Experimentación en Ingeniería Química II

Ana María De La Torre Sánchez

María Llorente Moreno

Introducción

Reactores empleados en el proceso

Cinética de la síntesis de FT

Proceso de FT

Tecnología Fischer-Tropsh (FT):núcleo de muchos procesos de conversión de una fuente primaria a hidrocarburos.

Fabricación de gas de síntesis: parte más cara del proceso (60-70%).

Objetivo: tratamiento eficaz del gas de síntesis

Aspectos generales

Mecanismo de reacción

Oxidación de la materia prima (gas natural o carbón) a CO y H2

Gas de síntesis agua y parafinas

Hidrogenación o hidrocraqueo productos limpios

Aplicaciones industriales

Brawnsville, Texas (360000t/a)

Sasolburg

Alemania (9 plantas)(660000 t/a)

Introducción

Reactores empleados en el proceso

Cinética de la síntesis de FT

Proceso de FT

Reacciones controladas por la cinética

Control de la temperatura

Buen intercambio de calor

A elevadas temperaturas:

•Formación de CH4

•Deposición de carbón desintegración de catalizadores

•Reacciones secundarias no deseadas

Reactores más empleados:

Reactor multitubular de lecho fijo

Reactor de lecho fluidizado Reactor tipo slurry

Reactor multitubular de lecho fijoVENTAJAS Operación sencilla Utilizado en un amplio rango de temperaturas Velocidades de gas de síntesis bajas Trazas de H2S no envenenan el catalizador

INCONVENIENTES Elevada caída de presión Gasto de compresión elevado Reposición del catalizador Parada del proceso

Reactor de lecho fluidizadoVENTAJAS velocidades de gas de síntesis mayores Caída de presión proporcional a la masa de sólido No es necesario detener el proceso para cambiar el

catalizador

INCONVENIENTES Velocidad : erosión de las paredes del reactor Gasto económico en la separación de catalizador Ciclón

Alternativa: Reactor tipo slurry

Se utilizan para la producción de hidrocarburos de alto peso molecular

Sólido suspendido en líquido estanco+

Burbujeo de gas de síntesis

Reactor tipo slurryVENTAJAS Costes mas bajos Operación sencilla Isotérmicos

INCONVENIENTE Separación del catalizador de las ceras que se

forman

Alternativas de operación: mejora de la productividad

Recirculación Reactores en serie

Introducción

Reactores empleados en el proceso

Cinética de la síntesis de FT

Proceso de FT

Modelo más extendido Suposición de etapa controlante:

Reacción:

Velocidad de reacción:

Según Teoría de Langmuir

Influencia del CO2 pequeña, luego:

Donde

Finalmente:

Al principio de la reacción:

Poco H2O

m: constante cinética =f(energía de activación, carga de catalizador, etc.

Reactores estudiados etapa lenta: difusión interna

SORPRENDENTE: El modelo funciona para los 3

¿Por qué?

La velocidad de la difusión es proporcional a los gradientes de concentración que dependen y

son causados por la velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar en los

centros activos de la superficie del catalizador

Introducción

Reactores empleados en el proceso

Cinética de la síntesis de FT

Proceso de FT

UHVXPS

Catalizador de Fe Catalizador de Fe producción de ceras mediante Cu, K2O y SiO2

◦ Altas temperaturas Magnetita + Q. requerido + Agente estructural (Al2O3 o MgO)

Catalizador de CoCatalizador de Co Bajas temperaturas evitar exceso de CH4

Posible envenenamiento por sulfúricos envenenamiento por sulfúricos minimización con reactor adecuado

Basicidad de FeBasicidad de Fe aparición de óxidos

Obtención de conversión elevadaconversión elevada◦ Co necesaria 1 etapa o sin recirculación◦ Fe mas de una etapa o recirculación

Catalizador con base de hierro de composición: 100Fe-4.4Si-0.71K

Reactor tipo slurry Una sola etapa Relación H2/CO = 0.7 P=1 atm T = 270ºC

Experimento realizado

A menor conversión de CO, mayor fracción de hidrocarburos obtenidos por unidad de CO transformado.

Al avanzar la reacción el CO transformado disminuyea partir de un valor máximo

Al avanzar la reacción, la producción de hidrocarburos disminuyea partir de un valor máximo

Producción de CO2 disminuye al avanzar la reacción a partir de un valor máximo

Conclusiones Beneficioso trabajar con conversiones de

CO bajas (entre 0.1 y 0.4) Trabajar con tiempos de reacción bajos que

maximicen la producción de hidrocarburos, sin producir excesivo CO2 optimización

Trabajar con flujos elevados de gas de síntesis para aprovechar al máximo el catalizador.

Sasol ( South African Synthetic Oil Ltd.) Fuente primaria gasificación del carbono (Lurgi dry-ash)

Producción de alquitranes, combustible, naftas, fenoles y amoniaco

Separación para su venta

Purificación eliminar CO2 y H2S

(11% metano en gas de síntesis)

Mossgas Fuente primaria metano Reactor tubular y autotérmico

Shell Oxidación parcial de metano a alta presión

Syntroleum Metano reformado a bajas presiones Reactor “air blown”

Fischer-Tropsch synthesis: process considerations based on performance of iron-based catalysts

Ajoy Raje, Juan R. Inga and Burtron H. DavisCenter for Applied Energy Research. University of Kentucky. 3572 Iron WorksPike, Lexington,KY 40511, USA.Año de publicación 1997.

  The Fischer–Tropsch process: 1950–2000

Mark E. DryCatalysis Research Unit, Department of Chemical Engineering, University of Cape Town,

Rondebosch 7701, South AfricaAño de publicación 2002.

  Practical and theoretical aspects of the catalytic Fischer-Tropsch process

Mark E. DryDepartment of Chemical Engineering, University of Cape Town, Private Bag, Rondebosch

7700, South Africa.Año de publicación 1996.

Fischer–Tropsch technology —from active site to commercial processJ.J.C. Geerlings, J.H. Wilson, G.J. Kramer, H.P.C.E. Kuipers, A. Hoek, H.M. Huisman Shell Research and Technology Centre, P.O. Box 38000, 1030 BN Amsterdam, The Netherlands.Año de publicación 1999.