Gtl

Ing. Gutiérrez José Luis

Industrialización del Gas a Líquidos GTL Módulo

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INDUSTRIALIZACION DEL GAS METANO

CONVERSIÓN DE GAS NATURAL A LIQUIDOS

GTL

INTRODUCCIÓN

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos parafínicos que incluye el metano

en mayor proporción, y otros componentes en proporciones menores y

decrecientes. Esta mezcla contiene, generalmente impurezas tales como vapor de

agua, sulfuro de hidrogeno, dióxido de carbono y otros gases inertes.

El gas natural se ubica dentro de las fuentes energéticas no renovables y es

considerado como el combustible fósil menos contaminante.

La industrialización es la acción y efecto de transformar la materia prima en

productos de valor agregado.

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Los elevados gastos de importación que enfrenta el Estado Plurinacional de

Bolivia en la subvención de Diésel para abastecer el mercado interno, todo esto

debido a que las refinerías con las que se cuentan no abastecen la demanda de

diesel en el País.

Con la implementación de una Planta de Industrialización de Gas a Líquidos

(GTL), se logrará satisfacer la demanda, eliminando la importación de Diésel.

OBJETIVO GENERAL

Realizar un estudio técnico a cerca de las características de Gas Natural y el aprovechamiento que a este se le puede dar a través de la industrialización para la obtención de Diesel sintético, gasolinas y ceras,

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Objetivos Especificos

Producción de Diésel ecológico a partir del Gas Natural.

Se eliminaran alrededor de 200 mil millones de dólares anuales de

subsidios al Diésel Oíl importado.

Seguridad en el abastecimiento del mercado interno de Diésel con

producción nacional.

JUSTIFICACIÓN

Ya que somos un país productor de gas natural, es necesario hacer propuestas para su industrialización, y no simplemente quedarnos como exportadores, puesto que se pierde dinero, es necesario buscar alternativas para agregar valor a la materia prima obteniendo mayores beneficios económicos y sociales y así se contribuye a la base industrial para el desarrollo del país.

Justificación Económica.El Estado incurre en grandes gastos de importación de Diésel para el consumo

interno, esto debido a que las plantas de refinación en el país no abastecen y no

se cuentan con Plantas de Industrialización que deje satisfecha la demanda, los

gastos en importación son alrededor de 200 MM de dólares anuales, es por lo

tanto necesaria la instalación de una Planta de Industrialización de Gas Natural a

Líquidos GTL ya que de esta manera se eliminara la subvención que realiza el

Estado y dejaremos de ser simplemente exportadores de materia prima y así se

generará mayores ingresos económicos para el país.

Justificación SocialPara la sociedad en su conjunto será de gran beneficio utilizar líquidos a partir del

Gas Natural por ser más limpio.

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CAPITULO I

1.- Estudio de Mercado

Características del mercado

La organización del mercado de combustibles en Bolivia, es un mercado con

características de Monopolio, puesto que el Estado autoriza a YPFB el control de

las actividades hidrocarburíferas desde la producción hasta la comercialización,

mediante la Ley.

Descripción de los productos obtenidos del proceso F-T

Los productos GTL (Gas To Liquid) son incoloros, inodoros, biodegradables y

virtualmente sin sulfuro. Tienen un importante beneficio al el medio ambiente, ya

que disminuyen las emisiones componentes contaminantes producidos por los

automotores.

Mediante la tecnología GTL utilizando el proceso Fischer Tropsch a baja

temperatura, se obtienen los siguientes productos:

Productos Obtenidos con Tecnología GTL

Fracción % Peso Mercado

C1 – C4 (Gas + GLP) 5-10 Alimento petroquímico

Combustibles

C5 – C9 ( Nafta) 15-20 Alimento para plantas Oleofinas

Alimento para Reformado Catálico y producir

Aromáticos

C10 – C15 ( Queroseno) 20-30 Jet Fuel

Parafinas Normales

C17 – C22 (Diesel) 10-15 Combustible Diesel

C22 + (Ceras) 30-40 Ceras

Lubricantes Sintéticos

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OFERTA- DEMANDA

OFERTA:

En el cuadro se observa la oferta de diesel por parte de las refinerías ubicadas tanto en el departamento de Santa Cruz como en Cochabamba.

