ES2212665T3

ES2212665T3 - Procedimiento para convertir gas natural en hidrocarburos liquidos.

Info

Publication number: ES2212665T3
Application number: ES99967151T
Authority: ES
Inventors: Kenneth R. Hall; Jerry A. Bullin; Philip T. Eubank; Aydin Texas A & M University Systems Akgerman; Rayford G. Anthony
Original assignee: Texas A&M University System
Current assignee: Texas A&M University System
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2004-07-16
Anticipated expiration: 2019-11-23
Also published as: ID29855A; CA2352243A1; DE69912312T2; EP1140738B1; EP1140738A1; US6130260A; BR9915634A; WO2000031004A1; DE69912312D1; CA2352243C; BR9915634B1; ATE252528T1; AU2349000A; MXPA01005265A; AU769580B2; US6323247B1

Abstract

Procedimiento para convertir gas natural a un hidrocarburo líquido y agua, que comprende las etapas de: a) proporcionar una corriente de gas natural a una presión seleccionada; b) conducir el gas natural a través de un horno en donde se quema hidrógeno mientras se controla la temperatura de la llama y en donde el gas natural se calienta en un intervalo seleccionado de temperatura para causar una reacción química que forma productos reactivos e hidrógeno; c) enfriar rápidamente los productos reactivos y el hidrógeno; d) conducir los productos reactivos y el hidrógeno a un reactor de licuefacción catalítica y proporcionar gas natural y un catalizador en el reactor, de manera que los productos reactivos y el gas natural reaccionen para producir hidrógeno y el hidrocarburo líquido; e) conducir hidrógeno desde el reactor de licuefacción catalítica al horno de hidrógeno para su combustión al objeto de calentar el gas natural y el agua producida; y f) conducir el hidrocarburo líquido y el agua a instalaciones de almacenamiento o transporte.

Description

Procedimiento para convertir gas natural en hidrocarburos líquidos.

Esta invención concierne a la conversión de gas natural en hidrocarburos líquidos. Más particularmente, el metano es convertido en hidrocarburos reactivos y estos últimos se hacen reaccionar con más metano para formar hidrocarburos líquidos.

Antecedentes de la invención

El gas natural suele contener alrededor de 90% en moles de metano mezclado con alcanos más pesados. Los alcanos de mayor número de átomos de carbono están presentes normalmente en cantidades menores. Pueden estar presentes dióxido de carbono y otros gases.

La conversión de gas natural en hidrocarburos líquidos ha constituido un objetivo tecnológico durante muchos años. Este objetivo ha llegado a ser incluso más importante en los últimos años dado que se ha encontrado más gas natural en localizaciones remotas, en donde los gaseoductos pueden no estar justificados económicamente. Una parte importante de las reservas mundiales de gas natural se encuentra en tales regiones remotas. Aunque los proyectos para gas natural licuado (LNG) y metanol han sido objeto de atención durante mucho tiempo al posibilitar la conversión de gas natural a un líquido, en los últimos años la aparición de proyectos a gran escala, basados en la tecnología Fisher-Tropsch (F-T), han sido objeto de una mayor atención. Recientemente se ha publicado (Oil and Gas J., Sept. 21 y Sept. 28, 1998) una revisión de los proyectos F-T propuestos y existentes, junto con una exposición de los factores económicos de tales proyectos. En dicha tecnología, el gas natural se convierte primeramente en "singas", el cual consiste en una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, y el singas se convierte a hidrocarburos parafínicos y olefínicos líquidos de longitudes de cadena variables. La tecnología F-T fue desarrollada para utilizar carbón como material de alimentación y únicamente dos plantas funcionan hoy día empleando gas natural como material de alimentación, concretamente en Africa del Sur y en Malasia. Un estudio ha revelado que para una planta que producía 45.000 barriles/día (BPD) de hidrocarburos líquidos en un punto de USA en 1993, los costes de inversión habrían llegado a ser de alrededor de 38.000 \textdollar por producción de BPD (Oil and Gas J., Sept. 28, 1998, p. 99). Se ha indicado que algunos diseños mejorados rebajan el coste de inversión a la cantidad de 30.000 \textdollar por BPD para una instalación de 20.000 BPD. Dicha planta utilizaría alrededor de 180 MMSCFD de gas natural, 10 millones de GPD de agua bruta y 150 BPD de butano normal y produciría un exceso de vapor de agua el cual podría utilizarse para producir 10 megavatios de electricidad.

