El petróleo

La palabra petróleo proviene del latín "petroleum", que significa "aceite de piedra". En sí es un aceite mineral natural, constituido por una mezcla de hidrocarburos y otros elementos, en menor cantidad. Su definición científica: “conjunto de compuestos químicos complejos cuya composición principal es Hidrógeno (hidro) y Carbono (carburo).

El petróleo es una sustancia combustible negra y viscosa, líquida a temperatura y presión normales. Su origen está en la descomposición de las sustancias orgánicas producidas por la acción de microorganismos, en un comienzo y fundamentalmente por el incremento de la temperatura, por enterramiento y el tiempo (millones de años). Por esto último se considera un recurso fósil no renovable.

El petróleo es un mineral combustible líquido y que se encuentra en la envoltura sedimentaria de la tierra. La palabra proviene del latín petra (piedra) y olem (aceite). Presenta un calor de combustión superior al de los minerales sólidos (carbón), y es de 42 KJ/Kg.

El origen del petróleo ha sido un tópico de interés para muchos investigadores. Saber su origen es muy complicado. Una gran mayoría de químicos y geólogos dicen que tiene un origen orgánico, mientras que otros científicos piensan que se forman en la Naturaleza por un método abiógeno. De este modo tenemos dos teorías:

Teoría orgánica

Teoría inorgánica (abiógena)

Este método abiógeno considera que las sustancias inorgánicas, mediante transformaciones químicas, forman el petróleo. Pero es conocido que el petróleo tiene sustancias orgánicas. El problema que se plantea pues es saber que transformaciones dan lugar a materia orgánica a partir de materia inorgánica.

La teoría orgánica dice que el petróleo y el gas se forman a partir de las sustancias orgánicas de las rocas sedimentarias. Consideramos que el primer material orgánico que se acumula en las rocas sedimentarias está formado por residuos muertos de la micro flora y de la micro fauna (plancton,...) que se desarrollan en el agua del mar y a las cuales se añaden restos animales y vegetales por transporte.

En las capas superiores de las rocas sedimentarias esta materia orgánica sufre descomposición por acción de O2 y bacterias. Se desprenden en este proceso CO2, N2, NH3, CH4, C2H6,... A la vez se forman los primeros productos líquidos solubles en agua. El material más estable respecto a la acción química y bacteriana queda en las zonas sedimentarias.

A medida que pasa el tiempo, las rocas sedimentarias van quedando enterradas por otras capas que se superponen a lo largo de mucho tiempo, hasta 1’5-3km de profundidad. Aquí hay un medio reductor, hay temperaturas más altas (de hasta 200ºC), presiones considerables (10-30Mpa), y

además todo esta masa estará encajonada entre otras rocas, las cuales pueden tener sustancias que funcionen como catalizadores de la reacción (arcillas). Esto todo hace que se produzcan una serie de transformaciones.

La teoría actual considera que es en esta etapa cuando las sustancias orgánicas, especialmente los lípidos (grasas, ceras,...), sufren la descomposición debido a los efectos térmicos y catalíticos dando lugar a los hidrocarburos constituyentes del petróleo. Este proceso es largo y complicado, por lo que los detalles de los mecanismos de este proceso están todavía sin aclarar. Existen teorías sobre algunas etapas.

Como el material orgánico inicial del cual procede el petróleo se encuentra disperso, los productos resultantes de su transformación (gas o petróleo) también estarán dispersos en la roca madre petrolífera, normalmente arcilla.

El petróleo es líquido y el gas es gas, por lo que tendrán mayor movilidad que el carbón, igual que el agua que queda como residuo. Así podrán moverse, de forma que normalmente las bolsas de petróleo y gas emigran, por lo que no nos las vamos a encontrar allí donde se formaron. Los geólogos denominan a este fenómeno migración, que puede ser primaria o secundaria.

Como resultado de la migración primaria, el petróleo y el gas se van a colocar en las rocas vecinas, siempre que sean porosas. Las causas de esto pueden ser un desalojamiento forzado, difusión (el petróleo busca otro sitio; los que más se difunden serán los gases), desplazamiento debido al agua, presión por causa de los estratos, filtración por los poros de las rocas encajonantes, puede viajar como mezcla de gas y vapor cuando hay grandes temperaturas y presiones.

Esta masa de petróleo y gas va a moverse posteriormente hacia arriba, en lo que se denomina migración secundaria, a través de los estratos porosos y como consecuencia de la gravedad o de la presión de las placas tectónicas. Emigra hasta llegar a la roca impermeable que no permite la difusión a través de ella. Esto se denomina trampa estratigráfica para la bolsa de petróleo. Hay tres tipos de trampa estratigráfica:

Anticlinal

Domo salino: la sal va solidificando y hace de cuña, penetrando hasta la parte impermeable.

