOS I

ICA

Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica

Facultad de Ingeniería Química y Petroquímica

INTRODUCCIÓN

El incremento de los precios y la demanda de los combustibles, han conllevado

a la revisión de un importante número de tecnologías relacionadas con la

conversión de carbón, gas natural y biomasa a combustibles de alto valor

comercial. La síntesis de Fischer-Tropsch corresponde a una de las tecnologías

más viables, que pueden ser empleadas para la producción de combustibles

líquidos limpios, a partir del gas de síntesis; obtenido este, de fuentes de

energía renovables y no renovables, que sirvan para satisfacer la creciente

demanda de combustibles a través de su uso racional.

Dependiendo del catalizador, reactor y las condiciones de reacción, la síntesis

de Fischer-Tropsch puede ser empleada para producir una enorme gama de

hidrocarburos, tales como hidrocarburos livianos, gasolina, diesel y parafinas;

adicionalmente, la aplicación de esta tecnología ha evolucionado en el tiempo

debido al entorno económico, las legislaciones de cada uno de los gobiernos y

los requerimientos del mercado motivado por razones estratégicas. Debido a lo

anterior, en la primera mitad del siglo XX, la síntesis de Fischer-Tropsch

estaba dirigida al uso eficiente del carbón; sin embargo, luego de la Segunda

Guerra Mundial, el interés en la tecnología de Fischer-Tropsch ha estado

relacionado a la diversidad e independencia energética ya que la economía

mundial está orientada al consumo de crudo. En la década de los ochenta, el

resurgimiento de la tecnología de Fischer-Tropsch, estuvo motivada a los

problemas de utilización de las fuentes de gas no convencional, la

diversificación de las fuentes de combustibles fósiles y el aspecto medio

ambiental, así como el posible empleo de la biomasa.

Los combustibles sintéticos producidos por esta tecnología presentan un bajo

contenido de azufre y aromáticos, si se compara con la gasolina y diesel,

obtenidos del petróleo. En la actualidad, Sudáfrica es el líder mundial en

producción de estos, siendo Sasol la compañía productora con 1 006 372 m

3 por

día, de hidrocarburos líquidos a partir del gas derivado del carbón, en un

complejo integrado por tres plantas situadas cerca de Johannesburgo,

Sudáfrica.

TECNOLOGÍA GAS-

TO-LIQUIDS (GTL)

FISCHER - TROPSCH

MARCO TEÓRICO

TECNOLOGÍA GAS-

TO-LIQUIDS (GTL)

FISCHER - TROPSCH

MARCO TEÓRICO

D e m anera g eneral, el pr oceso Fi scher - Tr op sch p er mite

conver ti r una m ezcla de monóxid o de car b ono ( C O) e hi dr óg eno

( H 2

) en un hid r oca rb ur o utilizando un ca tali za do r m etálico. Sin

emb ar go, la síntesi s tiene d os cara cterí stica s f unda mental es

q ue son la inevitable pr od ucción d e un am plio inter valo de

p r od uctos hid r oca rb onad os ( olef i na s, p a raf ina s y p r od uctos

oxi gena dos), o d e otr os d e pr od uctos va rios como l os

al coholes, los al dehídos, los á cid os y ag u a, y la libera ción de

una gran cantid ad d e calor debido a q ue la s r eacciones d e

sí ntesis son a l ta m ente exotér m icas.

L a conver sión Fi scher - Tr opsch e s un p roceso m uy ef i ciente po r

su r endimiento, pero que necesita i nver siones muy imp or ta ntes

lo q ue lo hace v ulnerabl e a l a s f l uctua ci ones del p reci o del

b a rril d e petról eo. A demá s, l a eta pa de p r od ucción del ga s d e

síntesi s y sus p urif i ca ci ones p r esenta un r endimiento m uy b ajo,

l o q ue p ena l iza e l r e n d imie nto g l ob a l d el p r oceso.

