Proceso de Fischer-Tropsch
Reacciones químicas que convierten el monóxido de carbono y el hidrógeno en hidrocarburos líquidos.

El proceso Fischer-Tropsch (FT) es un conjunto de reacciones químicas que convierten una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno , conocida como gas de síntesis , en hidrocarburos líquidos . Estas reacciones ocurren en presencia de catalizadores metálicos , normalmente a temperaturas de 150 a 300 °C (302 a 572 °F) y presiones de una a varias decenas de atmósferas. El proceso Fischer-Tropsch es una reacción importante tanto en la licuefacción del carbón como en la tecnología de conversión de gas a líquido para producir hidrocarburos líquidos. [1]

En la implementación habitual, el monóxido de carbono y el hidrógeno, las materias primas para FT, se producen a partir de carbón , gas natural o biomasa en un proceso conocido como gasificación . El proceso luego convierte estos gases en aceite lubricante sintético y combustible sintético . [2] Este proceso ha recibido atención intermitente como una fuente de combustible diésel con bajo contenido de azufre y para abordar el suministro o el costo de los hidrocarburos derivados del petróleo. El proceso Fischer-Tropsch se analiza como un paso para producir combustibles de hidrocarburos líquidos neutros en carbono a partir de CO2 e hidrógeno. [3] [4] [5]

El proceso fue desarrollado por primera vez por Franz Fischer y Hans Tropsch en el Instituto Kaiser Wilhelm para la Investigación del Carbón en Mülheim an der Ruhr , Alemania, en 1925. [6]

Mecanismo de reacción

El metilidinetricobaltnonacarbonilo es una molécula que ilustra el tipo de especie de carbono reducido que se especula que ocurre en el proceso Fischer-Tropsch.

El proceso Fischer-Tropsch implica una serie de reacciones químicas que producen una variedad de hidrocarburos, idealmente con la fórmula (C n H 2 n +2 ). Las reacciones más útiles producen alcanos, como se indica a continuación: [7]

(2 norte + 1) H 2 + norte  CO → C norte H 2 norte +2 + norte  H 2 O

donde n es típicamente 10–20. La formación de metano ( n = 1) no es deseada. La mayoría de los alcanos producidos tienden a ser de cadena lineal, adecuados como combustible diésel . Además de la formación de alcanos, las reacciones competitivas dan pequeñas cantidades de alquenos , así como alcoholes y otros hidrocarburos oxigenados. [8]

La reacción es una reacción altamente exotérmica debido a una entalpía de reacción estándar (ΔH) de -165 kJ/mol de CO combinado. [9]

Intermedios de Fischer-Tropsch y reacciones elementales

La conversión de una mezcla de H2 y CO en productos alifáticos es una reacción de varios pasos con varios compuestos intermedios. El crecimiento de la cadena de hidrocarburos puede visualizarse como una secuencia repetida en la que se añaden átomos de hidrógeno al carbono y al oxígeno, se rompe el enlace C–O y se forma un nuevo enlace C–C. Para un grupo –CH2– producido por CO + 2 H2 → (CH2 ) + H2O , son necesarias varias reacciones:

  • Adsorción asociativa de CO
  • División del enlace C-O
  • Adsorción disociativa de 2 H 2
  • Transferencia de 2 H al oxígeno para producir H 2 O
  • Desorción de H 2 O
  • Transferencia de 2 H al carbono para producir CH 2

La conversión de CO a alcanos implica la hidrogenación de CO, la hidrogenólisis (escisión con H 2 ) de enlaces C–O y la formación de enlaces C–C. Se supone que estas reacciones proceden a través de la formación inicial de carbonilos metálicos unidos a la superficie . Se especula que el ligando CO sufre disociación, posiblemente en ligandos de óxido y carburo . [10] Otros intermediarios potenciales son varios fragmentos C 1 , incluidos formilo (CHO) , hidroxicarbeno (HCOH), hidroximetilo (CH 2 OH), metilo (CH 3 ), metileno (CH 2 ), metilidina (CH) e hidroximetilidina (COH). Además, y de manera crítica para la producción de combustibles líquidos, están las reacciones que forman enlaces C–C, como la inserción migratoria . Se han simulado muchas reacciones estequiométricas relacionadas en grupos metálicos discretos , pero los catalizadores homogéneos de Fischer-Tropsch no tienen importancia comercial.

