Ingenieria Petrolera

14

Proceso de Fischer-TropschMateria:PetroqumicaNombre:Ever Marco Fernandez Calle4789067Hector Miguel Portillo Viscarra 9070146Grover Jos Quispe Aruquipa9120707Curso:6 SemestreFecha:11 de Abril de 2014

LA PAZ BOLIVIAProceso de Fischer-Tropsch1. IntroduccinEn la rama petroquimica se necesita tener conocimiento de lo que es el proceso de obtencin de gas de sntesis FTS. La tecnologa de Fischer-Tropsch (FT) es el ncleo de muchos procesos de conversin de gas natural o carbn para la obtencin de hidrocarburos. En primer lugar, la materia prima se oxida parcialmente hasta producir una mezcla de CO y H2. En una segunda etapa, el gas de sntesis se transforma en una mezcla de agua y largas cadenas lineales de parafinas. Por ltimo, estos hidrocarburos se someten a una nueva hidrogenacin o hidrocraqueo para producir unos destilados intermedios limpios.2. Propsito

Observar y analizar el proceso de obtencin de gas de sntesis FTS. Fischer-Tropsch.

3. Planteamiento del problemaDesconocimiento de lo que ocurre en los proceso de obtencin de gas de sntesis FTS. Fischer-Tropsch.

4. MARCO TEORICOMediante sofisticadas tcnicas de anlisis superficial se ha llegado a la conclusin de que el mecanismo de reaccin de la sntesis de FT podra ser el siguiente una vez obtenido el gas de sntesis. 1. Iniciacin de las cadenas de carbonos a partir de la quimisorcin de CO en la superficie del catalizador.

2. Formacin de los bloques primarios de CH2. 3. Crecimiento de las cadenas de carbonos. 4. Terminacin de las cadenas de carbonos.

Se debe tener en cuenta que la fabricacin del gas de sntesis es la parte ms cara de la planta de obtencin de hidrocarburos. Los pasos que se han de seguir en FT deben tener como objetivo el tratamiento del gas de sntesis de la forma ms eficiente posible, ya que las consideraciones de selectividad son muy importantes.La viabilidad econmica de este proceso depende del precio del crudo que ha variado considerablemente en los ltimos 30 aos.Estudios realizados a cerca de la sntesis de Fischer-TropschPara describir el comportamiento de la superficie del cobalto en las condiciones de reaccin de FT, se llevan a cabo dos experimentos que combinan las reacciones de la clula de reaccin a elevada presin de un equipo de UHV (ultra-high vacuum) con otras tcnicas como la XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). Los experimentos se muestran en una estructura dinmica del modelo de catlisis en las condiciones de una hidrogenacin del CO. Despus de exponer a la reaccin del gas de sntesis a una temperatura de 523K y 4 bar, la estructura cambia considerablemente, por ejemplo la densidad y la superficie de la partcula aunque el tamao apenas vara. Estos defectos pueden ser provocados por el recocido del Co a altas presiones y parece que estas partculas son incapaces de adsorber CO en una medida cuantificable. Es decir, que existen una serie de hidrocarburos situados en esos defectos y por tanto no hay una atmosfera pura de CO. En resumen, se observa que los defectos son centros activos de la sntesis de hidrocarburos en las reacciones de FT y esto es de gran importancia para el desarrollo y las futuras mejoras de este proceso.ProductosEl producto obtenido a la salida de un reactor de Fischer-Tropsch consiste en una mezcla de hidrocarburos con una distribucin muy amplia de pesos moleculares, que van desde los gases hasta las ceras pasando por la gasolina, el keroseno y el gasleo. La naturaleza y proporcin de los productos depende del tipo de reactor y de catalizador. En general los procesos que operan a alta temperatura producen una mayora de gasolinas olefnicas mientras que los de baja temperatura dan sobre todo gasleos parafnicos.Reactores empleados en el proceso de Fischer-TropschLa sntesis de FT, est controlada en la mayora de las reacciones que la integran, por la cintica, puesto que todas ellas se encuentran lejos de alcanzar el equilibrio. Esta es una de las razones por las cuales el control de la temperatura es muy importante. Otra razn es que a elevadas temperaturas, aumenta la formacin de CH4, producto indeseado en el proceso de FT, adems de favorecerse la deposicin de carbn que puede causar la desintegracin de los catalizadores. Para garantizar el control de la temperatura se emplean cambiadores de calor alimentados con agua, a partir de los cuales se puede obtener vapor de gran calidad, lo que hace que el proceso sea altamente eficaz. Para conseguir una gran eficiencia, una de las posibilidades es colocar el catalizador en el interior de tubos estrechos que se encuentren rodeados por el agua del cambiador de calor y hacer pasar por el interior de los tubos un flujo elevado de gas de sntesis, de esta manera, se disminuye la distancia entre las partculas de catalizador y la superficie de intercambio de calor y se mejora la eficacia del proceso.A lo largo de la historia se han utilizado cuatro tipos principales dereactoresindustriales para desarrollar las reacciones FT: Reactor tubular en lecho fijo. Sasol denominaArgea su reactor de este tipo y lo opera a 220-260C y 20-30 bar. Reactor de lecho circulante (llamadoSyntholpor Sasol), operado a 350C y 25 bar. Produce sobre todo gasolina olefnica. Reactor de lecho fluidizado (Sasol Advanced Synthol), similar en operacin alSyntholpero de menor tamao para misma capacidad de produccin. Reactor "slurry", en el que el catalizador se encuentra en suspensin en un lquido (a menudo ceras producidas por la propia reaccin) en el cual se burbujea el gas de sntesis. Normalmente estos reactores trabajan a baja temperatura para producir un mximo de productos de alto peso molecular.Una desventaja obvia de los reactores tipo slurry, es que, en la produccin de ceras, es necesaria la posterior separacin de dichas ceras de las partculas de catalizador suspendidas.Existen dos modos de operacin para los procesos FT, procesos a elevadas temperaturas (300-350 C), con catalizador con base de hierro para producir gasolina y olefinas lineales de bajo peso molecular, y a bajas temperaturas (200-240C), empleando catalizadores con base de cobalto para producir ceras lineales de elevado peso molecular. Al aumentar la temperatura de operacin, se produce un cambio en la selectividad de la catlisis provocando una disminucin del nmero de carbonos producidos y una mayor cantidad de productos de hidrogenacin. El grado de ramificacin y la cantidad de productos secundarios (cetonas y aromticos) tambin aumenta. Este es un motivo ms por el cual es importante el control de la temperatura del proceso.Proceso de Fischer-TropschLa compleja produccin de gas de sntesis purificado (mezcla de H2 y CO) provoca un gasto del orden del 60 o 70% del total de los costes de la planta, por lo que se prefiere el metano y no el carbn como materia prima. Cuando se emplean catalizadores de cobalto, la reaccin dominante es la propia reaccin de obtencin de hidrocarburos:

