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Articulo de referencia

Proceso de Fischer-Tropsch

Gasificación en lecho fluidizado con planta piloto FT en Güssing , Burgenland , Austria. Operada por SGCE y Velocys. Planta de Sasol en Secunda El proceso Fischer-Tropsch (FT) e...

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Gasificación en lecho fluidizado con planta piloto FT en Güssing , Burgenland , Austria. Operada por SGCE y Velocys.
Planta de Sasol en Secunda

El proceso Fischer-Tropsch (FT) es un conjunto de reacciones químicas que convierte una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno , conocida como gas de síntesis , en hidrocarburos líquidos . Estas reacciones tienen lugar en presencia de catalizadores metálicos , generalmente a temperaturas de 150–300 °C (302–572 °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 líquidos para la producción de hidrocarburos líquidos. [ 1 ]  

En la implementación habitual, el monóxido de carbono y el hidrógeno, materias primas para el proceso Fischer-Tropsch (FT), se producen a partir de carbón , gas natural o biomasa en un proceso conocido como gasificación . Este proceso convierte estos gases en aceite lubricante sintético y combustible sintético . [ 2 ] Este proceso ha recibido atención intermitente como 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 una etapa en la producción de 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 metilidino tricobaltononacarbonilo es una molécula que ilustra el tipo de especies de carbono reducidas que se cree que se producen 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 sigue: [ 7 ]

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

donde n suele ser de 10 a 20, lo que resulta principalmente en la formación de alcanos superiores . [ 8 ] La formación de metano ( n = 1) es indeseable. 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. [ 9 ]

La reacción es altamente exotérmica debido a una entalpía de reacción estándar (ΔrH ) de −165 kJ/mol CO combinado. [ 10 ]

Intermediarios de Fischer-Tropsch y reacciones elementales

La conversión de una mezcla de H₂ y CO en productos alifáticos es una reacción de múltiples 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
  • Ruptura 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 (ruptura con H₂ ) de los 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 . [ 11 ] Otros intermedios potenciales son varios fragmentos C 1 que incluyen formilo (CHO) , hidroxicarbeno (HCOH), hidroximetilo (CH₂OH ) , metilo (CH₃ ) , metileno (CH₂ ) , metilidino (CH) e hidroximetilidino (COH). Además, y cruciales para la producción de combustibles líquidos, son las reacciones que forman enlaces C–C, como la inserción migratoria . Muchas reacciones estequiométricas relacionadas se han simulado en clústeres 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 ruptura del enlace C–O. El uso de etileno y propeno marcados con 14C sobre catalizadores de cobalto da como resultado la incorporación de estas olefinas a la cadena en crecimiento. Por lo tanto, la reacción de crecimiento de la cadena parece implicar tanto la "inserción de olefinas" como la "inserción de CO". [ 12 ]

8CO+17H2⟶do8H18+8H2O{\displaystyle {\ce {8 CO + 17 H2 -> C8H18 + 8 H2O}}}

Materias primas: dióxido de carbono

El dióxido de carbono ha surgido como una importante fuente de carbono para reemplazar los productos químicos y combustibles derivados de combustibles fósiles. Basándose en el trabajo pionero de Sasol en Sudáfrica, que utiliza la gasificación para producir gas de síntesis , se puede fabricar toda una gama de productos químicos y combustibles derivados. [ 13 ] El proceso Fischer-Tropsch, que utiliza catalizadores de hierro de alta temperatura, produce una amplia gama de parafinas, olefinas y aromáticos de cadena corta. [ 14 ] [ 15 ] Los catalizadores de cobalto de baja temperatura producen una mayoría de especies de n-parafinas de cadena más larga, principalmente como líquidos y ceras. [ 16 ] Estos pueden procesarse en una multitud de productos como combustible de aviación sostenible sin azufre , diésel , aceites base y materia prima de nafta que puede reformarse catalíticamente para la producción de precursores de polímeros BTX . [ 17 ] [ 18 ] Al sustituir el dióxido de carbono como fuente de carbono, se pueden reemplazar cadenas de suministro de combustibles fósiles completas con productos de Fischer-Tropsch. La producción de una materia prima de gas de síntesis a partir de dióxido de carbono puede utilizar las siguientes reacciones químicas catalizadas:

