Proceso Fischer-Tropsch

INTRODUCCION
El proceso Fischer-Tropsch consiste en la transformación del gas de síntesis (H2 y CO), en presencia
de un catalizador en un reactor de lecho fijo o fluidizado, con el fin de garantizar la obtención de
hidrocarburos de cadenas más largas a la del metano. Entre los productos líquidos derivados de esta
síntesis se tienen: Diesel, nafta, crudo sintético, metanol, dimetiléter, olefinas, gasolinas, amonio,
entre otros, los cuales poseen un valor agregado. Este procedimiento fue ideado por los químicos
alemanes Hans Tropsch y Franz Fischer, en el entorno del año 1920.
Este proceso fue muy importante en Alemania, ya que, debido al desencadenamiento de la Segunda
Guerra Mundial, conseguir petróleo o sus derivados se tornó muy difícil para este país, y por el
contrario, el carbón era muy abundante, de manera que se pudo obtener el CO a partir del carbón (a
través de un procedimiento llamado gasificación) y mediante el proceso Fischer Tropsch, sintetizar
hidrocarburos.

REACCIONES
Las reacciones que suceden en este proceso son las siguientes:
Para producir parafinas:

Para producir olefinas:

Ambas son reacciones que liberan gran cantidad de calor, es decir, son altamente exotérmicas.
También ocurren algunas reacciones paralelas, no deseadas como:
 Formación de metano:

Formación de alcoholes:

Formación de carbón solido:

El procedimiento se realiza bajo condiciones de alta temperatura y presión, para aumentar el

CATALIZADOR
Los metales que tienen la actividad requerida para aplicaciones comerciales de Fischer-Tropsch son
el hierro, níquel, cobalto y rutenio. El desarrollo de catalizadores a base de cobalto, hierro y níquel
para este proceso tuvo su empuje en los años de 1900, teniendo un gran avance en Alemania luego
de la Segunda Guerra Mundial.
Para la síntesis FischerTropsch, se descartan tanto el rutenio, debido a su alto costo y poca
disponibilidad, y el níquel ya que produce una gran cantidad de metano a condiciones de operación.
Lo que sólo deja al hierro y al cobalto como metales viables para ser utilizados en catalizadores en
este proceso.
Los catalizadores que contienen hierro se emplean comúnmente en la producción de hidrocarburos
livianos y olefinas (síntesis de Fischer-Tropsch a elevadas temperaturas), además de poseer enormes
ventajas en la conversón de gas de síntesis con una baja relación H 2/CO. Por otro lado, los
catalizadores de cobalto soportado se emplean comúnmente cuando se manejan relaciones H2/CO
elevadas, además que permiten la síntesis Fischer-Tropsch de baja temperatura donde el objetivo está
enfocado a la producción de destilados medios y ceras.
En comparación con los catalizadores de hierro ´ precipitados, los catalizadores de hierro
impregnados presentan grandes ventajas, tales como mayor estabilidad, menor frecuencia de
desactivación y mejoras en la selectividad a hidrocarburos de cadenas largas.
El cobalto, aunque es considerado como el más efectivo a nivel industrial para la síntesis de
FischerTropsch, debido a que posee una alta actividad, alta resistencia a la desactivación, entre otros
aspectos, requiere una activación en un recipiente previo al reactor de Fischer-Tropsch, ya que la
temperatura de operación de este catalizador en el proceso es de 200◦C y su temperatura de reducción
es de 300◦C, mientras que, la temperatura de operación del catalizador de hierro es de 270◦C y su
reducción se lleva a cabo entre 260-280◦C.

