El petróleo

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¿Algún día escucharon hablar del "oro negro"? Se llama así al petróleo, una importante fuente de energía y materia prima utilizada en numerosos procesos de la industria química.

La palabra petróleo deriva de la fusión de los vocablos "petro" (piedra) y "óleum" (aceite), es decir, aceite de piedra.

El petróleo crudo está constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos, cuyas moléculas están conformadas por átomos de carbono e hidrógeno y, en porcentajes menores, de otros compuestos. Además contiene sedimentos inorgánicos y agua.

¿Qué son los hidrocarburos? Son los compuestos básicos de la química orgánica y están formados únicamente por carbono e hidrógeno. Se encuentran en la naturaleza o se producen por síntesis. Es enorme la cantidad de hidrocarburos posibles, ya que pueden ser desde simples moléculas con un solo átomo de carbono y los hidrógenos correspondientes, hasta enormes cadenas lineales, ramificadas o cerradas como anillos, con cientos o miles de átomos de estos. Aproximadamente 600 tipos diferentes de hidrocarburos han sido identificados en el petróleo y es probable que existan cientos de compuestos.

Puede hallarse en estado líquido, llamado petróleo crudo; o en estado gaseoso, conocido como gas natural.

El aspecto del petróleo puede ser el de un líquido de color que varía desde el amarillo pardo hasta el negro. Es insoluble en agua y su densidad está comprendida entre 0,75 y 0,95 g/mL, por lo tanto, es menos denso que el agua (densidad 1 g/mL).

Tanques de almacenamiento de petróleo.

Formación del petróleo

Su formación se produjo a partir de la descomposición de organismos animales y vegetales que se sedimentaron en los fondos de los mares, lagos y pantanos. La presión, el calor, el contacto con su entorno, la presencia de algunos microorganismos y, sobre todo, el paso del tiempo, fueron transformando muy lentamente las estructuras químicas orgánicas originales en otras menos complejas que pasaron a acumularse en las rocas porosas cercanas.

Es un hecho que este ciclo se sigue produciendo en la actualidad, sin embargo, la velocidad de su formación es tan lenta que, a todo efecto práctico que nos concierna como sociedad actual, el petróleo representa un recurso natural no renovable.

¿Qué es el barril de crudo?

Es la unidad internacional de medida del petróleo. Un barril contiene 162 litros de crudo.

Los componentes del petróleo más usados como combustibles son el carbono y el hidrógeno debido a que ellos se combinan fácilmente con el oxígeno, iniciando la combustión.

Constitución química

La composición elemental, aproximada, del petróleo, es de 84 a 87 % de carbono, alrededor de 11 a 14 % de hidrógeno, con más o menos de 0 a 2,5 % de azufre y de 0 a 0,2 % de nitrógeno. Estos últimos elementos, junto con oxígeno y algunos metales (como vanadio, níquel, sodio, arsénico y otros) son considerados como impurezas en el crudo.

Cuanto más pesado (más denso) es el crudo, más alta es su proporción de C/H. Debido a los procesos químicos de la refinación, cuánto mayor es la proporción de C/H del crudo, más intenso y costoso es el proceso de refinación que se requiere para producir determinados volúmenes de gasolina y combustibles destilados. Por ello, la composición química del petróleo crudo y su división en fracciones de distinto punto de ebullición incluyen en los requisitos de inversión de la refinería y la energía que utiliza, los dos aspectos más importantes del costo total de la refinación.

Composición orgánica

Los crudos cuentan con diferentes propiedades que determinen su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes. Ello se debe a que los crudos están constituidos fundamentalmente por una mezcla de hidrocarburos. Entonces, dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los mismos es la propiedad que tendrán.

Por ejemplo:

- Parafinas: las cadenas de carbono están asociadas al hidrógeno sin ramificación.

- Isoparafinas: las cadenas de carbono están asociadas al hidrógeno, ramificadas.

- Olefinas: tienen dobles enlaces entre los átomos de carbono.

- Naftenos: tienen ciclos de carbono.

- Aromáticos: ciclos de carbono con enlaces dobles alternos.