  1. Reacción inversa de desplazamiento del gas de agua : CO2+H2⟶CO+H2O{\displaystyle {\ce {CO2 + H2 -> CO + H2O}}}
  2. Reformado seco de metano: CO2+CH4⟶2CO+2H2{\displaystyle {\ce {CO2 + CH4 -> 2 CO + 2 H2}}}

La reacción inversa de desplazamiento del gas de agua utiliza dióxido de carbono y un exceso de hidrógeno, como el de la electrólisis del agua (hidrógeno verde), para producir una mezcla de Syngas de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2) con la relación H2:CO Syngas deseada para un catalizador Fischer-Tropsch posterior; un proceso catalítico comercial que ha sido pionero por Dimensional Energy . [ 19 ] [ 20 ] El reformado seco de metano utiliza CO y metano (CH4) para producir una mezcla de Syngas de H2 a CO 1:1 que puede aumentarse con una fuente externa de hidrógeno o mediante la reacción de desplazamiento del gas de agua para lograr la relación Syngas deseada. Los catalizadores comerciales de reformado seco de metano están disponibles de HYCO1 y BASF .

El dióxido de carbono no es una materia prima directa 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. [ 21 ] Al introducirse en el soporte del catalizador, la ceria funciona como un catalizador de desplazamiento de gas de agua inverso, aumentando aún más el rendimiento de la reacción. [ 22 ] Los hidrocarburos de cadena corta se transformaron en combustibles líquidos sobre catalizadores ácidos sólidos, como las zeolitas .

Materias primas: gasificación

Krupp-Treibstoffwerk Wanne-Eickel en 1953

Las plantas Fischer-Tropsch asociadas con biomasa o carbón o materias primas sólidas relacionadas (fuentes de carbono) deben primero convertir el combustible sólido en gases. Estos gases incluyen CO, H₂ y alcanos. Esta conversión se llama gasificación . [ 23 ] El gas de síntesis ("syngas") obtenido de la gasificación de biomasa/carbón es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. La relación H₂ : CO se ajusta utilizando la reacción de desplazamiento del gas de agua . Las plantas FT basadas en carbón producen cantidades variables de CO₂ , 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 suministrar todos los requerimientos energéticos del proceso.

Materias primas: GTL

El monóxido de carbono para la catálisis de Fischer-Tropsch se obtiene de los hidrocarburos. En la tecnología de conversión de gas a líquidos (GTL), los hidrocarburos son materiales de bajo peso molecular que normalmente se desecharían o quemarían. El gas no utilizado en la producción proporciona gas relativamente barato. Para que la tecnología 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 . Primero, los gases reactivos que ingresan a un reactor deben desulfurarse . De lo contrario, las impurezas que contienen azufre desactivan (" envenenan ") los catalizadores necesarios para las reacciones FT. [ 9 ] [ 7 ]

Se emplean varias reacciones para ajustar la relación H₂ : CO. La más importante es la reacción de desplazamiento del gas de agua , que proporciona una fuente de hidrógeno a expensas del monóxido de carbono: [ 9 ]

H2O+CO⟶H2+CO2{\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 H2 :

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

Condiciones del proceso

Una muestra de combustible Shell GTL

Generalmente, el proceso Fischer-Tropsch se opera en el rango de temperatura de 150–300 °C (302–572 °F) . Las temperaturas más altas aceleran las reacciones y aumentan las tasas de conversión, pero también tienden a favorecer la producción de metano. Por esta razón, la temperatura se suele mantener en la parte baja o media de este rango. El aumento de la presión incrementa las tasas de conversión y favorece la formación de alcanos de cadena larga , ambos deseables. Las presiones típicas oscilan entre una y varias decenas de atmósferas. Si bien presiones aún mayores serían beneficiosas, estos podrían no justificar los costos adicionales de los equipos de alta presión, y además, las presiones elevadas pueden desactivar el catalizador debido a la formación de coque .  

Se pueden utilizar diversas composiciones de gas de síntesis. Para los catalizadores a base de cobalto, la relación H₂:CO óptima se sitúa entre 1,8 y 2,1. Los catalizadores a base de hierro toleran relaciones más bajas debido a su actividad intrínseca en la reacción de desplazamiento del gas de agua . Esta reactividad puede ser importante para el gas de síntesis derivado del carbón o la biomasa, que suelen tener relaciones H₂:CO relativamente bajas ( <  1).