Falla: Se produce cuando los estratos rompen, quedando una capa porosa frente a otra impermeable. Así frena el paso del petróleo o del gas, produciéndose una acumulación que crea el yacimiento.

En un yacimiento siempre tendremos el casquete formado por gas que está siempre en equilibrio con el petróleo líquido. Esta acumulación de gas y petróleo en las trampas es lo que llamamos depósitos petrolíferos. Si su cantidad es grande o hay varios depósitos en las rocas hablaremos de yacimientos de petróleo o gas o de ambos, según cuál sea el mayoritario en cada caso. El petróleo y el gas se encuentran difundidos en un gran espacio, y de ahí vienen el nombre que a los

yacimientos se les da como campos petrolíferos. Esto es así porque las condiciones en las rocas hacen que el petróleo y el gas llenen los poros de las rocas encajonantes. Así, cuanto mayor sea el coeficiente de porosidad de las rocas, más se van a encontrar saturadas de petróleo. Como consecuencia, las arcillas, y en particular las húmedas, que prácticamente no tienen poros, serán buenas rocas cobertoras.

Además de petróleo o gas en un depósito o yacimiento, también vamos a encontrar agua, que procede de la materia inicial de la que procede el petróleo. Esta agua va a ser salada, y el eliminarla es uno de los primeros problemas que se nos presentan al tratar un crudo.

Los yacimientos de petróleo se encuentran a 900-2000 m de profundidad, y es raro que el petróleo aflore a la superficie. En la antigüedad se usaba, por ejemplo, en Mesopotamia, aprovechando estos afloramientos superficiales. Un afloramiento superficial puede ser una bolsa que ha quedado del resto de una migración. Son pequeños.

Existen varias teorías para explicar el origen del petróleo.

Hipótesis orgánica de Engler: Según esta teoría el petróleo proviene de zonas profundas de la tierra o mar, donde se formó hace millones de años. Esta teoría plantea que organismos vivos (peces, y pequeños animales acuáticos y especies vegetales), al morir se acumularon en el fondo del mar y se fueron mezclando y cubriendo con capas cada vez más gruesas de sedimento como lodo, fragmentos de tierra y rocas, formando depósitos sedimentarios llamados rocas generadoras de crudo. La acumulación de otras capas geológicas sobre estos depósitos formó la “roca madre” y generó condiciones de presión y temperatura lo que facilitó la acción de bacterias anaeróbicas para transformar lentamente la materia orgánica en hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrógeno) con pequeñas cantidades de otros elementos.El petróleo no se encuentra distribuido de manera uniforme en el subsuelo y para que éste se acúlame, deben cumplirse algunas condiciones básicas: Debe existir una roca permeable para que, bajo presión, el petróleo pueda moverse a través de los poros microscópicos de la roca y debe existir una roca impermeable dispuesta en forma tal, que

evite la fuga del petróleo y el gas natural hacia la superficie.El material orgánico debe estar en abundancia para que se forme un yacimiento. Esta teoría es una de la más aceptadas ya que todos los yacimientos petroleros se han encontrado en terrenos sedimentarios y además en ellos, siempre se han encontrado restos

fósiles de animales y vegetales.

Hipótesis inorgánica de Mendeleev: Según esta teoría se habría originado por la acción del agua sobre carburos metálicos produciendo metano y acetileno. Los demás componentes se habrían generado por reacciones químicas posteriores. Esta teoría se ha descartado porque no justifica la presencia de restos fósiles de animales y vegetales en los yacimientos.

Hipótesis inorgánica de Thomas Gold: Sugiere que el gas metano que suele encontrarse en los yacimientos de petróleo, pudo haberse generado a partir de los meteoritos que cayeron durante la formación de la Tierra hace millones de años. Esta teoría está generando cada día más adeptos debido a que la NASA ha probado que las atmósferas de otros planetas tienen gran contenido de metan

Formación

1- El petróleo se forma en mares poco profundos a partir de materia orgánica muerta, básicamente plancton. Este puede permanecer tanto al reino animal (y entonces recibe el nombre de zooplancton) como al vegetal (fitoplancton).

2- En condiciones normales, los restos orgánicos son descompuestos por bacterias aeróbicas (las que necesitan la presencia de oxígeno para vivir), que se alimentan de ellos; en este caso no se forma petróleo. Sin embargo, si quedan sepultados por arcillas, que aíslan los restos del oxígeno del agua y, por lo tanto, de la acción de estas bacterias, comienza la transformación de los <<sapropeles>>, es decir, de la materia orgánica mezclada con la arcilla.

