ES2287272T3

ES2287272T3 - Produccion de combustible diesel a partir de bitumen.

Info

Publication number: ES2287272T3
Application number: ES02725189T
Authority: ES
Inventors: Stephen Mark Davis; Michael Gerard Matturro
Original assignee: ExxonMobil Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2007-12-16
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: CN1500137A; JP3933580B2; US6811683B2; DE60220792T2; AU2002255770B2; DE60220792D1; CN100374532C; TW593665B; EP1397469A2; JP2004528438A; WO2002077128A3; AR033064A1; DK1397469T3; BR0208235A; CA2440594A1; ATE365200T1; ZA200306793B; EP1397469B1; BR0208235B1; US20020170228A1

Abstract

Un proceso para producir una fracción de combustible diesel a partir del bitumen que comprende: (i) estimular la producción de bitumen con vapor obtenido a partir de un proceso de conversión de gas alimentado con gas natural que produce una fracción de hidrocarburos diesel y valor, (ii) mejorar dicho bitumen a hidrocarburos de punto de ebullición más bajo, incluyendo una fracción diesel, y (iii) formar una mezcla de al menos una porción de ambas de dichas fracciones diesel.

Description

Producción de combustible diesel a partir de bitumen.

Antecedentes de la descripción Campo de la invención

La invención se relaciona con un proceso integrado para producir combustible diesel a partir de bitumen e hidrocarburos sintetizados a partir del gas natural. Más particularmente, la invención se relaciona con un proceso integrado en el cual un proceso de conversión de gas natural produce vapor, una fracción diesel de alto índice de cetano e hidrógeno, donde el vapor es usado para la producción de bitumen, el hidrógeno es usado para la conversión del bitumen y la fracción diesel es mezclada con la fracción diesel de bajo índice de cetano producida a partir del bitumen.

Antecedentes de la invención

Los depósitos de petróleo crudo muy pesado, tal como las formaciones de arenas bituminosas encontradas en lugares como Canadá y Venezuela, contienen trillones de barriles de un petróleo viscoso, muy pesado, comúnmente referido como bitumen. El bitumen tiene una gravedad API típicamente en el rango de desde 5º hasta 10º y una viscosidad, a temperaturas y presiones de formación, que pueden ser tan altas como un millón de centipoise. Las moléculas hidrocarbonáceas que componen el bitumen son bajas en contenido de hidrógeno y tienen un contenido de resina más asfaltenos tan alto como el 70%. Esto hace al bitumen difícil de producir, transportar y mejorar. Su viscosidad debe ser reducida in-situ debajo de la superficie del suelo para ser bombeado al exterior (producido); este necesita ser diluido con un solvente si va a ser transportado por tubería, y su alto contenido de resina y asfaltenos tiende a producir hidrocarburos bajos en parafinas normales. El bitumen debajo de la superficie es generalmente producido por la estimulación con vapor, en la cual el vapor caliente es inyectado en la formación para disminuir la viscosidad del petróleo de manera suficiente para bombearlo al exterior de la superficie del suelo. Esto es descrito, por ejemplo, en la patente U.S. 4,607,699. En la patente U.S. 4,874,043 se describe un método en el cual se bombea de manera alternativa tanto vapor caliente como agua caliente dentro de la superficie del suelo. En particular US 5,097,903 describe un proceso para producir una fracción de combustible diesel que comprende el paso de producir bitumen usando vapor y mejorar dicho bitumen a hidrocarburos de punto de ebullición más bajo incluyendo una fracción de gasóleo. Un requerimiento significativo de la producción de bitumen estimulada con vapor es una fuente de vapor fácilmente disponible, la mayoría del cual se pierde o es consumido en el proceso y no puede ser recuperado. Como una consecuencia del relativamente bajo contenido de hidrógeno de las moléculas bituminosas, el combustible diesel producido coquizando e hidrotratando el bitumen tiende a ser bajo en el índice de cetano. Por lo tanto, cuando la producción de diesel a partir del bitumen es deseada, un componente de mezclado de hidrocarburo de cetano superior es necesario para mezclarlo con el diesel derivado del bitumen de cetano inferior.

Los procesos de conversión de gas, que producen hidrocarburos a partir del gas de síntesis derivado del gas natural, son bien conocidos. El gas de síntesis comprende una mezcla de H_{2} y CO, que reaccionan en presencia de un catalizador Fischer-Tropsch para formar hidrocarburos. Los procesos de síntesis de hidrocarburos en lecho fijo, lecho fluidizado y lodo han sido usados, todos los cuales están bien documentados en varios artículos técnicos y en patentes. Tanto los hidrocarburos ligeros como los pesados pueden ser sintetizados, incluyendo las fracciones diesel relativamente altas en índice de cetano. Por ejemplo US 6,043,288 describe un proceso de conversión de gas que comprende los pasos de convertir el gas natural a gas de síntesis y vapor, contactando dicho gas de síntesis con un catalizador Fischer-Tropsch para producir hidrocarburos líquidos, una porción de los cuales siendo mejorada a productos más valiosos como gasolina motor y combustible diesel. En adición a la producción de hidrocarburos, estos procesos también producen vapor y agua. Sería un mejoramiento al arte si la producción de bitumen y la conversión de gas pudieran ser integradas, para utilizar las características del proceso de conversión de gas para mejorar los productos y la producción de bitumen y producir una fracción de combustible diesel que tenga un índice de cetano superior que el obtenido solo del bitumen.