La adición de alcohol marcado isotópicamente a la corriente de alimentación da como resultado la incorporación de alcoholes al producto. Esta observación establece la facilidad de escisión del enlace C-O. El uso de etileno y propeno marcados con 14 C sobre catalizadores de cobalto da como resultado la incorporación de estas olefinas en la cadena en crecimiento. Por lo tanto, la reacción de crecimiento de la cadena parece involucrar tanto la "inserción de olefina" como la "inserción de CO". [11]

8 CO + 17 yo 2 ⟶ do 8 yo 18 + 8 yo 2 Oh {\displaystyle {\ce {8 CO + 17 H2 -> C8H18 + 8 H2O}}}

Materias primas: gasificación

Las plantas Fischer-Tropsch asociadas con biomasa o carbón o materias primas sólidas relacionadas (fuentes de carbono) primero deben convertir el combustible sólido en gases. Estos gases incluyen CO, H 2 y alcanos. Esta conversión se llama gasificación . [12] El gas de síntesis ("syngas") se obtiene de la gasificación de biomasa/carbón y es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. La relación H 2 :CO se ajusta utilizando la reacción de desplazamiento de agua-gas . Las plantas FT basadas en carbón producen cantidades variables de CO 2 , dependiendo de la fuente de energía del proceso de gasificación. Sin embargo, la mayoría de las plantas basadas en carbón dependen del carbón de alimentación para satisfacer todos los requisitos energéticos del proceso.

Materias primas: GTL

El monóxido de carbono para la catálisis de FT se deriva de los hidrocarburos. En la tecnología de gas a líquido (GTL), los hidrocarburos son materiales de bajo peso molecular que a menudo se desecharían o quemarían. El gas remanente proporciona un gas relativamente barato. Para que la GTL sea comercialmente viable, el gas debe seguir siendo relativamente más barato que el petróleo.

Se requieren varias reacciones para obtener los reactivos gaseosos necesarios para la catálisis FT . En primer lugar, los gases reactivos que entran en un reactor deben desulfurarse . De lo contrario, las impurezas que contienen azufre desactivan (" envenenan ") los catalizadores necesarios para las reacciones FT. [8] [7]

Se emplean varias reacciones para ajustar la relación H2 : CO. La más importante es la reacción de desplazamiento de agua-gas , que proporciona una fuente de hidrógeno a expensas del monóxido de carbono: [8]

yo 2 Oh + CO ⟶ yo 2 + CO 2 {\displaystyle {\ce {H2O + CO -> H2 + CO2}}}

Para las plantas FT que utilizan metano como materia prima , otra reacción importante es el reformado en seco , que convierte el metano en CO y H 2 :

es 4 + CO 2 ⟶ 2 CO + 2 yo 2 {\displaystyle {\ce {CH4 + CO2 -> 2CO + 2H2}}}

Condiciones del proceso

En general, el proceso Fischer-Tropsch se opera en un rango de temperatura de 150 a 300 °C (302 a 572 °F). Las temperaturas más altas conducen a reacciones más rápidas y tasas de conversión más altas, pero también tienden a favorecer la producción de metano. Por esta razón, la temperatura generalmente se mantiene en la parte baja a media del rango. El aumento de la presión conduce a tasas de conversión más altas y también favorece la formación de alcanos de cadena larga , ambos deseables. Las presiones típicas varían de una a varias decenas de atmósferas. Presiones incluso más altas serían favorables, pero los beneficios pueden no justificar los costos adicionales del equipo de alta presión, y las presiones más altas pueden conducir a la desactivación del catalizador a través de la formación de coque .

Se puede utilizar una variedad de composiciones de gas de síntesis. Para los catalizadores basados ​​en cobalto, la relación óptima de H2 : CO es de alrededor de 1,8 a 2,1. Los catalizadores basados ​​en hierro pueden tolerar relaciones más bajas, debido a la actividad de reacción de desplazamiento de agua-gas intrínseca del catalizador de hierro . Esta reactividad puede ser importante para el gas de síntesis derivado del carbón o la biomasa, que tienden a tener relaciones de H2:CO relativamente bajas ( < 1).

