proceso de Bergius

El proceso Bergius es un método de producción de hidrocarburos líquidos para su uso como combustible sintético mediante la hidrogenación de carbón bituminoso de alta volatilidad a alta temperatura y presión. Fue desarrollado por primera vez por Friedrich Bergius en 1913. En 1931, Bergius recibió el Premio Nobel de Química por su desarrollo de la química de alta presión . ^{[ 1 ]}

El carbón se muele finamente y se seca en una corriente de gas caliente. El producto seco se mezcla con petróleo pesado reciclado del proceso. Generalmente se añade un catalizador a la mezcla. A lo largo de los años se han desarrollado diversos catalizadores, como el disulfuro de tungsteno o molibdeno , el oleato de estaño o níquel , entre otros. Como alternativa, el sulfuro de hierro presente en el carbón puede tener suficiente actividad catalítica para el proceso, que fue el proceso Bergius original. ^{[ 2 ]}

La mezcla se bombea a un reactor . La reacción tiene lugar entre 400 y 500 °C (752 y 932 °F) y a una presión de hidrógeno de entre 20 y 70 megapascales (2900 y 10 200 psi) . La reacción produce aceites pesados, aceites intermedios, gasolina y gases. La reacción global se puede resumir de la siguiente manera:   

${\displaystyle n{\ce {C}}+(n-x+1){\ce {H2->C_{\mathit {n}}H}}_{2n-2x+2}}$(donde x = Grados de insaturación )

El producto inmediato del reactor debe estabilizarse haciéndolo pasar por un catalizador de hidrotratamiento convencional. La corriente de producto tiene un alto contenido de cicloalcanos y aromáticos, bajo contenido de alcanos (parafinas) y muy bajo contenido de alquenos (olefinas). Las diferentes fracciones pueden someterse a un procesamiento posterior ( craqueo , reformado ) para obtener combustible sintético de la calidad deseada. Si se somete a un proceso como el de plataforma , la mayoría de los cicloalcanos se convierten en aromáticos y el hidrógeno recuperado se recicla al proceso. El producto líquido del proceso de plataforma contendrá más del 75 % de aromáticos y tendrá un número de octano de investigación (RON) superior a 105.

En general, aproximadamente el 97 % del carbono de entrada que se introduce directamente en el proceso puede convertirse en combustible sintético. Sin embargo, cualquier carbono utilizado en la generación de hidrógeno se perderá en forma de dióxido de carbono, lo que reduce la eficiencia global del proceso en cuanto al uso del carbono.

Hay un residuo de compuestos alquitranados no reactivos mezclados con cenizas del carbón y el catalizador. Para minimizar la pérdida de carbono en la corriente de residuo, es necesario tener una alimentación con bajo contenido de cenizas. Normalmente, el carbón debe tener <10% de cenizas en peso. El hidrógeno requerido para el proceso también puede producirse a partir del carbón o del residuo mediante reformado con vapor . Una demanda típica de hidrógeno es de ~ 80 kilogramos (180 lb) de hidrógeno por tonelada de carbón seco y libre de cenizas. En general, este proceso es similar a la hidrogenación. La salida se encuentra en tres niveles: petróleo pesado, petróleo medio y gasolina. El petróleo medio se hidrogena para obtener más gasolina y el petróleo pesado se mezcla nuevamente con el carbón y el proceso se reinicia. De esta manera, las fracciones de petróleo pesado y petróleo medio también se reutilizan en este proceso. 