Sumario de la invención

La invención se relaciona con un proceso en el cual el gas natural es convertido a una alimentación de gas de síntesis, a partir de la cual hidrocarburos líquidos, incluyendo una fracción diesel son sintetizados y es generado vapor, para facilitar la producción de bitumen y para mejorar el índice de cetano del diesel producido a partir del bitumen. La conversión del gas natural a gas de síntesis y la síntesis o producción de hidrocarburos a partir del gas de síntesis será de aquí en lo adelante referido como "conversión de gas". El gas natural usado para producir el gas de síntesis típicamente y preferiblemente vendrá del campo de bitumen o un pozo de gas cercano. El proceso de la conversión de gas produce hidrocarburos líquidos, incluyendo una fracción diesel, vapor y agua. El vapor es usado para estimular la producción de bitumen y el diesel derivado de la conversión de gas con índice de cetano superior es mezclado con el diesel derivado del bitumen con índice de cetano inferior, para producir una base de combustible diesel. De esta forma, la invención se relaciona de manera general con un proceso integrado de conversión de gas y producción y mejoramiento del bitumen, en el cual el vapor de la conversión de gas y los hidrocarburos líquidos de la fracción diesel son usados respectivamente para estimular la producción de bitumen y para mejorar una fracción diesel derivada del bitumen. La conversión del gas natural en un gas de síntesis es lograda por cualquier proceso de gas de síntesis apropiado.

Los hidrocarburos son sintetizados a partir del gas de síntesis que comprende una mezcla de H_{2} y CO. Este gas es contactado con un catalizador de síntesis de hidrocarburos apropiado, en condiciones de reacción efectivas para que el H_{2} y CO que están en el gas reaccionen y produzcan hidrocarburos, una porción al menos de los cuales son líquidos e incluyen una fracción diesel. Es preferido que los hidrocarburos sintetizados comprendan mayormente hidrocarburos parafínicos, para producir una fracción diesel con índice de cetano alto. Esto puede ser logrado usando un catalizador de síntesis de hidrocarburos que comprende un componente de cobalto y/o rutenio, y preferiblemente un componente catalítico de cobalto. Al menos una porción de la fracción diesel sintetizada por conversión de gas es mejorada mediante hidroisomeración para disminuir sus puntos de congelación y mínimo de fluidez. Los hidrocarburos diesel de punto de ebullición más alto (por ejemplo, 260-371ºC (500-700ºF)) tienen un índice de cetano superior y son preferiblemente hidroisomerizados bajo condiciones moderadas, para preservar el índice de cetano. La parte de la conversión de gas del proceso produce vapor de presión media y alta, todo o una porción del cual es inyectada dentro de la superficie del suelo para estimular la producción de bitumen. Agua también es producida mediante la reacción de síntesis de hidrocarburos, todo o una porción de la cual puede ser calentada para producir vapor para la producción de bitumen, para equipos del proceso y otros. De esta forma, por "vapor de conversión de gas" o "vapor obtenido o derivado de un proceso de conversión de gas" en el contexto de la invención se entiende que incluye cualquiera o todos de (i) vapor de presión media o alta producido por el proceso de conversión de gas y (ii) vapor producido a partir del calentamiento del agua de la reacción de la síntesis de hidrocarburos, y cualquier combinación de los mismos. Aún de manera adicional, un gas de cola rico en metano es también producido por el proceso de conversión de gas y puede ser usado como combustible, incluyendo combustible para los equipos del proceso y para producir vapor a partir del agua de la reacción de síntesis y/o calentar adicionalmente el vapor de la conversión de gas. Por producción de bitumen se entiende la producción de bitumen estimulada con vapor, en la cual el vapor es inyectado en la formación de bitumen, para ablandar el bitumen y reducir su viscosidad, de manera que pueda ser bombeado al exterior de la superficie del suelo.

El mejoramiento comprende el fraccionamiento y una o más operaciones de conversión. Por conversión se entiende al menos una operación en la cual al menos una porción de las moléculas es cambiada y la cual puede o puede no incluir hidrógeno como reactivo. Si el hidrógeno está presente como un reactivo es referido de manera general como hidroconversión. Para el bitumen, la conversión incluye el craqueo, el cual puede ser coquización (no catalítica) o craqueo catalítico, así como la hidroconversión, como es conocido y explicado en más detalle a continuación. En otra realización de la invención, hidrógeno útil para convertir los hidrocarburos sintetizados es producido a partir del gas de síntesis generado en la parte de la conversión de gas del proceso. La síntesis de hidrocarburos también produce un gas de cola que contiene metano e hidrogeno que no reaccionó. En una realización adicional, este gas de cola puede ser usado como combustible para producir vapor para la producción de bitumen, bombas u otros equipos del
proceso.

El proceso de la invención brevemente comprende (i) estimular la producción de bitumen con vapor obtenido de un proceso de conversión de gas alimentado con gas natural que produce vapor y una fracción de hidrocarburo diesel, (ii) convertir el bitumen para formar hidrocarburos de punto de ebullición más bajo, incluyendo una fracción diesel, y (iii) formar una mezcla de las fracciones diesel derivadas del bitumen y de la conversión de gas. En una realización más detallada la invención comprende los pasos de (i) producir bitumen con estimulación con vapor, (ii) mejorar el bitumen a hidrocarburos de punto de ebullición más bajo, incluyendo una fracción diesel derivada del bitumen que contiene azufre, (iii) tratar la fracción diesel derivada del bitumen para reducir su contenido de azufre, (iv) producir vapor e hidrocarburos, incluyendo una fracción diesel, por medio de un proceso de conversión de gas alimentado con gas natural, donde al menos una porción del vapor es usado para la producción de bitumen, y (v) tratar al menos una porción de la fracción diesel derivada de la conversión de gas para reducir su punto mínimo de fluidez. Al menos una porción de ambas fracciones diesel tratadas son entonces mezcladas para formar la base de diesel. En una realización aún más detallada el proceso de la invención comprende:

(i) convertir el gas natural en un gas de síntesis caliente que comprende una mezcla de H_{2} y CO el cual es enfriado por intercambio indirecto de calor con agua para producir vapor;

(ii) contactar el gas de síntesis con un catalizador de síntesis de hidrocarburos en uno o más reactores de síntesis de hidrocarburos, en condiciones de reacción efectivas para que el H_{2} y el CO que están en el gas reaccionen y produzcan calor, hidrocarburos líquidos incluyendo una fracción de combustible diese, y un gas que comprende metano y vapor de agua;

(iii) remover el calor de uno o más reactores por intercambio indirecto de calor con agua para producir vapor;

(iv) hidroisomerizar al menos una porción de la fracción diesel para reducir su punto de mínimo de fluidez;

(v) pasar al menos una porción del vapor producido en uno o ambos pasos (i) y (iii) a una formación de arena bituminosa para remojar en caliente y reducir la viscosidad del bitumen;

(vi) producir el bitumen removiéndolo de la formación;

(vii) mejorar el bitumen a hidrocarburos de punto de ebullición más bajo, incluyendo una fracción de combustible diesel que contiene compuestos heteroátomos;

(viii) hidrotratar la fracción de combustible diesel derivada del bitumen para reducir su contenido de heteroátomos; y

(ix) combinar al menos una porción de cada una de las fracciones de combustible diesel tratadas.