MATERIA PRIMA
Materias primas: gasificación.
Las plantas Fischer-Tropsch asociadas con carbón o materias primas sólidas relacionadas (fuentes de
carbono) primero deben convertir el combustible sólido en reactivos gaseosos, es decir, CO, H2 y
alcanos. Esta conversión se llama gasificación y el producto se llama gas de síntesis (“gas de
síntesis”). El gas de síntesis obtenido a partir de la gasificación del carbón tiende a tener una relación
de H2: CO de ~ 0.7 en comparación con la relación ideal de ~ 2. Esta relación se ajusta a través de la
reacción de cambio de agua-gas. Las plantas a base de carbón Fischer-Tropsch producen cantidades
variables de CO2, dependiendo de la fuente de energía del proceso de gasificación. Sin embargo, la
mayoría de las plantas a base de carbón confían en el carbón de alimentación para satisfacer todos los
requisitos de energía del proceso Fischer-Tropsch.
Materias primas: GTL
El monóxido de carbono para la catálisis FT se deriva de los hidrocarburos. En la tecnología de gas a
líquidos (GTL), los hidrocarburos son materiales de bajo peso molecular que a menudo serían
descartados o quemados. El gas trenzado proporciona gas relativamente barato. GTL es viable
siempre que el gas siga siendo relativamente más barato que el petróleo.
Materias primas en los procedimientos:
El carbón como materia prima
El gas de síntesis para la síntesis de Fischer-Tropsch fue originalmente carbón solo a temperaturas
superiores a 1000 ° C en la gasificación del carbón, por ejemplo en el gasificador de presión Lurgi,
generador Winkler o reactor Koppers-Totzek, con vapor de agua y aire u oxígeno convertido gas de
síntesis. Dado que solo se logra una relación de hidrógeno a monóxido de carbono de 0.7 en esta
reacción en la primera etapa, una porción del monóxido de carbono se convierte con agua en una
reacción de cambio de gas de agua a dióxido de carbono e hidrógeno, hasta una relación de 2: 1 es
alcanzado. El gas de síntesis se enfría, tomando Fenol y el amoníaco se separan y se someten a
Rectisolwäsche, donde se eliminan el dióxido de carbono, el sulfuro de hidrógeno, el cianuro de
hidrógeno y los constituyentes orgánicos. Los catalizadores son sensibles al azufre, el contenido de
sulfuro de hidrógeno generalmente se reduce a un contenido de menos de 30 ppb. El gas limpio aún
contiene aproximadamente 12% de metano, etano, nitrógeno y gases nobles, así como
aproximadamente 86% de monóxido de carbono e hidrógeno en una proporción de 1: 2.
Gas natural, biomasa y residuos como materia prima.
La gran ventaja del proceso Fischer-Tropsch es que todas las materias primas de alta energía son
básicamente adecuadas para el proceso. Además del carbón y el gas natural, estos incluyen biogás,
madera, residuos agrícolas o residuos domésticos. La primera planta de biomasa sólida del mundo se
construyó en 2005 en Choren, cerca de Freiberg. En 2011 se convirtió en insolvente.

CONDICIONES DE OPERACION
En general, el proceso Fischer-Tropsch se opera en el rango de temperatura de 150–300 ° C (302–
572 ° F). Las temperaturas más altas conducen a reacciones más rápidas y tasas de conversión más
altas, pero también tienden a favorecer la producción de metano. Por esta razón, la temperatura
generalmente se mantiene en la parte baja a media del rango. El aumento de la presión conduce a
mayores tasas de conversión y también favorece la formación de alcanos de cadena larga, ambos son
deseables. Las presiones típicas van desde una a varias decenas de atmósferas.Incluso presiones más
altas serían favorables, pero los beneficios pueden no justificar los costos adicionales de los equipos
de alta presión, y las presiones más altas pueden conducir a la desactivación del catalizador a través
de la formación de coque.