Diseño del reactor del proceso Fischer-Tropsch

La eliminación eficiente del calor del reactor es una 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

Un anuncio publicitario de 1946 que muestra el interior del reactor Fischer-Tropsch de Ruhrchemie.
Este tipo de reactor contiene varios tubos de pequeño diámetro. Estos tubos contienen catalizadores y están rodeados por agua de refrigeración que disipa el calor de la reacción. Un reactor de lecho fijo es adecuado para operar a bajas temperaturas y tiene un límite superior de temperatura de 257  °C (530  K). El exceso de temperatura provoca la deposición de carbono y, por consiguiente, el bloqueo del reactor. Dado que gran parte de los productos formados se encuentran en estado líquido, este tipo de reactor también se conoce como reactor de flujo laminar.

Reactor de flujo arrastrado

Este tipo de reactor contiene dos bancos de intercambiadores de calor que eliminan el calor residual; el calor sobrante se elimina mediante los productos y se recicla en el sistema. Debe evitarse la formación de ceras pesadas, ya que se condensan sobre el catalizador y forman aglomeraciones, lo que provoca la fluidización. Por lo tanto, los reactores ascendentes se operan a más de 297  °C (570  K).

reactores de lodos

La disipación del calor se realiza mediante serpentines de enfriamiento internos. El gas de síntesis se burbujea a través de los productos cerosos y el catalizador finamente dividido, que se encuentra suspendido en el medio líquido. Esto también proporciona agitación al 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, mientras que una temperatura más alta (>  297  °C, 570  K) genera un espectro de productos indeseable. Además, la separación del producto del catalizador representa un problema.

Reactores de lecho fluidizado y de catalizador circulante (de columna ascendente)

Estos se utilizan para la síntesis FT a alta temperatura (casi 340  °C) para producir hidrocarburos insaturados de bajo peso molecular sobre 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 denominada proceso "Hydrocol". Una planta de Hydrocol Fischer-Tropsch a gran escala (350 000 toneladas anuales) operó entre 1951 y 1957 en Brownsville, Texas. Debido a problemas técnicos y a la falta de viabilidad económica derivada de la creciente disponibilidad de petróleo, este desarrollo se interrumpió. La síntesis FT de lecho fluidizado ha sido reinvestigada por Sasol . Un reactor con una capacidad de 500 000 toneladas anuales está en funcionamiento. El proceso se ha utilizado para la producción de alquenos C2 y C7 . La empresa Kellogg introdujo en 1956 un proceso de alta temperatura con un catalizador de hierro circulante (conocido como «lecho fluidizado circulante», «reactor de lecho ascendente» o «proceso de catalizador arrastrado») y construyó una planta en Sasolburg, Sudáfrica. Sasol lo perfeccionó para lograr un funcionamiento exitoso. En Secunda, Sudáfrica, Sasol operaba 16 reactores avanzados de este tipo, con una capacidad aproximada de 330 000 toneladas anuales cada uno. El proceso de catalizador circulante puede sustituirse por la tecnología de lecho fluidizado. Fischer realizó experimentos iniciales 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 a escala de planta piloto por Kölbel en la empresa Rheinpreuben en 1953. Desde 1990, Exxon y Sasol investigan procesos de Fischer-Tropsch a baja temperatura con suspensión para el uso de catalizadores de hierro y cobalto, particularmente para la producción de cera de hidrocarburos, o para su hidrocraqueo e isomerización para producir gasóleo. La síntesis de Fischer-Tropsch 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 de los yacimientos petrolíferos marinos en un líquido de hidrocarburos. [ 24 ]

Distribución de productos

En general, la distribución de productos de hidrocarburos formados durante el proceso Fischer-Tropsch sigue una distribución de Anderson-Schulz-Flory , [ 25 ] que se puede expresar como:

⁠ W norte / norte ⁠ = (1 − α ) 2 α norte −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 principal mientras 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. El aumento de α incrementa 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 Fischer-Tropsch. Para evitar esto, algunos investigadores han propuesto el uso de zeolitas u otros sustratos catalíticos 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 dirigir la reacción para minimizar la formación de metano sin producir muchos hidrocarburos de cadena larga. Estos esfuerzos han tenido un éxito limitado.

