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gas de sintesis
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1. MARCO TEÓRICO
Los siguientes conceptos ayudarán a entender el proceso en la obtención de diesel a
partir del Gas Natural y su debida importancia, los instrumentos y/o equipos que
intervienen en el proceso; específicamente en los parámetros de diseño y su
funcionamiento a través de una simulación.
2.1. ACONDICIONAMIENTO DE LA CORRIENTE DE GAS NATURAL PROVENIENTE DEL CAMPO VÍBORA
La cromatografía que usamos es la del campo Víbora, que tiene los siguientes
porcentajes molares que son:
Tabla 2.1. Cromatografía del Gas Natural.
Componente Porcentaje Molar
c1 84.979
c2 6.082
c3 3.339
ic4 0.436
nc4 1.081
ic5 0,257
nc5 0,302
nc6 0,22
c7+ 0,254
n2 2.431
co2 0,619
Fuente: YPFB Transporte
Tendremos como temperatura y presión de operación 100°F y 950Psia y un
flujo de gas de 100 MMSCFD. El tratamiento de gas se lleva a cabo con las
siguientes operaciones.
El proceso empieza con el acondicionamiento del flujo del gas natural a través
de la deshidratación con Glicol debido a que el límite permisible de agua es de
7 lb H2O/MMSCF de gas húmedo; luego pasa al proceso de generación de gas
de síntesis, a la unidad de absorción de CO2, proceso de Fischer Tropsh,
hidrocraqueo y finalmente se obtiene el diesel sintético.
2.2. DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL
El gas natural, como está producido, contiene normalmente vapor de agua. El
agua deberá ser removida a un punto típico de un contenido de 7 libras/MMPC
de gas húmedo para la mayoría de los sistemas de transmisión de gas, hacia
un tan bajo como el parcial ppm de agua y puntos de condensación al menos
de -150°F de un tratamiento aguas arriba de equipos criogénicos. El retiro del
agua, o deshidratación, se realiza para prevenir la formación de hidrato (y como
congelación potencial) o corrosión en la recolección de gas, sistema de
transmisión o planta de tratamiento.
Hay varias opciones de proceso que pueden ser utilizadas para llevar a cabo la
deshidratación.
Enfriamiento debajo del punto de condensación inicial
Absorción con desecantes líquidos (como glicol)
Adsorción con desecantes sólidos (como tamiz molecular)
Absorción con delicuescentes sólidos (como cloruro de calcio)
En nuestro proyecto utilizamos un desecante líquido, como ser el glicol.
2.3. PROCESO GTL
El cambio de gas natural a líquidos es un proceso químico realizado para la
producción de carburantes líquidos sintéticos. A través de esta tecnología GTL
del gas natural, se obtiene diesel oil, jet fuel y naftas, combustibles ambientales
limpio o ecológicos.
2.3.1. TECNOLOGÍAS MÁS UTILIZADAS EN LA PRODUCCIÓN DE DIESEL GTL
Existen tres etapas básicas en la tecnología GTL (gas a líquidos):
Primera etapa: Generación del Gas de Síntesis
Segunda etapa: Producción de petróleo sintético (Conversión del
Gas de Síntesis).
Tercera etapa: Hidroproceso (Hidrogenación del petróleo sintético).
2.3.2. TECNOLOGÍAS PARA LA GENERACIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS
La alimentación que proviene de diferentes corrientes, para la generación
del gas de síntesis se la puede resumir en la siguiente tabla que se
muestra a continuación:
Figura 2.1. Tecnologías de producción de hidrogeno.
Fuente: Refino del Petroleo.
Donde daremos importancia a la formación que se lleva a cabo a través
del gas natural para la formación de gas de síntesis. Para convertir el gas
natural (en su mayoría CH4)en syngas (una mezcla de H2 y CO), se
tienen los siguientes procesos:
Reformado por vapor de agua
Una de sus principales ventajas es la no utilización de una planta
criogénica de O2, sin embargo puesto que estos reformadores son
más costosos que los de oxidación parcial y auto térmicos, existe una
capacidad de planta sobre el cual la economía de escala de una
planta criogénica de O2 en conjunto con un proceso de oxidación o
reformador auto térmico son más baratos que el reformador por
vapor de agua.
