GAS DE SNTESIS TEMA IV

Gas de sntesis Gas de sntesis se refiere generalmente a una

mezcla de monxido de carbono e

hidrgeno. La proporcin de hidrgeno al

monxido de carbono vara segn el tipo de

alimentacin, el mtodo de produccin y el

uso final del gas.

Obtencin Reformacin de gas natural o de hidrocarburos livianos en presencia de vapor de agua. (El ms barato y sencillo).

Oxidacin parcial de hidrocarburos en presencia de oxigeno puro con o sin vapor de agua (se puede usar una gran cantidad de compuesto como materia prima).

Gasificacin de coque o carbn.

Propiedades

Reformacin de gas natural Una ruta importante para la produccin de

gas de sntesis es el vapor reformado de gas

natural sobre un catalizador de nquel

promovido en unos 800 C:

Esta ruta se utiliza cuando el gas natural es

abundante y barato, como es en Arabia

Saudita y los Estados Unidos.

Reformacin de naftas Nafta es una mezcla de hidrocarburos desde

aproximadamente C5-C10, la reaccin de

reformado de vapor puede representarse:

Cuando el peso molecular del hidrocarburo

aumenta (menor relacin H/C de

alimentacin), la relacin entre producto

H2/CO disminuye.

Reformacin de naftas La relacin entre producto H2/CO es

aproximadamente 3 para metano, 2.5 para

etano, 2.1 para heptano y menos de 2 por

hidrocarburos ms pesados. Oxidacin no

cataltica parcial de hidrocarburos se utiliza

tambin para producir gas de sntesis, pero la

proporcin de H2/CO es inferior a la de

reformado con vapor

Reformacin de naftas En la prctica, esta relacin es incluso inferior

a lo que se muestra en la ecuacin

estequiomtrica porque parte del metano es

oxidado a dixido de carbono y agua.

Reformacin de naftas Cuando residuos son parcialmente oxidados

por el oxgeno y el vapor a 14001450 C y

5560 atmsferas, el gas se compone de

partes iguales de hidrgeno y monxido de

carbono.

Factores de control Relacin H2/CO

Pureza del producto.

Capacidad de la planta

La disponibilidad y costo de la materia prima

( incluyendo O2 y CO2)

Los beneficios que se puede obtener de los

subproductos (particularmente vapor de exportacin y

el exceso de H2).

Usos del gas de sntesis

Usos del gas de sntesis Gas de sntesis es un intermediario importante.

La mezcla de monxido de carbono y el

hidrgeno se utiliza para producir metanol.

Tambin se utiliza para sintetizar una gran

variedad de hidrocarburos que van desde los

gases a nafta al aceite de gas utilizando la

tecnologa de Fischer Tropsch.

Usos del gas de sntesis El proceso Fischer Tropsch puede ofrecer una

ruta alternativa para la obtencin de olefinas

y productos qumicos.

La reaccin de hidroformilacin (Oxo sntesis)

se basa en la reaccin del gas de sntesis con

olefinas para la produccin de Oxo aldehdos

y alcoholes.

Usos del gas de sntesis Gas de sntesis es una importante fuente de

hidrgeno, que se utiliza para producir

amonaco. El amonaco es el anfitrin de

muchos productos qumicos como la urea,

nitrato de amonio e hidracina. Dixido de

carbono, un subproducto de gas de sntesis,

reacciona con amonaco para producir urea.

Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)

La mayora de la produccin de

hidrocarburos del mtodo Fischer Tropsch

utiliza gas de sntesis procedente de fuentes

que producen una proporcin relativamente

baja de H2/CO, como gasificadores de

carbn.

Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS) Los reactivos en FTS son monxido de carbono

e hidrgeno. La reaccin puede ser

considerada un Oligomerizacin

hidrogenativa de monxido de carbono en

presencia de un catalizador heterogneo.

