GTL - Gas To Liquid

1. Defina el proceso GTL.

Una planta de GTL (“gas a líquidos”, en inglés) permite convertir gas natural en diesel, queroseno, nafta y GLP, mediante el uso de tecnologías que se conocen hace más de 50 años. El reto ha consistido en integrar las tres etapas requeridas: procesamiento y síntesis del gas, ciclo de Fischer-Tropsch y craqueo de los hidrocarburos de cadena larga, en un proceso integrado y rentable.

Entre las ventajas sobresalen que el diesel obtenido es muy limpio y permite mejorar la calidad de diesel convencional, razón por la que se reducen costos de hidrotratamiento para mejorar la calidad del combustible. Los resultados han sido tan alentadores, que se han obtenido sustanciales avances en relación con las nueve plantas construidas por los alemanes en 1945 como consecuencia de las sanciones económicas impuestas al finalizar la Primera Guerra Mundial. Hoy, la empresa sudafricana Sasol produce 160 mil barriles por día (bpd) de líquidos a partir del gas asociado al carbón mediante dos plantas existentes en cercanías a Johannesburgo. La idea es tan atractiva, que las grandes multinacionales tienen proyectos a escala industrial, cada vez con mejores resultados en términos de eficiencia: Shell construyó su primera planta de GTL en 1993 en Malasia; Conoco-Philips construyó otra en 2003 en Oklahoma, con capacidad para convertir cuatro millones de pies cúbicos por día en 400 barriles por día de diesel y nafta libres de azufre; Chevron-Texaco se asoció con Sasol y construye una planta en Nigeria para producir 34 mil bpd de líquidos y BP construyó una planta en Alaska que le permitió producir 250 bpd de líquidos en 2003.

Para que una planta de GTL sea rentable hoy, se requieren campos con reservas de gas de al menos 1,3 tpc. La historia del GTL se muestra en la siguiente gráfica.

Figura 1. Historia del proceso de GTL; Repsol 2011

2. Explique el procedimiento químico de conversión GTL.

La transformación de gas natural a combustibles líquidos ultra limpios es un proceso de pasos múltiples que involucra procesos catalíticos, en algunos casos con una gran liberación de energía, que separa las moléculas de gas natural (predominantemente metano) para formar una mezcla gaseosa de hidrógeno y monóxido de carbono. Esta mezcla es denominada gas de síntesis (syngas), y las vuelve a unir para dar lugar a moléculas más largas, debido al reacomodo de las moléculas de hidrógeno y carbono (Zeebroeck, 2002). Con esta tecnología se pueden obtener dos tipos de productos principalmente (Mcneille, 2001): hidrocarburos líquidos (diesel, nafta, queroseno, Jet-Fuel, parafinas) y Oxigenados (dimetileter y metanol). Para la obtención de estos productos, el proceso es igual hasta la generación del syngas. Luego, dependiendo del producto que se desee, los procesos catalíticos y las condiciones de la reacción cambian, ya que la polimerización de las cadenas es diferente. Para la producción de metanol la tecnología ha sido bien probada (Ramírez, 2003), pero la demanda actual de este producto es muy limitada e influenciada por la alta volatilidad de los precios. Además, su producción ha sido restringida debido a su toxicidad porque se ha encontrado que es un gran contaminante del agua. En el caso del dimetileter, la tecnología apunta a la producción en un solo paso (Fleisch, 2004), ya que actualmente se produce por la deshidratación de metanol, los costos son altos y no se ha demostrado la tecnología a gran escala. El proceso más importante en la tecnología GTL, es el proceso Fischer-Tropsch (FT) debido a que se ha aplicado a gran escala, es más versátil que los procesos para obtener productos oxigenados, y los productos obtenidos (hidrocarburos líquidos) poseen un gran mercado (Ahmad et al., 2001).

ETAPAS DEL PROCESO 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" (Apanel, 2005).

Generación del gas de síntesis

Las tecnologías para obtener el syngas, son procesos conocidos y han sido usados en muchas aplicaciones comerciales como los primeros procesos para producir hidrógeno, amoniaco y metanol (Korobitsyn et al., 2000). Actualmente existe una gran variedad de procesos entre los que se destacan:

Reformado de vapor. El reformado de vapor es un proceso endotérmico realizado en presencia o no de un catalizador (Ni/Al) a altas temperaturas (1023 - 1173 K), es usado ampliamente en la industria aunque necesita de una gran cantidad de energía y por lo tanto es muy costoso (Doria y Siallagan, 2000). La reacción que tiene lugar es:

CH4 + H2O → CO + 3 H2 ΔrH = +206 kJ mol−1

Oxidación parcial. En el proceso exotérmico de oxidación parcial, el gas natural es oxidado parcialmente con oxígeno puro para producir hidrógeno y monóxido de carbono. Este proceso es relativamente costoso debido a que el consumo de oxígeno puro requiere de una planta de separación de aire y llevar a cabo, además, la reacción sin catalizador involucra alta presión y alta temperatura. Por a esto, en algunos casos se usa como catalizador generalmente el aluminio (Schlichting, 2003). La reacción que tiene lugar es:

CH4 + 1/2O2 → CO + 2 H2 ΔrH = -38 kJ mol−1

Reformado de CO2. El proceso de reformado de CO2 es más endotérmico que el reformado de vapor. En éste se produce una fracción H2/CO de 1:1, esta relación es desventajosa para la conversión Fischer- Tropsch. La reacción tiene utilidad en una planta para transportar calor en forma química desde un lugar a otro dentro de la misma factoría. Se lleva a cabo mediante la siguiente reacción:

CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 ΔrH = +247 kJ mol−1

Reformado auto térmico. El reformado auto térmico (ATR) une ligeramente la oxidación parcial y el reformado de vapor, por lo cual ambas reacciones se llevan a cabo en un mismo reactor. Produce gas de síntesis con una relación de H2/CO aproximadamente de 2, que parece ser la óptima para la reacción Fischer- Tropsch. El aire puede ser usado directamente en lugar de oxígeno puro y el resultado es un gas de síntesis disuelto con N2, en este proceso se requieren

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