Catalizadores

Francisco José Emil Fischer - 1877

Cuatro metales actúan como catalizadores en el proceso Fischer-Tropsch: hierro, cobalto, níquel y rutenio. Dado que el proceso FT suele transformar precursores económicos en mezclas complejas que requieren un refinamiento adicional, los catalizadores FT se basan en metales económicos, especialmente hierro y cobalto. [ 26 ] [ 27 ] El níquel genera demasiado metano, por lo que no se utiliza. [ 7 ]

Típicamente, estos catalizadores heterogéneos se obtienen mediante precipitación a partir de soluciones de nitrato de hierro. Dichas soluciones se pueden usar para depositar la sal metálica sobre el soporte del catalizador (ver más adelante). Estos materiales tratados se transforman en catalizadores activos al calentarlos bajo CO, H₂ o con la materia prima a tratar, es decir, los catalizadores se generan in situ. Debido a la naturaleza multietapa del proceso FT, el análisis de las especies catalíticamente activas es complejo. Además, como se sabe para los catalizadores de hierro, pueden coexistir varias fases que pueden participar en diversas etapas 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 la distribución de productos. Además del hierro y el cobalto, el níquel y el rutenio son activos para convertir la mezcla de CO/H₂ en hidrocarburos. [ 12 ] Aunque costoso, el rutenio es el más activo de los catalizadores 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 consisten en el metal, sin promotores, lo que proporciona un sistema relativamente simple adecuado para el análisis mecanístico. Su elevado precio limita su aplicación industrial. Los catalizadores de cobalto son más activos para la síntesis de Fischer-Tropsch cuando la materia prima es gas natural. El gas natural tiene una alta proporción de hidrógeno respecto al carbono, por lo que no se requiere la reacción de desplazamiento del gas de agua para los catalizadores de cobalto. Los catalizadores a base de cobalto son más sensibles que sus homólogos de hierro.

Como ejemplo de selección de catalizadores en el mundo real, el proceso Fischer-Tropsch de alta temperatura (HTFT), que opera a 330-350  °C, utiliza un catalizador a base de hierro. Este proceso fue ampliamente utilizado por Sasol en sus plantas de conversión de carbón a líquidos (CTL). El proceso Fischer-Tropsch de baja temperatura (LTFT) utiliza un catalizador a base de hierro o cobalto. Este proceso es conocido principalmente por haber sido utilizado en la primera planta integrada de conversión de gas a líquidos (GTL) operada y construida por Shell en Bintulu , Malasia. [ 28 ]

Promotores y colaboradores

Además del metal activo (generalmente Fe o Co), el catalizador consta de otros dos componentes: promotores y 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 generalmente se añaden como sales. La elección de los promotores depende del metal primario, hierro o cobalto. [ 29 ] Los catalizadores de hierro necesitan promoción alcalina para alcanzar alta actividad y estabilidad (por ejemplo , 0,5 % en peso de K₂O ). El α- Fe₂O₃ dopado con potasio se sintetiza a temperaturas de calcinación variables (400–800  °C). [ 30 ] Adición de Cu para la promoción de la reducción, adición de SiO2 ,Al2 O3 para la promoción estructural y tal vez algo de manganeso se puede aplicar para el control de selectividad (por ejemplo, alta olefinicidad). La elección de promotores depende del metal primario, es decir, hierro frente a cobalto. [ 29 ] 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 sobre aglutinantes/soportes de gran superficie, como sílice , alúmina o zeolitas . [ 27 ]

Historia

Instituto Max Planck de 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 , quienes trabajaban en el Instituto Kaiser Wilhelm de Química en 1926. Presentaron varias patentes, por ejemplo , la patente estadounidense 1,746,464 , solicitada en 1926 y publicada en 1930. [ 31 ] Fue comercializado por Brabag en Alemania en 1936. Siendo Alemania pobre en petróleo pero rica en carbón, utilizó el proceso durante la Segunda Guerra Mundial para producir combustibles de reemplazo . La producción FT representó aproximadamente el 9% de la producción alemana de combustibles de guerra y el 25% del combustible para automóviles. [ 32 ] 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 Louisiana, Missouri en 1946. [ 32 ] [ 33 ]

En Gran Bretaña, Alfred August Aicher obtuvo varias patentes para mejoras del proceso en las décadas de 1930 y 1940. [ 34 ] La empresa de Aicher se llamaba Synthetic Oils Ltd (sin relación con una empresa del mismo nombre en Canadá).