Se ha estudiado de forma extensiva la conversión de metano a hidrocarburos insaturados e hidrógeno sometiendo el metano y otros hidrocarburos del gas natural a elevadas temperaturas producidas por radiación electromagnética o descargas eléctricas. La Patente US 5.277.773 describe un proceso de conversión que somete el metano más los hidrocarburos a radiación de microondas, con el fin de producir una descarga eléctrica en un campo electromagnético. La Patente US 5.131.993 describe un método de cracking de un material hidrocarbonado en presencia de un plasma de descarga de microondas y de un gas portador, tal como oxígeno, hidrógeno y nitrógeno, y, generalmente un catalizador. La Patente US 3.389.189 constituye un ejemplo de las patentes que se refieren a la producción de acetileno mediante un arco eléctrico.

También se ha investigado de forma extensiva la pirólisis de metano a acetileno e hidrógeno mediante calentamiento rápido en una zona de reacción y posterior enfriamiento rápido. En la Patente US 3.156.733 se describen presiones subatmosféricas e intervalos específicos de velocidades de los gases hidrocarbonados a través de la zona de reacción. El calor es suministrado mediante la combustión de hidrocarburos.

En US-A-5 336 825 se describe un procedimiento integrado en dos etapas para la conversión de metano a hidrocarburos líquidos del rango de las gasolinas. El procedimiento comprende particularmente la conversión oxidativa catalítica de metano con oxígeno libre a un producto gaseoso que contiene etileno y olefinas superiores en la primera etapa, y conversión catalítica de las olefinas de la corriente producto de la primera etapa, sin separarlas, a hidrocarburos líquidos del rango de la gasolina, en la segunda etapa, para la conversión de metano a hidrocarburos líquidos.

Si bien el estado de la técnica ha descrito una variedad de métodos para formar acetileno o etileno a partir de gas natural, no ha podido disponerse de un procedimiento, eficaz en cuanto a energía, para convertir gas natural a un líquido que pueda ser transportado de manera eficiente desde zonas remotas a zonas de mercado. Lo que se necesita es un procedimiento que no requiera grandes costes de capital y de funcionamiento, como los requeridos en los procesos del estado de la técnica. Igualmente, el procedimiento deberá ser eficiente en cuanto a energía, preferentemente autosuficiente en energía, significando ello que la totalidad de la entrada de gas natural quedará disponible para convertirse a hidrocarburos líquidos.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra un diagrama para una modalidad del procedimiento de esta invención en donde el gas natural se calienta a la temperatura de reacción mediante combustión de hidrógeno en un horno.

La figura 2 muestra un diagrama de otra modalidad del procedimiento de esta invención en donde el gas natural se calienta a la temperatura de reacción mediante la energía eléctrica producida por hidrógeno.

La figura 3 muestra un gráfico de valores en equilibrio de moles de especies formadas a partir de un mol de metano, como una función de la temperatura de reacción, a una presión de 10 bares.

Resumen de la invención

Se proporciona un procedimiento para la conversión de gas natural a un líquido para su transporte desde localizaciones remotas. En una modalidad preferida, el gas natural se calienta a una temperatura a la cual una fracción del metano se convierte a hidrógeno y a un hidrocarburo reactivo, tal como acetileno, se enfría rápidamente la corriente para detener otras reacciones y la corriente se hace reaccionar entonces en presencia de un catalizador para formar el líquido que ha de ser transportado, predominantemente pentano. El hidrógeno puede ser separado después del enfriamiento rápido y antes de llegar al reactor catalítico. El calor para subir la temperatura de la corriente de gas natural se obtiene mediante la combustión de hidrógeno bajo condiciones que producen un intervalo preferido de temperaturas en un horno. En otra modalidad, el hidrógeno producido en el procedimiento se emplea para generar energía eléctrica la cual se utiliza para calentar la corriente de gas natural. El intervalo de temperatura a la cual se calienta el gas natural es de 1.600 a 2.500 K aproximadamente y con preferencia de 1.600 a 1.800 K aproximadamente. La presión es preferentemente del orden de 10 bares a 50 bares aproximadamente. Poco o nada del gas natural de entrada es quemado para utilizarlo como combustible.