Otras desventajas de este tipo de reformadores son:
o Una relación de syngas de H2/CO mayor a 4
o Baja conversión de CH4
o Velocidad de consumo de agua muy alta
Recirculando el CO2 y removiendo el exceso de H2 a través de
membranas puede ser disminuida la relación H2/CO a niveles más
aceptables para elproceso Fischer Tropsch.
Debido a que la conversión de CH4 es función de la presión de
operación, se debe disminuir esta para el incremento de dicha
conversión. Debido a los costos relacionados con estas etapas, el
uso de reformadores de vapor será más apropiado cuando se tengas
las siguientes condiciones:
o Una planta GTL relativamente pequeña con una capacidad
relativamente menor a 10000 bpd
o El exceso de H2 puede ser utilizado para la producción de
metanol o amoniaco cuando el gas natural contiene elevado
grado de CO2
o Cuando las cantidades de agua puedan ser obtenidas a bajo
costo.
Oxidación parcial
La combustión parcial no catalítica del CH4 produce syngas con una
relación H2/CO menores a 2, la cual se considera cercana a la óptima
requerida por la sección de Fischer Tropsch. Esta relación resulta de
la poca cantidad de vapor que es utilizado en el proceso.
Debido a la ausencia de catalizador, la temperatura puede superar los
1400 °C. Estas temperaturas altas y la falta de catalizadores otorgan
las siguientes desventajas a estos reformadores:
o Formación de hollín y altos niveles de amoniaco y ácido
cianhídrico para los cuales se utilizara un absorbedor que limpie
el gas
o Altos consumos de O2
o Debido a la ausencia de la reacción de gas-agua, el CH4 no
convertido y el producido en las reacciones F-T no pueden ser
recirculados al reformador sin eliminar el CO2 del gas obtenido
de la cola del F-T
Dependiendo de la energía necesaria en la planta, el syngas del
reformador puede ser enfriado con agua o por la producción de vapor
en un intercambiador de calor.
Reformado Autotérmico
A diferencia del reformador por oxidación parcial, el autotérmico utiliza
un catalizador para reformar el gas natural a Syngas en presencia de
vapor y O2
Debido a las condiciones de operación (Tsal=1000 °C aprox.) y el uso
de vapor con una relación vapor/carbón (S/C) normalmente más de
1.3, el syngasesta libre de hollín y posee una porción mínima de
amoniaco y HCN.
Sin embargo para una relación S/C=1.3, se tendrá una razón
H2/CO=2.5 aproximadamente, la cual es considerada alta.
La última relación puede ser controlada por la variación de S/C y
reciclo de CO2 al reformador
Aunque relaciones de S/C por debajo de 1.3 no son comercialmente
utilizadas, HaldorTopsoe y Sasol han completado satisfactoriamente
pruebas para bajas relaciones S/C en escalas comerciales en plantas
de Sasol para combustibles sintéticos en Sud África.
Reformado por combinación (2 etapas)
Al combinar un reformador de metano con vapor (SMR) y un
reformador autotérmico puede ser obtenida una mejor utilización de la
energía que usando por separado estas tecnologías.
Para combinar el trabajo que realiza un reformador de vapor y un
autotérmico, se debe considerar que se obtendrá un relativo
incremento de energía en comparación a las otras tecnologías
Dependiendo del grado de energía de integración y las condiciones
de operación, la eficiencia térmica para esta tecnología en una planta
de GTL será mejorada alrededor de 1 o 2%
Aunque este tipo de reformador es menos costoso que el reformador
con vapor y más que el autotérmico, la selección se basará en el
costo del gas natural.
Tabla 2.2. Comparación de las tecnologías para la generación del gas de síntesis
Fuente: Evan Green, “Fuel processing technology” Vol.71, 2001
Figura 2.2. Comparación de las tecnologías para la generación del gas de síntesis
según la relación de H2/CO.
Fuente: Evan Green, “Fuel processing technology” Vol.71, 2001
Reacciones en la Unidad de Gas de Síntesis
Se tiene las siguientes reacciones, para la obtención de syngas a
partir del gas natural:
Cinética de las reacciones
En cuanto a la cinética de reacción del reformador de metano se
tiene:
Figura 2.3. Contantes Cinéticas
Fuente: Evan Green, “Fuel processing technology” Vol.71, 2001
2.3.3. TECNOLOGÍAS PARA EL PROCESO FISCHER-TROPSCH
Consta de los siguientes puntos:
