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COMBUSTIBLE DIESEL DEL GAS NATURAL POR FISCHER-TROPSCH SINTÉSIS USANDO SYNGAS CON NITRÓGENO

Características de las Reservas de los Hidrocarburos de Bolivia

En los últimos años, grandes reservas de gas natural se han descubierto en Bolivia. Estos campos recientemente descubiertos, los cuáles contienen más o menos 55 trillones de pies cúbicos de gas, se han valorado en más de $70 millones USD y llevan las reservas domésticas totales del país al segundo lugar en Sudamérica. Estos nuevos campos de gas se consideran "remotos" porque ellos están situados lejos de los grandes mercados establecidos, y el transporte de este gas implica desafíos difíciles -- económicos, políticos y sociales. En julio del 2004 los ciudadanos Bolivianos votaron para establecer una política multifacética de energía nacional para ayudar a la explotación directa de estas reservas del gas natural. Esta nueva política para la "industrialización" del gas de Bolivia tiene varios objetivos, pero entre sus metas principales está la utilización de este recurso para satisfacer las necesidades domésticas actuales de Bolivia . Otra meta de la política intenta desarrollar y exportar alguna fracción de este gas natural (y de los productos derivados de éste) en términos económicamente favorables.

En contraste a sus abundantes reservas de gas natural, Bolivia tiene solamente modestas reservas de petróleo. Además de la escasez, el petróleo crudo de Bolivia es "superligero" y no adecuado a la producción de fracciones más pesadas de hidrocarburos tales como diesel, lubricantes, y ceras. Para estas razones, Bolivia importa estos productos actualmente.

En resumen, los problemas de los hidrocarburos de Bolivia son dobles. En primer lugar, el país sufre de una carencia del petróleo conveniente para la producción de cantidades adecuadas de hidrocarburos líquidos más pesados como el diesel. Y en segundo lugar, aunque Bolivia ahora goza de reservas significativas del gas natural, faltan los medios para transportar este gas a los mercados lejanos.

El Papel de la Tecnología de los Procesos Gas-a-Líquido (GTL)

Una solución potencialmente atractiva para los problemas de Bolivia es la conversión de su gas natural a líquidos que se exportan más fácilmente o se adecuan mejor a sus necesidades domésticas. En principio, esto podría ser alcanzado o por enfriamiento y condensación del gas para producir gas natural licuado (GNL) o por la conversión química a hidrocarburos más pesados como el diesel. Esto último es especialmente atractivo en la perspectiva de Bolivia, porque trata ambas necesidades domésticas y oportunidades de exportación.

Varios procesos existen para convertir el gas natural a hidrocarburos líquidos; la mayoría de implican los pasos siguientes:

● la generación del gas de síntesis (o "syngas") una mezcla principalmente de CO e H2 del gas natural, generalmente por reformado;

● la conversión catalítica de esta mezcla de syngas a un producto líquido crudo, generalmente por el proceso Fischer-Tropsch; y

● el mejoramiento del "syncrudo" obtenido a productos terminados como diesel combustible -- por ejemplo, por hidroprocesado.

Varias compañías han reconocido la oportunidad de construir plantas GTL a gran escala en Bolivia, y planes para proyectos tan grandes como 90.000 barriles por día (bbl/día) han sido elaborados.

En un Proyecto de Grado recientemente terminado conducido bajo la dirección del profesor Edwin Quiroga en el Departamento de la Ingeniería Química de la USFX, los estudiantes Simeón Ovando y Gonzalo Vara analizaban los mercados de Bolivia para los hidrocarburos líquidos ambos actuales y futuros -- con miras a la determinación del tamaño de una planta GTL a gran escala que llegaría satisfacer la demanda en la década actual. Su análisis consideraba ambos el consumo doméstico proyectado así como mercados potenciales de exportación. Ovando y Vara concluyeron que una planta con una capacidad para producir 75.000 bbl/día de los hidrocarburos líquidos (principalmente diesel) a partir de 800 millones de pies cúbicos estándares por día (MMPCSD) de gas natural satisfacería estas necesidades, y diseñaron los secciones de syngas y de Fischer-Tropsch de una planta GTL de este tamaño (1). Su diseño estuvo basado en la producción de syngas en un reformador tradicional de vapor-metano, seguido por la conversión de Fischer-Tropsch a productos líquidos utilizando un catalizador con base-hierro en un reactor de lodos (2).

