REACTORES FISCHER TROPSCH

TRABAJO FINAL MODULO GTL CONVERSION DE GAS NATURAL A HIDROCARBURO LIQUIDO (REACTORES)1. INTRODUCCINEl proceso de conversin de gas natural a hidrocarburo lquido fue inventado a raz de la necesidad de contar con fuentes de energa alternas y diferentes procesos para obtener hidrocarburos lquidos combustibles limpios.La insuficiencia o no tenencia de reservorios petroleros en ciertos pases.Segunda Guerra Mundial.Crecimiento y desarrollo de los pases (poblacional, industria, vehicular-transporte, comercial, etc.).La bsqueda de eficiencia y productividad en la industria de Gas y Petrleo.Cambios climticos y contaminacin de la capa de ozono que originaron acuerdos, tratados y un sistema ambiental mundial para el Desarrollo sostenible limpio.

2. OBJETIVOSExplicar de manera general el proceso de conversin de gas natural a hidrocarburo lquido Explicar de forma general el funcionamiento y reaccin de un reactor de proceso Fischer Tropsch para la obtencin de lquidos.Citar y clasificar los diferentes tipos de reactores de proceso Fischer - Tropsch.Explicar los principales y ms usados tipos de reactoresExponer los diferentes tecnlogos fabricantes de reactores (tecnologa)Citar las plantas y su capacidad de produccin que aplican el proceso F-T y que actualmente operan en el mundo.

3. PROCESO DE CONVERSION GTL

a) El proceso inicia con la obtencin del gas de sntesis a partir del gas natural (metano). Existen 3 formas de obtener el gas de sntesis y se utiliza la mejor aplicacin en funcin de los productos finales que se quiera obtener:Oxidacin parcial del gas natural (6 Mpa. y 1200 C): 2CH4 + O2 --------- 2CO + 2H2Reformado del gas natural (3 Mpa. Y 940C):CH4 + H2O----------CO + 3H2Reforma Auto trmica: Se genera la siguiente reaccin:CH4 + H2O + O2-------------3CO + 7H2

b) Una vez obtenido el gas sinttico, ste ingresa al proceso de sntesis Fischer Tropsch, el cual, consta de un reactor sistemtico secuencial dnde se generar la reaccin altamente exotrmica para la obtencin de los hidrocarburos combustibles sintticos limpios. Se generan largas cadenas de parafinas, ceras y agua. nCO + 2nH2 --------- n(-CH2-) + nHO2nCO + (2n + 1) H2 --------- Cn H2n+2 + nH2O

c) Finalmente, los productos obtenidos de la sntesis F-T ingresan al proceso de hidrocrackeo.

4. REACTORESEn una planta de proceso de conversin de gas natural a hidrocarburo lquido, los reactores son los corazones de las diferentes unidades: Unidad de obtencin de gas de sntesis y Unidad de proceso F-T para la obtencin de lquidos. Un reactor es una unidad de proceso dnde se origina y lleva a cabo una reaccin qumica entre los componentes o productos que son introducidos, ayudada e impulsada por un catalizador, para obtener un nuevo producto.En la sntesis F-T, el reactor es la unidad sistemtica ms importante dnde se lleva a cabo la reaccin qumica, a alta presin y alta temperatura, para obtener los productos lquidos a parir del gas sinttico.Los componentes ms importantes de un reactor son: catalizador, todos los materiales internos y externos que lo conforman especiales para altsima presin y temperatura.El reactor es la unidad de proceso ms compleja e importante de toda Planta de Proceso GTL considerando su funcin, costo, operacin, mantenimiento, seguridad y otros factores.

5. TIPOS DE REACTORESExisten algunas comparaciones acadmicas entre los diferentes tipos de reactores, sin embargo estas pueden resultar algo engaosas. La razn incide en la existencia de modificaciones importantes realizadas al diseo del reactor simple inicial que mejoran considerablemente su funcionamiento.

Debe recordarse que el reactor FT s mismo no es un componente de coste dominante en el coste global de la planta lo que la forma en la que se integra en el proceso puede ser ms importante que la simple coste de la vasija del reactor. La evitacin de reciclajes de gas excesivas es importante.

