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Gas to Liquid (GTL) en Bolivia
Practica de Campo Página 1
INTRODUCCIÓN
La transformación de gas natural a combustibles líquidos ultralimpios conocida como
Gas To Liquid (GTL), es un conjunto de pasos múltiples, que involucra procesos
catalíticos con una gran liberación de energía, a fin de separar las moléculas de gasnatural (predominantemente metano) para formar una mezcla gaseosa de hidrógeno
y monóxido de carbono, denominada gas de síntesis (syngas), y luego las vuelve a
unir para dar lugar a moléculas más largas, debido al reacomodo de las moléculas de
hidrógeno y carbono, obteniéndose así el “petróleo sintético”.
• El petróleo sintético contienen gas licuado, gasolinas, diesel oíl, productos máspesados.
• Prácticamente este proceso es la conversión de gas natural en diese oíl.
• Existen varias tecnologías desarrolladas y probadas a nivel mundial, las que seenumeran a continuación:
- Rentech
- Shell
- Syntroleum
El proceso GTL cuenta con las siguientes etapas:
• ETAPA 1: PRODUCCIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS.
• ETAPA 2: CONVERSIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS A LÍQUIDOS(PETRÓLEO SINTÉTICO)
• ETAPA 3: SEPERACIÓN DE PETRÓLEO A PRODUCTOS REFINADOS
Como antecedente se tiene que luego de la Primera Guerra Mundial, las sancioneseconómicas impuestas impulsaron a los científicos alemanes a explorar formas desintetizar el petróleo líquido proveniente de los abundantes recursos de carbón delpaís.
El proceso que se utilizo para dicho fin fue Fischer-Tropsch desarrollado en 1923 por Franz Fischer y Hans Tropsch en el Instituto Kaiser-Wilhelm de Investigación delCarbón de Mülheim en Alemania, permitió convertir el metano obtenido de calentar carbón en combustible diesel de alta calidad, aceite lubricante y ceras.
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Gas to Liquid (GTL) en Bolivia
Practica de Campo Página 2
PROYECTO: GTL- PRODUCCIÓN DE DIESEL OIL ECOLÓGICO
El proyecto tiene como objetivo la producción en Bolivia de Diesel Oil ecológico
destinado a abastecer el mercado interno a fin de sustituir la importación y por tanto
la subvención de Diesel Oíl importado. El consumo de Gas Natural que se requierees de 4.4 MMmcd por módulo y se supone la puesta en marcha el primer módulo el
año 2015.
La planta GTL de Bolivia será la primera planta comercial en América del Sur donde
se convertirá el Gas Natural a hidrocarburo líquido, que después puede ser
utilizado en combustible para el transporte, mayormente Diesel Oil.
La tecnología de Gas a Líquidos (GTL) comprende la conversión de Gas Natural
por medio de la catálisis química Fischer – Tropsch (FT) a hidrocarburos líquidos.
Aunque la síntesis de Fischer – Tropsch, (el corazón del proceso), es nueva para
Bolivia, en realidad esta tecnología es bastante antigua, data desde 1923. El
Gráfico No. 1.3 expone el proceso de tecnología de transformación del GTL:
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El Gráfico No. 1.4 expone la evaluación de las inversiones asociadas a una planta
de Gas To Liquids (GTL) con capacidad de 15,000 bpd de productos de GTL,
utilizando Gas Natural producido en Bolivia, específicamente en el área del Gran
Chaco.
Finalmente señalar que tanto la ejecución de estos proyectos, como la participación
de YPFB en ellos, son altamente ventajosos para el país en su conjunto, pues:
Se eliminan 200 millones de dólares anuales de subsidio al Diesel Oil
importado
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Gas to Liquid (GTL) en Bolivia
Practica de Campo Página 4
Se inicia la Industrialización del Gas Natural en nuestro país
Se logra la independencia energética de nuestro país.
Se re-inicia la actividad de producción y exploración e industrialización con
participación directa de YPFB.
GTL: PRODUCCION DE DIESEL MEDIANTE LA INDUSTRIALIZACION DEL
GAS EN BOLIVIA
SOCIEDAD ANONIMA MIXTA ENTRE YPFB Y GTL BOLIVIA S.A.
El estudio de los proyectos de GTLB para la implementación, en territorio boliviano,
de plantas de transformación de gas natural en diesel, confirma que cuentan con el
necesario y suficiente respaldo técnico; tecnológico y económico. La ejecución de
varios proyectos en diferentes regiones del país arroja resultados económicos
positivos. La inmediata ejecución de estos proyectos es de alta prioridad para YPFB.
