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El proceso Bergius es un método de producción de hidrocarburos líquidos para su uso como combustible sintético mediante la hidrogenación de carbón bituminoso altamente volátil a alta temperatura y presión. Fue desarrollado por primera vez por Friedrich Bergius en 1913. En 1931, Bergius recibió el Premio Nobel de Química por su desarrollo de la química de alta presión . [1]
El carbón se muele finamente y se seca en una corriente de gas caliente. El producto seco se mezcla con petróleo pesado reciclado del proceso. Normalmente se añade un catalizador a la mezcla. Se han desarrollado varios catalizadores a lo largo de los años, incluidos el disulfuro de tungsteno o molibdeno , el oleato de estaño o níquel y otros. Alternativamente, el sulfuro de hierro presente en el carbón puede tener suficiente actividad catalítica para el proceso, que era el proceso Bergius original. [2]
La mezcla se bombea a un reactor . La reacción se produce a una temperatura de entre 400 y 500 °C y una presión de hidrógeno de entre 20 y 70 MPa . La reacción produce aceites pesados, aceites intermedios, gasolina y gases. La reacción general se puede resumir de la siguiente manera:
El producto inmediato del reactor debe estabilizarse pasándolo por un catalizador de hidrotratamiento convencional. La corriente de producto tiene un alto contenido de cicloalcanos y aromáticos, un bajo contenido de alcanos (parafinas) y un contenido muy bajo de alquenos (olefinas). Las diferentes fracciones pueden pasar a un procesamiento posterior ( craqueo , reformado ) para generar combustible sintético de la calidad deseada. Si se pasa por un proceso como el de platforming , la mayoría de los cicloalcanos se convierten en aromáticos y el hidrógeno recuperado se recicla al proceso. El producto líquido del platforming contendrá más del 75 % de aromáticos y tiene un índice de octano de investigación (RON) de más de 105.
En general, aproximadamente el 97 % del carbono de entrada que se introduce directamente en el proceso se puede convertir en combustible sintético. Sin embargo, todo el carbono utilizado para generar hidrógeno se perderá en forma de dióxido de carbono, lo que reducirá la eficiencia general del proceso en materia de carbono.
Hay un residuo de compuestos alquitranados no reactivos mezclados con cenizas del carbón y el catalizador. Para minimizar la pérdida de carbono en la corriente de residuos, es necesario tener una alimentación con bajo contenido de cenizas. Normalmente, el carbón debe tener <10% de cenizas en peso. El hidrógeno necesario para el proceso también se puede producir a partir del carbón o del residuo mediante reformado con vapor . Una demanda típica de hidrógeno es de ~80 kg [ cita requerida ] de hidrógeno por tonelada de carbón seco sin cenizas. En general, este proceso es similar a la hidrogenación. El resultado se presenta en tres niveles: petróleo pesado, petróleo medio, gasolina. El petróleo medio se hidrogena para obtener más gasolina y el petróleo pesado se mezcla nuevamente con el carbón y el proceso se reinicia. De esta manera, las fracciones de petróleo pesado y petróleo medio también se reutilizan en este proceso.
La evolución más reciente del trabajo de Bergius es la planta de hidrolicuefacción de dos etapas en Wilsonville, Alabama , que funcionó entre 1981 y 1985. Aquí se preparó un extracto de carbón bajo calor y presión de hidrógeno utilizando carbón finamente pulverizado y disolvente donante reciclado. A medida que se descompone la molécula de carbón, se forman radicales libres que se estabilizan inmediatamente mediante la absorción de átomos de H del disolvente donante. Luego, el extracto pasa a un hidrocraqueador de lecho ebullido catalítico (unidad H-Oil) alimentado con hidrógeno adicional, formando hidrocarburos de menor peso molecular y separando el azufre, el oxígeno y el nitrógeno presentes originalmente en el carbón. Parte del producto líquido es disolvente donante hidrogenado que se devuelve a la Etapa I. El resto del producto líquido se fracciona por destilación, lo que produce varios productos con un rango de ebullición y un residuo ceniciento. El residuo ceniciento va a una unidad CSDA de Kerr-McGee que produce un producto líquido adicional y un material con alto contenido de cenizas que contiene carbón sin reaccionar y residuo pesado, que en una planta comercial se gasificaría para producir el H2 necesario para alimentar el proceso. Los parámetros se pueden ajustar para evitar la gasificación directa del carbón que ingresa a la planta. Las versiones alternativas de la configuración de la planta podrían utilizar clarificación por LC y/o una unidad de eliminación de cenizas con antisolvente. Las especies típicas en el solvente donante son los aromáticos de anillo fusionado (tetrahidronaftaleno y superiores) o los heterociclos análogos.
Friedrich Bergius desarrolló el proceso durante su habilitación . Una técnica para la química de sustratos que contienen carbono a alta presión y alta temperatura cedió en una patente en 1913. En este proceso, los hidrocarburos líquidos utilizados como combustible sintético se producen por hidrogenación de lignito (carbón pardo). Él desarrolló el proceso mucho antes del comúnmente conocido proceso Fischer-Tropsch . Karl Goldschmidt lo invitó a construir una planta industrial en su fábrica Th. Goldschmidt AG (ahora conocida como Evonik Industries ) en 1914. [3] La producción comenzó solo en 1919, después de que terminara la Primera Guerra Mundial , cuando la necesidad de combustible ya estaba disminuyendo. Los problemas técnicos, la inflación y las constantes críticas de Franz Joseph Emil Fischer , que cambió a apoyar después de una demostración personal del proceso, hicieron que el progreso fuera lento, y Bergius vendió su patente a BASF , donde Carl Bosch trabajó en ella. Antes de la Segunda Guerra Mundial se construyeron varias plantas con una capacidad anual de 4 millones de toneladas de combustible sintético. Estas plantas se utilizaron ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial para abastecer a Alemania de combustible y lubricantes. [4]
La hidrogenación del carbón ya no se utiliza comercialmente. [5]
El proceso Bergius fue ampliamente utilizado por Brabag , una empresa del cártel de la Alemania nazi . Las plantas que utilizaban el proceso fueron blanco de bombardeos durante la Campaña del Petróleo de la Segunda Guerra Mundial . En la actualidad, no hay plantas que operen comercialmente el Proceso Bergius o sus derivados. La planta de demostración más grande fue la planta de 200 toneladas por día en Bottrop , Alemania, operada por Ruhrkohle , que cesó sus operaciones en 1993. Hay informes [6] de una empresa china que está construyendo una planta con una capacidad de 4000 toneladas por día. Se esperaba que entrara en funcionamiento en 2007, [7] pero no ha habido confirmación de que esto se haya logrado.
Hacia el final de la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos comenzó a financiar fuertemente la investigación para convertir carbón en gasolina, incluyendo dinero para construir una serie de plantas piloto. El proyecto fue enormemente ayudado por la tecnología alemana capturada. [8] Una planta que utilizaba el proceso Bergius fue construida en Luisiana, Misuri , y comenzó a operar alrededor de 1946. Ubicada a lo largo del río Misisipi, esta planta estaba produciendo gasolina en cantidades comerciales en 1948. El método del proceso de Luisiana producía gasolina para automóviles a un precio ligeramente más alto que, pero comparable a, la gasolina a base de petróleo [9] pero de una calidad superior. [ cita requerida ] La instalación fue cerrada en 1953 por la administración de Eisenhower , supuestamente después de un intenso cabildeo por parte de la industria petrolera. [9]