El hidrotratamiento también reduce la cantidad de compuestos de metal y aromáticos no saturados. Por la fracción diesel derivada del bitumen referida anteriormente se entiende una fracción de combustible diesel producida mejorando el bitumen que incluye la coquización y el fraccionamiento. La formación de arena bituminosa es preferiblemente una formación debajo de la superficie del suelo o subterránea que tiene un área de drenaje penetrada con al menos un pozo, con el bitumen ablandado de viscosidad reducida siendo producido al removerlo de la formación hacia arriba a través del pozo.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama de flujo en bloques simple de un proceso integrado de producción de bitumen y conversión de gas de la invención.

La Figura 2 es un diagrama de flujo de un proceso de conversión de gas útil para llevar a la práctica la invención.

La Figura 3 es un diagrama de flujo en bloques de un proceso de mejoramiento del bitumen útil para llevar a la práctica la invención.

Descripción detallada

Los productos líquidos, tal como las fracciones diesel, que resultan del mejoramiento del bitumen son bajos en parafinas normales. Como una consecuencia, el índice de cetano de las fracciones diesel recuperadas del mejoramiento del bitumen típicamente oscila entre alrededor de 35-45. Aunque esto puede ser suficiente para un combustible diesel pesado para tareas de carretera, es inferior a lo deseado para otros combustibles diesel. Las fracciones diesel derivadas del bitumen son por lo tanto mezcladas con componentes de mezclado tales como las fracciones diesel que tienen un índice de cetano superior. Las fracciones diesel derivadas del bitumen producidas por la coquización del bitumen son hidrotratadas para remover los compuestos heteroátomos, tal como el azufre y el nitrógeno, y aromáticos y metales, para producir una fracción diesel tratada útil como una base de mezclado. La fracción diesel de índice de cetano superior producida a partir del proceso de conversión de gas es mezclada con una o más fracciones diesel tratadas, para producir bases de combustible diesel. El combustible diesel es producido formando una mezcla de un paquete aditivo apropiado y una base de combustible diesel. El término "hidrotratamiento" como es usado aquí se refiere a los procesos donde el hidrógeno o el hidrogeno en un gas de tratamiento que contiene hidrógeno reacciona con una alimentación en presencia de uno o más catalizadores activos para la remoción de heteroátomos (tales como el azufre y el nitrógeno), metales, saturación de aromáticos y, opcionalmente, saturación de alifáticos no saturados. Tales catalizadores de hidrotratamiento incluyen cualquier catalizador de hidrotratamiento convencional, tal como que comprenda al menos un componente de metal catalítico del Grupo VIII, preferiblemente al menos uno de Fe, Co y Ni, y preferiblemente al menos un componente de metal catalítico del Grupo VI, preferiblemente Mo y W, sobre un material de soporte de gran área de superficie, tal como la alumina y sílice-alumina. Otros catalizadores de hidrotratamiento apropiados incluyen componentes zeolíticos. Las condiciones del hidrotratamiento son bien conocidas e incluyen temperaturas y presiones de hasta alrededor de 450ºC y 207.86 10^{5} Pa (3,000 psig) dependiendo de la alimentación y el catalizador. El bitumen es producido a partir de arena bituminosa que es un término usado para describir una formación de roca sedimentaria arenosa que contiene un petróleo extra pesado, similar al bitumen en cantidades suficientemente grandes para ser económicamente producido y refinado en productos de punto de ebullición más bajo, más útiles. En el proceso de la invención, el vapor de presión alta y/o media, obtenidos respectivamente mediante el enfriamiento del gas de síntesis y el interior del reactor de la síntesis de hidrocarburos, es usado para estimular la producción de bitumen.

El mejoramiento del bitumen comprende el fraccionamiento y una o más operaciones de conversión en las cuales al menos una porción de la estructura molecular es cambiada, con o sin la presencia de hidrógeno y/o un catalizador. La conversión del bitumen comprende el craqueo catalítico o no catalítico y las operaciones de hidroprocesamiento, tal como hidrocraqueo, hidrotratamiento, e hidroisomerización, en las cuales el hidrógeno es un reactivo. La coquización es más típicamente usada para el craqueo y craquea el bitumen en un material de punto de ebullición más bajo y coque, sin la presencia de un catalizador. Puede ser coquización retardada, coquización fluida, o coquización catalítica para producir hidrocarburos de punto de ebullición más bajo y es seguido por una o más operaciones de hidroprocesamiento. El hidroprocesamiento parcial puede preceder la coquización. Los hidrocarburos de punto de ebullición más bajo producidos por coquización, incluyendo las fracciones diesel, reaccionan con el hidrógeno para remover los metales, los compuestos heteroátomos y los compuestos aromáticos, así como añadir hidrógeno a las moléculas. Esto requiere un buen suministro de hidrógeno, ya que estos hidrocarburos de punto de ebullición más bajo producidos a partir del bitumen son altos en compuestos heteroátomos (por ejemplo, azufre), y tienen una relación de hidrógeno con respecto al carbono baja (por ejemplo, \sim1.4-1.8).