El proceso de obtencin de hidrocarburos

lquidos de carbn a travs de FTS se

denomina licuefaccin de carbn indirecta.

Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS) Las principales reacciones que ocurren en FTS

se representan como:

Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS) El agua de coproducto reacciona con

monxido de carbono (la reaccin Shift),

produciendo hidrgeno y dixido de

carbono:

Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS) Esta reaccin es responsable por la

deposicin de carbn en los tubos del reactor

en reactores de lecho fijo y reducir eficacia

del traspaso trmico.

Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS) El hierro es el catalizador preferido debido a

su mayor actividad y menor costo. Nquel

produce grandes cantidades de metano,

mientras que el cobalto tiene una menor

velocidad de reaccin y menor selectividad

de hierro pero promueve ms productos

media-destilado.

Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS) Dos tipos de reactores se utilizan comercialmente en

FTS, un lecho fijo y un lecho fluidizado. Los reactores

de lecho fijo corren generalmente a temperaturas

ms bajas para evitar la deposicin de carbn en los

tubos del reactor. Productos de reactores de lecho

fijo se caracterizan por contenido bajo Olefina, y son

generalmente ms pesados que los productos de

lecho fluidizado.

Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS) Distribucin de calor en lechos fluidizados sin

embargo, es mejor que los reactores de lecho fijo y

lechos fluidizados generalmente funcionan en

temperaturas ms altas. Los productos se

caracterizan por tener ms de olefinas, un alto por

ciento de gases hidrocarburos ligeros y menor peso

molecular producto pesados que tipos de lecho fijo.

Un diagrama de flujo del proceso de Synthol

Reformacin de hidrocarburo con vapor de agua: Este proceso consiste en la reaccin de hidrocarburos

(gas metano, nafta, gasleos livianos, entre otros)

con vapor de agua para producir una mezcla

de hidrgeno, CO, CO2 y metano y (agua sin

reaccionar). El proceso de reformacin se utiliza

para la produccin por ejemplo de hidrgeno para

la sntesis de amoniaco y metanol o para el

consumo en procesos de hidrogenacin o

hidrotratamiento.

PROCESOS DE TRANSFORMACIN DE HIDROCARBUROS CON VAPOR 1.- Conversin de nafta o gas natural, por

ejemplo a un gas con un alto contenido de

metano.

2.- La conversin de nafta a una mezcla CH4, CO e

H2 combustible, el CO y el H2 por metanacin se

pueden transformar en CH4.

PROCESOS DE TRANSFORMACIN DE HIDROCARBUROS CON VAPOR 3.- La conversin de nafta o gas natural en un

proceso de varias etapas a una mezcla de H2 y N2 (

3:1) molar para la produccin de NH3.

4.- La produccin de una mezcla de CO e H2 para la

produccin de metanol u otros compuestos

oxigenados.

QUMICA DEL PROCESO DE REFORMACIN:

(1) (2) (3)

QUMICA DEL PROCESO DE REFORMACIN:

Todos los componentes de las reacciones (1) y (2) se encuentran en estado gaseoso. Durante la reformacin de hidrocarburos con vapor de agua ocurren simultneamente las reacciones (1) y (2). La reaccin (1) es la reaccin principal en la cual se forman CO e H2 y la reaccin (2) es la de desplazamiento de agua con gas (water gas shitf reaction). Independientemente de los hidrocarburos alimentado, CH4 es el nico hidrocarburo que esta presente en cantidades significativas en el producto de la reformacin.

QUMICA DEL PROCESO DE REFORMACIN:

Esta reaccin la cual es exotrmica, es completa entre 400 y 600C por lo tanto la qumica global de reformacin de un hidrocarburo se puede representar por las siguientes reacciones:

QUMICA DEL PROCESO DE REFORMACIN:

Por lo tanto la reaccin (4) se favorece a altas temperaturas y la (5) a bajas temperaturas. En la reaccin (4) se favorece a bajas presiones (al aumentar el nmero de moles) mientras que en la segunda el equilibrio no es afectado por la presin. La conversin de equilibrio en la reformacin depende de la presin, temperatura y relacin vapor/ carbono (composicin de la alimentacin), este ltimo se define como el nmero de moles de tomo de carbono del hidrocarburo alimentado.