Alrededor de las décadas de 1930 y 1940, Arthur Imhausen desarrolló e implementó un proceso industrial para producir grasas comestibles a partir de estos aceites sintéticos mediante oxidación . [ 35 ] Los productos se destilaron fraccionadamente y las grasas comestibles se obtuvieron del C9 -C16 fracciones [ 36 ] que reaccionaron conglicerolcomo el sintetizado a partir de propileno. [ 37 ] Se descubrió que la margarina "mantequilla de carbón"hecha de aceites sintéticos era nutritiva y de sabor agradable, y se incorporó a dietas que aportaban hasta 700 calorías por día. [ 38 ] [ 39 ] El proceso requería al menos 60 kg de carbón por kg de mantequilla sintética. [ 37 ]

Comercialización

Sasol

Secunda CTL es una planta de combustible sintético propiedad de Sasol ubicada en Secunda, Mpumalanga , Sudáfrica . Utiliza la licuefacción del carbón para producir petróleo crudo sintético similar al petróleo a partir del carbón.

La mayor implementación a escala mundial de la tecnología Fischer-Tropsch 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 barriles por día en su planta CTL de Secunda . [ 40 ] La primera planta comercial se inauguró en 1952. [ 41 ] Sasol utiliza carbón y gas natural como materias primas y produce una variedad de productos derivados del petróleo sintéticos, incluyendo la mayor parte del combustible diésel del país . [ 42 ]

Energía dimensional

Utilizando una vía que se origina a partir del dióxido de carbono , Dimensional Energy ha diseñado, construido y operado dos plantas de demostración/piloto Fischer Tropsch en Tucson, AZ, EE. UU. y Richmond, BC, Canadá. [ 43 ] [ 44 ] La unidad en Richmond fue la primera demostración mundial de una planta integrada en un sitio de CO 2 de fuente puntual de cemento en 2024. [ 45 ] El proyecto reunió al fabricante de cemento Amrize (anteriormente LaFarge-Holcim ), al líder en captura de carbono Svante y a Dimensional Energy para demostrar la vía de captura y utilización como un caso de uso transferible a cualquier sitio que emita CO 2 . Dimensional Energy utilizó reactores en tándem con sus catalizadores Reverse Water-Gas Shift y FT. El diseño nominal era para una entrada de 1000 kg de CO 2 por día para la producción de líquidos y ceras principalmente n-parafinas.

Ras Laffan, Qatar

La planta LTFT Pearl GTL en Ras Laffan , Qatar, es la segunda planta FT más grande del mundo después de la planta Secunda de Sasol en Sudáfrica. Utiliza catalizadores de cobalto a 230  °C, convirtiendo gas natural en líquidos de petróleo a una tasa de 140 000 barriles por día (22 000 m³ / d) , con una producción adicional de 120 000 barriles (19 000 m³ ) de equivalente de petróleo en líquidos de gas natural y etano .  

Otra planta en Ras Laffan, llamada Oryx GTL, entró en funcionamiento en 2007 con una capacidad de 34 000 barriles por día (5400 m³ / d) . La planta utiliza el proceso de destilación en fase de lodo de Sasol, que emplea un catalizador de cobalto. Oryx GTL es una empresa conjunta entre QatarEnergy y Sasol . [ 46 ] 

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 puede utilizarse para convertir gas natural, biomasa o carbón en combustibles sintéticos. [ 47 ]

Síntesis de destilado medio de Shell

Una de las mayores implementaciones de la tecnología Fischer-Tropsch se encuentra en Bintulu , Malasia. Esta planta de Shell convierte gas natural en combustibles diésel con bajo contenido de azufre y cera apta para uso alimentario. Su capacidad es de 12 000 barriles por día (1900 m³ /d) . 

