8.5: Proceso Fischer-Tropsch para generar combustibles líquidos

8.5 Proceso Fischer-Tropsch para generar combustibles líquidos

Entonces, ¿qué se puede hacer con el gas de síntesis? Se puede quemar y usar en una turbina de gas para intercambiar calor el calor para producir vapor y operar una segunda turbina para electricidad. El gas se puede alimentar a una celda de combustible de óxido sólido para generar electricidad. También podemos usar gas de síntesis para generar combustibles, productos químicos y materiales. De hecho, la aplicación dominante del gas de síntesis a partir del carbón es la producción de hidrocarburos sintéticos para la síntesis de combustibles de transporte — Fischer Tropsch (FT). Esto es lo que se hace principalmente en Sudáfrica por la compañía Sasol y también fue uno de los métodos utilizados por los alemanes en la Segunda Guerra Mundial para generar combustibles líquidos; de hecho, la licuefacción directa fue el principal método utilizado para producir combustibles líquidos en Alemania en la década de 1940. Sin embargo, no es el único proceso de gasificación a líquidos. Como se señala en la Lección 4, la reacción de síntesis de FT puede ser presentada por:

CO + nH ₂ → (-CH ₂ −) x + H ₂ O

Estamos tomando átomos de carbono y construyéndolos como alcanos, conteniendo hasta por lo menos 20 átomos de carbono. Realmente es un proceso de polimerización, y sigue las estadísticas de polimerización. La Figura 8.9 muestra una función estadística de polimerización típica. No obtendrá un solo alcano puro del proceso FT, y habrá una distribución de productos. Al igual que con todas las reacciones químicas, tendrá variables de reacción para ajustar, como temperatura, presión, residencia y adición de un catalizador. Mediante la selección hábil de variables (T, P, t y catalizador), podemos, en principio, hacer cualquier cosa, desde metano hasta ceras de alto peso molecular. La intención es maximizar la producción de combustible líquido para el transporte.

Figura 8.9: Estadística de polimerización para la síntesis de FT, donde W _x es la fracción en peso del compuesto con x átomos.

Crédito: Dra. Caroline B. Clifford

El proceso primario para FT es el Proceso Synthol; el esquema se muestra en la Figura 8.10. El gas de síntesis entra en el reactor a 2.2 MPa de presión y 315-330°C, el producto sale del reactor donde se recupera el catalizador, los aceites son retirados por un depurador de hidrocarburos y el gas de cola recuperado. La parte de gas se recicla y el resto del material se destila en gasolina, combustible para aviones y fracciones de diesel. El reactor Synthol es un reactor de lecho fluido que utiliza un catalizador a base de hierro.

Figura 8.10: Esquema del proceso de Synthol para la producción de líquidos FT.

Haga clic aquí para ver una alternativa de texto de la figura 8.10

Esquema del Proceso Synthol para la producción de líquidos FT:

El gas de síntesis ingresa al reactor de sintol. A partir de ahí se mueve hacia el catalizador recuperar. El gas puede entonces regresar al reactor de sintol o proceder al depurador de HC donde se introduce el petróleo pesado. Los aceites pesados disueltos se eliminan y todo lo demás pasa a la recuperación de gas alto. Luego se recicla el gas alto y todo lo demás pasa a la destilación donde pasa a convertirse en gasolina, combustible para aviones y diesel.

Crédito: Dra. Caroline B. Clifford

Los líquidos producidos producen combustibles muy limpios. El producto es casi cero azufre y bajo en compuestos aromáticos, y está compuesto principalmente por alcanos de cadena lineal. Al considerar la reacción carbono-vapor, es una reacción endotérmica (la gasificación, necesidad de agregar calor). En este caso, la reacción es “hacia atrás”, o yendo en otra dirección. Por lo tanto, la reacción de síntesis de FT es una reacción exotérmica. Debido a que la reacción es exotérmica, se genera calor, por lo que los reactores Synthol tienen tubos internos de enfriamiento con vapor que al calentarse generan vapor de alta presión que puede ser utilizado en otros procesos.

El combustible diesel FT es un combustible diesel de alta calidad: queremos tener alcanos lineales, bajo contenido de aromáticos y bajo contenido de azufre. El combustible diesel FT tiene los tres aspectos del combustible diesel que queremos, y tiene un número de cetano ≥ 70; es un combustible diesel ideal (recordemos que un buen combustible diesel tiene un número de cetano de 55).

El combustible para aviones hecho de síntesis FT hace un combustible decente. Es bajo en contenido aromático y de azufre. Es el primer combustible para aviones de base biológica que ha sido certificado para su uso en aviones y ha sido probado en mezclas con las principales aerolíneas (Virgin). Sin embargo, para su uso en jets militares, debe ser mezclado porque los diseños más nuevos utilizan el combustible como refrigerante para la electrónica, ya que el combustible puede tener problemas en estos aviones. Por ejemplo, los alcanos tienen la densidad más baja de varias clases de compuestos en el combustible para aviones, por lo que el combustible para aviones FT tiene una densidad volumétrica límite. También es probable que los alcanos experimenten reacciones de pirólisis a ciertas altas temperaturas, y si el combustible se usa como fluido de intercambio de calor para reducir la carga de calor, puede ocurrir la formación de carbono; esto es principalmente un problema para algunos de los aviones militares a reacción más nuevos.