La Base para un Proceso de GTL en Pequeña Escala

Tradicionalmente, la tecnología del proceso de GTL ha apuntado a las aplicaciones a gran escala (por ejemplo, las capacidades de 75.000 a 90.000 bbl/día en los estudios citados arriba). Esto es porque los mercados internacionales para hidrocarburos líquidos son grandes y porque muchas de las operaciones unitarias implicadas en el procesamiento GTL (por ejemplo, la producción criogénica de oxígeno) son más eficientes cuando operan a escala grande. Es decir, los costos unitarios de producción caen conforme la capacidad de la planta aumenta. De hecho, la explotación de las economías de escala ha sido un tema dominante en las industrias del petróleo y de las químicas en la última mitad del siglo pasado. Sin embargo, bajo circunstancias especiales puede ser deseable a diseñar y construir plantas de GTL más pequeñas, y con tecnología nueva, estas plantas pueden llegar a ser competitivas en un futuro no muy lejano.

Varios factores tienden a limitar el tamaño óptimo de una planta de GTL. A veces los factores son geográficos, como cuándo el gas natural está disponible en regiones remotas o aún mar adentro que de otro modo sería quemado; verdaderamente, plantas GTL a pequeña escala persiguen activamente utilizar este gas natural varado. En otros casos, los factores económicos y sociales pueden determinar el tamaño más favorable de la planta; por ejemplo, el capital de inversión puede ser limitado, o los asuntos ambientales o de seguridad pueden hacer difícil la localización de una planta grande. Y finalmente, el mercado accesible para los productos de GTL puede ser pequeño en comparación con el tamaño de una planta GTL "tradicional". Varios de estos factores pertenecen a Bolivia, donde la demanda doméstica para el combustible diesel esta cerca de los 15.000 bbl/día actualmente (1).

Varias tecnologías para la conversión de hidrocarburos por la generación de syngas y la conversión del gas a líquidos -- se han desarrollado en los años recientes y demuestran el compromiso para operar competitivamente en una escala más pequeña que aquella para la que se han diseñado la mayoría de los reformadores de vapor-metano y plantas Fischer-Tropsch comúnmente. Las tecnologías más innovadoras están en etapas tempranas de desarrollo y por lo tanto son algo especulativas; éstas incluyen, por ejemplo, los procesos basados en craqueo del metano a un acetileno producto intermedio del proceso GTL (3), y reactores de membrana cerámica con transporte iónico (4). Sin embargo, otros procesos de GTL con potencial para la operación en escala más pequeña son menos revolucionarios y más prometedores en corto plazo.

El Proyecto: Diesel del Gas Natural por Síntesis de Fischer-Tropsch

Utilizando Syngas con Nitrógeno

En los últimos años, Hedden, Jess, y sus colaboradores han propuesto un concepto novedoso para producir hidrocarburos líquidos del gas natural (5- 10). En lugar de recomendar la construcción de plantas GTL más eficientes pero también mas costosas, diseñadas para aminorar los costos de energía y de los materiales, estos investigadores sugieren se diseñen plantas relativamente baratas (aunque algo menos eficientes) para las situaciones donde el gas natural está lejos de los grandes mercados y es relativamente barato y abundante con respecto al capital de inversión. El proceso GTL que Hedden, Jess, y sus colaboradores diseñan y describen con gran detalle en su serie de artículos implica las siguientes operaciones:

● la generación de syngas por oxidación parcial catalítica del metano sobre un catalizador de níquel que utiliza aire en lugar de oxígeno (evitando así una planta costosa para la separación de oxígeno del aire que funcionaría eficientemente solamente en la escala grande);

● la conversión en dos etapas de syngas rico en nitrógeno a líquido en reactores Fischer-Tropsch, que consisten en reactores multi-tubulares de lecho fijo y que contienen un catalizador de hierro; y

● la recuperación de productos gasolina, diesel, y ceras.

Esto proceso sencillo en concepto tiene algunas ventajas importantes.

Hedden, Jess, et al. se centran en el compromiso entre el costo de inversión y el costo de eficiencia operación, y ellos identifican las circunstancias bajo las cuáles las plantas de GTL son menos eficientes pero menos costosas, será más apropiado que las plantas sean más eficientes pero más costosas. Nosotros iríamos un paso más lejos y sugeriríamos que esas plantas de GTL más pequeñas basadas en este concepto de diseño puedan ser especialmente atractivas en Bolivia, donde están limitados el tamaño del mercado interior y la disponibilidad del capital de inversión. Además, ciertas características del proceso de GTL de Hedden/Jess por ejemplo, la falta de una planta criogénica para la separación del aire, la ausencia de recirculación de syngas, y el control de la temperatura mejorado y la configuración menos costosa del reactor debido a la presencia de nitrógeno absorbiendo calor en el reactor de Fischer-Tropsch sugieren que este proceso puede funcionar relativamente eficientemente con capacidades de planta pequeñas.