Descripción de las modalidades preferidas

La figura 1 muestra una modalidad preferida de las etapas de producción de gas reactivo, tal como acetileno, a partir de gas natural en la presente invención. En esta modalidad, el hidrógeno obtenido del reactor a elevada temperatura y separado del hidrocarburo reactivo (por ejemplo, acetileno), se dirige al horno de combustión de hidrógeno 10, en donde se quema el hidrógeno, preferentemente con aire enriquecido en oxígeno, de manera que descienda la producción de NO_{x} del horno. La temperatura de la llama de hidrógeno es adecuada para alcanzar una temperatura de reacción deseada sin enriquecimiento con oxígeno del aire, pero se puede conseguir fácilmente un enriquecimiento suficiente con unidades de membrana, bien conocidas en la técnica, lo cual evitará la necesidad de control de NO_{x} en las emisiones del horno. Se puede emplear una adición de agua a la zona de combustión del horno para rebajar la temperatura de la llama al intervalo deseado, preferentemente alrededor de 300 a 500 K por encima de la temperatura de reacción preferida del gas natural que pasa a través de los tubos del horno. El tiempo de residencia del gas en los tubos deberá ser suficientemente prolongado para convertir el gas natural a acetileno y a otros compuestos reactivos y no tan prolongado que permita que se produzcan otras reacciones importantes antes de la etapa de enfriamiento rápido, lo cual se expone más adelante.

Al poner la corriente de gas natural, considerada aquí como metano únicamente para simplificar, a una temperatura elevada, se presenta una de las siguientes reacciones, dependiendo de la temperatura y de la presión:

2CH_{4} \rightarrow C_{2}H_{2} + 3H_{2},

o

4ch_{4} \rightarrow 2c_{2}h_{4} + 4h_{2}

Los productos hidrocarbonados de las reacciones vienen designados aquí como "productos reactivos". La energía requerida para impulsar las reacciones a una temperatura de 2.500 K se muestra en la tabla 1, calculada a partir de los datos de las TRC Thermodynamic Tables - Hidrocarbons (suministrados por el Thermodynamics Research Center, Texas A & M University, Collage Station, Texas). Se muestran las fracciones molares de metano, acetileno, etileno, moléculas de hidrógeno e hidrógeno atómico para presiones de 1 bar, 10 bares y 50 bares. En la tabla se muestra también el número de moles de cada material. Puede apreciarse que los requisitos de energía (\DeltaH) disminuyen ligeramente a presiones más altas y que la eficiencia de conversión de metano a acetileno es muy alta. Igualmente, la cantidad de hidrógeno atómico producido es significativamente menor a presiones por encima de 1 bar. Si los moles de hidrógeno producido se hacen reaccionar con oxígeno, el cálculo del cambio de entalpía es de 850 kJ, como se muestra en la parte inferior de la tabla, cuyo valor es significativamente mayor que la entalpía requerida en la reacción. En el caso de que el hidrógeno pueda ser utilizado en un procedimiento que funciona a una eficiencia térmica del 80% aproximadamente, empleando dos precalentadores 14 y 15 en la figura 1, dichos cálculos demuestran que el procedimiento para convertir metano a acetileno puede ser realizado en condiciones de autosuficiencia de energía a 2.500 K, es decir, toda la energía procede de la combustión del hidrógeno que es un producto de la reacción.

Para detener las reacciones y evitar las reacciones inversas u otras reacciones que formen carbono y otros compuestos hidrocarbonados, es esencial un enfriamiento rápido, en un tiempo del orden de 10-100 milisegundos.

Este enfriamiento rápido puede ser conseguido vertiendo de golpe los productos de reacción en agua o, alternativamente, se puede emplear la alimentación de gas natural o los productos líquidos en el enfriamiento rápido, lo cual puede realizarse en el recipiente 11. El hidrógeno puede ser separado entonces, en el separador 12, de cualquier líquido presente y alimentarse al horno 10. El hidrocarburo reactivo (fundamentalmente acetileno) es dirigido entonces al reactor de licuefacción catalítica a baja temperatura 13.