O+2drocarbons +2 O (7)

Pero en el caso de catalizadores con base de hierro, la reaccin de WGS (water-gas shift) tambin ocurre de forma paralela. O+2O2+2 (8) Para bajas temperaturas del proceso de FT (LTFT), la relacin tpica de H2/CO es de 1.7. A altas temperaturas, la WGS es rpida y llega al equilibrio haciendo que el CO2 se convierta, tambin, en un producto del FT.Anlisis del rendimiento del proceso de Fischer-TropschEl objetivo final del proceso de FT, como en cualquier otro, es optimizar al mximo la produccin de hidrocarburos. A continuacin se muestra el estudio del rendimiento del proceso de FT. En la figura 1, se muestra, que para un catalizador con una composicin atmica de 100Fe-4.4Si-0.71K, se obtiene una conversin de aproximadamente el 67 del CO con un flujo de gas de sntesis de 10 L h-1(gFe)-1, y que para aumentar esta conversin hasta el 90%, debe disminuirse el flujo hasta 3.1 L h-1(gFe)-1. Esto significa que la velocidad de transformacin de gas de sntesis en hidrocarburos disminuye al aumentar la conversin de CO.

Grfica 1. Conversin de CO ( ), H2( ) y gas de snesis (H2/CO=0.7)( ) en funcin del inverso de la velocidad (270C y 1.31MPa). Una parte del CO se emplea en la formacin paralela de CO2 (reaccin WGS) y no en la obtencin de hidrocarburos, sin embargo, como muestra la grfica 2, cuanto menor sea la conversin de CO, mayor es la fraccin de hidrocarburos obtenidos por unidad de CO transformado.

Grfica 2. Fraccin de CO transformado en hidrocarburos a diferentes conversiones de CO (270C, 1.31 MPa, H2/CO=0.7) Las consideraciones anteriores implican que es beneficioso para el proceso de FT trabajar con conversiones de CO bajas (entre 0.1 y 0.4). Para el catalizador con base de hierro estudiado (100Fe-4.4Si-0.71K), la cantidad transformada de CO por unidad de volumen de reactor aparece representado en la grfica 3 para diferentes tiempos de reaccin. Puede verse como la velocidad decrece con el tiempo de reaccin, alcanzando un mximo a tiempos de reaccin bajos. Del mismo modo, la produccin de hidrocarburos disminuye al aumentar el tiempo de reaccin, con un mximo en el mismo punto. Esto se recoge en la grfica 4. La produccin de CO2, tambin disminuye a medida que avanza la reaccin (grfica 5), pero el mximo se alcanza para un valor intermedio de tiempo 9 de reaccin. De modo que, en resumen, en base a la productividad del reactor de hidrocarburos, la velocidad espacial de gas de sntesis ser elevada para conseguir (1) el completo aprovechamiento de la actividad del catalizador y (2) la mxima produccin de hidrocarburos sin causar una produccin excesiva de CO2.Para alcanzar la mxima productividad del proceso de FT empleando la conversin de CO ms baja posible y el flujo permitido de gas de sntesis ms alto, existen dos opciones: recircular el gas de sntesis sin transformar que abandona el reactor (figura 1) o utilizar varios reactores en serie (figura 2).