3- Los sapropeles son descompuestos por bacterias que no necesitan oxígeno, las anaeróbicas, que rompen las moléculas orgánicas en otras más sencillas, los hidrocarburos, dando lugar a la formación del querógeno. Este proceso se inicia a partir de un 1km de profundidad y temperaturas próximas a 65º. En esas condiciones el querógeno se transforma en petróleo, que rellena los poros de las arcillas, arcillas bituminosas, también denominadas <<roca madre>> del petróleo.

4- El petróleo y gas natural, que son fluidos, al estar enterrados a grandes profundidades, tienen tendencia a ascender a la superficie. Para ello, una vez que han roto las arcillas, se desplazan por los poros de las rocas permeables, por ejemplo areniscas. Este proceso se denomina <<migración>> del petróleo.

5- El ascenso del petróleo termina cuando se encuentra con rocas impermeables, con una estructura que facilita su acumulación: son las <<trampas>> de petróleo. En ellas suele haber una disposición vertical de gas natural, petróleo y agua dentro de la roca almacén debido a sus diferentes densidades.

6- Si, en su ascenso, el petróleo y el gas natural no se encuentran con ninguna trampa, llegan a la superficie. El gas se escapa a la atmósfera y el petróleo se endurece y se oxida y da lugar a asfaltos. En la parte inferior de éstos puede haber petróleo e incluso agua.

7- Los estudios geofísicos, sobre todo sísmicos, ayudan a localizar los yacimientos de petróleo a partir de la posición de las trampas. Para extraerlo, se perfora, mediante torres situadas tanto en tierra firme como ancladas al lecho marino, hasta la parte superior de la trampa. El gas natural y el petróleo alcanzan la superficie a través del sondeo (succión). Para facilitar el ascenso, a veces es preciso utilizar bombas de extracción o inyectar agua o gas en el yacimiento.

8- El petróleo y el gas natural son transportados por oleoductos, gasoductos o petroleros a las refinerías de petróleo, donde se separan los diferentes hidrocarburos que contienen en función de sus densidades. Así se extraen los principales combustibles fósiles (propano, butano, gasolina, queroseno y gasóleo) y una multitud de productos diversos (plásticos, ceras, pinturas y fibras y lubricantes, entre otros muchos)

Extracción

El petróleo se viene utilizando desde la antigüedad, pero la primera vez que se lo destiló fue para hacer kerosene, en 1840, por el escocés James Young. Comenzó a utilizarse como combustible a quemar para la iluminación, principalmente. Así fue que comenzaron a aparecer destilerías industriales, y fue Edwin Drakequien perforó el primer pozo petrolero en 1859, en Pensilvania, Estados Unidos.

Los yacimientos de petróleo se pueden descubrir de diversas maneras, principalmente estudiando la geología de la región. Un geólogo, experto en el estudio de la estructura interna de la Tierra, puede saber observando la superficie terrestre, si una región puede haber sido ideal para la formación de petróleo. Así es que conociendo en qué tipo de formaciones rocosas es más factible encontrar petróleo, se procede a realizar pruebas varias, que pueden incluir explosiones subterráneas para luego estudiar las ondas sísmicas que produjo la explosión, que permitirán conocer qué hay exactamente bajo tierra.

Así entonces se crea el pozo petrolero, que se realiza perforando un largo agujero a través de las capas geológicas hacia el yacimiento petrolífero. En el agujero taladrado por la maquinaria especial, se coloca una tubería de acero que provee integridad estructural al hueco. Arriba, en la superficie, se coloca una maquinaria con una serie de válvulas que se le suele llamar árbol de navidad, que se ocupan de regular la presión y de controlar el flujo de petróleo.

Allí abajo hay presión suficiente como para que una vez realizado el agujero, el petróleo suba solo. Pero esto sucederá mientras haya presión, la que empieza a bajar a medida que la reserva se vacía. Así comenzará una segunda etapa, que es la de forzar la salida del petróleo, inyectando más

presión a la reserva. Esto se logra inyectando agua, aire, dióxido de carbono., reinyectando gas natural

Cuando la presión sigue siendo insuficiente, o por alguna razón se quiere obtener el petróleo más rápido, lo que se hace es calentar el petróleo, para volverlo menos viscoso, lo que permitirá que suba más rápido y más fácil. Esto se hace inyectando vapor en la reserva. Generalmente, para que esto no encarezca la extracción en sí, se hace por cogeneración. Esto consiste en utilizar una turbina eléctrica para generar electricidad con el gas que también sale del pozo, que sirve para hacer funcionar los mecanismos de extracción, a veces incluso bombas que aceleran la salida del petróleo, y a la vez, como un subproducto, genera calor, que es transformado en vapor y enviado hacia la reserva para aportar presión y calor.

