Gas a liquido

Gas a líquido (GTL) es un proceso de refinería para convertir gas natural u otros hidrocarburos gaseosos en hidrocarburos de cadena más larga, como gasolina o diésel. Los gases ricos en metano se convierten en combustibles sintéticos líquidos. Existen dos estrategias generales: (i) combustión parcial directa de metano a metanol y (ii) procesos similares a Fischer-Tropsch que convierten el monóxido de carbono y el hidrógeno en hidrocarburos. La estrategia ii es seguida por 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 que dependen de la combustión parcial se han comercializado principalmente en regiones donde el gas natural es barato.

La motivación de GTL es producir combustibles líquidos, que se transportan más fácilmente que el metano. El metano debe enfriarse por debajo de su temperatura crítica de -82,3 °C para poder licuarse bajo presión. Debido al aparato criogénico asociado, para el transporte se utilizan buques cisterna de GNL. El metanol es un líquido combustible de fácil manipulación, pero su densidad energética es la mitad que la de la gasolina.

Proceso de Fischer-Tropsch

Se puede establecer un proceso GtL mediante el proceso de 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 (C_nH_2n+2 ).

Para obtener la mezcla de CO y H₂ necesaria para el proceso Fischer-Tropsch, el metano (componente principal del gas natural) puede someterse a una oxidación parcial que produce una mezcla cruda de gas de síntesis. compuesto principalmente de dióxido de carbono, monóxido de carbono, gas hidrógeno (y a veces agua y nitrógeno). La proporción de monóxido de carbono a hidrógeno en la mezcla de gas de síntesis bruto se puede ajustar, p.e. utilizando la reacción de desplazamiento de gas agua. La eliminación de impurezas, particularmente nitrógeno, dióxido de carbono y agua, de la mezcla de gas de síntesis sin procesar produce gas de síntesis puro (gas de síntesis).

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

Proceso de metano a metanol

El metanol se produce a partir de metano (gas natural) en una serie de tres reacciones:

Reforma de vapor

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ Δ_rH = +206 kJ mol⁻¹

Reacción del cambio de agua

CO + H₂O → CO₂ + H₂ Δ_rH = 41 kJ mol⁻¹

Síntesis

2 H₂ + CO → CH₃Oh. Δ_rH = 92 kJ mol⁻¹

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

Metanol a gasolina (MTG) y 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 alcanos. En términos de mecanismo, el metanol se deshidrata parcialmente para dar éter dimetílico:

2 CH₃Oh, CH₃OCH₃ + H₂O

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

El metanol se puede convertir en olefinas utilizando zeolita y catalizadores heterogéneos basados en SAPO. Dependiendo del tamaño de los poros del catalizador, este proceso puede producir productos C2 o C3, que son monómeros importantes.

Singas a gasolina más proceso (STG+)

Un tercer proceso de conversión de gas a líquido se basa en la tecnología MTG al convertir el gas de síntesis derivado del gas natural en gasolina y combustible para aviones mediante un proceso termoquímico de circuito único.

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:

1. Sintesis del metanol: Syngas se alimenta a Reactor 1, el primero de cuatro reactores, que convierte la mayoría de las singas (CO y CO) H₂a metanolCH₃Oh.Cuando pasamos por la cama catalizadora.
2. Síntesis de Dimethyl Ether (DME): El gas rico en metanol del reactor 1 es el próximo alimentado al reactor 2, el segundo reactor STG+. El metanol está expuesto a un catalizador y gran parte de él se convierte en DME, lo que implica una deshidratación del metanol para formar DME (DME)CH₃OCH₃).
3. Síntesis gasolina: El gas de producto Reactor 2 se alimenta próximamente al reactor 3, el tercer reactor que contiene el catalizador para la conversión de DME a hidrocarburos incluyendo parafinas (alcanes), aromáticas, nafthenas (cicloalkanes) y pequeñas cantidades de olefinas (alkenes), principalmente de C₆ (número de átomos de carbono en la molécula de hidrocarburos) a C₁₀.
4. Tratamiento de gasolina: El cuarto reactor proporciona tratamiento de transalquilación e hidrógeno a los productos procedentes del reactor 3. El tratamiento reduce los componentes dureno (tetrametilbenceno)/isodureno y trimetilbenceno que tienen puntos de congelación altos y deben minimizarse en la gasolina. Como resultado, el producto de gasolina sintético tiene propiedades viscométricas altas y deseables.
5. Separador: Finalmente, la mezcla de Reactor 4 se condensa para obtener gasolina. El gas no condensado y la gasolina están separados en un condensador/separador convencional. La mayor parte del gas no condensado del separador de productos se convierte en gas reciclado y se envía de vuelta a la corriente de alimentación al reactor 1, dejando el producto de gasolina sintético compuesto de parafinas, aromáticas y nafterianas.