Diseño del reactor del proceso Fischer-Tropsch

La eliminación eficiente del calor del reactor es la necesidad básica de los reactores FT, ya que estas reacciones se caracterizan por una alta exotermicidad. Se analizan cuatro tipos de reactores:

Reactor multitubular de lecho fijo

Este tipo de reactor contiene varios tubos de diámetros pequeños. Estos tubos contienen catalizadores y están rodeados de agua de refrigeración que elimina el calor de la reacción. Un reactor de lecho fijo es adecuado para operar a bajas temperaturas y tiene un límite de temperatura superior de 257 °C (530 K). El exceso de temperatura provoca la deposición de carbono y, por lo tanto, el bloqueo del reactor. Dado que grandes cantidades de los productos formados están en estado líquido, este tipo de reactor también puede denominarse sistema de reactor de flujo lento.

Reactor de flujo arrastrado

Este tipo de reactor contiene dos bancos de intercambiadores de calor que eliminan el calor; el resto del calor es eliminado por los productos y reciclado en el sistema. Se debe evitar la formación de ceras pesadas, ya que se condensan en el catalizador y forman aglomeraciones. Esto conduce a la fluidización. Por lo tanto, los tubos ascendentes funcionan a más de 297 °C (570 K).

Reactores de lodos

La eliminación del calor se realiza mediante serpentines de refrigeración internos. El gas de síntesis se hace burbujear a través de los productos cerosos y el catalizador finamente dividido que está suspendido en el medio líquido. Esto también proporciona agitación del contenido del reactor. El tamaño de partícula del catalizador reduce las limitaciones de transferencia de calor y masa por difusión. Una temperatura más baja en el reactor produce un producto más viscoso y una temperatura más alta (> 297 °C, 570 K) da un espectro de producto no deseado. Además, la separación del producto del catalizador es un problema.

Reactores de lecho fluido y de catalizador circulante (riser)

Estos se utilizan para la síntesis de lecho fluidizado a alta temperatura (casi 340 °C) para producir hidrocarburos insaturados de bajo peso molecular en catalizadores de hierro fundido alcalinizado. La tecnología de lecho fluidizado (adaptada del craqueo catalítico de destilados pesados ​​de petróleo) fue introducida por Hydrocarbon Research en 1946-50 y se denominó proceso "Hydrocol". Una planta de hidrocol Fischer-Tropsch a gran escala (350.000 toneladas por año) funcionó durante 1951-57 en Brownsville, Texas. Debido a problemas técnicos y a la economía poco práctica debido a la creciente disponibilidad de petróleo, este desarrollo se interrumpió. La síntesis de lecho fluidizado ha sido investigada nuevamente por Sasol. Un reactor con una capacidad de 500.000 toneladas por año está en funcionamiento. El proceso se ha utilizado para la producción de alquenos C2 y C7 . La empresa Kellogg introdujo un proceso de alta temperatura con un catalizador de hierro circulante («lecho fluidizado circulante», «reactor de tubo ascendente», «proceso de catalizador arrastrado») y construyó una planta en Sasol en 1956. Sasol lo mejoró para que funcionara con éxito. En Secunda (Sudáfrica), Sasol operaba 16 reactores avanzados de este tipo con una capacidad de aproximadamente 330.000 toneladas por año cada uno. El proceso de catalizador circulante se puede sustituir por la tecnología de lecho fluidizado. Fischer realizó los primeros experimentos con partículas de catalizador de cobalto suspendidas en aceite. El reactor de columna de burbujeo con un catalizador de suspensión de hierro en polvo y un gas de síntesis rico en CO fue desarrollado especialmente a escala de planta piloto por Kölbel en la empresa Rheinpreuben en 1953. Desde 1990, Exxon y Sasol están investigando procesos de suspensión de FT a baja temperatura para el uso de catalizadores de hierro y cobalto, en particular para la producción de una cera de hidrocarburos, o para su hidrocraqueo e isomerización para producir combustible diésel. La síntesis de FT a baja temperatura en fase de suspensión (columna de burbujeo) es eficiente. Esta tecnología también está siendo desarrollada por la empresa Statoil (Noruega) para su uso en un buque para convertir el gas asociado en yacimientos petrolíferos en alta mar en un líquido de hidrocarburos. [13]

Distribución de productos

En general, la distribución de productos de hidrocarburos formados durante el proceso Fischer-Tropsch sigue una distribución de Anderson-Schulz-Flory , [14] que puede expresarse como:

⁠Yo​/norte⁠ = (1 − α ) 2 α n −1

donde W n es la fracción en peso de hidrocarburos que contienen n átomos de carbono y α es la probabilidad de crecimiento de la cadena o la probabilidad de que una molécula continúe reaccionando para formar una cadena más larga. En general, α está determinada en gran medida por el catalizador y las condiciones específicas del proceso.

