Gas a líquidos

La conversión de gas a líquidos ( GTL ) es un proceso de refinería que transforma el gas natural u otros hidrocarburos gaseosos en hidrocarburos de cadena más larga, como la gasolina o el diésel . Los gases ricos en metano se convierten en combustibles sintéticos líquidos . Existen dos estrategias generales: (i) la combustión parcial directa de metano a metanol y (ii) los procesos tipo Fischer-Tropsch , que convierten el monóxido de carbono y el hidrógeno en hidrocarburos. La estrategia ii se complementa con diversos métodos para convertir las mezclas de hidrógeno y monóxido de carbono en líquidos. La combustión parcial directa se ha demostrado en la naturaleza, pero no se ha replicado comercialmente. Las tecnologías basadas en la combustión parcial se han comercializado principalmente en regiones donde el gas natural es económico. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

La motivación para la tecnología GTL es producir combustibles líquidos, que se transportan con mayor facilidad que el metano. El metano debe enfriarse por debajo de su temperatura crítica de −82,3  °C para licuarse bajo presión. Debido al equipo criogénico necesario, se utilizan buques metaneros para su transporte. El metanol es un líquido combustible de fácil manejo, pero su densidad energética es la mitad que la de la gasolina. ^{[ 3 ]}

Un proceso GtL puede establecerse a través del proceso Fischer-Tropsch, que comprende varias reacciones químicas que convierten una mezcla de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H₂ ) _en hidrocarburos de cadena larga. Estos hidrocarburos suelen ser líquidos o semilíquidos e idealmente tienen la fórmula ( _{CₙH₂ₙ + 2 )} .

Para obtener la mezcla de CO y H₂ _requerida para el proceso Fischer-Tropsch, el metano (componente principal del gas natural) puede someterse a una oxidación parcial que produce una mezcla de gas de síntesis crudo compuesta principalmente de dióxido de carbono , monóxido de carbono e hidrógeno (y a veces agua y nitrógeno). ^{[ 4 ]} La proporción de monóxido de carbono a hidrógeno en la mezcla de gas de síntesis crudo puede ajustarse, por ejemplo, mediante la reacción de desplazamiento del gas de agua . La eliminación de impurezas, en particular nitrógeno, dióxido de carbono y agua, de la mezcla de gas de síntesis crudo produce gas de síntesis puro (syngas).

El gas de síntesis puro se introduce en el proceso Fischer-Tropsch, donde reacciona sobre un catalizador de hierro o cobalto para producir hidrocarburos sintéticos, incluidos alcoholes.

El metanol se obtiene a partir del metano (gas natural) mediante una serie de tres reacciones:

Reformado con vapor

CH ₄ + H ₂ O → CO + 3 H ₂  Δ _r H = +206 kJ mol ⁻¹

reacción de desplazamiento del agua

CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂  Δ _r H = −41 kJ mol ⁻¹

Síntesis

2 H ₂ + CO → CH ₃ OH  Δ _r H = −92 kJ mol ⁻¹

El metanol así formado puede convertirse en gasolina mediante el proceso Mobil y en metanol a olefinas.

Conversión de metanol a gasolina (MTG) y de metanol a olefinas.

A principios de la década de 1970, Mobil desarrolló un procedimiento alternativo en el que el gas natural se convierte en gas de síntesis y luego en metanol . El metanol reacciona en presencia de un catalizador de zeolita para formar varios compuestos. En el primer paso, el metanol se deshidrata parcialmente para dar dimetil éter :

2 CH ₃ OH → CH ₃ OCH ₃ + H ₂ O

La mezcla de dimetil éter y metanol se deshidrata posteriormente sobre un catalizador de zeolita como el ZSM-5 , y en la práctica se polimeriza e hidrogena para obtener una gasolina con hidrocarburos de cinco o más átomos de carbono que constituyen el 80 % del combustible en peso. El proceso Mobil MTG se lleva a cabo a partir de metanol derivado del carbón en China por JAMG . Una implementación más moderna de MTG es la síntesis de gasolina mejorada de Topsøe (TiGAS). ^{[ 5 ]}

El metanol se puede convertir en olefinas utilizando catalizadores heterogéneos basados ​​en zeolita y SAPO . Dependiendo del tamaño de poro del catalizador, este proceso puede generar productos C2 o C3, que son monómeros importantes. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

La tecnología de conversión de metanol a olefinas se utiliza ampliamente en China para producir plásticos a partir de la gasificación del carbón. También se está considerando como un método para fabricar plásticos libres de combustibles fósiles en el futuro. ^{[ 8 ]}

Proceso de conversión de gas de síntesis a gasolina (STG+)

Un tercer proceso de conversión de gas a líquidos se basa en la tecnología MTG al convertir el gas de síntesis derivado del gas natural en gasolina y combustible para aviones compatibles mediante un proceso termoquímico de ciclo único. ^{[ 9 ]}

El proceso STG+ sigue cuatro pasos principales en un ciclo de proceso continuo. Este proceso consta de cuatro reactores de lecho fijo en serie en los que un gas de síntesis se convierte en combustibles sintéticos. Los pasos para producir gasolina sintética de alto octanaje son los siguientes: ^{[ 10 ]}