Catalizadores

Los catalizadores que se utilizan en la reformacin son

basados en Ni/AL2O3 de baja rea superficial o en

aluminato de calcio, en algunos casos se adiciona

compuestos de potasio otros lcalis para acelerar las

reacciones de remocin de coque. Sin embargo

estos compuestos se pueden volatilizar lentamente

del catalizador y depositarse en la superficie de los

intercambiadores de calor o en los otros lechos

catalticos colocados aguas abajo.

Catalizadores

Cuando la alimentacin es gas natural o metano no

se utilizan compuestos alcalinos, y los catalizadores

son de alta actividad; en el caso de la nafta, el

control de las reacciones formadores de coque es

ms importante y por lo tanto es necesario utilizar

lcalis, y tambin se trabaja a temperatura ms baja

que con metano para evitar que estos se volatilicen.

Catalizadores

El contenido de nquel en los catalizadores para la

reformacin de nafta es menor que los utilizados en

la reformacin de metano. No es necesario una alta

actividad y la mayor tendencia a la formacin

de coque se controla utilizando mayores relaciones

V/C.

Algunos catalizadores ms usados El lecho cataltico puede estar formado por dos o ms tipos de catalizadores dependiendo de la alimentacin y de las condiciones de operacin: (metano- gas natural y hasta gas natural con hidrocarburos pesados): RKS-1 %17 NiO/MgO-AL2O3. (Hidrocarburos gaseosos livianos y pesados) RKG2 ,17-18% NiO/ a AL2O3. Alto flujo de calor y bajas relaciones V/C. Ni/AL2O3 este se puede usar solo o combinado con el RK6-2r o R-67-R

Algunos catalizadores ms usados (Reformacin secundaria o autotrmica) RKS-2 resiste hasta 1200C. (Reformacin de naftas, gases de refinera y LPG) No contienen lcalis (tales como compuestos de potasio, se pueden utilizar en todo el lecho cataltico o en combinacin con los RKS-1 en la parte inferior del lecho o R67 y despus estn. RKS-5/RKS-6 o RK-68/ RK-69.

Variables de proceso Temperatura: A las mismas condiciones de presin y V/C, la conversin del metano aumenta con la temperatura, es decir disminuye la cantidad de metano en el efluente. En los reformadores asociados a plantas de hidrgeno y metanol se operan a altas temperaturas para lograr una baja concentracin de metanol en el gas efluente. En las plantas de amoniaco se utiliza dos reformadores uno a temperatura menores para reducir el contenido de metano hasta 10% en base seca y otro a mas alta temperatura para consumir el metano remanente.

Variables de proceso Presin: La reaccin de reformacin se favorece a bajas presin, es decir, la concentracin de metano en el gas de salida es menor a medida que disminuye la presin. La presin de operacin esta determinada generalmente por factores econmicos relacionados con la presin a la cual se requiere el producto deseado. Se utiliza comnmente presiones de 1-3.5 MPa, y en las plantas de amoniaco presiones aun mayores.

Variables de proceso Relacin V/C: Si se aumenta la concentracin de las sustancias productos la reaccin se favorece en sentido inverso. En la reformacin de metano se requiere estequiometricamente una relacin V/C=1 sin embargo en la prctica se utiliza un exceso considerable de vapor de agua para asegurar una buena conversin de metano y para prevenir la formacin de depsitos carbonosos (coque) que se producen de las reacciones siguientes:

Variables de proceso

El carbn formado puede envenenar los catalizadores o taponear las tuberas ocasionando una alta cada de presin y sobre calentamiento.