5.1 PRIMEROS REACTORES Reactores FT comerciales fueron instalados y operados antes y durante la Segunda Guerra Mundial en algunas plantas, en su mayora Alemania. Estos reactores tempranos son:

Reactor de Lecho fijo con refrigeracin interna.Reactor multi-tubular con un set de dobles tubos concntricos.Reactor Adiabtico de lecho fijo.Reactor de lecho fijo con mltiples lechos adiabticos.Reactor de lecho fijo adiabtico.Reactor Slurry.

PRIMEROS REACTORES REACTOR DE LECHO FIJO CON REFRIGERACIN INTERNA (El catalizador est empacado en una caja rectangular con tubos instalados por los que circula agua de enfriamiento para eliminar el calor desprendido en la reaccin.)

REACTOR MULTI TUBULAR (Reactor multitubular con un set de dobles tubos concentricos, en los que el catalizador ocupa el espacio anular, rodeado por agua en su punto de ebullicin. )

REACTOR ADIABTICO DE LECHO FIJO (Alta recirculacin de gas caliente el cual es enfriado externamente.)

PRIMEROS REACTORES REACTOR DE LECHO FIJO CON MLTIPLES LECHOS ADIABTICOS (Quenching entre lechos con alimentaciones de gas fro, recirculacin de gas caliente y enfriamiento externo)

REACTOR DE LECHO FIJO ADIABTICO (Con una gran recirculacin de condensados pesados . La corriente de lquido recirculante es enfriada externamente.)

REACTOR DE LODOS CON EL CATALIZADOR SLIDO EN EL LODO (Gran cantidad de aceite caliente es recirculado u enfriado externamente.)

5.2 REACTORES ACTUALESActualmente existen cuatro (4) tipos de reactores Fischer - Tropsch (FT) de uso comercial, tres amplias categoras de catalizador se utilizan en estos reactores. Los cuatro (4) tipos de reactores son:

Reactor de Lecho fluidizado circulanteReactor de Lecho fluidizadoReactor tubular de lecho fijoReactor de fase Slurry

REACTORES ACTUALES

REACTORES ACTUALES

6. REACTORES PRINCIPALES

Gama del producto depende de: Temperatura, Catalizador, Presin y Composicin del GasAlta Temperatura Fischer-Tropsch 350C: Gasolina y olefinasBaja Temperatura Fischer-Tropsch 250C : Diesel y ceras

CONSIDERACIONES DE DISEO

Catalizador de proceso.Condiciones de proceso.LTFT Tres Fases. Reactor Lecho Fijo Multi-tubular o Reactor Slurry Hidrodinmica. Separacin de Solidos.HTFT Dos Fases.Eliminacin del Calor Altamente Exotrmica.

Lecho fijo.

Uno de los ms tempranos desarrollos en los reactores Fischer-Tropsch fue el lecho fijo tubular, despus de muchos aos Ruhrchemie y Lurgi (Jager, 2003) refinaron este concepto a lo que hoy es conocido como el reactor ARGE de alta capacidad. Estos reactores generalmente contienen 2000 tubos rellenos con catalizadores de hierro inmersos en agua para remover el calor.

La temperatura del bao de agua es mantenida en el reactor por el control de la presin, alta velocidades de entrada del syngas y con reciclo del gas obtenido de la reaccin. Tecnologa actual en reactores F-T

Lecho fijo.

El syngas es introducido por la parte superior del reactor y los productos se obtienen por la parte inferior. La eficiencia de la conversin se encuentra en un 70%. Los reactores operan a 2-3 MPa, y 493-533 K. El tiempo de vida de los catalizadores es de 70-100 das y su remocin es muy difcil (Wender, 1996).Tecnologa actual en reactores F-T

Reactor fase Slurry.

Este, es otro diseo de reactor a baja temperatura y fue considerado desde los aos 50 por su pionero Kolbel (Dry, 2002). El reactor Slurry opera en tres fases y consiste en un lecho de catalizadores suspendidos y dispersos en lquido (Productos FT). El gas de sntesis es burbujeado desde la parte inferior del reactor, logrando un excelente contacto con los catalizadores. Los reactores Slurry son optimizados a baja temperatura para una produccin alta de ceras y baja de metano.

.Tecnologa actual en reactores F-T

Reactor fase Slurry.