El análisis de la ecuación anterior revela que el metano siempre será el producto individual más grande siempre que α sea menor que 0,5; sin embargo, al aumentar α cerca de uno, la cantidad total de metano formado puede minimizarse en comparación con la suma de todos los diversos productos de cadena larga. Al aumentar α aumenta la formación de hidrocarburos de cadena larga. Los hidrocarburos de cadena muy larga son ceras, que son sólidas a temperatura ambiente. Por lo tanto, para la producción de combustibles líquidos para el transporte puede ser necesario craquear algunos de los productos de FT. Para evitar esto, algunos investigadores han propuesto utilizar zeolitas u otros sustratos catalizadores con poros de tamaño fijo que pueden restringir la formación de hidrocarburos más largos que un tamaño característico (generalmente n  < 10). De esta manera, pueden impulsar la reacción de manera de minimizar la formación de metano sin producir muchos hidrocarburos de cadena larga. Tales esfuerzos han tenido un éxito limitado.

Catalizadores

Cuatro metales son activos como catalizadores para el proceso Fischer-Tropsch: hierro, cobalto, níquel y rutenio. Dado que el proceso FT generalmente transforma precursores económicos en mezclas complejas que requieren un mayor refinado, los catalizadores FT se basan en metales económicos, especialmente hierro y cobalto. [15] [16] El níquel genera demasiado metano, por lo que no se utiliza. [7]

Por lo general, estos catalizadores heterogéneos se obtienen mediante precipitación a partir de soluciones de nitrato de hierro. Dichas soluciones se pueden utilizar para depositar la sal metálica sobre el soporte del catalizador (ver a continuación). Dichos materiales tratados se transforman en catalizadores activos mediante calentamiento bajo CO, H2 o con la materia prima a tratar, es decir, los catalizadores se generan in situ. Debido a la naturaleza de múltiples pasos del proceso FT, el análisis de las especies catalíticamente activas es un desafío. Además, como se sabe para los catalizadores de hierro, pueden coexistir varias fases y pueden participar en diversos pasos de la reacción. Dichas fases incluyen varios óxidos y carburos , así como polimorfos de los metales. El control de estos constituyentes puede ser relevante para las distribuciones de productos. Aparte del hierro y el cobalto, el níquel y el rutenio son activos para convertir la mezcla de CO/H2 en hidrocarburos. [11] Aunque caro, el rutenio es el más activo de los catalizadores de Fischer-Tropsch en el sentido de que funciona a las temperaturas de reacción más bajas y produce hidrocarburos de mayor peso molecular. Los catalizadores de rutenio están compuestos por el metal, sin promotores, lo que proporciona un sistema relativamente simple adecuado para el análisis mecanístico. Su alto precio impide las aplicaciones industriales. Los catalizadores de cobalto son más activos para la síntesis de FT cuando la materia prima es gas natural. El gas natural tiene una alta relación hidrógeno-carbono, por lo que el cambio de agua-gas no es necesario para los catalizadores de cobalto. Los catalizadores a base de cobalto son más sensibles que sus homólogos de hierro.

Un ejemplo de selección de catalizadores en el mundo real es el proceso Fischer-Tropsch de alta temperatura (HTFT), que opera a 330–350 °C y utiliza un catalizador a base de hierro. Este proceso fue utilizado ampliamente por Sasol en sus plantas de carbón a líquido (CTL). El proceso Fischer-Tropsch de baja temperatura (LTFT) utiliza un catalizador a base de hierro o cobalto. Este proceso es más conocido por haber sido utilizado en la primera planta integrada de GTL operada y construida por Shell en Bintulu , Malasia. [17]