EQUIPOS
Se discuten cuatro tipos de reactores:
-Reactor multisubular de lecho fijo: Este tipo de reactor contiene una serie de tubos con un diámetro
pequeño. Estos tubos contienen catalizador y están rodeados por agua hirviendo que elimina el calor
de reacción. Un reactor de lecho fijo es adecuado para funcionar a bajas temperaturas y tiene un límite
de temperatura superior a 530 K. El exceso de temperatura conduce a la deposición de carbono y,
por lo tanto, al bloqueo del reactor. Dado que las grandes cantidades de los productos formados están
en estado líquido, este tipo de reactor también puede denominarse un sistema de reactor de flujo por
goteo.
-Reactor de flujo arrastrado: Un requisito importante del reactor para el proceso Fischer-Tropsch es
eliminar el calor de la reacción. Este tipo de reactor contiene dos bancos de intercambiadores de calor
que eliminan el calor; el resto de los cuales es eliminado por los productos y reciclado en el
sistema. Debe evitarse la formación de ceras pesadas, ya que se condensan en el catalizador y forman
aglomeraciones. Esto conduce a la fluidización. Por lo tanto, los elevadores se operan a más de 570
K.
- Reactores de lodos: La eliminación de calor se realiza mediante serpentines de enfriamiento
interno. El gas de síntesis se burbujea a través de los productos cerosos y el catalizador finamente
dividido que se suspende en el medio líquido. Esto también proporciona agitación de los contenidos
del reactor. El tamaño de partícula del catalizador reduce el calor de difusión y las limitaciones de
transferencia de masa. Una temperatura más baja en el reactor conduce a un producto más viscoso y
una temperatura más alta (& gt; 570 K) da un espectro de producto indeseable. Además, la separación
del producto del catalizador es un problema.
-Reactores de lecho fluido y catalizador circulante (elevador)
Estos se utilizan para la síntesis de Fischer-Tropsch a alta temperatura (casi 340 ° C) para producir
hidrocarburos insaturados de bajo peso molecular sobre catalizadores de hierro fundido alcalizado.