El gas natural usado para producir el gas de síntesis típicamente y preferiblemente viene del campo de bitumen o un pozo de gas cercano. Cantidades abundantes de gas natural son típicamente encontradas en o cerca de las formaciones de arena bituminosa. El alto contenido de metano del gas natural lo convierte en un combustible natural ideal para producir gas de síntesis. No es inusual para el gas natural comprender tanto como 92+% en moles de metano, siendo el resto principalmente hidrocarburos C_{2+}, nitrógeno y CO_{2}. De esta forma, es un combustible ideal y relativamente limpio para la producción de gas de síntesis y cantidades abundante son típicamente encontradas asociadas con o cerca de las formaciones de arena bituminosa. Si es necesario, los compuestos heteroátomos (particularmente HCN, NH_{3} y azufre) son removidos para formar un gas de síntesis limpio, el cual es entonces pasado al reactor de gas de síntesis de hidrocarburos. Aunque los hidrocarburos C_{2}-C_{5} presentes en el gas pueden ser dejados para la producción de gas de síntesis, ellos son típicamente separados para LPG, mientras los hidrocarburos C_{5+} son condensados y son conocidos como condensado del pozo de gas. El gas rico en metano que queda después de la separación de los hidrocarburos superiores, el azufre y los compuestos heteroátomos, y en algunos casos también nitrógeno y CO_{2}, es pasado como combustible a un generador de gas de síntesis. Procesos conocidos para la producción de gas de síntesis incluyen la oxidación parcial, el reformado catalítico con vapor, la reacción de conversión del gas de agua y combinaciones de los mismos. Estos procesos incluyen la oxidación parcial en fase gaseosa (GPOX), el reformado autotérmico (ATR), la generación de gas de síntesis en lecho fluidizado (FBSG), la oxidación parcial (POX), la oxidación parcial catalítica (CPO), y el reformado con vapor. La ATR y la FBSG emplean la oxidación parcial y el reformado catalítico con vapor. Un análisis de estos procesos y sus méritos relacionados pueden ser encontrados, por ejemplo, en la patente U.S. 5,883,138. Los procesos de gas de síntesis son altamente exotérmicos y no es inusual para el gas de síntesis salir del reactor, por ejemplo, a una temperatura tan alta como 1093ºC (2000ºF) y a una presión de 5.10^{6} Pa (50 atmósferas). El gas de síntesis caliente que sale del reactor es enfriado por intercambio indirecto de calor con agua. Esto produce una cantidad sustancial de vapor de alta presión (por ejemplo, 4137-6205/13790 kPa (600-900/2000 psia)) a temperaturas respectivas de alrededor de 254-279/335-371ºC (490-535/635-700ºF), el cual puede ser calentado aún más. Este vapor puede ser pasado al interior de una formación de arena bituminosa (con compresión si fuera necesario), para calentar, ablandar y reducir la viscosidad del bitumen, y de esta manera estimular la producción del bitumen. Tanto ya reacción del gas de síntesis como la reacción de producción de hidrocarburos son altamente exotérmicas. El agua usada para enfriar el reactor de síntesis de hidrocarburos típicamente produce vapor de presión media y este puede ser usado para la producción de bitumen u otras operaciones en el proceso total de la
invención.

El gas de síntesis, después de la limpieza si fuera necesario, es pasado a un reactor de síntesis de hidrocarburos en el cual el H_{2} y CO reaccionan en presencia de un catalizador de tipo Fischer-Tropsch para producir hidrocarburos, incluyendo fracciones pesadas y ligeras. La fracción ligera (por ejemplo, 371ºC- (700ºF-)) contiene hidrocarburos que bullen en el rango del combustible diesel. Una fracción de combustible diesel puede bullir dentro e incluyendo un rango tan amplio como desde 121-371ºC (250-700ºF), con desde 176-343ºC (350-650ºF) siendo preferido para algunas aplicaciones. Los hidrocarburos de combustible diesel sintetizados 260-371ºC (500-700ºF) son los de más alto índice de cetano, punto de congelación y punto mínimo de fluidez, mientras los más ligeros, la porción \sim260ºC- (\sim500ºF-) es relativamente superior en oxigenados, lo que imparte buena lubricidad al combustible diesel. La hidroisomerización del material diesel más ligero removerá los oxigenados, aunque la hidroisomerización del material más ligero para reducir sus puntos de congelación y mínimo de fluidez puede reducir el índice de cetano. Por lo tanto, al menos la fracción diesel 260-371ºC (500-700ºF) producida por el gas de síntesis es hidroisomerizada de manera moderada para reducir su punto mínimo de fluidez, mientras minimiza la reducción del índice de cetano. La hidroisomerización moderada es típicamente lograda bajo condiciones de temperatura y presión de desde alrededor de 7.9-104.4 10^{5} Pa (100-1500 psig) y 260-454ºC (500-850ºF)). Esto es conocido y descrito en, por ejemplo, la patente U.S. 5,689,031. El índice de cetano de una fracción diesel producida por un producto de hidrocarburo del proceso Fischer-Tropsch de conversión de gas puede, después de la hidroisomerización moderada, ser 65-75+, con la mayoría del material de alto índice de cetano presente en los hidrocarburos 260-371ºC (500-700ºF), de punto de ebullición más alto. Cuando es deseada la máxima producción de diesel, toda o la mayoría de la fracción diesel derivada de la conversión de gas, y al menos la fracción diesel más pesada rica en cetano (por ejemplo 260/288-379ºC (500/550-700ºF) producida por la conversión de gas, serán mezcladas con una fracción diesel hidrotratada producida a partir del bitumen. Para la máxima producción de diesel en el proceso de la invención, la fracción de hidrocarburo pesada (por ejemplo, \sim371ºC+ (700ºF+)) producida a partir del gas de síntesis es hidroisomerizada para producir más hidrocarburos que bullen en el rango del combustible diesel.

La tabla a continuación ilustra una distribución del producto de hidrocarburo típica, por rango de punto de ebullición, de un reactor de lodos Fischer-Tropsch de síntesis de hidrocarburos empleando un catalizador que comprende un componente catalítico de cobalto sobre un componente soporte de sílice y alumina que contienen titania.