Promotores y apoyos

Además del metal activo (normalmente Fe o Co), otros dos componentes comprenden el catalizador: los promotores y el soporte del catalizador . Los promotores son aditivos que mejoran el comportamiento del catalizador. Para los catalizadores FT, los promotores típicos incluyen potasio y cobre, que normalmente se añaden como sales. La elección de los promotores depende del metal primario, hierro o cobalto. [18] Los catalizadores de hierro necesitan promoción alcalina para alcanzar una alta actividad y estabilidad (p. ej. 0,5 % en peso de K 2 O ). Los α-Fe 2 O 3 dopados con potasio se sintetizan a temperaturas de calcinación variables (400–800 °C). [19] Adición de Cu para la promoción de la reducción, adición de SiO
2, Al
2Oh
3para la promoción estructural y tal vez se pueda aplicar algo de manganeso para el control de la selectividad (por ejemplo, alta olefinicidad). La elección de los promotores depende del metal primario, es decir, hierro frente a cobalto. [18] Mientras que los metales alcalinos del grupo 1 (por ejemplo, potasio), ayudan a los catalizadores de hierro, envenenan los catalizadores de cobalto.

Los catalizadores se apoyan en aglutinantes/soportes de gran área superficial, como sílice , alúmina o zeolitas . [16]

Historia

Instituto Max Planck para la Investigación del Carbón en Mülheim an der Ruhr, Alemania.

El proceso FT atrajo la atención como un medio de la Alemania nazi para producir hidrocarburos líquidos. El proceso original fue desarrollado por Franz Fischer y Hans Tropsch , que trabajaban en el Instituto Kaiser-Wilhelm de Química en 1926. Presentaron varias patentes, por ejemplo , la patente estadounidense 1.746.464 , solicitada en 1926, publicada en 1930. [20] Fue comercializado por Brabag en Alemania en 1936. Al ser pobre en petróleo pero rica en carbón, Alemania utilizó el proceso durante la Segunda Guerra Mundial para producir combustibles ersatz (de reemplazo). La producción de FT representó aproximadamente el 9% de la producción alemana de combustibles de guerra y el 25% del combustible para automóviles. [21] Se han realizado muchos refinamientos y ajustes al proceso desde la época de Fischer y Tropsch.

La Oficina de Minas de los Estados Unidos , en un programa iniciado por la Ley de Combustibles Líquidos Sintéticos , empleó a siete científicos de combustibles sintéticos de la Operación Paperclip en una planta Fischer-Tropsch en Luisiana, Misuri, en 1946. [21] [22]

En Gran Bretaña, Alfred August Aicher obtuvo varias patentes para mejoras del proceso en las décadas de 1930 y 1940. [23] La empresa de Aicher se llamaba Synthetic Oils Ltd (no estaba relacionada con una empresa del mismo nombre en Canadá). [ cita requerida ]

Alrededor de los años 1930 y 1940, Arthur Imhausen desarrolló e implementó un proceso industrial para producir grasas comestibles a partir de estos aceites sintéticos a través de la oxidación . [24] Los productos se destilaron fraccionadamente y las grasas comestibles se obtuvieron de la C
9- C
16fracción [25] que se hizo reaccionar con glicerol tal como el sintetizado a partir de propileno. [26] Se encontró que la margarina de "mantequilla de carbón" hecha de aceites sintéticos era nutritiva y de sabor agradable, y se incorporó a las dietas aportando hasta 700 calorías por día. [27] [28] El proceso requirió al menos 60 kg de carbón por kg de mantequilla sintética. [26]

Comercialización

Gasificación en lecho fluidizado con FT-pilot en Güssing , Burgenland, Austria. Operado por SGCE y Velocys

Ras Laffan, Qatar

La planta de LTFT Pearl GTL en Ras Laffan , Qatar, es la segunda planta de FT más grande del mundo después de la planta Secunda de Sasol en Sudáfrica. Utiliza catalizadores de cobalto a 230 °C, convirtiendo el gas natural en líquidos de petróleo a un ritmo de 140.000 barriles por día (22.000 m 3 /d), con una producción adicional de 120.000 barriles (19.000 m 3 ) de petróleo equivalente en líquidos de gas natural y etano .