INFORME ESCRITO: PRINCIAPALES RESULTADOS
1. Como primera etapa, se recomendó la instalación, en paralelo, de dos plantas de
GTL, para producir diesel para el mercado interno:
Una de 2.500 BPD a ser ubicada en el departamento de Cochabamba, cerca
del Campo Carrasco.
Otra de 10.000 BPD a ser ubicada en el Departamento de Santa Cruz, en el
Campo El Palmar.
2. Como segunda etapa, se recomendó la instalación, en paralelo, de dos plantas
adicionales de GTL:
Una de 10.000 BPD a ser ubicada en el Departamento de Tarija
Otra de 10.000 BPD a ser ubicada en el Departamento de Potosí, para el
mercado chileno y de ultramar.
3. Como tercera etapase recomendó la instalación de una planta de GTL de 100.000
BPD, para la exportación de diesel ecológico, en las cercanías de los mega campos
del sur del país.
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Gas to Liquid (GTL) en Bolivia
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GTL: ESTUDIOS DE INGENIERIA, 10.000 BPD
1. El año 2000, GTLB contrató a la empresa Bechtel (EEUU), la cual preparó dos
estudios de factibilidad: uno para una planta de 10.000 y otro para 50.000 BPD.
2. En el año 2002 GTLB firmó un Acuerdo de Entendimiento (MOU) con la empresa
francesa Total.
3. El año 2002 GTL Bolivia contrató a la prestigiosa empresa Jacobs Engineering, de
Londres, para realizar el estudio de ingeniería para una planta de GTL de 10.000
BPD. Los especialistas de Paris de la empresa Total supervisaron detalladamente el
estudio, el cual fue de alta satisfacción para Total.
4. Posteriormente se realizó un estudio adicional específico sobre la tecnología F-Tde Rentech. Para ello Total contrató a 5 de los mejores expertos del mundo en el
proceso F-T. Los resultados también fueron altamente satisfactorios.
5. En base a todos los estudios anteriores, GTL Bolivia posee un sofisticado modelo
técnico-económico elcual permite evaluar la rentabilidad del proyecto en diferentes
condiciones.
GTL: PRIMERA PLANTA DE 10.000 BPD
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Gas to Liquid (GTL) en Bolivia
Practica de Campo Página 6
Cronograma de inversión: GTL 10.000 BPD
ETAPAS DEL PROCESO FISCHER-TROPSCH
El proceso Fischer-Tropsch consta de tres etapas principales y una serie de
sistemas adicionales (Figura 1).
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Gas to Liquid (GTL) en Bolivia
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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 catalítica-mente transformada en cadenas lineales largas de hidro-carburos 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 car-bono, 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 pro-ducir hidrógeno, amoniaco y metanol (Korobitsyn etal., 2000). Actualmente existe una gran
variedad de procesos entre los que se destacan:
a) Reformado de vapor.
b) Oxidación parcial.
c) Reformado de CO2
d) Reformado auto térmico.
e) Plasma.
a) 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:
b) Oxidación parcial: En el proceso exotérmico de oxidación parcial, el gas
natural es oxidado parcial-mente 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
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temperatura. Por a esto, en algunos casos se usa como catalizador
generalmente el aluminio (Schlichting, 2003). La reacción que tiene lugar es:
C) 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:
D) 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 reactores ligeramente más grandes que la oxidación parcial, pero seelimina la planta de separación para obtener oxígeno puro, de esta forma se
reduce el costo del capital para la construcción de la planta. La reacción se
lleva a cabo con un catalizador de níquel a altas temperaturas (1173 -1273 K)
y presiones moderadas (1,6 - 2 MPa). Este proceso con aire es aplicado
comercialmente por empresas como Syntroleum, donde el nitrógeno es
retirado después de realizar la conversión Fischer-Tropsch (Holmes y Agge
2003).E) Plasma: El sistema de plasma es un método alterna-tivo para la producción
del syngas por medio del cual la electricidad provee la energía necesaria para
llevar a cabo la reacción en procesos endotérmicos. Se puede utilizar si los
altos costos de energía son viables. Se re-quieren 50-70 KW por cada 0,16
m3de líquido sintético producido (Blutke et al., 1999), y a altas temperaturas
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se obtienen los mejores resultados (sin utilizar oxígeno). La principal
desventaja de este proceso es su eficiencia comparada con las otras
tecnologías para la obtención del syngas, la cual se encuentra alrededor del
50%. Pero últimamente se han realizado una gran cantidad de estudios y
generado patentes, principalmente por empresas como TCC socia de
Rentech.
