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Experimentación en Ingeniería Química II
Ana María De La Torre Sánchez
María Llorente Moreno
Introducción
Reactores empleados en el proceso
Cinética de la síntesis de FT
Proceso de FT
Tecnología Fischer-Tropsh (FT):núcleo de muchos procesos de conversión de una fuente primaria a hidrocarburos.
Fabricación de gas de síntesis: parte más cara del proceso (60-70%).
Objetivo: tratamiento eficaz del gas de síntesis
Aspectos generales
Mecanismo de reacción
Oxidación de la materia prima (gas natural o carbón) a CO y H2
Gas de síntesis agua y parafinas
Hidrogenación o hidrocraqueo productos limpios
Aplicaciones industriales
Brawnsville, Texas (360000t/a)
Sasolburg
Alemania (9 plantas)(660000 t/a)
Introducción
Reactores empleados en el proceso
Cinética de la síntesis de FT
Proceso de FT
Reacciones controladas por la cinética
Control de la temperatura
Buen intercambio de calor
A elevadas temperaturas:
•Formación de CH4
•Deposición de carbón desintegración de catalizadores
•Reacciones secundarias no deseadas
Reactores más empleados:
Reactor multitubular de lecho fijo
Reactor de lecho fluidizado Reactor tipo slurry
Reactor multitubular de lecho fijoVENTAJAS Operación sencilla Utilizado en un amplio rango de temperaturas Velocidades de gas de síntesis bajas Trazas de H2S no envenenan el catalizador
INCONVENIENTES Elevada caída de presión Gasto de compresión elevado Reposición del catalizador Parada del proceso
Reactor de lecho fluidizadoVENTAJAS velocidades de gas de síntesis mayores Caída de presión proporcional a la masa de sólido No es necesario detener el proceso para cambiar el
catalizador
INCONVENIENTES Velocidad : erosión de las paredes del reactor Gasto económico en la separación de catalizador Ciclón
Alternativa: Reactor tipo slurry
Se utilizan para la producción de hidrocarburos de alto peso molecular
Sólido suspendido en líquido estanco+
Burbujeo de gas de síntesis
Reactor tipo slurryVENTAJAS Costes mas bajos Operación sencilla Isotérmicos
INCONVENIENTE Separación del catalizador de las ceras que se
forman
Alternativas de operación: mejora de la productividad
Recirculación Reactores en serie
Introducción
Reactores empleados en el proceso
Cinética de la síntesis de FT
Proceso de FT
Modelo más extendido Suposición de etapa controlante:
Reacción:
Velocidad de reacción:
Según Teoría de Langmuir
Influencia del CO2 pequeña, luego:
Donde
Finalmente:
Al principio de la reacción:
Poco H2O
m: constante cinética =f(energía de activación, carga de catalizador, etc.
Reactores estudiados etapa lenta: difusión interna
SORPRENDENTE: El modelo funciona para los 3
¿Por qué?
La velocidad de la difusión es proporcional a los gradientes de concentración que dependen y
son causados por la velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar en los
centros activos de la superficie del catalizador
Introducción
Reactores empleados en el proceso
Cinética de la síntesis de FT
Proceso de FT
UHVXPS
Catalizador de Fe Catalizador de Fe producción de ceras mediante Cu, K2O y SiO2
◦ Altas temperaturas Magnetita + Q. requerido + Agente estructural (Al2O3 o MgO)
Catalizador de CoCatalizador de Co Bajas temperaturas evitar exceso de CH4
Posible envenenamiento por sulfúricos envenenamiento por sulfúricos minimización con reactor adecuado
Basicidad de FeBasicidad de Fe aparición de óxidos
Obtención de conversión elevadaconversión elevada◦ Co necesaria 1 etapa o sin recirculación◦ Fe mas de una etapa o recirculación
Catalizador con base de hierro de composición: 100Fe-4.4Si-0.71K
Reactor tipo slurry Una sola etapa Relación H2/CO = 0.7 P=1 atm T = 270ºC
Experimento realizado
A menor conversión de CO, mayor fracción de hidrocarburos obtenidos por unidad de CO transformado.
Al avanzar la reacción el CO transformado disminuyea partir de un valor máximo
Al avanzar la reacción, la producción de hidrocarburos disminuyea partir de un valor máximo
Producción de CO2 disminuye al avanzar la reacción a partir de un valor máximo
Conclusiones Beneficioso trabajar con conversiones de
CO bajas (entre 0.1 y 0.4) Trabajar con tiempos de reacción bajos que
maximicen la producción de hidrocarburos, sin producir excesivo CO2 optimización
Trabajar con flujos elevados de gas de síntesis para aprovechar al máximo el catalizador.
Sasol ( South African Synthetic Oil Ltd.) Fuente primaria gasificación del carbono (Lurgi dry-ash)
Producción de alquitranes, combustible, naftas, fenoles y amoniaco
Separación para su venta
Purificación eliminar CO2 y H2S
(11% metano en gas de síntesis)
Mossgas Fuente primaria metano Reactor tubular y autotérmico
Shell Oxidación parcial de metano a alta presión
Syntroleum Metano reformado a bajas presiones Reactor “air blown”
Fischer-Tropsch synthesis: process considerations based on performance of iron-based catalysts
Ajoy Raje, Juan R. Inga and Burtron H. DavisCenter for Applied Energy Research. University of Kentucky. 3572 Iron WorksPike, Lexington,KY 40511, USA.Año de publicación 1997.
The Fischer–Tropsch process: 1950–2000
Mark E. DryCatalysis Research Unit, Department of Chemical Engineering, University of Cape Town,
Rondebosch 7701, South AfricaAño de publicación 2002.
Practical and theoretical aspects of the catalytic Fischer-Tropsch process
Mark E. DryDepartment of Chemical Engineering, University of Cape Town, Private Bag, Rondebosch
7700, South Africa.Año de publicación 1996.
Fischer–Tropsch technology —from active site to commercial processJ.J.C. Geerlings, J.H. Wilson, G.J. Kramer, H.P.C.E. Kuipers, A. Hoek, H.M. Huisman Shell Research and Technology Centre, P.O. Box 38000, 1030 BN Amsterdam, The Netherlands.Año de publicación 1999.
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