FISCHER – TROPSCH

REACTORES

A través de los años ha habido un gran desarrollo después del primer reactor construido comercialmente,

estos avances se han desarrollado en las diferentes condiciones de reacción (alta y baja temperatura),

considerándose diferentes diseños para cada caso. Actualmente existen cuatro tipos de reactores, dos de

ellos consideran los requerimientos de las operaciones moderadas, y los otros se utilizan en operaciones

convencionales, debido a que se construyeron hace muchos años.

se debe hacer que los reactores más viables para procesos comerciales en la producción de hidrocarburos

pesados y relativamente pesados son específicamente dos: Reactor de Lecho fijo Multitubular y Reactor

de Lodos con Columna Burbujeante

FISCHER – TROPSCH

REACTORES

REACTOR DE LODOS CON

COLUMNA BURBUJEANTE

El reactor Slurry opera en tres fases y consiste en un lecho de catalizadores suspendidos y dispersos en

líquido (Productos FT). El gas de síntesis es burbujeado desde la parte inferior del reactor, logrando un

excelente contacto con los catalizadores. Los reactores Slurry son optimizados a baja temperatura para

una producción alta de ceras y baja de metano. Debido a que el reactor trabaja en tres fases, en la

corriente de salida de productos se obtiene una pequeña cantidad de catalizadores, los cuales son

recuperados y cargados nuevamente al reactor. Es de aclarar que el desarrollo del reactor Slurry fue

realizado en SASOL y la patente licenciada posteriormente a ExxonMobil.

VENTAJAS

• mayor control de la temperatura
• fáciles de construir
• sencillos de operar y bajo costo ( 75 % menos)
• alta conversión de productos
• menor carga y mayor tiempo de vida de los catalizadores

INCONVENIENTE

• Separación del catalizador de las ceras que

se forman

FISCHER – TROPSCH

REACTORES

LECHO FLUIDIZADO

CIRCULANTE

Estos reactores operan a 623 °K y 2 , 5 MPa. La corriente combinada de syngas y gas de reciclo entran al

reactor por la parte inferior y se ponen en contacto con los catalizadores que bajan de la tubería vertical

por medio de una válvula. La alta velocidad del gas arrastra los catalizadores (ocasionando que se lleve a

cabo la reacción) hasta la zona donde el calor es removido; luego son transportados hasta una tolva de

gran diámetro donde los catalizadores se asientan y los productos gaseosos salen del reactor por medio

de un ciclón, para que luego su temperatura se disminuya y se obtengan los productos líquidos. Los

reactores SYNTHOL son físicamente muy complejos e involucran circulación de una gran cantidad de

catalizadores. Además, poseen capacidad limitadas de 1 , 200 m 3 por día

Solo los cuatro metales del

grupo VIII : Fe, Co, Ni y Ru

tienen suficiente actividad de

hidrogenación de monóxido de

carbono para garantizar su uso

en la síntesis FT.

Comercial mente se ha

trabajado en dos distintas

for mas el proceso Fischer

Tropsch, a bajas y altas

te mperaturas, utiliza ndo

catalizadores de Fe y Co para

bajas te mper aturas, y solo el

Fe para altas te mperaturas

CATALIZADORES MÁS

UTILIZADOS EN LOS

PROCESOS FISCHER -

TROPSCH

CATALIZADOR VENTAJAS DESVENTAJAS

Hierro (Fe)

Mínima producción de hidrocarburos ligeros.

Amplio rango de fracciones de H 2

/CO en el gas de

síntesis. A altas temperaturas ( 613 °K) es ideal para

la producción de olefinas claras con una baja

selectividad hacia el metano. Mayor actividad.

Limitado para la producción de ceras pesadas.

Tiende a formar carbón, causando la

desactivación del catalizador. Se produce una

gran cantidad de agua, lo que produce una

inhibición en la actividad del catalizador,

disminuyendo el crecimiento de la cadena.

Cobalto (Co)

Mayor tiempo de vida del catalizador. Baja

tendencia a formar carburos a 473 - 573 °K y 2 , 5 - 4

MPa. Gran selectividad

a la formación de ceras. Menor costo operativo en

el proceso. Se adicionan promotores (Ru, Re o Pt)

para prevenir la desactivación del catalizador.

Menor tolerancia al azufre y al amoniaco que el

catalizador de hierro. Muy reducido el rango de

fracciones de H 2

/CO. Alto precio ( 230 veces

más que el de hierro), por lo cual es soportado

sobre óxidos de metal. Pero estos a su vez

maximizan la selectividad y la actividad del

catalizador.

Níquel (Ni)

Pose una mayor actividad que el cobalto puro.

Menos tendencia a la producción de carbón.

