Procés Fischer-Tropsch

Gasoil FT

Gasoil sintètic obtingut per mig del procés Fischer-Tropsch junt a l'obtingut de forma convencional

El procés Fischer-Tropsch és un procés químic per a la producció d'hidrocarburs líquits (gasolina, keroseno, gasoil i lubrificants) a partir de gas de síntesis (CO i H₂). Va ser inventat pels alemans Franz Fischer i Hans Tropsch en 1925. El procés partix de l'oxidació prèvia del carbó en presència de vapor d'aigua, somés tot això a uns 1100 K, en lo que s'obté una mescla d'hidrogen i monòxit de carbono. En una segona etapa, en presència de catalisadors de ferro o cobalt, a menor temperatura (450-650 K), pero a altes pressions, que poden aplegar a les 40 atm, es transforma en una mescla de parafina i olefina llineals.

Química

Reaccions

Les reaccions principals són:

• Obtenció de parafina

$n\mathrm{C}\mathrm{O}+(2\mathrm{n}+1)\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}{\phantom{A}}_n\mathrm{H}{\phantom{A}}_{2n+2}\text{+}n\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

• Obtenció d'olefinas

$n\mathrm{C}\mathrm{O}+2n\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}{\phantom{A}}_n\mathrm{H}{\phantom{A}}_{2n}\text{+}n\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

Es tracta en abdós casos de reaccions molt exotèrmiques, és dir, que lliberen una gran cantitat de calor.

• Reaccions secundàries, indeseadas:

$\mathrm{C}\mathrm{O}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$ (producció de metà)

$n\mathrm{C}\mathrm{O}+2n\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}{\phantom{A}}_n\mathrm{H}{\phantom{A}}_{2n+1}\mathrm{O}\mathrm{H}\text{ + }(\mathrm{n}\text{-}1)\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$ (producció d'alcoholés)

$2\mathrm{C}\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$ (deposición de carbono sòlit)

La reacció es porta a terme sobre catalisadorés de cobalt o ferro. Per a un bon rendiment es requerix alta pressió (típicament 20 - 30 bar) i temperatura (200 - 350 °C). Per damunt dels 400 °C la formació de metà resulta excessiva.

Cinètica

Les reaccions principals de Fischer-Tropsch són en realitat reacciones de polimerisació, consistents en cinc passos bàsics:

1. Adsorció de CO sobre la superfície del catalisador
2. Iniciació de la polimerisació per mig de formació de radical metilo (per dissociació de el CO i hidrogenació)
3. Polimerisació per condensació (adició de CO i H₂ i lliberació d'aigua)
4. Terminació
5. Desorción del producte

La velocitat de reacció està llimitada per la cinètica i en particular pel pas de polimerisació per condensació.

La distribució de pesos moleculars en el producte pot ser predit aproximadament pel model d'Anderson-Schulz-Flory:

$W_n=n(1-a{)}^2{a}^{(n-1)}$

a on W_n és la fracció en pes de producte en n àtoms de carbono i a és la provabilitat de creiximent de cadena, funció de les condicions de reacció (catalisador, temperatura, pressió i composició del gas).

Productes

El producte obtingut a l'eixida d'un reactor de Fischer-Tropsch consistix en una mescla d'hidrocarburs en una distribució molt àmplia de pesos moleculars, que van des dels gasos fins a les ceres passant per la gasolina, el keroseno i el gasoil. La naturalea i proporció dels productes depén del tipo de reactor i de catalisador. En general els processos que operen a alta temperatura produïxen una majoria de gasolina olefínicas mentres que els de baixa temperatura donen sobretot gasoils parafínicos.

Sempre és necessària una etapa ulterior d'hidrotratamiento per a que els productes alcancen la calitat exigida pel mercat.

Reactors

A lo llarc de l'història s'han utilisat quatre tipos principals de reactors industrials per a desenrollar les reaccions FT:

• Reactor tubular en llit fix. Sasol denomina Arge al seu reactor d'este tipo i ho opera a 220-260 °C i 20-30 bar.
• Reactor de llit circulant (cridat Synthol per Sasol), operat a 350 °C i 25 bar. Produïx sobretot gasolina olefínica.
• Reactor de llit fluidizado (Sasol Advanced Synthol), similar en operació al Synthol pero de menor tamany per a mateixa capacitat de producció.

• Reactor "slurry", en el que el catalisador es troba en suspensió en un líquit (a sovint ceres produïdes per la pròpia reacció) en el qual es burbujea el gas de síntesis. Normalment estos reactors treballen a baixa temperatura per a produir un màxim de productes d'alt pes molecular.

Plantes Fischer-Tropsch en el món

Ubicació	Empresa	Data d'arrancada	Orige del gas de síntesis
Berlín (Alemània)	Luftwaffe	1943	Fins a 2004: Carbó Des de 2004: Gas natural
Secunda (Suràfrica)	Sasol Synfuels	1979	Carbó
Bintulu (Malàsia)	Shell	1993	Gas natural
Mossel Bay (Suràfrica)	PetroSA	1993	Gas natural
"Oryx" (Tastar)	Sasol Chevron i Qatar Petroleum	2007	Gas natural
Escravos (Nigèria)	Chevron i Nigèria NPC	en construcció	Gas natural
"Pearl" (Tastar)	Shell i Qatar Petroleum	en construcció	Gas natural
Ordos (Mongòlia Interior, China)	Yitai	en construcció	Carbó

Senyes actualisades a octubre de 2007