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Como muestran los datos en la tabla, la fracción diesel total es mayor que el 42% en peso. La fracción 260ºC-371ºC (500-700ºF) de alto índice de cetano es el 19% en peso del total del producto, o más del 45% en peso de la fracción diesel total posible. Aunque no es mostrado, el total de la fracción C_{5}-204ºC (C_{5}-400ºF) total es desde alrededor del 18-20% en peso del producto total. Para la máxima producción de diesel, la fracción cerosa 371ºC+ (700ºF+) es convertida a hidrocarburos que bullen en el rango de los destilados medios. Aquellos expertos en el arte conocen que la hidroisomerización de la fracción cerosa 371ºC+ (700ºF+) incluye el hidrocraqueo moderado (ver, la patente U.S. 6,080,301 en la cual hidroisomerizando la fracción 371ºC+ (700ºF+) se convirtió el 50% a hidrocarburos de punto de ebullición más bajo). De esta forma, si se desea todo o una porción de la fracción 371ºC+ (700ºF+) superior puede ser hidrocraqueada e hidroisomerizada para producir material diesel adicional. La invención será adicionalmente entendida con referencia a las Figuras.

Con referencia a la Figura 1, una planta de conversión de gas 10 esta localizada por encima, adyacente o próxima a una instalación de producción de bitumen 12, la cual produce el bitumen desde una formación debajo de la superficie del suelo y lo pasa, a través de la línea 22, hacia una instalación de mejoramiento del bitumen 14. La instalación de producción 12 comprende una formación de arena bituminosa debajo de la superficie del suelo y medios (no mostrados) para inyectar vapor en la formación, bombear al exterior el bitumen ablandado, y separar el gas y el agua del bitumen producido. Típicamente el bitumen será entonces diluido con un diluyente compatible y luego transportado a la instalación de mejoramiento por tubería. Un gas natural que contiene metano y aire u oxígeno son respectivamente pasados a la planta de conversión de gas a través de las líneas 16 y 18. La planta de conversión de gas produce gas de síntesis y luego convierte el gas de síntesis en hidrocarburos ligeros y pesados en al menos uno o dos de los reactores de síntesis de hidrocarburos. Los hidrocarburos ligeros incluyen hidrocarburos que bullen en el rango del diesel. La planta de conversión de gas también produce vapor de alta y media presión, agua, un gas de cola útil como combustible y, opcionalmente hidrógeno. El vapor de alta presión de la planta de conversión de gas es pasado a la formación de arena bituminosa a través de la línea 20 para estimular la producción de bitumen. Una fracción de alto índice de cetano es removida de la planta de conversión de gas a través de la línea 28 y pasada a la línea 30. En la instalación de mejoramiento, el bitumen es mejorado por mediante fraccionamiento, coquización e hidrotratamiento para producir una fracción diesel que es removida y pasada a través de la línea 26, hacia la línea 30. La fracción diesel derivada de la conversión de gas de índice de cetano superior y el diesel derivado del bitumen de índice de cetano inferior se mezclan en 30 para formar una mezcla de ambas fracciones diesel. Esta mezcla es pasada, a través de la línea 32, hacia un tanque (no mostrado) como una base diesel. El hidrógeno para el hidrotratamiento es pasado a 14 a través de la línea 24. Otras corrientes del proceso no son mostradas con vistas a lograr una mayor simplicidad.