El gas natural de entrada se precalienta preferentemente en los precalentadores 14 y 15 antes de calentarse a la temperatura de reacción preferida mediante intercambio de calor con el gas de combustión de hidrógeno. El agua se separa del gas de combustión en el separador 16. El gas de combustión del horno de hidrógeno, el agua (que se puede considerar como un producto en algunas ubicaciones de plantas) y el producto de hidrocarburo líquido, se descargan del procedimiento.

La temperatura de reacción preferida es del orden de 1.600 a 2.500 K aproximadamente. En la modalidad mostrada en la figura 1, se separan el hidrógeno y el acetileno u otros hidrocarburos reactivos, siendo dirigido directamente el hidrógeno producido al horno de hidrógeno y enviándose el producto de cola de hidrocarburo reactivo a un reactor de licuefacción. Alternativamente, el hidrógeno se dirige al reactor catalítico 13 sin la etapa de separación en el separador 12.

El vapor de agua a elevada temperatura procedente de la combustión de hidrógeno se pasa a través de una carcasa en el exterior de los tubos que transportan gas natural en un intercambiador de calor, para elevar la temperatura del gas natural a la temperatura de reacción seleccionada y condensar el vapor de agua en el horno 10. El material de construcción del horno no es un material normalizado. Se pueden emplear materiales especiales tales como tungsteno o tántalo. La subida de temperatura deberá producirse en un corto periodo de tiempo. El horno de hidrógeno puede ser del tipo de caja de doble sección radiante como se muestra en la Fig. 19,5, p. 681, de D. Q. Kern, Process Heat Transfer, McGraw-Hill Book Co., New York (1950). El horno puede utilizar tubos de tántalo (Ta) (\textdollar170/lb.) debido a su alto punto de fusión, 3.269 K. Las presiones del vapor de agua serán bajas, alrededor de 6 psig. Los cálculos cinéticos indican un tiempo adecuado para el calentamiento del gas natural a la temperatura de reacción que es del orden de 1 a 100 milisegundos aproximadamente. El gas sale entonces del horno 10 hacia la zona de enfriamiento rápido 11. Como fluido de enfriamiento rápido se puede emplear, por ejemplo, agua o gas natural frío o una mezcla de ambos. Mientras el gas se encuentra todavía a una temperatura por encima de 500 K, el hidrógeno puede ser separado del hidrocarburo reactivo en el separador de gas 12. Esta etapa de separación se puede efectuar por cualquiera de diversos procedimientos, incluyendo procedimientos con membrana o de presión oscilante, descritos por ejemplo en: A. Malek y S. Farooq, "Hydrogen Purification from Refinery Fuel Gas by Pressure Swing Adsorption", AlChE J. 44, 1985 (1998).

Con referencia a la figura 2, en la misma se muestra un diagrama esquemático de otra modalidad del procedimiento de esta invención. En esta modalidad, el gas natural se calienta en un reactor de alta temperatura 20 por medio de energía eléctrica que es producida mediante el uso de hidrógeno en el generador de energía eléctrica 21. La energía eléctrica puede ser producida por células de combustible activadas por hidrógeno o bien por una turbina de gas de ciclo combinado que acciona a generadores eléctricos, por ejemplo. También se produce agua. Los costes de inversión para la producción de energía eléctrica en células de combustible son altos en la actualidad, pero pueden ser reducidos en el futuro mediante una tecnología mejorada. Las turbinas de gas de ciclo combinado son bien conocidas y en la actualidad producen energía eléctrica a costes de capital significativamente más bajos por kW (aproximadamente \textdollar385 por kW) que los costes de capital de las células de combustible (estimados en \textdollar3.000 por kW). En cualquier caso, la energía eléctrica se emplea para aumentar la temperatura de la corriente de gas natural que entra en el reactor de alta temperatura 20. La alta temperatura se puede producir a partir de la energía eléctrica mediante un arco eléctrico o mediante la descarga silenciosa entre electrodos, utilizando métodos bien conocidos en la técnica. Alternativamente, la alta temperatura se puede producir mediante calentamiento por resistencia de carbón u otros materiales. Según otra alternativa, se puede formar un plasma en la corriente de gas natural empleando un "Plasmatron", tal como el comercializado por Praxair, Thermal Spray Systems, N670 Communication Drive, Appleton, WI 54915. Las temperaturas del plasma son mayores que el intervalo de temperatura preferido para las reacciones del gas de esta invención, de manera que se puede conseguir un procedimiento más eficaz en cuanto a energía sin llevar el gas natural a la temperatura del plasma. La temperatura extra produce componentes extra en la corriente de producto que requieren una gran cantidad de energía adicional y que de este modo harían que el procedimiento no fuese tan eficiente en cuanto a energía. El recipiente de enfriamiento rápido 22, el separador 23, el reactor catalítico 24 y el precalentador 25 efectúan las funciones descritas anteriormente con referencia a la figura 1.