Tabla 2. Principales tecnologías comerciales para la obtención del Syngas
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Síntesis de Fischer-Tropsch (FT)
En esta etapa el syngas es convertido por medio de un catalizador de hierro o
cobalto, a crudo sintético siguiendo principalmente la reacción de Fischer- Tropsch:
Los productos obtenidos dependen en gran medida de la composición del gas de
síntesis (fracción H2/CO), tipo de catalizador utilizado, tipo de reactor, condiciones de
operación (presión y temperatura) y del procesamiento final de la mezcla obtenida en
esta etapa.
Si las condiciones de temperatura son bajas (473 -513 K) se obtiene principalmente
diesel (Espinoza et al., 1999), y si son altas (573 – 623 K) se obtiene principalmente
gasolina (Stergaršek, 2004).
Los productos de la síntesis Fischer-Tropsch for-man una compleja mezcla
multicomponente con una variación sustancial en el número de carbono y tipo de
producto. Los productos principales son parafinas lineales y α-oleofinas. Según(Anderson, 1956)
Reactores FT
La reacción FT es altamente exotérmica por lo cual el principal desafío para el
diseño de los reactores es remover el calor liberado, ya que si no se realiza
eficientemente se genera sobrecalentamiento, ocasionando altos depósitos de
carbón sobre el catalizador y una formación abundante de metano.
A través de los años ha habido un gran desarrollo después del primer reac-tor
construido comercialmente, estos avances se han desarrollado en las diferentes
condiciones de reacción
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Figura 2. Reactores Fischer-Tropsch. (Jager, 2003)
(alta y baja temperatura), considerándose diferentes diseños para cada caso.
Actualmente existen cuatro tipos de reactores (Figura 2), 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 (Heydenrich,
2005). Originalmente los reactores de lecho fijo fueron utilizados para todas las
operaciones a baja temperatura; mas tarde fueron diseñados como reactores de
lecho fijo multi-tubulares; son utilizados comercialmente por Sasol en Sudáfrica
quienes los denominan ARGE, y Shell en Malasia, típicamente operan entre 453-523
K a un rango de presiones entre 1 – 1,5 MPa (Jager, 2003). Bajo estas condiciones
el reactor opera en tres fases (gas, líquido y sólido). En cuanto a los reactores a alta
temperatura de lecho fluidizado que operan en dos fases (gas y sólido), su interés en
operaciones moder-nas ha disminuido drásticamente, principalmente por los altos
costos de operación y construcción que estos representan (Steynberg et al., 1999).
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Tabla 3. Principales catalizadores utilizados en la reacción Fischer-Tropsch
Química de la Síntesis de FT
La parte intrínseca de la cinética de la síntesis Fis-cher-Tropsch (FT) es el gradual
aumento de la cadena, en efecto, es una polimerización de los grupos metilo (-CH2-)
en presencia del catalizador. La reacción de Fischer-Tropsch es una manera muy
fácil de repre-sentar lo descrito anteriormente, pero realmente se llevan a cabo
reacciones simultáneas para producir un amplio rango de oleofinas, parafinas, y
componentes oxigenados (alcoholes, aldehídos, y ácidos).
También se realiza la reacción de Bourdouard (2CO ↔ Cs+CO2), la cual es la
responsable de producir el carbón que se deposita sobre los catalizadores
ocasionando su desactivación (Stuart, 2003). Además, como se men-cionó
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Practica de Campo Página 13
anteriormente, si se utilizan los catalizadores de hierro se genera la reacción
secundaria denominada WGS. Teóricamente sólo el metano puede producirse en un
100%; el otro producto que se puede producir a una alta fracción son las ceras
pesadas, lo cual se logra principalmente utilizando catalizadores de Co, el cual
poseen una probabilidad de crecimiento de la cadena mayor que el Fe (Figura 3).
La gasolina tiene un valor máximo de 4% en peso, la máxima fracción de diesel es
de aproximadamente 40% y varía dependiendo del número de carbonos (Senden y
Post, 1992).
Mejoramiento del producto
La última etapa es la unidad de mejoramiento del producto, en la cual se utiliza un
hidrocraqueador, a un costo menor comparado con una refinería de crudo, de-bido a
la calidad de las cadenas largas de hidrocarburos.
En este proceso se consume una pequeña cantidad de H2y se produce una pequeña
cantidad de gas (Courty y Gruson, 2001). Aparte de esto, es independiente de las
unidades de todo el proceso ya que la generación del gas de síntesis debe estar
sincronizada con la síntesis de Fischer-Tropsch.