Combustibles electrónicos Arcadia

Arcadia eFuels, con sede en Texas, en colaboración con Sasol y Topsoe, está desarrollando una planta de combustible de aviación sostenible en Vordingborg, Dinamarca , que utilizará el proceso Fischer-Tropsch para convertir el gas de síntesis derivado de la electrólisis del agua y la captura de carbono en un combustible diésel electrónico para la aviación . [ 48 ] [ 49 ] La planta tiene como objetivo iniciar la producción en 2028, con plantas adicionales en desarrollo en Teesside, Reino Unido y Estados Unidos. [ 50 ] [ 51 ]

Velocidades

Velocys operó una planta de demostración con Envia en Oklahoma City durante 2017 y 2018. La empresa conjunta se disolvió y los reactores fueron devueltos a Velocys después de que el sitio se vendiera a otro socio de la empresa conjunta por 4,15 millones de dólares .

En 2020, TOYO Engineering Corporation utilizó los reactores Fischer-Tropsch de la compañía para producir combustible de aviación sostenible (SAF, por sus siglas en inglés) a partir de astillas de madera en su planta de demostración en Nagoya, Japón. El combustible producido se utilizó en el vuelo JL 515 de Tokio a Sapporo el 17 de junio de 2021 , lo que marcó la primera vez que se utilizó combustible de aviación derivado de astillas de madera gasificadas y sintetizado en SAF en un vuelo comercial.

SGCE

Comenzando como licenciatario de tecnología de biomasa [ 52 ] En el verano de 2012, SGC Energia (SGCE) puso en marcha con éxito una unidad piloto de proceso multitubular Fischer-Tropsch y unidades asociadas de mejora de productos en el Centro Tecnológico de Pasadena, Texas. El centro tecnológico se centró en el desarrollo y las operaciones de su solución XTLH que optimizó el procesamiento de corrientes de residuos de carbono de bajo valor en combustibles avanzados y productos de cera. [ 53 ] Esta unidad también sirve como entorno de capacitación operativa para la planta Juniper GTL de 1100 BPD construida en Westlake, LA .

Uzbekistán GTL

La planta de GTL en Qashqadaryo , Tashkent

Rentech

Rentech, Inc. construyó y operó una planta Fischer-Tropsch a escala de demostración en asociación con ClearFuels, una empresa especializada en gasificación de biomasa. Ubicada en Commerce City, Colorado , la instalación produce aproximadamente 10 barriles por día (1,6 m³ / d) de combustibles a partir de gas natural. Se planificaron instalaciones a escala comercial en Rialto, California ; Natchez, Mississippi ; Port St. Joe, Florida ; y White River, Ontario . [ 54 ] Rentech cerró su planta piloto en 2013 y abandonó el trabajo en su proceso FT, así como las instalaciones comerciales propuestas. 

Tecnología INFRA GTL

Planta de conversión de gas a líquido INFRA M100 cerca de Houston , Texas.

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 por gasoducto, la eliminación de azufre, el reformado de metano con vapor, el acondicionamiento del gas de síntesis y la síntesis Fischer-Tropsch. En 2013, la primera planta piloto fue adquirida por VNIIGAZ Gazprom LLC. En 2014, INFRA puso en marcha y operó de forma continua una nueva planta piloto de ciclo completo a mayor escala. Esta representa la segunda generación de las instalaciones de prueba de INFRA y se distingue por un alto grado de automatización y un extenso 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 Fischer-Tropsch patentados desarrollados por la división de I+D de la empresa. En 2016, INFRA diseñó y construyó una planta modular y transportable de conversión de gas a líquido (GTL) M100 para procesar gas natural y gas asociado en petróleo crudo sintético en Wharton, Texas . La planta M100 funciona como una unidad de demostración tecnológica, plataforma de I+D para el perfeccionamiento de catalizadores y modelo económico para escalar el proceso GTL de Infra a plantas más grandes y eficientes. [ 55 ]

Tecnología BP-JM FT CANS

British Petroleum y Johnson Matthey comparten la licencia de una tecnología FT de lecho fijo tubular modificada denominada "FT CANS". Esta tecnología permite el flujo de gas a través del catalizador, seguido de una transferencia de calor anular de alta velocidad por la parte exterior del tubo. Esto posibilita el uso de partículas de catalizador muy pequeñas con las ventajas de un lecho fijo. La tecnología se demostró por primera vez en la planta de Fulcrum Biofuels Sierra en Nevada, EE. UU. [ 56 ]