La corriente de hidrocarburo reactivo procedente del horno de hidrógeno o del reactor calentado eléctricamente, puede consistir esencialmente en una parte de etileno (con pequeñas cantidades de etileno y otros hidrocarburos) por tres partes de metano. Este es el material de alimentación preferido para el reactor catalítico-separador 13 de la figura 1 o para el reactor catalítico-separador 24 de la figura 2. El reactor catalítico puede incluir reciclo. La reacción de licuefacción y las posteriores etapas pueden ser las mismas que para los procedimientos mostrados en las figuras 1 y 2. Las principales reacciones de licuefacción en el reactor catalítico son como sigue:

Para acetileno,

3CH_{4}+ C_{2}H_{2} = C_{5}H_{12} + H_{2},

y para etileno,

CH_{4} + 2C_{2}H_{4} = C_{5}H_{12}.

Esta reacción debe ser catalizada para suprimir la reacción de etileno a benceno y para mejorar la conversión a pentano y compuestos superiores, los cuales son preferidos para el procedimiento de esta invención.

El reactor de licuefacción mostrado en las figuras 1 y 2, 13 y 24 respectivamente, producirá predominantemente pentano, pero también puede producir butano, hexano, heptano y algunos compuestos aromáticos y cíclicos. La presión de vapor del pentano es de alrededor de 1 bar a 40ºC. De este modo, puede ser transportado por medio camiones o barcos. Se pueden añadir hidrocarburos más pesados, tal como crudo de petróleo, al líquido producido, para reducir la presión de vapor de un líquido que ha de ser transportado.

La reacción para producir pentano es termodinámicamente favorable. La termodinámica en equilibrio para las reacciones de acetileno y etileno con metano es más favorable a temperaturas bajas a moderadas (300-1.000 K). Es bien conocido en la industria química que los alcanos que van desde etano a alcanos superiores, pueden ser convertidos a hidrocarburos de mayor peso molecular empleando el catalizador zeolítico H-ZSM-5. La acidez de H-ZSM-5 se puede variar alterando la relación de sílice a alúmina en el catalizador (las relaciones habituales van desde 30 a 30.000), para posibilitar la alquilación de acetileno con metano, formando así hidrocarburos de mayor peso molecular, predominantemente pentano. En la industria química se conocen otros catalizadores de alquilación. En la presente invención, se suprime la reacción de acetileno y etileno a benceno y se realza la reacción de estos hidrocarburos reactivos con metano. Se puede introducir vapor de agua en el reactor para conseguir los resultados de conversión deseados. Las condiciones preferidas del reactor son una temperatura del orden de 300 a 800 K aproximadamente y una presión del orden de 2 a 30 bares aproximadamente.