DEMANDA

Podemos observar las importaciones que se realizaron en el periodo 2011-2012 debido a que se tiene una demanda insatisfecha de este producto en nuestro país

Importaciones (Bbl/día)

Años

2011 2012

13.593 13.637

5

Refinerías Años

2011 2012

Gualberto Villarroel 6.718 6.214

Guillermo Elder Bell 3.901 5.240

Santa Cruz 0 0

Oro Negro 1.099 1.089

Parapetí 0 0

TOTAL 11.718 12.543



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DEMANDA QUE SE PUEDE LLEGAR A CUBRIR

Luego de haber analizado el comportamiento del mercado de los combustibles

diésel y gasolina a nivel Nacional, el cual muestra un déficit en la satisfacción del

mercado interno, y debido a esto se realizan las importaciones, se determina que

la demanda que cubrirá el proyecto será la sustitución de importaciones. El ahorro

que se generará al Estado en los gastos de importaciones y subvenciones será

muy significativo.

PRECIO

Se entiende como precio el valor monetario asignado a un bien o servicio. Los

precios de mercados actuales para los combustibles son:

Diésel es 3,72 Bs el Litro

Gasolina es de 3,74 Bs el Litro.

Los precios que se le asignaran a los productos, se ajustarán a los precios de

mercados vigentes, de acuerdo a las políticas que establece el Estado.

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CAPITULO II

2.- LOCALIZACION

Para recomendar una posible ubicación de la planta de GTL consideramos varios factores influyentes como:

Disponibilidad de la Materia Prima

Cercanía a los mercados

Cantidad y calidad de la mano de obra

Cercanías a centros de refinación

Servicios básicos

De acuerdo a estos factores consideramos como un lugar apropiado localizar la planta de GTL en el departamento de Santa Cruz ya que es el departamento con mayor demanda de diesel además que se encuentran 2 refinerías en el mismo departamento facilitando de esta manera la industrialización de esta materia prima.

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CAPITULO III

3.- ESTUDIO TECNICO

El presente estudio está dirigido a la obtención de diesel, a través de la construcción de una planta de GTL que procesara 100 MMPCND de gas natural proveniente del Campo GTL, con la siguiente cromatografía promedio:

COMPOSICION ALIMENTO

CO2 0,082C1 91,985

C2 4,621

C3 2,704

i-C4 0,111

n-C4 0,200

i-C5 0,071

n-C5 0,081

C6 0,088

C7+ 0,058

TOTAL 100,000

El proceso para llegar a tener nuestro combustible Diesel lo dividiremos en dos etapas:

La primera será el acondicionamiento de la materia prima que es el Gas Natural que debe llegar a nuestra planta libre de agua y contaminantes.

La segunda etapa comprende la industrialización del Gas para así tener como producto final Diesel, Nafta y Ceras.

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Primera etapa: Proceso de acondicionamiento de la materia prima

El objetivo principal de esta etapa es liberar al gas de los contaminantes que este contiene desde su extracción. Para lograr esto se deben seguir los siguientes procesos dependiendo de la cromatografía del hidrocarburo extraído del pozo.

Separación

Una vez el gas es extraído de boca de pozo es llevado a un proceso de separación en este caso como nuestro volumen es de 100 MMPCND de gas hemos visto conveniente el uso de dos separadores bifásicos debido a que el flujo proveniente del yacimiento se encuentra en dos fases, los cuales se ubican a una distancia de 500m del pozo, con una capacidad de 60 MMPCD cada uno, logrando de esta manera separar el liquido del gas debido a la reducción de presión y temperatura.

El gas obtenido de la separación pasa a un proceso de endulzamiento, mientras que el líquido es enviado a los tanques de almacenamiento para darle el tratamiento necesario de acuerdo al uso que se le quiera dar.

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Gases

Líquidos



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Endulzamiento del gas

En este proceso lo que queremos lograr es remover los contaminantes tales como H2S (ácido sulfhídrico) y CO2 (bióxido de carbono), que provienen con el gas recibido del proceso de separación.

Este proceso consiste en la absorción selectiva de los contaminantes, mediante una solución acuosa, a base de una formulación de amina, la cual circula en un circuito cerrado donde es regenerada para su continua utilización.

Este proceso se lo debe realizar de manera obligatoria ya que los requerimientos de nuestro gas metano según norma debe estar libre de estos contaminantes.