Petróleo crudo. Composición y clasificación

El petróleo presenta las siguientes propiedades físicas:

líquido oleoso, fluorescente a la luz

su color depende del contenido y estructura de las sustancias resinosas. De este modo tendremos petróleos negros, oscuros, pardos, claros, incoloros.

Existen 5 condiciones limitativas para que se pueda formar petróleo

1. Tiene que estar asociado con una roca sedimentaria

2. Casi exclusivamente, todo el petróleo parece haberse originado en agua marina o salobre

3. No parece necesario que haya existido una alta presión en el proceso de formación

4. No se requieren altas temperaturas

5. Parece que se ha formado en los periodos cábrico u ordovicense.

El petróleo es menos denso que el agua, por lo que se va a encontrar nadando sobre ella. Este crudo va a estar formado por elementos hidrocarbonados. Además, había otros elementos de naturaleza inorgánica que se habían depositado con el micro flora y micro fauna.

La composición del petróleo dependerá del yacimiento, de la zona donde se haya formado. Tiene menos cenizas que las puede tener un sólido fósil. El crudo tiene cantidades apreciables de sales como ClNa, Ca, Mg,.. Debido a su formación en aguas marinas o salobres. Esto es un problema, porque los cloruros van a provocar corrosión, sobre todo los de Mg. Para ello, al entrar en el proceso de refino se va a realizar antes de nada un proceso de desalado.

Los compuestos orgánicos del petróleo son hidrocarburos de diversos tipos. La composición de un crudo de petróleo es bastante uniforme en cuando al contenido de C, H, S, N. La composición del gas es más variable. Dependerá del petróleo del que proceda, de su composición.

La mayoría de los compuestos del petróleo son los hidrocarburos (parte orgánica). Existen toda clase de hidrocarburos en el petróleo: hidrocarburos parafínico, nafténicos y aromáticos. Dentro de estos pueden ser lineales o ramificados.

Parafínico à alcanos: CnH2n+2: CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12 e isómeros correspondientes

Ciclo alcanos

Aromáticos

Dependiendo de la zona donde se forma el crudo tendremos más proporción de unos compuestos u otros. Es importante saber la composición del crudo, puesto que según su composición podremos obtener unos productos u otros del crudo.Sin embargo, sea cual sea la procedencia del crudo, se va a mantener constante el contenido en C y H2, aunque tengan distintos compuestos hidrocarbonados (siempre dentro de una familia de crudos).

Los compuestos de naturaleza inorgánica son los que contienen N, S, O2 y elementos metálicos. Se encuentran en menores proporciones que, las cuales van a depender de la naturaleza del crudo. Es interesante conocer la composición en elementos orgánicos, porque dependiendo de esta, someteremos al crudo a uno u otro tratamiento, y obtendremos unos productos u otros.

Algunos ejemplos de compuestos inorgánicos son:

compuestos sulfurados mercaptano

compuestos de O2

compuestos de N2

compuestos de metales (Li, Na, V, (va unido a compuestos nitrogenados)

Los crudos de petróleo se pueden clasificar en base a:

composición

viscosidad

Fraccionamiento del crudo de petróleo. Principales productos obtenidos

El fraccionamiento del crudo de petróleo consiste en efectuar un proceso mediante el cual, aplicando temperatura a una fracción del crudo, separemos los distintos componentes según el punto de ebullición de cada uno, el cual depende del número de átomo de C que tenga el componente, junto con su naturaleza. Una vez que llega el crudo a la refinería hay que efectuar las siguientes operaciones:

1. Desalado: se trata de eliminar la mayor parte de sal posible y a su vez la mayor parte de contenido en H2O.

2. Introducimos el crudo en la torre de destilación a presión atmosférica. Por la cabeza de la torre obtendremos los gases licuados (que son los más ligeros: naftas ligeras, kerosenos,...). Después obtenemos los componentes más pesados, que se denomina residuo atmosférico.

Ya que a presión atmosférica no conseguimos separar más componentes distintos por ebullición, lo que se hace para depurar más el residuo atmosférico es pasarlo a una torre atmosférica donde se le va a hacer la destilación a vacío. Conseguimos separar más componentes de este modo, puesto que en el vacío bajan los puntos de ebullición. A los residuos obtenidos en el vacío es necesario hacerles posteriormente otros tratamientos.

Los diferentes productos que obtenemos al sepáralos en los cortes de destilación, que son los intervalos de temperatura en los cuales, mediante ebullición, separaremos los diferentes productos.