Exploración

Para encontrar zonas con petróleo se realizan estudios en la superficie tales como: geología de campo y topografía del terreno. En caso que se detecte algún indicio de un reservorio de hidrocarburos, se realizan análisis geofísicos mediante métodos magnéticos, gravimétricos y sísmicos.

Otra técnica la constituye la geoquímica de superficie que consiste en la detección de hidrocarburos acumulados en el subsuelo a través de la medición de los gases concentrados en muestras de suelo. Su fundamento radica en el principio de que el gas acumulado en el subsuelo migra vertical y lateralmente hacia la superficie a través de las distintas capas de roca y también a través de fracturas.

Hoy en día también se emplean las imágenes satelitales para estudiar en detalle la estructura geológica del terreno, planificar el uso del suelo, y realizar una completa identificación de la hidrografía, de los caminos, diques y poblaciones, entre otras cuestiones.

Refinería de petróleo

Las refinerías petroleras son fábricas donde el petróleo se convierte en gasolina o en otros combustibles y materiales, tales como asfalto y plástico.

Básicamente, están constituidas por:

Horno: donde llega el petróleo crudo de los pozos petroleros.

Torre de destilación: en la cual se distribuyen los vapores del crudo procesado.

Bandejas: las cuales funcionan a temperaturas diferentes y sirven para separar y procesar los componentes del petróleo.

Ductos: que sirven para recoger las distintas corrientes separadas en las bandejas.

Torre de destilación al vacío: esta unidad toma el residuo de la torre de destilación atmosférica y lo separa en productos pesados, tales como bitumen, combustible y lubricantes.

Destilación fraccionada

La destilación del crudo es el punto de partida de cualquier refinería, más allá de su tamaño o configuración total. El petróleo natural no se usa como se extrae de la naturaleza, sino que se separa en mezclas más simples de hidrocarburos que tienen usos específicos, a este proceso se le conoce como destilación fraccionada. Por medio de la misma se separa cada componente según su punto de ebullición.

El petróleo crudo pasa primero por un horno, donde se calienta y se convierte en vapor, pasando luego hacia las torres de destilación.

La torre o columna de destilación cuenta con "salidas", llamadas platos, dispuestas a diferentes alturas. En la parte baja de la torre la temperatura es alta pero a medida que los gases van subiendo la temperatura se reduce. Como los diversos componentes del petróleo tienen diferentes temperaturas de condensación, a medida que van subiendo los gases, los componentes se condensan (pasan a estado líquido) y se recogen en las bandejas respectivas.

El petróleo comúnmente se encuentra confinado en el subsuelo dentro de capas porosas (arenas) acompañado con otros fluidos como agua y gas.

Luego de entrar en las bandejas, cada sustancia tiene ya su lugar determinado, mientras que el resto del petróleo que no se evaporó (crudo reducido) cae hacia la base. Cada fracción que resulta de la unidad de destilación del crudo se define mediante un punto de ebullición único y está compuesta por cientos o miles de distintos compuestos de hidrocarburo, todos los cuales tienen puntos de ebullición dentro del rango de corte. Estas fracciones incluyen (a fin de aumentar el punto de ebullición) gases livianos, naftas, destilados, gasóleos y aceites residuales. Cada una de estas fracciones pasa por un proceso de refinación diferente para continuar su procesamiento.

A las temperaturas más bajas (50-220 °C) se separan los hidrocarburos ligeros, como la gasolina para el coche; a temperaturas intermedias (180-360 °C) se separan los hidrocarburos como el gasoil para la calefacción y el kerosene para la aviación; a las temperaturas más elevadas (+ 360 °C) se obtienen los aceites pesados para producir lubricantes, combustibles para barcos y centrales termoeléctricas.

Subproductos del petróleo

Gas licuado de petróleo (GLP): es una mezcla de hidrocarburos de petróleo los cuales son gaseosos a la temperatura y presión ambientales normales. Estos pueden ser de tres tipos:

- Hidrocarburos del grupo C3 (propano, propeno, propileno).

- Hidrocarburos del grupo C4 (butano, buteno, butileno).

- Mezcla de C3 y C4 en cualquier proporción.

El GLP es utilizado para consumo doméstico en hornos y calefacción; también es empleado a nivel industrial para procesos productivos que requieran generación de calor.