Con respecto ahora a la Figura 2, en esta realización la planta de conversión de gas 10 comprende una unidad generadora de gas de síntesis 32, una síntesis de hidrocarburos 34 que comprende al menos un reactor de síntesis de hidrocarburos (no mostrado), una unidad de hidroisomerización de la fracción pesada de hidrocarburos 36, una unidad de hidroisomerización de la fracción diesel 38, una columna de fraccionamiento 40 y una unidad que produce hidrógeno 41. El gas natural que ha sido tratado para remover los compuestos heteroátomos, particularmente el azufre, y los hidrocarburos C_{2}-C_{3+}, es pasado al generador de gas de síntesis 32, a través de la línea 42. En una realización preferida, el gas natural hubiera sido procesado de manera criogénica para remover el nitrógeno y el CO_{2}, en adición a los compuestos heteroátomos y los hidrocarburos C_{2}-C_{3+}. El oxígeno o el aire, y preferiblemente el oxígeno es alimentado desde una planta de oxígeno al generador de gas de síntesis a través de la línea 44. Opcionalmente, agua o vapor de agua es pasado al generador de gas de síntesis a través de la línea 46. El gas de síntesis caliente producido en el generador es enfriado por intercambio indirecto de calor (no mostrado), con agua que entra a la unidad a través de la línea 49. Esto produce vapor de alta presión, todo o una porción del cual puede ser pasado, a través de la línea 50, a la instalación que produce el bitumen para estimular la producción de bitumen. La presión y la temperatura de este vapor pueden ser tan altas como 13.79-15.17 10^{6} Pa (2000/2200 psia) y 335/343ºC (635/650ºF). Este vapor puede ser calentado adicionalmente antes de ser usado para la producción de bitumen. El gas de síntesis frío es pasado desde la unidad 32 a la unidad de síntesis de hidrocarburos 34, a través de la línea 48. Una corriente desviada del gas de síntesis es removida a través de la línea 52 y pasada a una unidad de producción de hidrógeno 41, en la cual el hidrógeno es producido a partir del gas y pasado, a través de la línea 54, a una unidad de hidroisomerización de hidrocarburos pesados 36. En la unidad 41, el hidrógeno es producido a partir del gas de síntesis por uno o más de (i) medios de separación física tal como adsorción por cambio de presión PSA, adsorción por cambio de temperatura (TSA) y separación con membranas, y (ii) medios químico tal como un reactor de conversión del gas de agua. Si un reactor de conversión es usado debido a la capacidad insuficiente del generador de gas de síntesis, los medios de separación física serían aún usados para separar una corriente pura de hidrógeno del efluente gaseoso del reactor de conversión. Los medios de separación física para la producción de hidrógeno serán usados típicamente para la separación del hidrógeno del gas de síntesis, sin importar si los medios químicos tal como la reacción de conversión de gas de agua es usada o no, para obtener hidrógeno de un grado de pureza deseado (por ejemplo, al menos alrededor del 90%). La TSA o PSA las cuales usan tamices moleculares pueden producir una corriente de hidrógeno de 99+% de pureza, mientras la separación con membranas típicamente produce al menos hidrógeno puro al 80%. En la TSA o PSA el gas emitido rico en CO es algunas veces referido como gas de purga de adsorción, mientras que para la separación con membranas es frecuentemente referido como el gas no permeado. En una realización preferida, el generador de gas de síntesis produce gas de síntesis suficiente para la reacción de síntesis de hidrocarburos y al menos una porción del hidrógeno necesario para la hidroisomerización por medios de separación física, de manera que un reactor de conversión del gas de agua no será necesario. Producir hidrógeno a partir del gas de síntesis usando medios de separación física proporciona un hidrógeno relativamente puro, conjuntamente con un gas emitido el cual comprende una mezcla de H_{2} y CO rica en CO e hidrógeno agotado. Este gas emitido rico en CO es removido de 41 a través de la línea 56 y es usado como combustible o alimentado a la unidad de síntesis de hidrocarburos 34. Si es factible, cuando el hidrógeno es producido a partir del gas de síntesis, es preferido que la relación molar del H_{2} con respecto al CO en el gas sea mayor que la estoiquiométrica, con al menos una porción del gas emitido rico en CO pasada nuevamente a la línea 48, a través de la línea 56. Es particularmente preferido que el proceso se ajuste de manera que el gas emitido rico en CO pasado nuevamente al reactor de síntesis de hidrocarburos sea suficiente para ajustar la relación molar del H_{2} con respecto al CO en el gas de síntesis que pasa a 34 cercana a la estoiquiométrica. Esto evita el derroche de CO de valor quemándolo como combustible. La producción de hidrógeno a partir del gas de síntesis por uno o más de la (PSA), (TSA), separación con membranas, o una reacción de conversión del gas de agua es conocida y descrita en las patentes U.S. 6,043,288 y 6,147,126. En otra realización preferida, una porción del hidrógeno separado es removida de la línea 54, a través de la línea 58, y pasada a una o más de (i) la instalación de mejoramiento del bitumen si está lo suficientemente cerca, para proporcionar hidrógeno de reacción para la hidroconversión del bitumen y particularmente el hidrotratamiento de la fracción diesel derivada del bitumen, (ii) la unidad de hidroisomerización 38 para la hidroisomerización moderada de al menos la fracción diesel pesada derivada de la conversión de gas, para reducir su punto mínimo de fluidez con un mínimo efecto en el índice de cetano, y preferiblemente al menos para la unidad de hidroisomerización 38. En la unidad de reacción de síntesis de hidrocarburos 34, el H_{2} y el CO que están en el gas de síntesis reaccionan en presencia de un catalizador de síntesis de hidrocarburos apropiado, preferiblemente uno que comprende un componente catalítico de cobalto soportado, para producir hidrocarburos, incluyendo una fracción ligera y una fracción pesada. La reacción de síntesis es altamente exotérmica y el interior del reactor debe ser enfriado. Esto es realizado por medio de intercambio de calor (no mostrados) tal como tubos en el reactor, en los cuales el agua de enfriamiento mantiene la temperatura de reacción deseada. Esto convierte el agua de enfriamiento típicamente en vapor de presión media que tiene una presión y temperatura de, por ejemplo, desde 1.03-4.14 10^{6} Pa (150-600 psia) y 121-245ºC (250-490ºF). De esta forma el agua de enfriamiento entra en la unidad a través de la línea 60, enfría el interior del reactor de síntesis (no mostrado) y se convierte en vapor de presión media el cual pasa a través de la línea 62. Todo o una porción de este vapor puede también ser usada para la producción de bitumen; para los equipos en el proceso de conversión de gas, para el fraccionamiento, etc. Si la instalación de mejoramiento del bitumen está suficientemente cerca, todo o una porción de este vapor puede ser pasada a la unidad de mejoramiento del bitumen, donde puede ser usada para la generación de energía, para suministrar calor para el fraccionamiento, para lanzar el coque fuera de un coquizador, etc. Es preferido calentar este vapor de presión media hasta una calidad súper-caliente, antes de ser usado para la producción de bitumen. Los fracción de hidrocarburos pesada (por ejemplo, 371ºC+ (700ºF+) es removida de 34 a través de la línea 74 y pasada a la unidad de hidroisomerización 36 en la cual es hidroisomerizada y hidrocraqueada de manera moderada. Esto convierte a alguno de los hidrocarburos pesados en hidrocarburos de punto de ebullición más bajo, incluyendo los hidrocarburos que bullen en el rango del diesel. La fracción de hidrocarburos más ligera 371ºC- (700ºF-) es removida de 34 a través de la línea 64 y pasada a la unidad de hidroisomerización moderada 38. El hidrógeno para la reacción de hidroisomerización entra a 38 a través de la línea 37. Esta fracción más ligera puede o puede no incluir los hidrocarburos 260ºC- (500ºF-) del total de la fracción diesel, dependiendo de si es o no deseado retener los oxigenados en esta fracción (ver, la patente U.S. 5,689,031). Los productos gaseosos de la reacción de síntesis de hidrocarburos comprenden los hidrocarburos C_{2}-C_{3+}, incluyendo los hidrocarburos que bullen en los rangos inferiores de ebullición del diesel y la nafta, el vapor de agua, el CO_{2} y el gas de síntesis que no reaccionó. Este vapor es enfriado en una o más etapas (no mostrado), durante las cuales el agua y los hidrocarburos C_{2}-C_{3+} se condensan y son separados del resto del gas, y extraído del reactor a través de la línea 64. El agua es retirada a través de la línea 66 y los hidrocarburos ligeros, líquidos a través de la línea 70. Estos hidrocarburos ligeros incluyen los hidrocarburos que bullen en los rangos del diesel y la nafta, y son pasados a la línea 80. El agua puede ser usada para enfriamiento, incluyendo el enfriamiento del gas de síntesis caliente, generación de vapor y similares. El gas no condensado remanente comprende mayormente metano, CO_{2}, pequeñas cantidades de hidrocarburos ligeros C_{3-}, y gas de síntesis que no reaccionó. Este gas es removido a través de la línea 72 y usado como combustible para calentar las calderas para hacer y calentar el vapor para la generación de energía, la estimulación del bitumen, el mejoramiento, y otros usos. Toda o una porción del agua removida a través de la línea 66 puede también ser calentada para hacer vapor para alguno de estos propósitos y, si no está disponible una fuente abundante de agua apropiada, entonces preferiblemente para al menos enfriar el gas de síntesis caliente para producir vapor de alta presión para la producción de bitumen. La fracción pesada hidroisomerizada es removida de 36 a través de la línea 76 y pasada a la línea 80. El material diesel hidroisomerizado de manera moderada es removido de 38 a través de la línea 78 y pasado a la línea 80, donde se mezcla con la fracción pesada hidroisomerizada. Esta mezcla, conjuntamente con los hidrocarburos ligeros condensados de la línea 70 pasa al fraccionador 40. Las fracciones producidas en 40 incluyen una fracción nafta 82, una fracción diesel 84 y una fracción lubricante 86. Cualquier hidrocarburo C_{3-} presente en el fraccionador es removido a través de la línea 88 y usado como combustible. Opcionalmente, todo o una parte de la fracción lubricante puede ser reciclada nuevamente hacia la unidad de hidroisomerización 36 a través de la línea 89, en la cual es convertida en hidrocarburos que bullen en el rango del diesel, para incrementar la producción de diesel total.