En esta instancia las ceras obtenidas de la etapa anterior se convierten en losproductos finales como: nafta, diesel y lubricantes, para luego ser comercia-lizados
en mercados internacionales o locales.
Estos productos poseen mejores propiedades comparadas con los obtenidos de la
refinación convencional de crudo; los productos líquidos tienen menor cantidad de
aromáticos, no contienen azufre, nitrógeno y metales, y están constituidos
principalmente de parafinas.
Estas características colocan a los productos en un lugar privilegiado en el mercado,
debido principalmente a las especificaciones y regulaciones, que en el presente y en
el futuro cercano están exigiendo los entes medio-ambientales y los acuerdos
internacionales entre países desarrollados (Yost y Owens, 2003).
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Practica de Campo Página 14
El diesel GTL se puede obtener en una planta de este tipo hasta en un 0%. Este es
incoloro, inodoro, y de baja toxicidad, posee un contenido de azufre menor a 5ppm y
aromáticos menor al 1%, posee un número de cetano mayor de 0, comparado con
las especifica-ciones del diesel convencional de aproximadamente 50
(SasolChevron, 2005).
Por las características del diesel GTL, este se convierte en un producto con un
amplio mercado internacional, ya que presenta me-jores especificaciones de calidad,
y menor descarga en emisiones de partículas contaminantes, que las requeridas en
el futuro (Rahmim, 2003), por los entes reguladores ambientales (Japón y Estados
Unidos, 30 ppm de contenido de azufre para el año 2003).
La nafta es el segundo producto en cantidad que se produce en una planta GTL yvaría entre el 15 y el 25% de la producción total, dependiendo del tipo de proceso
que se utilice. Este producto es de muy alta calidad y áltamente parafínico; pero con
la desventaja que pre-senta un bajo octanaje y por lo tanto no es adecuado para
abastecer motores a gasolina. Por otra parte es ideal como alimento para la
manufactura de etileno y parafina natural. La nafta GTL posee un octanaje (ROM) de
40, mucho menor que el octanaje de la gasolina convencional de 83 (Rahmim, 2005).
Sistemas adicionales
Además de las etapas nombradas anteriormente exis-ten una serie de sistemas
adicionales. Estos incluyen el tratamiento del agua contaminada con hidrocarburo
que se produce de la reacción de Fischer-Tropsch para que luego ésta se utilice en
los sistemas de vapor y necesi-dades generales del personal de la planta; los
sistemas de tuberías que se encargan del alto flujo de calor de las unidades de
procesamiento de hidrocarburos y el flujo de las unidades de procesamiento del gas
(Clarke y Ghaemmaghami, 2003); sistemas de bombeo encar-gados de dar
movimiento a las grandes cantidades de hidrocarburo; sistemas de calentamiento
para lograr que el hidrocarburo llegue a su punto de burbuja durante la etapa de
destilación; tanques de almacenamiento y sistemas de carga de productos.
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La generación de energía eléctrica es el sistema adicional tal vez más importante,
más aun en proyectos a gran escala, ya que ofrecen la facilidad de transformar el
calor liberado de los dife-rentes procesos.
También se requiere la construcción de la infraestructura de administración, talleres,bodegas, contenedores, facilidades médicas, especialmente para proyectos a gran
escala en locaciones remotas, donde estas construcciones pueden ser temporales o
en algunos casos móviles (Wheeler, 2003).
Comparación de líquidos obtenidos del Gas Natural y del Petróleo
La conversión del gas natural a combustible liquido también beneficia almedioambiente en dos notables aspectos: primero los hidrocarburos resultantes
sonpuros y de conversión limpia. Son incoloros, inodoros y baja toxicidad.Los combustibles líquidos destilados a partir del petróleo crudo contienen típicamenteazufre, nitrógeno, compuestos aromáticos y otras impurezas. Durante la combustiónestos combustibles a base de crudo emiten monóxido de carbono, óxidos de azufre yóxidos de nitrógeno, así como sustancias en partículas; elementos que contribuyen ala contaminación del aire y el efecto invernadero .
Cuadro comparativo del proceso Fischer-Tropsch y la construcción de plantas
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Gas to Liquid (GTL) en Bolivia
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BIBLIOGRAFIA:
PLAN DE INVERSIONES YPFB CORPORACIÓN 2009-2015http://scienti.colciencias.gov.co:8084/publindex/docs/articulos/0122-5383/2291522/2303752http://www.olade.org/fier2007/Documents/PDF-36.pdf