Doce

La empresa estadounidense Twelve, a mediados de 2026, puso en marcha un proyecto de combustible de aviación sostenible "Power to Liquid" en Moses Lake, en el estado de Washington, que utiliza tecnología Fischer-Tropsch y de mejora con licencia de Emerging Fuels Technology. [ 57 ]

Otro

En Estados Unidos e India, algunos estados productores de carbón han invertido en plantas Fischer-Tropsch. En Pensilvania, Waste Management and Processors, Inc. recibió financiación estatal para implementar la tecnología FT, con licencia de Shell y Sasol, para convertir el llamado carbón residual (restos del proceso de extracción) en combustible diésel con bajo contenido de azufre . [ 58 ] [ 59 ]

avances en la investigación

Choren Industries construyó una planta en Alemania que convertía biomasa en gas de síntesis y combustibles utilizando la estructura del proceso Shell FT. La empresa quebró en 2011 debido a problemas prácticos en el proceso. [ 60 ] [ 61 ]

La gasificación de biomasa (BG) y la síntesis de Fischer-Tropsch (FT) pueden, en principio, combinarse para producir combustibles renovables para el transporte ( biocombustibles ). [ 62 ]

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

Pruebas de la Fuerza Aérea de EE. UU.

Syntroleum , anteriormente una empresa estadounidense que cotizaba en bolsa, ha producido más de 400.000 galones estadounidenses (1.500.000 L) de diésel y combustible para aviones mediante el proceso Fischer-Tropsch utilizando gas natural en su planta de demostración cerca de Tulsa, Oklahoma . Utilizando gas natural como materia prima, el combustible ultra limpio y con bajo contenido de azufre ha sido sometido a extensas pruebas por el Departamento de Energía y el Departamento de Transporte de los Estados Unidos . Syntroleum trabajó en el desarrollo de una mezcla sintética de combustible para aviones que ayudará a la Fuerza Aérea a reducir su dependencia del petróleo importado. La Fuerza Aérea, que es el mayor consumidor de combustible de las fuerzas armadas estadounidenses, comenzó a explorar fuentes de combustible alternativas en 1999. El 15 de diciembre de 2006, un B-52 despegó de la Base de la Fuerza Aérea Edwards , California, por primera vez impulsado únicamente por una mezcla 50-50 de JP-8 y el combustible FT de Syntroleum. La prueba de vuelo de siete horas se consideró un éxito. El objetivo del programa de pruebas de vuelo es calificar la mezcla de combustible para su uso en la flota de B-52 del servicio, y luego realizar pruebas de vuelo y calificaciones en otras aeronaves. El programa de pruebas concluyó en 2007. Este programa fue 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 había esperado reducir su uso de petróleo crudo de productores extranjeros y obtener aproximadamente la mitad de su combustible de aviación de fuentes alternativas para 2016. [ 63 ] Más recientemente, en 2021, otro lote de combustible sintético para aviones fue fabricado para la Fuerza Aérea por Twelve y Emerging Fuels Technology , esta última siendo la empresa sucesora de Syntroleum, establecida por los fundadores y el equipo directivo de Syntroleum y que había comprado su laboratorio en Tulsa. 

eficiencia del proceso

Utilizando la tecnología FT convencional, el proceso varía en eficiencia de carbono de 25 a 50 por ciento [ 43 ] y una eficiencia térmica de alrededor del 50% [ 64 ] para instalaciones CTL idealizadas al 60% [ 65 ] con instalaciones GTL a alrededor del 60% [ 64 ] de eficiencia idealizada al 80% [ 65 ] .

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 . [ 66 ] De manera similar, la hipotética formación de petróleo abiogénico requiere algunos procesos naturales similares a FT.

La química biológica de tipo Fischer-Tropsch puede ser llevada a cabo por la enzima nitrogenasa en condiciones ambientales. [ 44 ] [ 67 ]

Véase también

Referencias

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  • Combustibles Fischer-Tropsch a partir de carbón y biomasa
  • Debate sobre gases abiogénicos (AAPG Explorer, noviembre de 2002)
  • Se estudiarán las teorías sobre el origen del gas (AAPG Explorer, noviembre de 2002).
  • Ideas poco 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
  • Implementación de la "Economía del Hidrógeno" con combustibles sintéticos (pdf)
  • Investigación sobre la conversión de carbono en líquidos
  • Efecto de los metales alcalinos sobre los catalizadores de cobalto
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