En 2007 se puso en funcionamiento otra planta en Ras Laffan, denominada Oryx GTL, con una capacidad de 34.000 barriles por día (5.400 m3 / d). La planta utiliza el proceso de destilado en fase líquida de Sasol, que utiliza un catalizador de cobalto. Oryx GTL es una empresa conjunta entre QatarEnergy y Sasol . [29]

Sasol

Un taller de SASOL en Gauteng

La implementación a mayor escala de la tecnología Fischer-Tropsch en el mundo es una serie de plantas operadas por Sasol en Sudáfrica , un país con grandes reservas de carbón, pero poco petróleo. Con una capacidad de 165.000 bpd en su planta de Secunda. [30] La primera planta comercial se inauguró en 1952. [31] Sasol utiliza carbón y gas natural como materias primas y produce una variedad de productos sintéticos derivados del petróleo, incluida la mayor parte del combustible diésel del país . [32]

PetroSA

PetroSA , otra empresa sudafricana, opera una refinería con una planta de 36.000 barriles diarios que completó una demostración semicomercial en 2011, allanando el camino para comenzar la preparación comercial. La tecnología se puede utilizar para convertir gas natural, biomasa o carbón en combustibles sintéticos. [33]

Síntesis de destilado medio de concha

Una de las mayores implementaciones de la tecnología Fischer-Tropsch se encuentra en Bintulu , Malasia. Esta instalación de Shell convierte el gas natural en combustibles diésel con bajo contenido de azufre y cera de grado alimenticio. La escala es de 12.000 barriles por día (1.900 m3 / d).

Velocidades

La construcción de la planta de referencia comercial de Velocys, que incorpora su tecnología de microcanales Fischer-Tropsch, ya está en marcha; el proyecto GTL Oklahoma City de ENVIA Energy se está construyendo junto al vertedero East Oak de Waste Management. El proyecto está siendo financiado por una empresa conjunta entre Waste Management, NRG Energy, Ventech y Velocys. La materia prima para esta planta será una combinación de gas de vertedero y gas natural de gasoducto. [34]

Certificado de estudios superiores

En su inicio como licenciante de tecnología de biomasa [35], en el verano de 2012, SGC Energia (SGCE) puso en funcionamiento con éxito una unidad piloto de proceso multitubular Fischer-Tropsch y unidades de mejora de productos asociadas en el Centro de Tecnología de Pasadena, Texas. El centro de tecnología se centró en el desarrollo y las operaciones de su solución XTLH, que optimizó el procesamiento de corrientes de desechos de carbono de bajo valor para convertirlas en combustibles avanzados y productos de cera. [36] Esta unidad también sirve como entorno de formación de operaciones para la instalación Juniper GTL de 1100 BPD construida en Westlake, LA.

UPM (Finlandia)

En octubre de 2006, el fabricante finlandés de papel y pulpa UPM anunció sus planes de producir biodiésel mediante el proceso Fischer-Tropsch junto con los procesos de fabricación en sus plantas europeas de papel y pulpa, utilizando biomasa residual resultante de los procesos de fabricación de papel y pulpa como material de origen. [37]

RentaTecnica

Rentech, Inc., en asociación con ClearFuels, una empresa especializada en gasificación de biomasa, construyó y operó una planta de demostración de Fischer-Tropsch. Ubicada en Commerce City, Colorado, la instalación produce alrededor de 10 barriles por día (1,6 m3 / d) de combustibles a partir de gas natural. Se planearon instalaciones a escala comercial en Rialto, California ; Natchez, Mississippi ; Port St. Joe, Florida ; y White River, Ontario . [38] Rentech cerró su planta piloto en 2013 y abandonó el trabajo en su proceso de FT, así como las instalaciones comerciales propuestas.

Tecnología INFRA GTL

En 2010, INFRA construyó una planta piloto compacta para la conversión de gas natural en petróleo sintético. La planta modeló el ciclo completo del proceso químico GTL, incluyendo la entrada de gas de gasoducto, la eliminación de azufre, la reforma de metano con vapor, el acondicionamiento de gas de síntesis y la síntesis de Fischer-Tropsch. En 2013, la primera planta piloto fue adquirida por VNIIGAZ Gazprom LLC. En 2014, INFRA puso en funcionamiento y operó de manera continua una nueva planta piloto de ciclo completo a mayor escala. Representa la segunda generación de instalaciones de prueba de INFRA y se diferencia por un alto grado de automatización y un amplio sistema de recopilación de datos. En 2015, INFRA construyó su propia fábrica de catalizadores en Troitsk (Moscú, Rusia). La fábrica de catalizadores tiene una capacidad de más de 15 toneladas por año y produce los exclusivos catalizadores patentados de Fischer-Tropsch desarrollados por la división de I+D de la empresa. En 2016, INFRA diseñó y construyó una planta GTL (gas-to-liquid) modular y transportable M100 para procesar gas natural y asociado en petróleo crudo sintético en Wharton (Texas, EE. UU.). La planta M100 está funcionando como una unidad de demostración tecnológica, una plataforma de I+D para el refinamiento de catalizadores y un modelo económico para escalar el proceso GTL de Infra en plantas más grandes y más eficientes. [39]