Proceso
Descripción del proceso completo El objetivo del proceso es el de transformar el gas de síntesis
procedente de la gasificación de una fuente de carbono (en este caso de biomasa) en hidrocarburos
en el rango del diésel. Para lograr tal objetivo, el gas de síntesis bruto ha de ser limpiado para preservar
la vida útil del catalizador y acondicionado para ajustar la composición, la presión y la temperatura
de la corriente de entrada principal del reactor de síntesis.
La síntesis de productos de Fischer-Tropsch es un proceso comercial maduro a partir de gas de síntesis
procedente de reformado de gas natural así como de gasificación de carbón. Sin embargo, no existen
plantas comerciales basadas en gas de síntesis procedente de gasificación de biomasa. En general los
procesos que operan a alta temperatura (HTFT, 300ºC-350ºC) producen una mayoría de gasolinas
olefínicas mientras que los de baja temperatura (LTFT, 200ºC-250ºC) dan sobre todo gasóleos
parafínicos. Siempre es necesaria una etapa ulterior de hidrotratamiento para que los productos
alcancen la calidad exigida por el mercado. La Figura 13 muestra la configuración del proceso. La
biomasa es alimentada a la sección de gasificación, donde se produce el gas de síntesis bruto. Este
gas de síntesis se enfría, se mezcla con el reciclo proveniente de la sección de síntesis y pasa a la
etapa de eliminación de alquitranes donde también se lleva acabo el reformado del metano. El gas
prácticamente libre de alquitranes se alimenta a un lavador de tipo scrubber para eliminar trazas de
polvo, álcalis, amoniaco, compuestos haluros e hidrocarburos condensables. A salida del scrubber, el
gas se introduce en un lavado Selexol seguido de un lecho de ZnO para eliminar selectivamente H2S
hasta alcanzar concentraciones asumibles. El gas ácido procedente del lavado Selexol, rico en H2S,
se envía a un proceso LO-CAT para producir azufre elemental. Posteriormente parte del gas de
síntesis se alimenta a una unidad de WGS para conseguir elevar la relación H2 : CO ligeramente por
encima del valor deseado en la alimentación del reactor de FT. A la salida de la unidad de WGS, se
elimina mediante Selexol la cantidad de CO2 necesaria para conseguir una concentración volumétrica
inferior al 5% a la entrada del reactor de FT. A continuación, parte de gas se lleva a una unidad PSA
con el fin de separar el H2 que será necesario aguas abajo en la sección de hidrotratamiento de los
productos de reacción. Luego el gas se alimenta a la sección de reacción. El efluente del reactor es
enfriado para separar del gas de síntesis no reaccionado del producto líquido. El off-gas se recircula
a la entrada del reformador de alquitranes para evitar la acumulación de hidrocarburos ligeros se
producen en la síntesis. El producto líquido obtenido se lleva a la torre de separación en la que el
componente clave ligero es la parafina C9 y el clave pesado la C10, retirándose las naftas por cabeza.
La fracción de pesados se lleva a la etapa de hidrotratamiento de tipo alta presión (HP HCK) en la
cual se asume una conversión total de la fracción C20+ a diésel.
-Gasificación de la biomasa
Se considera que la biomasa llega en forma de astillas a la planta. En primer lugar, la biomasa es
secada en un secadero rotatorio de tambor con gases de combustión procedentes del combustor del
gasificador de lecho fluidizado. A la salida del secadero la biomasa es enviada a un molino de
martillo. La biomasa secada y molida es posteriormente alimentada al lecho de gasificación cuya
temperatura de operación estará entre 850-870 º C. El gas de síntesis procedente del lecho de
gasificación es enviado inicialmente a ciclones para eliminar pequeñas partículas
-Reformado de alquitranes
La mayor parte del gas bruto se mezcla con el reciclo gaseoso proveniente del sistema de reacción
precalentado hasta 300º C, de manera que la corriente resultante ronda los 550ºC, y se hace pasar
sobre un catalizador donde las moléculas de alquitrán se descomponen e productos gaseosos más
ligeros y hollín. Una ventaja de reformado catalítico es que no reduce el poder calorífico del gas,
como sería el caso si los alquitranes se descompusieran térmicamente a una temperatura elevada. No
obstante, el estado de madurez de esta tecnología debe ser tomada en cuenta. El reformador de
alquitranes puede realizar las siguientes funciones: reformado de hidrocarburos pesados y ligeros
presentes en el gas del gasificador, reformado de hidrocarburos ligeros del gas recirculado procedente