Forma fácilmente metal-carbonilos volátiles.

En condiciones industriales, se produce

principalmente metano.

Rutenio (Ru)

Catalizadores FT más activos. Se obtienen ceras de

alto peso molecular a temperaturas de reacción tan

bajas como 423 °K. Activado en su forma metálica

sin promotores para estabilizar su actividad.

Su alto precio ( 3 x 10

5 veces más caro que el de

hierro) lo excluye en aplicación de escala

industrial. Es limitado para estudios

académicos debido a la dificultad de controlar

la reacción.

REACCIÓN GENERAL Y

CONDICIONES DE OPERACIÓN

La síntesis de Fisher Tropsch se clasifica generalmente en dos categorías: FT a baja

temperatura ( 400 °𝐾 – 500 °𝐾) y FT a alta temperatura ( 620 °𝐾 – 720 °𝐾). La principal

ecuación de FT puede presentarse como sigue:

2

2

2

|𝑟

0

= − 152

𝐾𝐽

𝑀𝑜𝑙

La reacción produce principalmente hidrocarburos alifáticos de cadena lineal (𝐶𝑥𝐻𝑦).

Además de estos hidrocarburos de cadena lineal, los hidrocarburos ramificados, los

hidrocarburos insaturados (olefinas) y los alcoholes primarios también se forman en

pequeñas cantidades.

El tipo de líquido obtenido se determina por los parámetros del proceso (temperatura,

presión, etc.), el tipo de reactor y el catalizador utilizado.

Las condiciones de operación típicas para la síntesis de Fischer Tropsch son intervalo de

temperatura de 200 °C – 350 °C; las temperaturas más altas conducen a reacciones más

rápidas y tasas de conversión más altas, pero también tienden a favorecer la producción

de metano, y presiones de 15 𝑏𝑎𝑟 – 40 𝑏𝑎𝑟, dependiendo del proceso, el aumento de la

presión conduce a tasas de conversión más altas y también favorece la formación de

alcanos de cadena larga, los cuales son deseables. Las presiones típicas oscilan entre una

y varias decenas de atmósferas.

ETAPAS DEL PROCESO

DE FISCHER – TROPSCH El proceso Fischer-Tropsch consta de tres etapas principales y

una serie de sistemas adicionales.

En la primera etapa el gas natural previamente purificado,

reacciona con oxígeno y/o vapor, dependiendo de la reacción

utilizada, para obtener una mezcla de hidrógeno y monóxido

de carbono.

En la segunda etapa, la mezcla de gas obtenida anteriormente

es catalíticamente transformada en cadenas lineales largas de

hidrocarburos por medio de la síntesis de Fischer-Tropsch

(FT), el resultado de esta reacción es una mezcla de moléculas

que contiene de 1 a 50 o más átomos de carbono, que

posteriormente son convertidas en productos comerciales, por

medio de técnicas convencionales de refinación “upgrading”.

ESTADO ACTUAL DE LA

TECNOLOGÍA

En l a actualidad, Sudáfrica es el líder mundial en

producción de combustibles sintéticos, sien do Sasol la

compañía productora con 1 006 372 m

3

por día, de

hidrocarburos líquidos a partir del gas derivado del

carbón, en un complejo i ntegrado por tres plantas situadas

cerca de Johannesburgo, Sudáfrica. Otra planta que se

encuentra en funcionamiento en el mismo país, la cual

utiliza gas natural convencional enviado por gasoducto

desde Mozambique, y que es operada por PetroS A y Statoil,

es el denominado complejo Mossgas, el cual produce un

total de 169 825 m

3

por día, de productos GTL. Estas

plantas en Sudáfrica suplen demandas internas de

combustibles y para el caso de Sasol que utiliza reactores

synthol ava nzado en su planta en Secunda, los productos

obtenidos son principalmente especializados debido a que

se produce principalmente oleof inas y naf tas, los cuales

son expor tados a m ás de 80 países del mundo,

especialmente en Europa.

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO FISCHER TROPSCH

La síntesis de hidrocarburos líquidos a través de Fischer-Tropsch (FT) es un proceso de los

siguientes pasos:

• La generación del gas de síntesis
• El tratamiento gas de síntesis.
• La conversión de gas de síntesis.
• Separación y mejora de los productos.

Fuente. (José Antonio García Redondo, 2012)