Otro

En Estados Unidos y la India, algunos estados productores de carbón han invertido en plantas Fischer-Tropsch. En Pensilvania, Waste Management and Processors, Inc. recibió financiación del estado para implementar la tecnología FT licenciada por Shell y Sasol para convertir el llamado carbón residual (restos del proceso de minería) en combustible diésel con bajo contenido de azufre. [40] [41]

Desarrollos de investigación

Choren Industries ha construido una planta en Alemania que convierte biomasa en gas de síntesis y combustibles utilizando la estructura de proceso Shell FT. La empresa se declaró en quiebra en 2011 debido a las impracticabilidades del proceso. [42] [43]

La gasificación de biomasa (BG) y la síntesis de Fischer-Tropsch (FT) pueden, en principio, combinarse para producir combustibles renovables para el transporte ( biocombustibles ). [44]

En colaboración con Sunfire, Audi produce e-diesel en pequeña escala en dos etapas, la segunda de las cuales es FT. [45]

Certificación de la Fuerza Aérea de EE. UU.

Syntroleum , una empresa estadounidense que cotiza en bolsa, ha producido más de 400.000 galones estadounidenses (1.500.000 L) de diésel y combustible para aviones a partir del proceso Fischer-Tropsch utilizando gas natural y carbón en su planta de demostración cerca de Tulsa, Oklahoma . Syntroleum está trabajando para comercializar su tecnología Fischer-Tropsch autorizada a través de plantas de carbón a líquido en Estados Unidos, China y Alemania, así como plantas de gas a líquido a nivel internacional. Utilizando gas natural como materia prima, el combustible ultralimpio y con bajo contenido de azufre ha sido probado exhaustivamente por el Departamento de Energía de Estados Unidos y el Departamento de Transporte de Estados Unidos . Syntroleum ha trabajado para desarrollar una mezcla de combustible sintético para aviones que ayudará a la Fuerza Aérea a reducir su dependencia del petróleo importado. La Fuerza Aérea, que es el mayor usuario de combustible del ejército de los Estados Unidos, comenzó a explorar fuentes de combustible alternativas en 1999. El 15 de diciembre de 2006, un B-52 despegó de la Base Aérea Edwards , California, por primera vez propulsado únicamente por una mezcla 50-50 de JP-8 y combustible FT de Syntroleum. La prueba de vuelo de siete horas se consideró un éxito. El objetivo del programa de prueba de vuelo es calificar la mezcla de combustible para su uso en la flota de los B-52 del servicio, y luego realizar pruebas de vuelo y calificación en otras aeronaves. El programa de prueba concluyó en 2007. Este programa es parte de la Iniciativa de Combustible Asegurado del Departamento de Defensa , un esfuerzo para desarrollar fuentes nacionales seguras para las necesidades energéticas militares. El Pentágono espera reducir su uso de petróleo crudo de productores extranjeros y obtener aproximadamente la mitad de su combustible de aviación de fuentes alternativas para 2016. [46]

Reutilización del dióxido de carbono

El dióxido de carbono no es una materia prima típica para la catálisis FT. El hidrógeno y el dióxido de carbono reaccionan sobre un catalizador a base de cobalto, produciendo metano. Con catalizadores a base de hierro también se producen hidrocarburos insaturados de cadena corta. [47] Tras la introducción en el soporte del catalizador, la ceria funciona como un catalizador de desplazamiento inverso de agua-gas, lo que aumenta aún más el rendimiento de la reacción. [48] Los hidrocarburos de cadena corta se mejoraron a combustibles líquidos sobre catalizadores ácidos sólidos, como las zeolitas .

Eficiencia del proceso

Utilizando la tecnología FT convencional, el proceso tiene una eficiencia de carbono que va del 25 al 50 por ciento [49] y una eficiencia térmica de aproximadamente el 50% [50] para las instalaciones CTL idealizadas al 60% [51] con instalaciones GTL con una eficiencia de aproximadamente el 60% [50] idealizada al 80% [51] .