Transformación biológica de gas a líquido (Bio-GTL)

Dado que el metano es el objetivo predominante de GTL, mucha atención se ha centrado en las tres enzimas que procesan el metano. Estas enzimas sustentan la existencia de metanótrofos, microorganismos que metabolizan el metano como única fuente de carbono y energía. Los metanótrofos aeróbicos albergan enzimas que oxigenan el metano a metanol. Las enzimas relevantes son las metanomonooxigenasas, que se encuentran tanto en variedades solubles como en partículas (es decir, unidas a membrana). Catalizan la oxigenación según la siguiente estequiometría:

CH₄ + O₂ + NADPH + H⁺ → CH₃OH + H₂O + NAD⁺

Los metanótrofos anaeróbicos dependen de la bioconversión de metano utilizando enzimas llamadas metil-coenzima M reductasas. Estos organismos efectúan metanogénesis inversa. Se han realizado denodados esfuerzos para dilucidar los mecanismos de estas enzimas convertidoras de metano, lo que permitiría replicar su catálisis in vitro.

El biodiesel se puede producir a partir de CO₂ utilizando los microbios Moorella thermoacetica y Yarrowia lipolytica. Este proceso se conoce como conversión biológica de gas a líquido.

Usos comerciales

Utilizando procesos de conversión de gas a líquido, las refinerías pueden convertir algunos de sus productos de desecho gaseosos (gas de combustión) en valiosos fueloil, que pueden venderse tal cual o mezclarse únicamente con combustible diésel. El Banco Mundial estima que más de 150 mil millones de metros cúbicos (5,3×10^¹² pies cúbicos) de gas natural se queman o ventean anualmente, una cantidad con un valor aproximado de 30.600 millones de dólares, equivalente al 25% del total de los Estados Unidos. ; consumo de gas o el 30% del consumo anual de gas de la Unión Europea, un recurso que podría ser útil utilizando GTL. Los procesos de conversión de gas a líquido también se pueden utilizar para la extracción económica de depósitos de gas en lugares donde no es económico construir un gasoducto. Este proceso será cada vez más significativo a medida que se agoten los recursos de petróleo crudo.

Royal Dutch Shell produce diésel a partir de gas natural en una fábrica de Bintulu, Malasia. Otra instalación de Shell GTL es la planta Pearl GTL en Qatar, la instalación de GTL más grande del mundo. SASOL ha construido recientemente las instalaciones de Oryx GTL en la ciudad industrial de Ras Laffan, Qatar, y junto con Uzbekneftegaz y Petronas construye la planta de GTL en Uzbekistán. Chevron Corporation, en una empresa conjunta con la Corporación Nacional de Petróleo de Nigeria, está poniendo en marcha el 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.

Empresas aspiracionales y emergentes

Se está buscando una nueva generación de tecnología GTL para la conversión de gases no convencionales, remotos y problemáticos en combustibles líquidos valiosos. INFRA Technology ha construido plantas GTL basadas en innovadores catalizadores Fischer-Tropsch. Otras empresas principalmente estadounidenses incluyen Velocys, ENVIA Energy, Waste Management, NRG Energy, ThyssenKrupp Industrial Solutions, Liberty GTL, Petrobras, Greenway Innovative Energy, Primus Green Energy, Compact GTL y Petronas. Varios de estos procesos han demostrado su eficacia en vuelos de demostración utilizando sus combustibles para aviones.

Otra solución propuesta al gas estancado implica el uso de novedosos FPSO para la conversión en alta mar de gas en líquidos como metanol, diésel, gasolina, crudo sintético y nafta.

Economía de GTL

GTL que utiliza gas natural es más económico cuando existe una amplia brecha entre el precio predominante del gas natural y el precio del petróleo crudo en términos de barriles equivalentes de petróleo (BOE). Un coeficiente de 0,1724 da como resultado la paridad total del petróleo. 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 más barato que el precio del petróleo crudo. Cuando el gas natural se convierte a GTL, los productos líquidos son más fáciles de exportar a un precio más barato en lugar de convertirlos a GNL y realizar una mayor conversión a productos líquidos en un país importador.

Sin embargo, los combustibles GTL son mucho más caros de producir que los combustibles convencionales.