del reactor de síntesis, y reformado del CO para ajustar la relación H2 /CO (por adición de CO2 ). En
este caso, no se considera la adición de CO2 para ajustar la relación H2 /CO debido principalmente
al riesgo de formación de carbonilla. El vapor en el gas del gasificador es suficiente para llevar a cabo
las reacciones de reformado, de manera que la adición de vapor adicional no es necesaria. Las
principales desventajas de esta tecnología en comparación con otras opciones (lavado con disolventes
orgánicos, ATR, etc.) son la desactivación de catalizador de reformación por coquización, el riesgo
de envenenamiento y la significativa ineficiencia energética causada por la necesidad de
descompresión / re-compresión en el lazo de síntesis, debido a que el reformador de alquitranes opera
a presión atmosférica. El principal reto de esta opción es lograr una alta conversión de alquitranes e
hidrocarburos ligeros, sin sufrir la desactivación del catalizador por la deposición de carbono, azufre
y otros contaminantes propios de la biomasa (metales alcalinos y cloro).
-Enfriamiento del gas de síntesis
El gas que abandona el reformador a unos 870ºC se enfría en un recuperador de calor (HRSG) donde
se genera vapor de alta presión para el proceso..
-Limpieza en húmedo
A continuación, el gas se lleva a un lavador de tipo venturi donde se eliminan trazas de polvo, álcali,
amoniaco, haluros e hidrocarburos condensables. La eficacia de esta unidad de proceso debería
permitir asegurar concentraciones de HCN, H2N y haluros por debajo de 10 ppbv a la entrada del
reactor de síntesis, concentraciones de metales alcalinos por debajo de 10 ppbv y de partículas por
debajo de 0,1 ppbv. El agua se introduce en el lavador en una proporción tal que la temperatura del
gas a su salida es de unos 70ºC, asegurándose así que se han alcanzado condiciones de saturación.
-Eliminación de H2S
El gas limpio se introduce en un proceso de absorción física con el fin de eliminar el H2S. La
corriente de gas de síntesis se enfría a 40 ° C antes de entrar en el proceso de desulfuración, donde se
reduce el contenido de H2S de la corriente a aproximadamente 10 ppm p / p. Seguidamente, la
concentración disminuye a valores de 3 ppbv haciéndose pasar la corriente a través de un lecho de
óxido de zinc que opera a 375 ° C, para lo cual es necesario calentar el gas. Sobre el lecho de ZnO se
dispone un lecho de hidrodesulfuración (HDS). En el reactor superior, el azufre orgánico se hidrogena
y el H2S formado se absorbe en el lecho inferior de ZnO. En la hidrodesulfuración se requiere 1-3%
de H2 . Como es suficiente con el H2 disponible en la corriente de alimentación no se espera que sea
necesario alimentar H2 extra. En el reactor de HDS, también se hidrogena etileno y acetileno
resultando en un aumento considerable de la temperatura. Por lo tanto, el precalentamiento de gas de
síntesis debe limitarse a aproximadamente 360 ° C para evitar la desactivación del catalizador en el
reactor de desulfuración.
-Ajuste de la relación H2: CO
En la siguiente sección, se ajusta la relación H2 : CO haciendo pasar parte de la corriente principal a
través de lechos de WGS, de manera que se satisfaga que dicho valor a la entrada del reactor de
síntesis sea el deseado, esto es, ligeramente superior a 2, después de haber extraído el H2 necesario
para el hidrotratamiento de los productos en el siguiente equipo (PSA). Las reacciones de WGS se
realizan sucesivamente a alta temperatura (360 ° C) y a baja temperatura (190 ° C), para aprovechar
la elevada velocidad de reacción a altas temperaturas y la alta conversión propia de temperaturas
inferiores.
-Extracción de H2 en la unidad PSA
La unidad PSA (Pressure Swing Adsorption en inglés) se basa en la diferencia en el comportamiento
de adsorción entre moléculas diferentes, que separa los componentes de una corriente de gas por
adsorción selectiva en un un sólido a alta presión, y la subsiguiente desorción a baja presión. Esta
adsorción / desorción es de hecho un proceso por lotes, pero mediante la colocación de dos lechos (A
y B) en paralelo la operación es casi continua. Mientras que la adsorción tiene lugar en un lecho, el
otro se desorbe. Primero, en el conjunto de lechos "A" se adsorben selectivamente casi todo el CO2
y el H2O sobre carbón activado. El gas restante pasa entonces a la segunda serie de lechos 'B' que
contienen un tamices moleculares de zeolita, y que adsorben selectivamente todo el contenido en los
restantes compuestos salvo del hidrógeno, del que sólo se adsorbe una porción. La recuperación total