Condiciones tpicas Los valores tpicos de V/C estn entre el orden de 3-0; en una planta de amoniaco las condiciones tpicas de reformado primario son las siguientes: Presin de salida 3 Mpa Temperatura de salida: 820C V/C=3.5 Composicin tpica en base seca del gas de salida cuando se utiliza gas natural:

Reactores Los reactores utilizados en la reformacin primaria son muy parecidos a los hornos de pirolisis, son hornos tubulares los cuales se pueden dividir en cuatro tipos principales: a).- Hornos verticales: con quemadores en el piso que consumen el gas de purga de la instalacin. b).- Horno de doble celda: con dos filas de quemadores en la pared. c).- Hornos verticales: con quemadores en el piso que permiten la combustin del lquido. d).- Hornos con pared tipo terraza: equipados con quemadores de tiro natural o una combinacin de quemadores capaces de aceptar una gran variedad de combustible lquido o gaseoso.

Zonas en los hornos ZONA DE CONVECCIN: En la cual el calor recuperado de los gases de combustin, por medio de tubos dispuestos horizontalmente, se utiliza para precalentar la alimentacin a 450-570C, producir vapor sobre calentado y precalentar el aire para combustin. ZONA DE RADIACIN: Que transfiere calor por radiacin de los gases de combustin y de los refractarios a un banco de tubos rellenos de catalizadores. En las unidades ms grandes se puede utilizar hasta 500 tubos dispuestos verticalmente en una o ms filas separados por quemadores dependiendo del tipo de horno.

Conversin Shift La mezcla del gas producto del reformador secundario es refrescada despus sometida a conversin Shift. En el convertidor Shift, monxido de carbono se reaccion con vapor para dar dixido de carbono e hidrgeno. La reaccin es exotrmica y independente de presin:

Conversin Shift

La alimentacin al convertidor shift contiene grandes

cantidades de monxido de carbono debe ser

oxidado. Un catalizador de hierro promovido con xido

de cromo se utiliza en un rango de temperatura de 425

500 C para mejorar la oxidacin.

Conversin Shift

Los gases de salida de la conversin shift son tratados

para eliminar el dixido de carbono. Esto puede

hacerse mediante la absorcin de dixido de carbono

en un disolvente qumico o fsico de absorcin o por

adsorcin usando un tipo especial de tamices

moleculares.

Conversin Shift

Dixido de carbono, que se recuper del agente del

tratamiento como un subproducto, se utiliza

principalmente con amonaco para producir urea. El

producto es un gas de hidrgeno puro que contiene

pequeas cantidades de monxido de carbono y

dixido de carbono, que adems son quitados por la

metanizacin.

Gas de sntesisGas de sntesisObtencinPropiedadesReformacin de gas naturalReformacin de naftasReformacin de naftasReformacin de naftasReformacin de naftasFactores de controlUsos del gas de sntesisUsos del gas de sntesisUsos del gas de sntesisUsos del gas de sntesisHidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)Hidrocarburos de Gas de sntesis (sntesis de Fischer Tropsch, FTS)Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Reformacin de hidrocarburo con vapor de agua:PROCESOS DE TRANSFORMACIN DE HIDROCARBUROS CON VAPORPROCESOS DE TRANSFORMACIN DE HIDROCARBUROS CON VAPORQUMICA DEL PROCESO DE REFORMACIN:QUMICA DEL PROCESO DE REFORMACIN:QUMICA DEL PROCESO DE REFORMACIN:QUMICA DEL PROCESO DE REFORMACIN:CatalizadoresCatalizadoresCatalizadoresAlgunos catalizadores ms usadosAlgunos catalizadores ms usadosVariables de procesoVariables de procesoVariables de procesoVariables de procesoCondiciones tpicasReactoresZonas en los hornosConversin ShiftConversin ShiftConversin ShiftConversin ShiftNmero de diapositiva 48Nmero de diapositiva 49