Una realización de una instalación de mejoramiento del bitumen 14 útil para llevar a la práctica la invención es mostrada en la Figura 3 que comprende una retorta tubular atmosférica 90, un fraccionador al vacío 92, un coquizador fluido 94, un dispositivo de hidrotratamiento de gasóleo 96, un dispositivo de hidrotratamiento de destilados medios y nafta combinados 98 y un fraccionador de destilados 100. El bitumen es pasado, a través de la línea 22, desde la instalación de producción de bitumen a la retorta tubular atmosférica 90. En el fraccionador 90 los hidrocarburos 343-399ºC- (650-750ºF-) más ligeros son separados de los hidrocarburos 343-399ºC+ (650-750ºF+) más pesados y pasados, a través de la línea 102 al dispositivo de hidrotratamiento 98. Los hidrocarburos 343-399ºC+ (650-750ºF+) son pasados, a través de la línea 104, al fraccionador al vacío 92. En 92, la fracción más pesada producida en 90 es separada en una fracción 537ºC- (1000ºF-) de gasóleo pesada y materiales de residuo 537ºC+ (1000ºF+). Los materiales de residuo son pasados al coquizador fluido 94, a través de la línea 106 y la fracción de gasóleo pesada es pasada al dispositivo de hidrotratamiento de gasóleo 96, a través de las líneas 108 y 110. El coquizador fluido 94 es una unidad no catalítica en la cual la fracción 537ºC+ (1000ºF+) contacta las partículas de coque caliente, que la craquea de manera térmica a hidrocarburos de punto de ebullición más bajo y coque. El coque es retirado del fondo del coquizador a través de la línea 112. Aunque no es mostrado, este coque está parcialmente combustionado para calentarlo nuevamente hasta la temperatura de craqueo del bitumen de alrededor de 482-593ºC (900-1100ºF). Esto consume parte del coque y el coque caliente remanente es pasado nuevamente al coquizador, para proporcionar el calor para el craqueo térmico. Los hidrocarburos de punto de ebullición más bajo producidos en el coquizador comprenden nafta, destilados medios y gasóleo pesado. Estos hidrocarburos de punto de ebullición más bajo, que incluyen los hidrocarburos 371ºC- (700ºF-) que bullen en el rango del diesel deseado, son pasados, a través de las líneas 114 y 102, al dispositivo de hidrotratamiento 98. El gasóleo 371ºC+ (700ºF+) es pasado al dispositivo de hidrotratamiento de gasóleo 96, a través de la línea 110. El hidrógeno o un gas de tratamiento que contiene hidrógeno es pasado a los dispositivos de hidrotratamiento a través de las líneas 116 y 118. En los dispositivos de hidrotratamiento, los hidrocarburos reaccionan con el hidrógeno en presencia de un catalizador de hidrotratamiento resistente a los aromáticos y el azufre apropiado para remover los compuestos heteroátomos (por ejemplo, nitrógeno y azufre), metales y aromáticos no saturados. La fracción de gasóleo contiene más de estos compuestos no deseables que la fracción de combustibles destilados y por lo tanto requiere un hidrotratamiento más severo. El gasóleo hidrotratado es removido del dispositivo de hidrotratamiento 96 y pasado, a través de la línea 120, al almacenamiento para la transportación o a operaciones adicionales de mejoramiento. Los hidrocarburos hidrotratados 371ºC- (700ºF-) pasan del dispositivo de hidrotratamiento 98 al fraccionador 100, a través de la línea 122, en el cual estos son separados en fracciones diesel y nafta ligera. La nafta es removida a través de la línea 124 y el diesel a través de la línea 126. El diesel de índice de cetano superior de la instalación de conversión de gas es pasado a la línea 126 desde la línea 84 para formar una mezcla de los dos, para producir una base de combustible diesel que tiene un índice de cetano superior que la fracción diesel derivada del bitumen removida del fraccionador 100. Esta base de combustible diesel mezclado es enviada al almacenamiento.