Comparado con el reactor ARGE, el Slurry ofrece las siguientes ventajas: mayor control de la temperatura, fciles de construir, sencillos de operar y bajo costo (75% menos), alta conversin de productos, menor carga y mayor tiempo de vida de los catalizadores. Es de aclarar que el desarrollo del reactor Slurry fue realizado en SASOL y la patente licenciada posteriormente a ExxonMobil.Tecnologa actual en reactores F-T

Horacio Rodriguez

SasolReactor Slurry 2500bbl/dia

Lecho fluidizado circulante.

Estos reactores operan a 623 K y 2,5 MPa. La corriente combinada de syngas y gas de reciclo entran al reactor por la parte inferior y se ponen en contacto con los catalizadores que bajan de la tubera vertical por medio de una vlvula. La alta velocidad del gas arrastra los catalizadores (ocasionando que se lleve a cabo la reaccin) hasta la zona donde el calor es removido; luego son transportados hasta una tolva de gran dimetro donde los catalizadores se asientan y los productos gaseosos salen del reactor por medio de un cicln, para que luego su temperatura se disminuya y se obtengan los productos lquidos.

Lecho fluidizado circulante.

Los reactores SYNTHOL son fsicamente muy complejos e involucran circulacin de una gran cantidad de catalizadores. Adems, poseen capacidad limitadas de 1,200 m3por da (Lutz, 2001).

Lecho fluidizado.

Estos reactores fueron diseados por Sasol (Jager, 2003), y han remplazado los reactores de lecho fluidizado circulante (SYNTHOL convencional). Su funcionamiento se representa asi: el syngas es introducido dentro de un distribuidor y luego inyectado en un lecho fluidizado de catalizadores, los cuales se encuentran suspendidos debido a la velocidad de los gases. En el momento en que se suspenda el sistema, los catalizadores caen sobre una malla; despus de producida la reaccin, los gases producidos salen por la parte superior, antes pasando por unos ciclones, que permiten separar, las pequeas cantidades de catalizadores, arrastrados por los gases producidos.

Lecho fluidizado.

El calor dentro del reactor es removido por un intercambiador de calor inmerso en el lecho (Steynberget al., 1999). Los nuevos reactores comparados con los convencionales son casi la mitad en cuanto a costos de construccin y tamao para la misma capacidad de produccin (Hill, 1999), poseen mejor eficiencia trmica con menores gradientes de temperatura y presin a lo largo del reactor, operan a ms bajo costo y con mayor flexibilidad (en cuanto a distribucin de productos).

Algunas Dimensiones:Para 8 m del reactor su capacidad es de 11000 bbl/dia.Para 10.7 m del reactor su capacidad es de 20000 bbl/dia.

El reactor de Lecho fluidizado trabajara a 320C-350C y una presin de 2.5 MPa con un tamao de partculas de dimetro de: 50-200um.

Para la misma capacidad, el tamao relativo de los reactores es:Reactores Sasol Advanced Synthol Reactor.

Reactores SAS: Simple estructura y soporte No recircula el catalizador Todo el catalizador esta en uso todo el tiempo Consumo del catalizador reducido al 40% Fcil operacin Mas barato 40% Menor mantenimiento 15% Mas superficie de transferencia de calor. Capacidades mayores.

R. Lecho fluidizado reemplazo al R. Lecho Fluidizado Recirculante (CFB).

Tipo de ReactorTecnologaLecho FluidizadoSASOL Lecho FijoShell y BPSlurrySASOL - ExxonMobil7. TECNOLOGAS DE REACTORES

8. PLANTAS DE FISHER - TROPSCH CON PROCESOS 8.1. EMPRESAS QUE OPERAN CON LA TECNOLOGA FISHER - TROPSCH

PLANTADIAMETRO DEL REACTOR (in)ALTURA DEL REACTOR (ft)PRESION DE OPERACIN (Psig)RELACIN DE H2/COVELOCIDAD SUPERFICIAL (cm/s)Sterling3.561181200.7 - 3.03 - 41.2 - 2.5Zuni3.5291601.2 - 1.46 - 8Boulder1.5261850.7 - 2.52 - 4Pueblo1.526150 - 3750.7 - 3.52.5 - 5Synhytech72551601.4 - 1.94.5 - 6LaPorte22242650.7 - 2.04.0 - 248.2. DIMENSIONES DE LOS REACTORES DE FISCHER - TROPSCH EN PLANTAS EXISTENTES