1. Síntesis de metanol : _El gas de síntesis se alimenta al reactor 1, el primero de cuatro reactores, que convierte la mayor parte del gas de síntesis (CO y H₂ ) en metanol ( CH₃OH ₎ al pasar a través del lecho catalítico.
2. Síntesis de dimetil éter (DME): El gas rico en metanol del reactor 1 se alimenta luego al reactor 2, el segundo reactor STG+. El metanol se expone a un catalizador y gran _parte de él se deshidrata a DME ( _CH₃OCH₃ ) .
3. Síntesis de gasolina: El gas producto del reactor 2 se alimenta a continuación al reactor 3, el tercer reactor que contiene el catalizador para la conversión de DME en hidrocarburos, incluidos parafinas ( alcanos ), aromáticos , naftenos ( cicloalcanos ) y pequeñas cantidades de olefinas ( alquenos ), principalmente de C ₆ (número de átomos de carbono en la molécula de hidrocarburo) a C ₁₀ .
4. Tratamiento de la gasolina: El cuarto reactor proporciona un tratamiento de transalquilación e hidrogenación a los productos provenientes del reactor 3. Este tratamiento reduce los componentes de dureno (tetrametilbenceno)/isodureno y trimetilbenceno, que tienen puntos de congelación elevados y deben minimizarse en la gasolina. Como resultado, la gasolina sintética resultante presenta un alto octanaje y propiedades viscométricas deseables.
5. Separador: Finalmente, la mezcla del Reactor 4 se condensa para obtener gasolina. El gas no condensado y la gasolina se separan en un condensador/separador convencional. La mayor parte del gas no condensado del separador de producto se recicla y se recircula al flujo de alimentación del Reactor 1, dejando como resultado la gasolina sintética compuesta por parafinas, aromáticos y naftenos.

Dado que el metano es el principal objetivo de la GTL, se ha prestado mucha atención a las tres enzimas que lo procesan. Estas enzimas sustentan la existencia de metanótrofos , microorganismos que metabolizan el metano como su única fuente de carbono y energía. Los metanótrofos aerobios poseen enzimas que oxigenan el metano para convertirlo en metanol. Las enzimas relevantes son las metano monooxigenasas , que se encuentran tanto en variedades solubles como particuladas (es decir, unidas a la membrana). Estas enzimas catalizan la oxigenación según la siguiente estequiometría:

CH ₄ + O ₂ + NADPH + H ⁺ → CH ₃ OH + H ₂ O + NAD ⁺

Los metanótrofos anaeróbicos dependen de la bioconversión del metano mediante las enzimas denominadas metil-coenzima M reductasas . Estos organismos llevan a cabo la metanogénesis inversa . Se han realizado grandes esfuerzos para dilucidar los mecanismos de estas enzimas metanotróficas, lo que permitiría replicar su catálisis in vitro. ^{[ 11 ]}

El biodiesel se puede producir a partir de _CO₂ utilizando los microorganismos Moorella thermoacetica y Yarrowia lipolytica . Este proceso se conoce como conversión biológica de gas a líquidos. ^{[ 12 ]}

Mediante procesos de conversión de gas a líquidos, las refinerías pueden transformar parte de sus residuos gaseosos ( gas de antorcha ) en valiosos combustibles , que pueden venderse tal cual o mezclados únicamente con gasóleo . El Banco Mundial estima que más de 150.000 millones de metros cúbicos (5,3 × 10¹² pies cúbicos ⁾ de gas natural se queman o liberan anualmente, una cantidad que representa aproximadamente 30.600 millones de dólares, equivalente al 25 % del consumo de gas de Estados Unidos o al 30 % del consumo anual de gas de la Unión Europea, [ ^{13 ] un} recurso que podría aprovecharse mediante la conversión de gas a líquidos. Los procesos de conversión de gas a líquidos también pueden utilizarse para la extracción económica de yacimientos de gas en lugares donde no es rentable construir un gasoducto. Este proceso será cada vez más importante a medida que se agoten las reservas de petróleo crudo .    

Royal Dutch Shell produce diésel a partir de gas natural en una fábrica en Bintulu , Malasia . Otra instalación de GTL de Shell es la planta Pearl GTL en Qatar , la instalación de GTL más grande del mundo. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Sasol ha construido recientemente la instalación Oryx GTL en la Ciudad Industrial de Ras Laffan , Qatar y junto con Uzbekneftegaz y Petronas construye la planta Uzbekistan GTL . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} Chevron Corporation , en una empresa conjunta con la Corporación Nacional de Petróleo de Nigeria, está poniendo en marcha la planta Escravos GTL en Nigeria , que utiliza tecnología Sasol. PetroSA , la compañía petrolera nacional de Sudáfrica, posee y opera una planta GTL de 22 000 barriles/día (capacidad) en Mossel Bay , que utiliza tecnología Sasol GTL. ^{[ 19 ]}

El GTL que utiliza gas natural es más económico cuando existe una gran diferencia entre el precio vigente del gas natural y el precio del petróleo crudo en términos de barriles equivalentes de petróleo (BOE). Un coeficiente de 0,1724 resulta en una paridad total con el petróleo . ^{[ 30 ]} El GTL es un mecanismo para reducir los precios internacionales del diésel, la gasolina y el petróleo crudo a la par con el precio del gas natural en una producción mundial de gas natural en expansión, a un precio inferior al del petróleo crudo. Cuando el gas natural se convierte en GTL, los productos líquidos son más fáciles de exportar a un precio más bajo que convertirlos en GNL y luego convertirlos en productos líquidos en un país importador. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

Sin embargo, los combustibles GTL son mucho más caros de producir que los combustibles convencionales. ^{[ 33 ]}

• Biomasa a líquido
• Combustible neutro en carbono
• Carbón a líquido

• Boogaard, PJ, Carrillo, JC, Roberts, LG y Whale, GF (2017) Propiedades toxicológicas y ecotoxicológicas de los productos de conversión de gas a líquido (GTL) . 1. Toxicología de mamíferos. Critical reviews in toxicology, 47(2), 121-144.