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DESHIDRATACION DEL GAS

Todo gas natural de producción está totalmente saturado con agua en su fase vapor, el cual debe cumplir según norma GPSA (Gas Processors Supliers Association “Asociación de Productores y Procesadores de Gas de los Estados Unidos de América”) debe ser menor a 7LbH2O/MMPCN .

Para llegar a estos requerimientos existen varias opciones de proceso que pueden ser utilizadas para llevar a cabo la deshidratación, de las cuales hemos optado por el uso del Tri-Etilen Glicol (TEG) que es inyectado por el tope de la torre entrando en contacto con el flujo de gas que ingresa por la parte inferior, absorbiendo el agua residual y de esta forma conservar las características del producto de interés.

Posteriormente al uso de TEG se debe realizar un proceso usando tamices moleculares esto debido a que en el producto obtenido del proceso con TEG quedan pequeñas trazas de agua.

En síntesis este proceso se realiza para prevenir la formación de hidratos, cumplir con los requerimientos de venta del gas, prevenir la corrosión.

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Gas

Glicol

Glicol-Agua

Gas

Tamiz

Gas



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Fraccionamiento del gas

El resultado obtenido de los procesos anteriores nos arrojan un gas rico pero tomando en cuenta lo que necesitamos como materia prima es Metano, los demás componentes pueden ser aprovechados para obtener otros productos tales como GLP.

Este proceso consiste en varias etapas de separación que se logran a través de la destilación. Con lo anterior se logra la separación de cada uno de los productoseste proceso es llevado a cabo en una torre de fraccionamiento de acuerdo al producto que se quiera obtener en muestro caso es metano entonces el proceso se lleva a cabo en una torre desmetanizadora.

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SEGUNDA ETAPA: PROCESO DE INDUSTRIALIZACIÓN DEL GAS NATURAL

PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE GAS A LÍQUIDOS

La transformacion de gas en liquidos utilizando el metodo de Fischer Tropsch es un proceso de pasos multiples, con gran consumo de energia, que separa las moleculas de gas natural,prodominantemente metano, y las vuelve a juntar para dar lugar a moleculas mas largas.

Organizando las etapas los pasos del proceso GTL se constituye en 3 pasos genéricos, donde la materia prima inicial es el metano.

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Proceso de Obtención de Diesel, Nafta, Ceras



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El primer paso

Requiere la entrada de oxigeno separado del aire. El oxigeno es insulfado en un reactor para extraer los atomos de hidrogeno del metano. Los productos son gas de hidrogeno sintetico (H2) y monoxido de carbono (CO). Este proceso cuenta con siguiente reaccion quimica.

CH4 + ½ O2 ------------------ CO + 2H2

T = 1000 ºC ; P = 1400 psig y mayores

El segundo paso

Se utiliza un catalizador para recombinar el hidrógeno y monóxido de carbonomediante el proceso FT, dando lugar a los hidrocarburos líquidos.

nCO + (2n+1) H2 ---------- CnH(2n+2) + n(H20)

T = 240 - 280 oC ; P = 450 Lpca

Catalizador de Hierro (Fe) ó Cobalto (Co) Tercer Paso

Los hidrocarburos de cadena larga son cargados en una unidad de craqueo, donde se fraccionan para producir diesel, nafta y ceras

Principales catalizadores para FT.

Los principales catalizadores utilizados son elaborados en base a Hierro, Cobalto,Níquel y Rutenio se muestra la comparación de las ventajas y desventajas de los mismos.

- Catalizador de Hierro

Ventajas: - Mínima producción de HC ligeros.- Amplio rango de fracciones de H2/CO-

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- Mayor actividad.

Desventajas: - Limitado para la producción de ceras pesadas.- Tiende a formar carbón, desactivando el

catalizador y disminuyendo el crecimiento de la cadena.

- Catalizador de Cobalto

Ventajas: - Mayor tiempo de vida del catalizador.- Baja tendencia a formar carburos.-Menor costo operativo.-Se adiciona promotores de Ru, Re y Pt.

Desventajas: - Menor tolerancia al azufre y al amoniaco que el Hierro.- Rango de H2/CO reducido.- Alto precio (230 veces más que el Fe), por ser soportado sobre óxidos.