Ha de entenderse que una etapa de enfriamiento y una etapa de separación pueden ser consideradas como parte del reactor catalítico de las figuras 1 y 2 (13 y 24, respectivamente). Puede ser necesario el enfriamiento de la corriente después de la reacción, dependiendo del método de separación final y de las condiciones óptimas para dicha separación. Si la separación consiste simplemente en una separación gas-líquido o separación instantánea, puede ser necesario el enfriamiento. Para la separación final, se pueden emplear procesos de separación por destilación, adsorción o absorción, incluyendo la separación por adsorción con presión oscilante y la separación por membrana. Se puede emplear cualquier procedimiento conocido para la separación de hidrocarburos mediante una separación líquido-gas, en la etapa de separación final, la cual es considerada como parte del reactor catalítico. El hidrocarburo líquido es dirigido entonces a instalaciones de almacenamiento o transporte y el hidrógeno es enviado al horno mostrado en la figura 1 o al método de generación de energía eléctrica indicado anteriormente en relación con la figura 2.

La figura 3 muestra un trazado gráfico del número de moles de cada especie versus la temperatura para una presión de 10 bares, comenzando con un mol de metano. Puede apreciarse que a una temperatura del orden de 2.500 K está presente muy poco metano y que a 1.700 K aproximadamente la relación de acetileno y metano es aproximadamente la correcta para el reactor de licuefacción (3 moles de metano por mol de acetileno). A 2.500 K, está presente una cantidad casi máxima de hidrógeno molecular; esta cantidad desciende a temperaturas más elevadas debido a la formación de hidrógeno atómico, tal como es indicado por la curva cerca de la parte inferior de la figura. La cantidad de etileno presente aumenta y alcanza un valor máximo a 1.500 K aproximadamente. Los cálculos cinéticos indican que la producción óptima de etileno requeriría un tiempo de reacción de solo unos cuantos microsegundos, lo cual es imposible en la práctica. La concentración de etileno descendería entonces a medida que se convierte a acetileno. Los cálculos cinéticos indican también que la concentración de acetileno alcanza su valor de equilibrio en tiempos que van desde unos pocos milisegundos hasta 100 milisegundos aproximadamente.

Aunque el valor de 2.500 K parece estar próximo a la temperatura óptima en la figura 3 para la conversión total a acetileno, es preferible que el reactor de horno de hidrógeno utilice una temperatura más próxima a 1.700 K, preferentemente del orden de 1.600 a 1.800 K aproximadamente. Aunque toda la corriente ha de ser tratada a dicha temperatura en esta modalidad, el intercambio de calor y las cargas de energía necesarias se pueden reducir en gran medida en comparación con la conversión de la cantidad máxima de metano a acetileno.

Las tablas 1, 2 y 3 muestran los cálculos de las fracciones molares y del número de moles de cada reactante cuando 2 moles de metano están en equilibrio a temperaturas de 2.500 K, 2.000 K y 3.000 K, respectivamente. Dichos cálculos se muestran a presiones de 1 bar, 10 bares y 50 bares. También se muestran el cambio de entalpía durante la reacción de 2 moles y el cambio de entalpía (\DeltaH) por mol de metano. Estos cálculos fueron realizados empleando el método descrito en libros de texto de ingeniería termodinámica, tal como Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics de Smith, Van Ness y Abbott (McGraw-Hill). La nota existente en la parte inferior de la tabla 1 indica que los moles de hidrógeno producido pueden ser quemados entonces con oxígeno para producir 850 kJ con una eficacia térmica del 100%. De este modo, será necesario poco o ningún consumo de gas natural para utilizarlo como combustible.

Con referencia a las tablas, puede verse que se requieren temperaturas más altas para convertir prácticamente todo el metano a moléculas reactivas a presiones más elevadas. Por ejemplo, en la tabla 2 se muestra que a 2.000 K, está presente todavía 16% de los moles de metano a 50 bares, mientras que la conversión de metano a hidrocarburos reactivos es casi completa a 1 bar. Sin embargo, a 1 bar, se requerirán recipientes de intercambio de calor mucho más grandes, causando ello un incremento de los costes de capital, de manera que una presión más preferida es la de 10 bares. Con referencia a la tabla 1, a 10 bares, se convierte una fracción molar muy alta de metano a 2.500 K. A 3.000 K (tabla 3), la conversión de metano es muy alta incluso a una presión de 50 bares. Por tanto, se requieren una presión en el reactor del orden de 10 bares y temperaturas más altas. Las necesidades de energía (\DeltaH) para la reacción disminuyen a presiones más elevadas.