Gasolinas: es una mezcla de hidrocarburos derivada del petróleo que se utiliza como combustible en motores de combustión interna con encendido por chispa convencional o por compresión (DiesOtto), así como en estufas, lámparas, limpieza con solventes y otras aplicaciones.

El octanaje

La noción de octanaje refiere a la cantidad de octanos presente en un carburante. Un octano es una clase de hidrocarburo que dispone de 8 átomos de carbono y un carburante es una combinación de distintos hidrocarburos que se utiliza para lograr el buen funcionamiento de un motor.

El octanaje es un factor de anti detonación. Si el combustible tiene un alto octanaje, se evitarán las detonaciones prematuras y se incrementará la liberación de energía útil. Pero el exceso de octanaje por sobre lo requerido por el motor no agrega mayores beneficios ni en términos de potencia, suavidad o rendimiento.

Kerosén: es un combustible líquido constituido por la fracción del petróleo que se destila entre los 150 y 300 °C. Se usa como combustible para la cocción de alimentos, iluminación, equipos de refrigeración, motores y como solvente para betunes e insecticidas de uso doméstico.

Diesel: combustible líquido que se obtienen de la destilación atmosférica del petróleo entre los 200 y 380 °C, son más pesados que el kerosén y es utilizado en máquinas diesel y otras máquinas de compresión - ignición.

Fuel Oil: es el residuo de la refinación del petróleo y comprende todos los productos pesados generalmente es utilizado en calderas, plantas eléctricas y navegación.

Asfalto: es un material viscoso, pegajoso y de color negro, usado como aglomerante en mezclas asfálticas para la construcción de carreteras, autovías o autopistas. También es utilizado en impermeabilizantes y está presente en el petróleo crudo y compuesto casi por completo de bitumen.

Industria petroquímica

El desarrollo de la química moderna después de casi 50 años ha demostrado que el petróleo es la materia prima ideal para la síntesis de la mayor parte de los productos químicos de gran consumo.

Los hidrocarburos en general pueden tener dos grandes usos alternativos: como combustibles energéticos (como en el caso de las gasolinas) o como insumos industriales como es el caso de la petroquímica. Por tanto esta industria se ocupa de elaborar aquellos productos que se derivan de los hidrocarburos del petróleo o del gas.

La mayor parte de los productos petroquímicos se fabrican a partir de un número relativamente pequeño de hidrocarburos, entre ellos el metano, el etano, propano, butano y los aromáticos que derivan del benceno, entre otros.

Los procesos para la obtención de los productos petroquímicos se llevan a cabo en refinerías e implican cambios físicos y químicos de los hidrocarburos. El proceso básico, que divide al petróleo y al gas natural en diversos compuestos más ligeros, se conoce como cracking (se desdoblan las moléculas).

Los productos de la cadena petroquímica-plásticos y fibras sintéticas se originan de la transformación del petróleo y el gas natural.

Craking: es la descomposición pirogénica (térmica) del petróleo, en la cual se produce el rompimiento de hidrocarburos de alto peso molecular con generación de otros más livianos. En esta forma se transforman los llamados aceites pesados del petróleo (fuel oil) en fracciones livianas que tienen mayor valor, tal como la gasolina utilizada en los motores de combustión interna (C₄- C₁₁).

El rango de temperatura normal en el cracking es 400 a 600 °C; los hidrocarburos menos estables comienzan a romperse a 300 °C y sobre 400 °C se inicia un apreciable desprendimiento de hidrógeno.

Los factores que determinan la formación de los diversos productos generados durante el cracking son: la naturaleza o tipo de petróleo, la temperatura, la presión, el tiempo de proceso y los catalizadores.

Posteriormente, estos petroquímicos básicos sirven de insumo para la realización de procesos distintos, que llevan a nuevos productos, pudiendo ser muchos los pasos para poder llegar al producto final. Debido a que estos productos son vendidos a las industrias para que a través de diversas transformaciones puedan ser convertidos en productos de uso cotidiano.

La inmensa variedad de productos finales que se pueden elaborar a través de los petroquímicos se pueden clasificar en 5 grandes grupos: plásticos, fibras sintéticas, cauchos sintéticos o elastómeros, los detergentes y abonos nitrogenados.