Figura 2. Reactor con recirculacin de gas de sntesis

Figura 1. Reactores en serieProceso de Fischer-Tropsch en la industriaActualmente, en las tres plantas de Sasol, la fuente primaria del gas de sntesis es la gasificacin del carbn llevada a cabo en gasificadores Lurgi dry-ash, donde el carbn se encuentra a una temperatura de unos 600C y por tanto se producen alquitranes aromticos, combustibles y naftas y fenoles as como amoniaco; y estos sern separados hasta conseguir productos comerciales. En la zona de gasificacin, donde la temperatura es de 1200C y la presin de 3 MPa, se produce una importante cantidad de metano. Despus de la purificacin, al eliminar el exceso de CO2, de H2S y de otros compuestos sulfricos orgnicos, el gas de sntesis contiene un 11% de metano. La planta de Mossgas utiliza metano, que es catalticamente reformado en dos etapas, primero en un reactor multitubular seguido de un reactor autotrmico. En las plantas de Shell, la fuente primaria del gas de sntesis, proviene de la oxidacin parcial, no cataltica, del metano a alta presin y a 1400C. Por ltimo, en el proceso propuesto por Syntroleum, el metano se reforma a baja presin en un reactor air blown, eliminando la necesidad de una planta de produccin de oxigeno integrada. El proceso de FT se lleva a cabo a bajas presiones. UtilidadEl gasoil obtenido mediante el proceso Fischer-Tropsch (abreviado FT) tiene las ventajas de apenas contenerazufre(con lo cual respeta de forma natural las duras reglamentaciones en vigor en Europa) y tener un altondice de cetano, gracias a su bajo contenido en aromticos. Por ello, es un combustible con fcil salida al mercado.Sin embargo, tanto el gasoil como la gasolina y los otros productos FT pueden obtenerse de forma ms sencilla y barata mediante elrefino de petrleo. Las plantas FT son caras de construir y presentan toda una serie de problemas medioambientales. Su uso se justifica slo si el petrleo es particularmente caro o escaso y se dispone de una fuente alternativa de hidrocarburos barata o cercana, por ejemplo:carbn,gas natural, desechos vegetales o residuos pesados de refineras.La produccin de gasolina y gasoil a partir de carbn va el proceso FT sera positiva desde el punto de vista de la independencia energtica para los pases que disponen de carbn y no de petrleo, pero sera negativa en cuanto al impacto sobre elcambio climtico. La emisin total deCO2para el combustible obtenido de carbn via FT es aproximadamente dos veces superior a la del mismo tipo de combustible obtenido mediante refino de petrleo. El CO2no es emitido en la reaccin de FT en s misma sino en la etapa previa de gasificacin y en la posterior combustin del gas de sntesis no convertido. Si bien el proceso de gasificacin tericamente permite la captura y secuestro del CO2, a da de hoy (2006) an no existe ninguna planta de gasificacin a escala industrial que incluya esta opcin. Slo si se utilizabiomasa como materia prima puede el proceso FT alcanzar un nivel de emisiones de gases de efecto invernadero comparables o incluso inferiores a las del petrleo.El proceso FT no es la nica va para convertir carbn en combustibles lquidos. La alternativa principal es lalicuefaccin directa del carbn, que sufre de ms o menos las mismas desventajas que la va FT.En cuanto al FT a partir de gas natural, slo es rentable econmicamente si algn obstculo impide la comercializacin directa del gas. Ello ocurre por ejemplo en yacimientos pequeos situados lejos de los terminales delicuefaccin.

5. CONCLUSIONES Se pudo complementar a los conceptos ya adquiridos en clases. Se pudo conocer a fondo el proceso de obtencin de gas de sntesis FTS. Fischer-Tropsch. La conclusin a la que se llega, es que no es una tarea sencilla elegir el tipo de reactor para un determinado proceso de sntesis, ya que cada uno de ellos tiene sus limitaciones dependiendo del producto requerido y de las condiciones de operacin.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS Mateos Quiroga, Daniel y otros (Junio 2006). Nuevas tecnologas y productos basados en el gas de sntesis.Cuadernos de Energa(n13). http://iqtma.uva.es/estudios/asig/eiq2/Maite/BIB/grupoA_pareja1_bibliografia.pdf Fischer-Tropsch synthesis: process considerations based on performance of iron-based catalysts Ajoy Raje, Juan R. Inga and Burtron H. Davis Center for Applied Energy Research. University of Kentucky. 3572 Iron Works Pike, Lexington,KY 40511, USA. Ao de publicacin 1997.

PETROQUIMICA