de hidrógeno se puede aumentar mediante el reciclo de una parte del gas desorbido de los lechos 'B'.
Hay una solución de compromiso ya que el gas recirculado debe ser re-comprimido y enfriado a
aproximadamente temperatura ambiente. Normalmente, parte del gas recirculado debe purgarse para
evitar la acumulación de metano y otros gases distintos del hidrógeno. Se logran tasas de recuperación
de más del 90%, y la pureza del producto es muy alta: 99,999%. Un bypass a la entrada de este equipo
permite regular la cantidad de H2 extraído y que se enviará a la sección de hidrotratamiento aguas
abajo.
-Eliminación de CO2
El gas de síntesis se enfría y se comprime a la presión requerida en el reactor de síntesis, es decir, 22
bar, por lo que se utiliza un compresor con refrigeración intermedia. A continuación, se elimina CO2
de la corriente de gas por absorción física para alcanzar concentraciones por debajo de 5% p / p en la
entrada del reactor, siendo el gas de síntesis previamente enfriado a 40 ° C.
-Reactor de FT
En esta sección se lleva a cabo la síntesis de Fischer Tropsch para producción de diésel, con
catalizador basado en Fe soportado en un reactor de tipo slurry. Para evitar el envenenamiento del
catalizador de síntesis por carbonilos metálicos, un conjunto de lechos “guad-beds”, cuyas
temperaturas de operación oscilan entre las condiciones ambientales y los 300 º C, garantiza que estos
compuestos tengan concentraciones por debajo de 1 ppbv. El gas de síntesis libre de carbonilos
metálicos se calienta a la temperatura de síntesis. En el caso que nos ocupa, las condiciones de
operación del reactor elegidas son las típicas de LTFT, a saber, 270 º C, 22 bar y relación H2 : CO
ligeramente superior a 2. (normalmente estos reactores trabajan a baja temperatura para producir un
máximo de productos de alto peso molecular)
-Separación de productos
La corriente de salida del reactor se enfría con aire a 60 ° C, a continuación se enfría a 40 ° C con
agua de refrigeración y seguidamente utilizando un ciclo de refrigeración con amoníaco la
temperatura cae hasta 20 ° C para obtener a través de un separador gas-líquido una corriente de
productos líquidos y otra de gases. La corriente de gas resultante se calienta a 500 ° C, parte se purga
con posibilidad de aprovechamiento energético mediante turbina de gas, y el resto se recircula a la
entrada de la etapa de reformado de alquitranes.
-Fraccionamiento e hidrocraqueo
Los productos líquidos se expanden hasta presión ambiente, se precalientan a 200ºC y se alimentan a
una columna de fraccionamiento donde se separan las naftas de los compuestos pesados C9+. Los
compuestos pesados se llevan a una unidad de hidrocraqueo previa compresión hasta 120 bar y
precalentamiento hasta 350ºC. El H2 necesario para llevar a cabo esta operación, que se extrajo
mediante la unidad PSA aguas arriba, es comprimido y alimentado al reactor de hidrocraqueo. Como
resultado, los compuestos más pesados se descomponen en moléculas más ligeras dentro del rango
de especificaciones del diésel.
Productos
El producto típico de Fischer-Tropsch contiene aproximadamente 10-15% de gases licuados (propano
y butanos), 50% de gasolina, 28% de queroseno (diesel), 6% de parafina blanda (parafina) y 2% de
parafinas duras. El proceso es importante para la producción a gran escala de gasolina y aceites a
partir de carbón, gas natural o biomasa.

CONCLUSION
Las ventajas de este proceso consisten en la baja proporción de azufre encontrada en el gas oil
obtenido a través del proceso FT (lo cual es favorable para el medio ambiente) y el alto contenido de
cetano, que se debe a su baja proporción de compuestos aromáticos.
Sin embargo, los mismos productos obtenidos con el proceso FT, también puedes obtenerse de
manera más simple a partir del refinamiento de petróleo. Las plantas necesarias para realizar el
proceso FT tienen un alto costo de instalación, y además tienen un impacto negativo sobre el medio
ambiente, dado que la emisión de CO2 en este tipo de plantas es muy alta, casi el doble de lo emanado
en una planta de refinamiento de petróleo.
De modo que la utilización del proceso FT sólo tiene cuando el petróleo es caro o escaso y se cuenta
con una gran fuente de carbón o gas natural. Una de las ventajas para los países que deciden obtener
combustibles mediante esa vía, es la independencia energética respecto de los países ricos en petróleo.
En contrapartida, habría que considerar el efecto negativo ambiental.