Los principales derivados del petróleo son:

Gas Licuado de Petróleo GLP. Consiste en una mezcla de hidrocarburos livianos que se obtienen de la destilación del petróleo y/o

tratamiento del gas natural. 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 la cocción de alimentos y calefacción;

también es utilizado a nivel industrial para procesos productivos que requieran generación de calor y en donde el uso de GLP sea factible

Gasolinas y Naftas. Es una mezcla de hidrocarburos líquidos, livianos, obtenidos de la destilación del petróleo y/o del tratamiento del gas natural y su rango de ebullición se encuentra generalmente entre los 30 - 200 º C

Gasolina de aviación: (Av. Gas) Es una mezcla de Naftas reformadas de elevado octanaje, alta volatilidad y estabilidad y un bajo punto de congelamiento que se usa en aviones de hélice con motores de pistón.

Gasolina de motor: (MoGas) E una mezcla compleja de hidrocarburos relativamente volátiles que con sin aditivos se usa en el funcionamiento de motores de combustión interna.

Nafta: Es una fracción ligera de petróleo que se obtiene mediante destilación directa entre los 35 y 175 º C se utiliza principalmente como insumo en la fabricación de gasolinas para mejorar el octanaje y cómo solvente la industria.

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

Turbo combustible o Jet Fuel. Es un kerosén con un grado especial de refinación que posee un punto de congelación más bajo que el kerosén común. Se utiliza en motores de reacción y turbo hélice

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

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

¿Como se puede separar en diferentes fracciones el petróleo?

A medida que sube la temperatura, los compuestos con menos átomos de carbono en sus moléculas (y que son gaseosos) se desprenden fácilmente; después los compuestos líquidos se vaporizan y también se separan, y así, sucesivamente, se obtienen las diferentes fracciones.

En las refinerías petroleras, estas separaciones se efectúan en las torres de fraccionamiento o de destilación primaria.

Figura 7. Refinería petrolera.

Figura 8. Principales fracciones del crudo

Para ello, primero se calienta el crudo a 400 °C para que entre vaporizado a la torre de destilación. Aquí los vapores suben a través de pisos o compartimentos que impiden el paso de los líquidos de un nivel a otro. Al ascender por los pisos los vapores se van enfriando.

Este enfriamiento da lugar a que en cada uno de los pisos se vayan condensando distintas fracciones, cada una de las cuales posee una temperatura específica de licuefacción.

Los primeros vapores que se licúan son los del gasóleo pesado a 300 °C aproximadamente, después el gasóleo ligero a 200 °C; a continuación, la kerosina a 175 °C, la nafta y por último, la gasolina y los gases combustibles que salen de la torre de fraccionamiento todavía en forma de vapor a 100 °C. Esta última fracción se envía a otra torre de destilación en donde se separan los gases de la gasolina.

Ahora bien, en esta torre de fraccionamiento se destila a la presión atmosférica, o sea, sin presión. Por lo tanto, sólo se pueden separar sin descomponerse los hidrocarburos que contienen de 1 a 20 átomos de carbono.

Para poder recuperar más combustibles de los residuos de la destilación primaria es necesario pasarlos por otra torre de fraccionamiento que trabaje a alto vacío, o sea a presiones inferiores a la atmosférica para evitar su descomposición térmica, ya que los hidrocarburos se destilarán a más baja temperatura.

En la torre de vacío se obtienen sólo dos fracciones, una de destilados y otra de residuos.

De acuerdo al tipo de crudo que se esté procesando, la primera fracción es la que contiene los hidrocarburos que constituyen los aceites lubricante y las parafinas, y los residuos son los que tienen los asfaltos y el combustóleo pesado.

El cuadro 2 nos describe aproximadamente el número de átomos de carbono que contienen las diferentes fracciones antes mencionadas.

CUADRO 2. Mezcla de hidrocarburos obtenidos de la destilación fraccionada del petróleo

En este cuadro incluimos los gases incondensables y el gas licuado (LP) porque éstos se encuentran disueltos en el crudo que entra a la destilación primaria, a pesar de que se suele eliminarlos al máximo en las torres de despunte que se encuentran antes de precalentar el crudo de fraccionadores.

De los gases incondensables el metano es el hidrocarburo más ligero, pues contiene sólo un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno. El que sigue es el etano, que está compuesto por dos de carbono y seis de hidrógeno.

El primero es el principal componente del gas natural. Se suele vender como combustible en las ciudades, en donde se cuenta con una red de tuberías especiales para su distribución. Este combustible contiene cantidades significativas de etano.

El gas LP es el combustible que se distribuye en cilindros y tanques estacionarios para casas y edificios. Este gas está formado por hidrocarburos de tres y cuatro átomos de carbono denominados propano y butano respectivamente.