La evolución más reciente del trabajo de Bergius es la planta de hidroliquefacción de dos etapas en Wilsonville, Alabama , que operó entre 1981 y 1985. En ella, se preparaba un extracto de carbón mediante calor y presión de hidrógeno, utilizando carbón finamente pulverizado y un disolvente donante reciclado. A medida que la molécula de carbón se descompone, se forman radicales libres que se estabilizan inmediatamente por la absorción de átomos de hidrógeno del disolvente donante. El extracto pasa luego a un hidrocraqueador catalítico de lecho fluidizado (unidad H-Oil) alimentado con hidrógeno adicional, donde se forman hidrocarburos de menor peso molecular y se separan el azufre, el oxígeno y el nitrógeno presentes originalmente en el carbón. Parte del producto líquido es el disolvente donante hidrogenado, que se devuelve a la Etapa I. El resto del producto líquido se fracciona por destilación, obteniéndose diversos productos con diferentes rangos de ebullición y un residuo ceniciento. Este residuo ceniciento se envía a una unidad de descensurado con disolvente crítico Kerr-McGee , que produce producto líquido adicional y un material con alto contenido de cenizas que contiene carbón sin reaccionar y residuo pesado, el cual, en una planta comercial, se gasificaría para producir el H2 necesario para alimentar el proceso. Los parámetros pueden ajustarse para evitar la gasificación directa del carbón que ingresa a la planta. Otras configuraciones de la planta podrían utilizar un sistema de clarificación por cromatografía líquida (LC) o una unidad de desmineralización con antisolvente. Los compuestos típicos presentes en el solvente donante son aromáticos de anillos fusionados ( tetrahidronaftaleno y superiores) o heterociclos análogos.

Friedrich Bergius desarrolló el proceso durante su habilitación . Una técnica para la química a alta presión y alta temperatura de sustratos que contienen carbono dio como resultado una patente en 1913. En este proceso, los hidrocarburos líquidos utilizados como combustible sintético se producen por hidrogenación de lignito (carbón marrón). Desarrolló el proceso mucho antes del comúnmente conocido proceso Fischer-Tropsch . Karl Goldschmidt lo invitó a construir una planta industrial en su fábrica, la Th. Goldschmidt AG (ahora conocida como Evonik Industries ), en 1914. ^{[ 3 ]} La producción comenzó recién en 1919, después del final de la Primera Guerra Mundial , cuando la necesidad de combustible ya estaba disminuyendo. Los problemas técnicos, la inflación y las constantes críticas de Franz Joseph Emil Fischer , que se convirtieron en apoyo después de una demostración personal del proceso, ralentizaron el progreso, y Bergius vendió su patente a BASF , donde Carl Bosch trabajó en ella. Antes de la Segunda Guerra Mundial se construyeron varias plantas con una capacidad anual de 4 millones de toneladas de combustible sintético. Estas plantas se utilizaron ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial para abastecer a Alemania de combustible y lubricantes. ^{[ 4 ]}

La hidrogenación del carbón ya no se utiliza comercialmente. ^{[ 5 ]}

El proceso Bergius fue ampliamente utilizado por Brabag , una empresa del cártel de la Alemania nazi . Las plantas que utilizaban este proceso fueron blanco de bombardeos durante la Campaña del Petróleo de la Segunda Guerra Mundial . Actualmente no existen plantas que operen comercialmente el proceso Bergius ni sus derivados. La planta de demostración más grande fue la de Bottrop , Alemania, con una capacidad de 200 toneladas diarias, operada por Ruhrkohle , que cesó sus operaciones en 1993. Existen informes ^{[ 6 ]} de una empresa china que está construyendo una planta con una capacidad de 4000 toneladas diarias. Se esperaba que entrara en funcionamiento en 2007, ^{[ 7 ]} pero no se ha confirmado que esto se haya logrado.

Hacia el final de la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos comenzó a financiar fuertemente la investigación sobre la conversión de carbón en gasolina, incluyendo fondos para la construcción de una serie de plantas piloto. El proyecto se vio enormemente beneficiado por la tecnología alemana capturada. ^{[ 8 ]} Una planta que utilizaba el proceso Bergius se construyó en Luisiana, Misuri , y comenzó a operar alrededor de 1946. Ubicada a orillas del río Misisipi, esta planta producía gasolina en cantidades comerciales para 1948. El método del proceso de Luisiana producía gasolina para automóviles a un precio ligeramente superior, pero comparable, al de la gasolina derivada del petróleo ^{[ 9 ]} , pero de mayor calidad. La instalación fue clausurada en 1953 por la administración Eisenhower , supuestamente tras una intensa presión por parte de la industria petrolera. ^{[ 9 ]}

• Programa de combustibles líquidos sintéticos
• Proceso de Fischer-Tropsch
• Proceso de Karrick
• Combustible de lodo de carbón y agua

• Los inicios de la investigación sobre el carbón , página web del Departamento de Energía de EE. UU.