Proceso Fischer-Tropsch

El proceso Fischer-Tropsch es un proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos (gasolina, keroseno, gasoil y lubricantes) a partir de gas de síntesis ( CO y H2). Fue inventado por los alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch en 1925.

Química

Reacciones

Las reacciones principales son:

(producción de parafinas)
(producción de olefinas)

Se trata en ambos casos de reacciones muy exotérmicas, es decir, que liberan una gran cantidad de calor.

Reacciones secundarias, indeseadas:

(producción de metano)
(producción de alcoholes)
(deposición de carbono sólido)

La reacción se lleva a cabo sobre catalizadores de cobalto o hierro. Para un buen rendimiento se requiere alta presión (típicamente 20 - 30 bar) y temperatura (200 - 350 °C). Por encima de los 400 °C la formación de metano resulta excesiva.

Cinética

Las reacciones principales de Fischer-Tropsch son en realidad reacciones de polimerización, consistentes en cinco pasos básicos:

  1. Adsorción de CO sobre la superficie del catalizador
  2. Iniciación de la polimerización mediante formación de radical metilo (por disociación del CO e hidrogenación)
  3. Polimerización por condensación (adición de CO y H2 y liberación de agua)
  4. Terminación
  5. Desorción del producto

La velocidad de reacción está limitada por la cinética y en particular por el paso de polimerización por condensación.

La distribución de pesos moleculares en el producto puede ser predicho aproximadamente por el modelo de Anderson-Schulz-Flory:

donde Wn es la fracción en peso de producto con n átomos de carbono y a es la probabilidad de crecimiento de cadena, función de las condiciones de reacción (catalizador, temperatura, presión y composición del gas).

Productos

El producto obtenido a la salida de un reactor de Fischer-Tropsch consiste en una mezcla de hidrocarburos con una distribución muy amplia de pesos moleculares, que van desde los gases hasta las ceras pasando por la gasolina, el keroseno y el gasóleo. La naturaleza y proporción de los productos depende del tipo de reactor y de catalizador. En general los procesos que operan a alta temperatura producen una mayoría de gasolinas olefínicas mientras que los de baja temperatura dan sobre todo gasóleos parafínicos.

Siempre es necesaria una etapa ulterior de hidrotratamiento para que los productos alcancen la calidad exigida por el mercado.

Reactores

A lo largo de la historia se han utilizado cuatro tipos principales de reactores industriales para desarrollar las reacciones FT:

  • Reactor tubular en lecho fijo. Sasol denomina Arge a su reactor de este tipo y lo opera a 220-260 °C y 20-30 bar.
  • Reactor de lecho circulante (llamado Synthol por Sasol), operado a 350 °C y 25 bar. Produce sobre todo gasolina olefínica.
  • Reactor de lecho fluidizado (Sasol Advanced Synthol), similar en operación al Synthol pero de menor tamaño para misma capacidad de producción.
  • Reactor "slurry", en el que el catalizador se encuentra en suspensión en un líquido (a menudo ceras producidas por la propia reacción) en el cual se burbujea el gas de síntesis. Normalmente estos reactores trabajan a baja temperatura para producir un máximo de productos de alto peso molecular.
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