- Catalizador de Níquel (Ni)

Ventajas - Posee una mayor actividad que el cobalto puro.

- Menos tendencia a la producción de carbón.

Desventajas - Forma fácilmente metal-carbonilos volátiles.- En condiciones industriales se produce

metano.

- Catalizador de Rutenio (Ru)

Ventajas - Catalizadores FT más activos.- Se obtienen ceras de alto peso molecular.- Sin promotores.

Desventajas - Altísimo precio (3.105 veces el Fe), lo excluye de la aplicación industrial.- Limitado para estudios académicos

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por el control de la reacción.

De acuerdo a las características de los catalizadores se recomienda el uso del

Hierro (Fe) por su tendencia de formar cadenas más pesadas de hidrocarburos

sintéticos.

Distribución de Productos FT.-

La distribución de los productos del proceso FT está en función de la naturaleza del catalizador y las condiciones operativas del proceso. Los principales productos son parafinas y olefinas.

Reactores del proceso GTL.

Existen cuatro tipos principales de reactores industriales para desarrollar las reacciones FT, los cuales describimos a continuación:

Reactor tubular en lecho fijo: Opera a 220-260ºC y 20-30 bar.

Reactor de lecho circulante: Operado a 350ºC y 25 bar. Produce sobre todo gasolina olefínica.

Reactor de lecho fluidizado: Este tipo de reactor es de menor tamaño pero tiene la misma capacidad de producción que el reactor de lecho circulante.

Reactor "slurry": Normalmente estos reactores trabajan a baja temperatura para producir un máximo de productos de alto peso molecular.

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Proceso

La descripción del proceso se resume en los siguientes puntos:

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El gas natural se es pre-tratado para remover todo el sulfuro que presente usando tecnología convencional [1]. Se le añade vapor y gases reciclados, la mezcla es precalentada antes de ingresar al proceso de CRG (pre-reformado, empobrecimiento) [2]. Usando un catalizador de níquel, el proceso de CRG convierte los hidrocarburos pesados en metano y reforma parcialmente la alimentación. Antes de pasar al reformador compacto [3], se añade vapor y se precalienta la mezcla.

El reformador compacto es un reactor tubular (múltiples tubos) en contracorriente que mediante un catalizador de níquel produce una mezcla de monóxido de carbono e hidrogeno. El calor requerido para esta reacción endotérmica es producido en parte por la quema del exceso de hidrógeno en adición con la quema de gas.

El gas que abandona el reformador compacto es enfriado [4] produciendo suficiente vapor para alimentar todo el proceso. El condensado en exceso es retirado.

El gas de síntesis seco es comprimido en un compresor centrífugo de una etapa [5] y pasa a un separador de membrana [6] donde se retira el hidrógeno en exceso que sirve como combustible para el proceso de reformado compacto. El producto no permeable de la separación es la alimentación del siguiente proceso de conversión [7] donde el gas de síntesis se convierte en una mezcla de parafinas y ceras mediante el uso de un catalizador de cobalto. El gas de síntesis que no se convirtió es reciclado para el proceso de reformado compacto.

Las parafinas y ceras se convierten en crudo sintético (Syncrude) mediante un proceso de hidrocraqueado común [8].

CARACTERÍSTICAS DE LA PRODUCCIÓN DE GTL

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En el proceso de GTL se obtienen gasolinas, diesel, ceras sintéticas y varios productosmás con procesos complementarios. Las características más importantes son lassiguientes:

• Diesel sintético:

a) Extremadamente puro.

b) Contenido de azufre y oxido de nitrógeno prácticamente nulo.

c) Su combustión produce poca o nula emisión de partículas.

d) Posee un alto índice de cetano y es favorable para el motor.

• Nafta:

a) Alto contenido de parafinas.

b) Bajo octanaje, esta desventaja requiere de procesos catalíticos adicionales paraaumentar el octanaje de la gasolina.

• Ceras:

a) Muy puras , pueden ser usadas en la industria cosmética.

• Otros productos derivados:

a) Luego de procesamientos adicionales se puede producir Metanol, dimetil éter(DME), etanol, dietil éter, olefinas, óxido del propileno y de monómeros de vinilo,etc.

Comparacion entre Diesel Sintetico y Diesel Convencional

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La tecnología GTL beneficia al medio ambiente

Los productos de la combustión de los hidrocarburos líquidos es más limpia.