La siguiente fracción está constituida por la gasolina virgen, que se compone de hidrocarburos de cuatro a nueve átomos de carbono, la mayoría de cuyas moléculas están distribuidas en forma lineal, mientras que otras forman ciclos de cinco y seis átomos de carbono. A este tipo de compuestos se les llama parafínicos y ciclo parafínicos respectivamente.

Esta gasolina, tal cual, no sirve para ser usada en los automóviles; en el siguiente capítulo se explicará por qué.

La fracción que contiene de 10 a 14 átomos de carbono tiene una temperatura de ebullición de 174 a 288 °C, que corresponde a la fracción denominada kerosina, de la cual se extrae el combustible de los aviones de turbina llamado turbosina.

La última fracción que se destila de la torre primaria es el gasóleo, que tiene un intervalo de ebullición de 250 a 310 °C y contiene de 15 a 18 átomos de carbono. De aquí se obtiene el combustible llamado diesel, que, como ya dijimos, sirve para los vehículos que usan motores diesel como los tractores, locomotoras, camiones, trailers y barcos.

De los destilados obtenidos al vacío, aquellos que por sus características no se destinen a lubricantes se usarán como materia prima para convertirlos en combustibles ligeros como el gas licuado, la gasolina de alto octano, el diesel, la kerosina y el gasóleo.

El residuo de vacío contiene la fracción de los combustóleos pesados que se usan en las calderas de las termoeléctricas.

De todo lo que hemos descrito en este capítulo, se ve claramente cómo casi el total de cada barril de petróleo que se procesa en las refinerías se destina a la fabricación de combustibles. La cantidad de gasolina virgen obtenida depende del tipo de petróleo crudo (pesado o ligero), ya que en cada caso el porcentaje de esta fracción es variable.

Como dijimos al principio, la gasolina es el combustible que tiene mayor demanda; por lo tanto, la cantidad de gasolina natural que se obtiene de cada barril siempre es insuficiente, aun cuando se destilen crudos ligeros, que llegan a tener hasta 30% de este producto. Además, las características de esta gasolina no llenan las especificaciones de octanaje necesarias para los motores de los automóviles.

Para resolver estos problemas los científicos han desarrollado una serie de procesos para producir más y mejores gasolinas a partir de otras fracciones del petróleo.

Pero para poder comprender lo anterior es necesario describir antes cómo trabaja un motor de combustión interna y qué significa el índice de octano de una gasolina, temas de los cuales hablaremos a continuación.

A PRINCIPIOS del siglo, la obtención de gasolina de calidad era cuestión de suerte. La naturaleza proporcionaba los ingredientes, casi siempre parafinas (hidrocarburos lineales y cíclicos), pero diluidos con otros componentes contenidos en el petróleo crudo.

En la actualidad la gasolina es un producto hecho por el hombre, o sea que es sintética. Las principales razones son:

1. Los crudos tienen un máximo de 25-30% de gasolina natural con índices de octano de 40 a 60, los cuales son demasiado bajos para usarse en los motores modernos de combustión interna. Esto se debe a la estructura molecular de los hidrocarburos que la constituyen.

2. La cantidad de gasolina primaria o natural contenida en los crudos es insuficiente para satisfacer la gran demanda provocada por los cientos de millones de vehículos que circulan diariamente por las carreteras y calles del mundo entero.

Las dos razones aquí mencionadas crearon el reto para los científicos: cómo remodelar las moléculas para producir más y mejores gasolinas.

Sin embargo, a medida que se hacían mejores gasolinas, simultáneamente los diseñadores de automóviles aumentaban la compresión de los motores elevando así su Potencia. Se necesitó entonces un índice de octano mayor.

Vamos a suponer que de un barril de 159 litros de petróleo crudo logremos separar 50 litros de gasolina cuyos componentes tienen de cinco a nueve átomos de carbono , y que de los 109 litros restantes algunos de los hidrocarburos no sean apropiados para usarlos como gasolina, ya sea porque su composición no cuenta con suficientes átomos de carbono por molécula o porque tiene demasiados . Otros quizás cumplan con el número requerido de carbonos, pero sus moléculas están en forma lineal en vez de ramificada. Entonces, ¿cómo hacer más y mejor gasolina del resto de los hidrocarburos que constituyen el barril de crudo?

PROCESOS PARA MEJORAR LA GASOLINA NATURAL

La gasolina natural o primaria está compuesta por el número adecuado de carbonos, pero la forma en que están colocados dentro de la molécula no le imparte un buen octanaje.

Para mejorar la calidad de esta gasolina existen dos tipos de procesos en las refinerías, que son la isomerización y la reformación. Ambos requieren catalizadores.

En el primer caso los hidrocarburos lineales de los que está compuesta la gasolina natural se ramifican, lo que permite que se incremente su octanaje.