Fischer-Tropsch en la naturaleza

También se ha sugerido que un proceso de tipo Fischer-Tropsch produjo algunos de los componentes básicos del ADN y el ARN dentro de los asteroides . [52] De manera similar, la hipotética formación de petróleo abiogénico requiere algunos procesos naturales similares a los de FT.

La química biológica de tipo Fischer-Tropsch puede ser realizada por la enzima nitrogenasa en condiciones ambientales. [53] [54]

Véase también

  • Proceso Bergius  : método de producción de hidrocarburos líquidos para su uso como combustible sintéticoPáginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
  • Gasificación de carbón  : producción de gas de síntesis a partir de carbón
  • Ensayo de Fischer  : prueba de laboratorio estandarizada para determinar el rendimiento de petróleo de un esquisto convencional.Páginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
  • Hidrogenación  – Reacción química entre el hidrógeno molecular y otro compuesto o elemento, un término genérico para este tipo de proceso.
  • Teoría del pico de Hubbert  : una de las principales teorías sobre el pico del petróleo
  • Gas industrial  – Materiales gaseosos producidos para su uso en la industria.
  • Proceso Karrick  – proceso de carbonización a baja temperaturaPáginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
  • Reacción de Sabatier  – Proceso de metanización del dióxido de carbono con hidrógeno
  • Reformado de metano con vapor  : método para producir hidrógeno y monóxido de carbono a partir de combustibles de hidrocarburosPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
  • Programa de Combustibles Líquidos Sintéticos  – Programa de EE.UU.Páginas que muestran descripciones de wikidata como alternativaPáginas que muestran descripciones breves sin espacios

Referencias

  1. ^ Höök, Mikael; Fantazzini, Dean; Angelantoni, André; Snowden, Simon (2013). "Licuefacción de hidrocarburos: viabilidad como estrategia de mitigación del pico del petróleo". Philosophical Transactions of the Royal Society A . 372 (2006): 20120319. Bibcode :2013RSPTA.37220319H. doi : 10.1098/rsta.2012.0319 . PMID  24298075. Archivado desde el original el 28 de marzo de 2019 . Consultado el 3 de junio de 2009 .
  2. ^ "Producto estadounidense suministrado para petróleo crudo y productos derivados del petróleo". tonto.eia.doe.gov . Archivado desde el original el 28 de febrero de 2011 . Consultado el 3 de abril de 2018 .
  3. ^ Davis, SJ, Lewis, NS, Shaner, M., Aggarwal, S., Arent, D., Azevedo, IL, Benson, SM, Bradley, T., Brouwer, J., Chiang, YM y Clack, CT, 2018. Sistemas de energía con emisiones netas cero. Science, 360(6396), p.eaas9793
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Lectura adicional

  • de Klerk, Arno (2011). Refinamiento de Fischer-Tropsch (1ª ed.). Weinheim, Alemania: Wiley-VCH. ISBN 9783527326051.
  • de Klerk, Arno; Furimsky, Edward (15 de diciembre de 2010). Catálisis en el refinado del crudo sintético de Fischer-Tropsch . Cambridge: Royal Society of Chemistry . doi :10.1039/9781849732017. ISBN . 978-1-84973-080-8.S2CID101325929  .​
  • Anderson, HC; Wiley, JL; Newell, A. (1954). Bibliografía de la síntesis de Fischer-Tropsch y procesos relacionados. Vol. 1.
  • Anderson, HC; Wiley, JL; Newell, A. (1955). Bibliografía de la síntesis de Fischer-Tropsch y procesos relacionados. Vol. 2.
  • Archivos Fischer-Tropsch
  • Combustibles Fischer-Tropsch a partir de carbón y biomasa
  • Debate sobre los gases abiogénicos (AAPG Explorer, noviembre de 2002)
  • Se estudiarán las teorías sobre el origen del gas (AAPG Explorer, noviembre de 2002)
  • Ideas no convencionales sobre el gas no convencional (Sociedad de Ingenieros del Petróleo)
  • Proceso de síntesis de hidrocarburos líquidos – Patente británica GB309002 – Hermann Plauson
  • Diésel limpio a partir de carbón, por Kevin Bullis
  • Implementando la “economía del hidrógeno” con combustibles sintéticos (pdf)
  • Investigación de conversión de carbono en líquidos
  • Efecto de los metales alcalinos sobre los catalizadores de cobalto
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