Como se ha expuesto anteriormente con referencia al estado de la técnica, utilizando la actual tecnología Fisher-Tropsch (F-T) para convertir gas natural a líquido, los costes de inversión de una planta para producir 45.000 barriles/día (BPD) de líquidos en un punto de USA en 1993 habrían sido de alrededor de \textdollar38.000 por producción en BPD (Oil and Gas J., Sept. 28, 1998, p. 99). Se ha indicado que la existencia de diseños mejorados rebajarían el coste de inversión a una cantidad de \textdollar30.000 por BPD para una instalación de 20.000 BPD. Dicha planta utilizaría aproximadamente 180 MMSCFD de gas natural, 10 millones de GPD de agua bruta y 150 BPD de butano normal, y produciría un exceso de vapor de agua, el cual podría ser utilizado para producir 10 megavatios de electricidad. En este proceso, se quema todo el gas natural, convirtiéndose el 50% aproximadamente en singas y utilizándose el 50% para suministrar energía en el proceso.

En la modalidad preferida de la presente invención en donde se emplea un horno de hidrógeno para producir los hidrocarburos reactivos bajo condiciones preferidas y en donde se hace reaccionar entonces metano con los hidrocarburos reactivos para producir 20.000 BPD de líquido, el procedimiento solo requeriría 116 MMSCFD de gas natural, sin butano, y produciría 45.500 galones/día (GPD) de agua. El coste de capital de esta planta se estima entre 87 millones y 231 millones de dólares, empleando el horno y otros recipientes como se ha descrito anteriormente. Para que el proceso F-T produzca la misma cantidad de líquido, el coste de capital es de alrededor de 600 millones de dólares (a 30.000 dólares por BPD). De este modo, los costes de capital para el procedimiento de la presente invención se estiman en el intervalo de 4.350 dólares por BPD a 11.500 dólares por BPD aproximadamente para una planta de 20.000 BPD, en comparación con los 30.000 dólares por BPD para una planta F-T. Para la otra opción de producción de hidrocarburo líquido, empleando LNG, el coste se estima en un valor superior al del proceso F-T. Resultan sorprendentes la gran diferencia en cuanto a costes de capital y el requisito de quemar poco o nada del gas natural para lograr energía en el procedimiento de esta invención.

Ejemplo 1

El procedimiento de esta invención se emplea en una planta grande para convertir gas natural a líquido. Una planta de energía eléctrica de 2 gigavatios está situada distante de un campo grande de gas natural y los costes de un gaseoducto para conectar la planta y el campo impiden el desarrollo del campo de gas natural. La instalación para el procedimiento, mostrada en la figura 1, se proporciona cerca de la localización del campo de gas. La planta de energía eléctrica requiere aproximadamente 5 billones de BTU por día de combustible. Esta cantidad de combustible requiere una planta de gas-a-líquido que trate aproximadamente 6.000 pies cúbicos normales por segundo de gas natural o 520 millones de pies cúbicos normales por día. La planta produce aproximadamente 3,6 millones de GPD de hidrocarburos líquidos que pueden ser enviados por camión, tren o barco a la planta de energía eléctrica, y aproximadamente 2,25 millones de GPD de agua, suficiente para suministrar una ciudad con una población de 30.000 habitantes o, alternativamente, para regar aproximadamente 2.500 acres de desierto para la producción de cosechas. La planta, que únicamente requiere un horno para quemar el hidrógeno y una instalación ampliamente disponible para realizar las etapas de enfriamiento rápido, licuefacción y separación, requiere bastante menos inversión de capital que una planta basada en el proceso F-T. Además, con el funcionamiento de la planta están asociados costes pequeños o nulos de energía debido a que el hidrógeno producido en el procedimiento proporciona energía suficiente en el horno.

Ejemplo 2

Un pozo distante de gas natural produce gas natural a un régimen de 10 millones de pies cúbicos normales por día. El gas procedente de este pozo es licuado para su transporte por carretera a un mercado. El procedimiento de la figura 1 se aplica empleando contenedores dispuestos en remolques para producir 1.725 BPD de hidrocarburos líquidos. El coste de capital de la instalación es de aproximadamente 20 millones de dólares o de aproximadamente 11.600 dólares por capacidad en BPD. La planta se desplaza hacia otros pozos cuando la producción del pozo inicial desciende en un grado antieconómico.