En el Proyecto de Grado propuesto aquí, el estudiante determinará el tamaño y la localización de una planta de GTL en escala reducida relativamente (¿quizás 10.000-25.000 bbl/día?) diseñada para satisfacer las necesitas domésticas de diesel Bolivia; este esfuerzo estará basado en gran parte en el estudio del mercado realizado por Ovando y Vara (1). Entonces el estudiante desarrollará un organigrama detallado con flujos de masa y calor para una planta GTL de este tamaño basada en el concepto del proceso de Hedden, Jess, y sus colegas. Minimamente, el estudiante diseñará los equipos para la primera sección de esta planta de GTL a saber, la unidad de oxidación parcial catalítica con aire. Idealmente, pero solamente si el tiempo lo permite, el estudiante también extenderá el trabajo para incluir la sección de Fischer-Tropsch de la planta. Un análisis económico preliminar será realizado para permitir la comparación del proceso GTL más tradicional y a gran escala [investigado por Ovando y Vara (1-2)] con el proceso alternativo y más pequeño explorado aquí. Se espera que ésto proporcionará lineamientos respecto al tipo y la escala de planta de GTL que es más "apropiada" a las circunstancias de Bolivia.

Bibliógrafo:

1. Ovando Gonzáles Simeón y Vara A. Gonzalo, "Obtención de Gas de Síntesis y Petróleo Sintético por el Método Fischer-Tropsch a Escala Convencional," Proyecto de Grado (1 Presentación), USFX, Sucre, Bolivia (Abril 2004).

2. Ovando Gonzáles Simeón y Vara A. Gonzalo, "Obtención de Gas de Síntesis y Petróleo Sintético por el Método Fischer-Tropsch a Escala Convencional," Proyecto de Grado (2 Presentación), USFX, Sucre, Bolivia (Mayo 2004).

3. "Industry Trends", Oil & Gas Journal, p. 7, (Septiembre, 2002); "From Natural Gas to a Gasoline Source," Chemical Engineering Progress, p. 15, (Noviembre 2002); www.synfuels.com.

4. A.C. Vosloo, "Fischer-Tropsch: a futuristic view," Fuel Processing Technology, Vol. 71, pp. 149-155 (2001); J.R. Rostrup-Nielsen, "Syngas in perspective," Catalysis Today, Vol. 71, pp. 243-247 (2002).

5. K. Hedden, A. Jess, and T. Kuntze, "A New Concept for the Production of Liquid Hydrocarbons from Natural Gas in Remote Areas," OIL GAS European Magazine, Vol. 20, No. 3, pp. 42-44 (1994).

6. A. Jess and K. Hedden, "Production of Synthesis Gas by Catalytic Partial Oxidation of Methane with Air," OIL GAS European Magazine, Vol. 20, No. 4, pp. 23-27 (1994).

7. T. Kuntze, K. Hedden, and A. Jess, "Kinetics of the Fischer-Tropsch Synthesis Using a Nitrogen-Rich Synthesis Gas," OIL GAS European Magazine, Vol. 21, No. 1, pp. 19-24 (1995).

8. A. Jess, R. Popp, and K. Hedden, "Production of Diesel Oil and Wax by Fischer-Tropsch Synthesis Using a Nitrogen-Rich Synthesis Gas Investigations on a Semi-Technical Scale," OIL GAS European Magazine, Vol. 24, No. 2, pp. 34-43 (1998).

9. A. Jess, R. Popp, and K. Hedden, "Fischer-Tropsch synthesis with nitrogen-rich syngas Fundamentals and reactor design aspects," Applied Catalysis A: General, Vol. 186, pp. 321-342 (1999).

10. A. Jess, K. Hedden, and R. Popp, "Diesel Oil from Natural Gas by Fischer-Tropsch Synthesis Using Nitrogen-Rich Syngas," Chemical Engineering Technology, Vol. 24, pp. 27-31 (2001).

 

 

 

 

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This page was last updated on April 30, 2008.