Así sucede, por ejemplo, con el heptano normal, que tiene siete átomos de carbono formando una cadena lineal. Como dijimos anteriormente, su índice de octano es de cero. Pero si lo isomerizamos y lo hacemos altamente ramificado obtenemos el isoheptano, que tiene 110 de octano.

Figura12. Isomerización. Modificación de los hidrocarburos para elevar octanajes.El segundo proceso o sea la reformación, no sólo favorece la ramificación de los hidrocarburos como en el caso anterior, sino que también les permite ciclizarse, formando anillos de seis átomos de carbono, y después perder átomos de hidrógeno dándonos los hidrocarburos cíclicos llamados aromáticos.

Figura 13. Isooctano, índice de octano 100.

Éstos están constituidos principalmente por benceno , tolueno , y xilenos.

A los grupos , que contienen los anillos bencénicos del tolueno y los xilenos, se les llama metilos. El tolueno tiene un solo metilo, mientras que el xileno tiene dos, los cuales, dependiendo de la forma de su unión al anillo bencénico, se llaman ortoxileno, metaxileno, o paraxileno.

Estos hidrocarburos aromáticos le imparten un alto índice de octano a la gasolina reformada (proveniente de la reformación catalítica de la gasolina natural).

El cuadro 3 nos resume todos los procesos mencionados.

GASOLINA COMERCIAL

La gasolina que compramos en las gasolineras se hace mezclando gasolina natural con diferentes porcentajes de gasolina proveniente de los procesos de polimerización, alquilación, isomerización, reformación y desintegración.

A estas mezclas se les determina su octanaje como se mencionó en el capítulo anterior, y se les agrega una serie de aditivos antes de venderlas al público.

En la actualidad se pueden hacer mezclas de gasolinas con índices de octano mayores que el del isooctano puro, o sea hasta de 110. Esto se logra agregando a la mezcla de gasolina compuestos llamados antidetonantes. El compuesto de este tipo más común es el tetraetilo de plomo (TEP).

Este producto impide que la gasolina "explote" dentro de los cilindros del motor con demasiada rapidez. Además permite usar en las mezclas mayor cantidad de gasolina de menor calidad, como es la gasolina natural (40-60 octanos), y alcanzar de todos modos los octanajes requeridos por las gasolinas comerciales.

La cantidad óptima de tetraetilo de plomo que se usa en las mezclas de gasolinas es de tres mililitros por cada galón (un galón tiene aproximadamente 3.8 litros). No vale la pena agregar concentraciones mayores a las antes mencionadas, pues el exceso perjudica a las mezclas.

El tetraetilo de plomo sube más el octanaje de las mezclas cuando éstas contienen mayor cantidad de hidrocarburos ramificados, por ejemplo las gasolinas de la sonorizadora y los de la alquiladora.

Sin embargo, cuando las mezclas tienen un alto contenido de olefinas, como las de la polimeriza dora, o tienen demasiados compuestos de azufre, la susceptibilidad al tetraetilo de plomo disminuye. Es decir, que aunque se agregue la misma cantidad de TEP, el índice de octano subirá menos que en el caso anterior.

Las gasolinas con plomo, como se les llama a aquellas que contienen TEP, resultan más baratas que las que no lo llevan. Esto se debe a que el contenido de gasolina natural (más barata) es mayor en este caso. Además, tres mililitros por galón de TEP consiguen en algunos casos elevar el octanaje de las gasolinas hasta en 20 octanos.

Así por ejemplo, si tenemos una mezcla de gasolina con un índice de octano de 60, al agregarle el TEP puede llegar a tener un octanaje de 80. Si la mezcla original tenía 90 de octano, con el aditivo puede subir hasta 110.

Desgraciadamente, si bien este fabuloso aditivo es muy bueno para los automóviles y para nuestros bolsillos, no lo es para nuestra salud.

El principal problema que se presenta con el uso del TEP como antidetonante estriba en el hecho de que el plomo se elimina con los gases de combustión que salen por el mofle de los automóviles, causando un problema grave de contaminación ambiental debido a su toxicidad.

En países como Estados Unidos los automóviles están provistos de los llamados mofles catalíticos a fin de disminuir el problema del llamado "smog". Los vehículos que tienen instalados este tipo de mofles no deben usar gasolina con plomo, pues el plomo destruye el catalizador que contiene dicho aditamento y lo hace inservible.