Aunque la presente invención ha sido descrita con referencia a detalles específicos, ha de indicarse que tales detalles no deberán ser considerados como limitaciones del alcance de la invención, excepto como en el grado que los mismos quedan incluidos en las reivindicaciones adjuntas.

1

2

3

Claims

1. Procedimiento para convertir gas natural a un hidrocarburo líquido y agua, que comprende las etapas de:

a) proporcionar una corriente de gas natural a una presión seleccionada;

b) conducir el gas natural a través de un horno en donde se quema hidrógeno mientras se controla la temperatura de la llama y en donde el gas natural se calienta en un intervalo seleccionado de temperatura para causar una reacción química que forma productos reactivos e hidrógeno;

c) enfriar rápidamente los productos reactivos y el hidrógeno;

d) conducir los productos reactivos y el hidrógeno a un reactor de licuefacción catalítica y proporcionar gas natural y un catalizador en el reactor, de manera que los productos reactivos y el gas natural reaccionen para producir hidrógeno y el hidrocarburo líquido;

e) conducir hidrógeno desde el reactor de licuefacción catalítica al horno de hidrógeno para su combustión al objeto de calentar el gas natural y el agua producida; y

f) conducir el hidrocarburo líquido y el agua a instalaciones de almacenamiento o transporte.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde la presión seleccionada de la corriente de gas natural está comprendida entre 1 bar y 50 bares.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde la presión seleccionada de la corriente de gas natural está comprendida entre 7 bares y 12 bares.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde, en la etapa b), el gas natural se calienta a una temperatura del orden de 1.600 K a 2.500 K.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde, en la etapa b), el gas natural se calienta a una temperatura del orden de 1.600 K a 1.800 K.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el catalizador en el reactor de licuefacción catalítica es un catalizador ácido.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en donde el catalizador ácido es un catalizador a base de zeolita y la acidez del catalizador se aumenta introduciendo sílice adicional en el catalizador.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de introducir vapor de agua en el reactor de licuefacción catalítica.

9. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde la temperatura en el reactor de licuefacción catalítica es del orden de 300 K a 1.000 K.

10. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde la presión en el reactor de licuefacción catalítica es del orden de 2 bares a 30 bares.

11. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el hidrógeno se quema empleando aire enriquecido en oxígeno.

12. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde, en la etapa b), la temperatura de la llama se controla suministrando agua mientras se quema el hidrógeno.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los productos reactivos y el hidrógeno se separan para formar una primera corriente de hidrógeno y una corriente de productos reactivos y en donde la primera corriente de hidrógeno se conduce al horno de hidrógeno para su combustión; y en donde la etapa d) incluye las etapas de:

- conducir la corriente de productos reactivos a un reactor de licuefacción catalítica y proporcionar gas natural y un catalizador en el reactor, de manera que los productos reactivos y el gas natural reaccionen para producir hidrógeno y el hidrocarburo líquido.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el horno es un reactor, que tiene medios para calentar el gas natural usando energía eléctrica y en donde, en lugar de la etapa e), el procedimiento comprende las siguientes etapas:

- conducir hidrógeno desde el reactor de licuefacción catalítica a un medio para generar energía eléctrica y producir agua; y

- conducir la energía eléctrica desde el medio generador de la misma al reactor, que tiene medios para realizar el calentamiento empleando energía eléctrica.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, en donde, en la etapa b), el medio para calentar el gas natural usando energía eléctrica es un arco eléctrico.

16. Procedimiento según la reivindicación 14, en donde, en la etapa b), el medio para calentar el gas natural consiste en un medio de calentamiento por resistencia.

17. Procedimiento según la reivindicación 14, en donde, en la etapa b), el medio para calentar el gas natural es un plasma.

18. Procedimiento según la reivindicación 14, en donde, en la etapa e), el medio para generar energía eléctrica es una célula de combustible.

19. Procedimiento según la reivindicación 14, en donde, en la etapa e), el medio para generar energía eléctrica es una turbina de gas de ciclo combinado que acciona a generadores eléctricos.