La gasolina FT que sale directamente de la reacción no es una gasolina grande, ya que tiene un índice de octanaje bajo. Recordemos que los alcanos ramificados y los compuestos aromáticos tienen mayores índices de octano. Dado que los compuestos FT tienden a ser alcanos de cadena lineal, se requiere la isomerización y se debe usar un catalizador apropiado para el reformado catalítico.

La ubicación principal para la gasificación y la síntesis de FT se encuentra en Sudáfrica: la gasolina que se vende en Sudáfrica tiene un índice de octano de 93. Una planta integrada también producirá aromáticos, ceras, gas líquido de petróleo, alcoholes, cetonas y fenoles además de combustibles de hidrocarburos líquidos. El razonamiento detrás de la comercialización de múltiples productos es porque todos los productos subirán y bajarán de precio; cuando algo sube de precio, haces más de ello, cuando algo baja de precio, puedes ganar menos. Esta es una forma para que las plantas maximicen sus ganancias.

Producción de Metanol

El gas de síntesis también se puede utilizar para producir metanol, CH3OH. La tecnología actual para hacer metanol es bastante madura. Normalmente se utiliza gas natural como materia prima, que es reformado con vapor para hacer CO e hidrógeno:

CH ₄ + H ₂ O → CO + H ₂

Luego el metanol se sintetiza por la reacción:

CO + 2H ₂ → CH ₃ OH

Sin embargo, otra reacción de síntesis de metanol permite que el CO2 esté en el gas de alimentación:

CO ₂ + 3H ₂ → CH ₃ OH + H ₂ O

Pero debido a que el agua y el metanol son infinitamente solubles, se requiere un paso adicional aguas abajo para aislar el metanol del agua. Las condiciones de operación típicas en el reactor de síntesis de metanol son 5-10 MPa de presión, 250-270°C, usando un catalizador de cobre/zinc. La reacción es extremadamente exotérmica, por lo que se debe eliminar el calor para mantener la reacción bajo control. Similar a la reacción FT, el reactor tiene un intercambiador de calor de carcasa y tubo donde el refrigerante circula a través de la carcasa, y las partículas de catalizador se empaquetan en los tubos donde fluyen los líquidos reaccionantes/producto. La Figura 8.11 muestra un esquema del proceso de síntesis de metanol.

Figura 8.11: Esquema del proceso de síntesis de metanol.

Crédito: Dra. Caroline B. Clifford

Entonces, ¿para qué se puede usar el metanol? Periódicamente se utiliza como reemplazo de la gasolina, particularmente para el combustible de carreras, ya que tiene un alto índice de octanaje. No tiene azufre en él, casi no producirá NO _X debido a la baja temperatura de llama y se puede mezclar con gasolina.

También hay algunas desventajas al usar metanol como combustible. Es infinitamente miscible con el agua, tiene problemas de salud y seguridad, proporciona solo la mitad de la densidad de energía volumétrica de la gasolina, y puede tener problemas de compatibilidad con los materiales en algunos vehículos.

Anualmente se producen y manejan enormes tonelajes de metanol con excelente seguridad, pero dentro de la industria de procesos químicos. No obstante, si el público en general está manejando metanol, la seguridad puede ser un problema, porque el metanol tiene propiedades tóxicas. El metanol está siendo considerado seriamente como el combustible de elección en el uso de celdas de combustible. Sin embargo, existe un proceso para convertir el metanol directamente en gasolina, por lo que las preocupaciones sobre el metanol no son un problema entonces.

Metanol a gasolina (MTG)

El metanol se puede utilizar para hacer un producto de gasolina. El proceso utiliza un catalizador especial de zeolita con tamaño de poro tal que moléculas de hasta C10 pueden salir del catalizador. Con este proceso no se pueden hacer moléculas más grandes; por lo tanto, se elabora un producto sin moléculas de carbono mayores a C10, que hierve en el rango de la gasolina. En este proceso, se elaboran aromáticos y alcanos de cadena ramificada, lo que significa que el proceso MTG produce gasolina de muy alto octanaje. La gasolina es el único producto. En la reacción, el metanol se convierte en éter dimetílico (que puede ser un buen combustible diesel) mediante la siguiente reacción:

2CH ₃ OH→CH ₃ OCH ₃ + H ₂ O

A medida que avanza la reacción, el éter dimetílico se deshidrata más a los hidrocarburos producto. La reacción general es:

CH ₃ OH → − (CH ₂) −n + H ₂ O

Al igual que con las otras reacciones que hemos visto en esta sección de la lección, la reacción es altamente exotérmica, por lo que el reactor y el proceso tienen que diseñarse para eliminar el calor de la reacción y mantenerla bajo control. Las condiciones para esta reacción son 330-400°C y 2.3 MPa. Si uno quisiera imaginar cómo una planta podría incorporar todos estos procesos juntos, lo siguiente sería un escenario:

1. Agregue una unidad MTG a las plantas existentes de metanol alimentadas con gas natural (produzca gasolina de alto octanaje).
2. Reemplazar las unidades de gas natural con gasificación de carbón y/o biomasa y acondicionamiento de gas.
3. Agregar trenes paralelos de reactores Synthol (producir diesel alto en cetano).
4. Agregue una tercera sección, utilizando una celda de combustible de óxido sólido para generar electricidad utilizando gas de síntesis como material de alimentación.

Luego, la planta produce gasolina, diesel y electricidad.