Los catalizadores de síntesis de hidrocarburos son bien conocidos y son preparados combinando el (los) componente(s) de metal catalítico con uno o más componentes soportes de metal catalítico, el (los) cual(es) puede(n) o puede(n) no incluir uno o más componentes de zeolita apropiados, por intercambio iónico, impregnación, humedad incipiente, combinación o a partir de una sal fundida, para formar el catalizador precursor. Tales catalizadores típicamente incluyen un compuesto de al menos un componente de metal catalítico del Grupo VIII soportado sobre, o combinado con, al menos un material de soporte de óxido de metal refractario inorgánico, tal como alumina, sílice-alumina, amorfos, zeolitas y similares. Los grupos elementales aquí referidos son aquellos encontrados en la Tabla Periódica de Elementos de Sargent-Welch, © 1968 de la Sargent-Welch Scientific Company. Los catalizadores que comprenden un componente catalítico de cobalto o cobalto y renio, particularmente cuando están combinados con un componente de titania, son conocidos para maximizar la producción de hidrocarburos alifáticos a partir de un gas de síntesis, mientras los catalizadores de hierro son conocidos para producir altas cantidades de alifáticos no saturados. Estos y otros catalizadores de síntesis de hidrocarburos y sus propiedades y sus condiciones de operación son bien conocidos y discutidos en artículos y en patentes.

Claims

1. Un proceso para producir una fracción de combustible diesel a partir del bitumen que comprende:

(i): estimular la producción de bitumen con vapor obtenido a partir de un proceso de conversión de gas alimentado con gas natural que produce una fracción de hidrocarburos diesel y valor,

(ii): mejorar dicho bitumen a hidrocarburos de punto de ebullición más bajo, incluyendo una fracción diesel, y

(iii): formar una mezcla de al menos una porción de ambas de dichas fracciones diesel.

2. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 1, donde la fracción diesel producida a partir de dicho bitumen es mezclada con una fracción diesel producida mediante conversión de gas que tiene un índice de cetano superior.

3. Un proceso de acuerdo a las reivindicaciones 1 o 2, donde dicho vapor comprende al menos uno de un vapor de alta presión y un vapor de baja presión.

4. Un proceso de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde dicha fracción diesel producida a partir de dicho bitumen contiene compuestos heteroátomos y aromáticos no saturados.

5. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 4, donde dicha fracción producida a partir de dicho bitumen es tratada para reducir la cantidad de dichos compuestos heteroátomos y aromáticos no saturados.

6. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 5, donde dicho tratamiento ocurre antes de dicho mezclado.

7. Un proceso de acuerdo a las reivindicaciones 5 o 6, donde dicho tratamiento comprende el hidrotratamiento.

8. Un proceso de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde la fracción diesel derivada del bitumen contienen azufre y es tratada para reducir su contenido de azufre, dicho proceso comprendiendo adicionalmente tratar al menos una porción de la fracción diesel derivada del proceso de conversión de gas para reducir su punto mínimo de fluidez.

9. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 8, donde al menos una porción de dichas ambas fracciones diesel son mezcladas subsiguiente a dicho tratamiento.

10. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 8 o 9, donde dicha fracción diesel derivada del bitumen recuperada a partir del mejoramiento del bitumen tiene un índice de cetano que oscila entre 35 y 45.

11. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 10 donde la fracción derivada del bitumen es mezclada con una fracción diesel producida por conversión de gas que tiene un índice de cetano superior.

12. Un proceso de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, donde dicho mejoramiento del bitumen comprende la coquización y el fraccionamiento.

13. Un proceso de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, donde dichos tratamientos comprenden hidroisomerizar dicha fracción diesel derivada de la conversión de gas e hidrotratar dicha fracción diesel derivada del bitumen.

14. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 13, donde dicho hidrotratamiento, en adición a la remoción del azufre, también reduce la cantidad de otros heteroátomos, aromáticos no saturados y metales presentes en dicha fracción diesel derivada del bitumen no tratada.

15. Un proceso de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, donde dicha conversión de gas también produce agua y un gas de cola, dicho gas de cola siendo usado para producir vapor a partir del agua de la reacción de síntesis y/o calentar adicionalmente el vapor de la conversión de gas.

16. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 1, donde:

(i) el gas natural es convertido en un gas de síntesis caliente que comprende una mezcla de H_{2} y CO el cual es enfriado por intercambio indirecto de calor con agua para producir vapor;

(ii) dicho gas de síntesis es contactado con un catalizador de síntesis de hidrocarburos en uno o más reactores de síntesis de hidrocarburos, en condiciones de reacción efectivas para que dicho H_{2} y el CO que están en dicho gas reaccionen y produzcan calor, hidrocarburos líquidos incluyendo una fracción de combustible diesel, y un gas que comprende metano y vapor de agua;

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(iii) el calor es removido de dicho uno o más reactores por intercambio indirecto de calor con agua para producir vapor;

(iv) al menos una porción de dicha fracción de combustible diesel es hidroisomerizada para reducir su punto mínimo de fluidez;

(vi) dicho bitumen el producido removiéndolo de dicha formación;

(vii) dicho bitumen es mejorado para producir hidrocarburos de punto de ebullición más bajo, incluyendo una fracción de combustible diesel que contiene compuestos heteroátomos;

(viii) dicha fracción de combustible diesel derivada del bitumen es hidrotratada para reducir su contenido de heteroátomos; y

(ix) al menos una porción de cada una de las fracciones de combustible diesel tratadas son combinadas.

17. Un proceso de acuerdo a la reivindicación 16, donde dicho vapor de agua es removido de dicho gas para producir un gas combustible que comprende metano y que usa dicho gas para calentar adicionalmente el vapor usado para dicha estimulación del bitumen.

18. Un proceso de acuerdo a las reivindicaciones 16 o 17, donde es producido hidrógeno a partir de dicho gas de síntesis y usado para dicha hidroisomerización.

19. Un proceso de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, donde dicho catalizador comprende un componente catalítico de cobalto.