Son incoloros, inodoros de baja toxicidad. Es una alternativa de recuperación del gas que se ventea y quema. La combustión de los productos sintéticos no producen CO, Óxidos de S y

de N. Tampoco partículas.

Dimensiones:

Son instalaciones muy grandes, casi colosales. Por que el proceso en sí tiene una eficiencia termodinámica muy baja lo que obliga a realizar

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PROPIEDADDiesel Sintético

Diesel Convencional

Gravedad Específica a 60°F

0.7716 0.8455

Gravedad API a 60°F 51.9 35.86Aromáticos (%vol. total) - 28.3Poliaromáticos (% vol.) - -Oleofinas (%vol.) - 1.4Saturados (%vol.) >99 70.3Cont. de azufre, % peso < 1 ppm 0.03Número de cetano (CN) 73.6 46.7Índice de cetano (CI) 74.1 46.6



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recirculaciones para aumentar el tiempo de residencia de la materia prima, esto aumenta el tamaño de las instalaciones.

Cubren grandes extensiones y requieren por lo menos una alimentación de 1,3 TPC a bajo costo durante 20 años para ser atractivas económicamente.

La unidades de reformado también son grandes. Se están probando tecnologías para implementar plantas más pequeñas.

Rentech evaluaba la implementación de dos plantas, una en Bolivia (10000 Bls/d) y otra en Indonesia (16000 Bls/d) en año 2004.

Eficiencias y costos:

Se deben desarrollar nuevos procesos para mejorar la eficiencia del proceso.

Las membranas cerámicas para el proceso de separación del Oxigeno, reducirían un 25 % del costo total operativo.

Hay investigaciones en el Instituto de Tecnología de California, para crear un proceso de un solo paso. El proceso sería más viable y económico.

En la actualidad también se realizan investigaciones para mejorar las eficiencias con reactores de membrana catalítica que requerirán menor cantidad de energía para su funcionamiento.

Capacidades de produccion de una planta de GTL

Los procesos GTL actualmente en operación convierten 286 m3 (10000 pc) de gas en un poco mas de 0.16 m3 (1 barril) de combustible sintetico liquido

NORMAS

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Los productos producidos por la planta GTL deben cumplir con las siguientes características de acuerdo a norma boliviana para un diesel convencional.

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CONCLUSIÓN

Las plantas de GTL requieren una inversion estimada en base a una escala de

produccion de 20.000 a 30.000 $us/Bbl de capacidad instalada para producciones

superiores a 100.000 bpd y de 35.000 a 45.000 $us/Bbl para producciones

inferiores a 100000 bpd. Es asi que una planta de 10.000 bpd requiere una

inversion aproximada de 450 MM$, frente a 3.000 MM $us para una de

100.000Bpd.

Los proyectos de GTL que existen actualmente a nivel mundial, para ser

sostenibles, requieren obtener la materia prima a precios muy bajos, alrededor de

1 $us/MMbtu, y requieren volumenes considerables de gas natural para muy bajos

rendimientos de producto. Por ejemplo, para una planta con capacidad de

produccion de 10.000 Bpd de diesel se requiere un volumen de 100 MMpcd de

gas natural y para 100000 Bpd se necesitan 1.000MMpcd

Por lo dicho anteriormente ,considerando que actualmente se importa diesel oil

para cubrir la demanda interna, no obstante que con un proyecto de GTL (de

escala mundial ) se podria cubrir la demanda insatisfecha de este producto, en

Bolivia no estan dadas las condiciones para la implementacion de este tipo de

plantas debido al alto costo de la tecnologia GTL , a los grandes volumenes de

gas natural requeridos , al bajo rendimiento de produccion de liquidos (diesel

sintetico) , al elevado costo de produccion , al requerimiento de bajo precios de

Gas Natural poco convenientes para el pais y las regiones y a la falta de Gas

Natural como materia prima en el corto y mediano plazo.

No obstante de ello, se espera que en el mediano plazo, maduren las tecnologias

y mejoren las condiciones para viabilizar proyectos de GTL en el pais. Asimismo,

los mercados asiatico y de la India, entre otros, muestran un comportamiento

creciente de la demanda, lo que significa un importante incentivo , en el corto

plazo, para la implementacion de esta tecnologia en el pais.

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