Impactos ambientales del petróleo

Entre los más graves desastres ambientales que atentan contra la biodiversidad se encuentran los derrames de petróleo en ríos, mares y océanos. La contaminación por petróleo crudo o refinado es generada accidental o deliberadamente: Se estima que 3 mil 800 millones de litros entran cada año a los océanos como resultado de las actividades humanas, de éstos, sólo ocho por ciento se debe a fuentes naturales; por lo menos 22 por ciento a descargas operacionales intencionales de los barcos, 12 por ciento por derrames de buques y otro 36 por ciento por las descargas de aguas residuales. La forma en que el petróleo derramado afecta a la fauna es variada y compleja. Existe una amplia gama de respuestas de los organismos marinos ante el petróleo, esto debido a la gran diversidad de los mismos. La mortalidad puede presentarse por intoxicación crónica. Los datos acumulados a lo largo de varios derrames de petróleo han mostrado que en el mejor de los casos sólo un cuarto de las aves contaminadas llegan a tierra viva o muerta. El resto desaparece en el mar o se hunden porque no pueden volar. El petróleo o cualquier tipo de hidrocarburos, crudo o refinado, daña los ecosistemas marinos produciendo uno o varios de los siguientes efectos:

- Muerte de los organismos por asfixia.

- Destrucción de los organismos jóvenes o recién nacidos.

- Disminución de la resistencia o aumento de infecciones en las especies, especialmente aves, por absorción de ciertas cantidades sub-letales de petróleo.

- Efectos negativos sobre la reproducción y propagación a la fauna y flora marina.

- Destrucción de las fuentes alimenticias de las especies superiores.

- Incorporación de carcinógenos en la cadena alimentaria. Lo cierto es que sea cual sea la forma en que se produce la contaminación, a la larga se ve afectado todo el ecosistema, e incluso se afirma puede llegar al hombre a través de la cadena alimenticia.

Efectos fóticos

- La falta o disminución de la entrada de luz en el mar a causa de manchas de petróleo imposibilita o reduce el área donde es posible la fotosíntesis y, por tanto el desarrollo de plantas verdes.

- 80 por ciento de la actividad fotosintética y de la absorción de energía solar se produce en los 10 primeros metros de la superficie marina. Ello indica la importancia de la entrada de la luz (ese 20 por ciento restante) para mantener las comunidades fotosintéticas de los fondos marinos.

- La falta o disminución de plantas fotosintéticas reduce el aporte de oxígeno y alimento al ecosistema.

- La pérdida de extensión en la distribución de algas y otras plantas acuáticas limita las zonas que proporcionan cobijo a miles de especies marinas. Estos lugares son utilizados por larvas de los peces como zonas de alimento mientras son sus adultos.

- El fitoplancton es a su vez el alimento del zooplancton (que además de microorganismos está formado por larvas de peces, moluscos, crustáceos, etc.). Sin fitoplancton, el zooplancton muere y con él se interrumpe el crecimiento de un importante número de especies, al tiempo que se deja sin alimento a un gran número de animales marinos.

Efectos tóxicos

- Las aves que quedan impregnadas de petróleo pierden o ven reducida su capacidad de aislarse del agua pudiendo morir por hipotermia. Al intentar limpiarse el plumaje con el pico ingieren grandes cantidades de hidrocarburos por lo que se envenenan.

- Muerte de los organismos por envenenamiento, sea por absorción, o por contacto.

- Muerte por exposición a los componentes tóxicos del petróleo solubles en agua.

- Tras desaparecer el petróleo de la superficie, el agua presenta una falsa apariencia "limpia" dado que queda cristalina por la muerte del fitoplancton y fauna marina que "enturbia" el agua.

- Los mamíferos marinos pueden sufrir el taponamiento de sus vías respiratorias o daños en el tracto respiratorio y su mucosa por efecto de los contaminantes químicos. También ingieren grandes cantidades de hidrocarburos por alimentarse de animales contaminados.

- Los quimiorreceptores de muchas especies marinas detectan el petróleo en el agua y les hacen variar sus migraciones y movimientos con lo que determinadas especies desaparecen o no se acercan al lugar.

- El petróleo se deposita sobre los fondos marinos matando o provocando efectos subletales sobre miles de animales y plantas vitales para el ecosistema. - Las algas de los fondos y las orillas quedan cubiertas por una fina película aceitosa que dificulta la fotosíntesis y la reproducción.

- Los efectos subletales sobre los animales marinos pueden abarcar deformaciones, perdida de fertilidad, reducción del nivel de eclosión de huevos, alteraciones en su comportamiento y gran cantidad de efectos derivados de la toxicidad del vertido.

- Los mejillones y otros moluscos que se adhieren a rocas u objetos pierden su capacidad de adhesión y caen al fondo, perdiendo su capacidad de alimentarse.

¿Cuánto duran los impactos del petróleo en el ecosistema?

Los impactos del crudo tienen un efecto de décadas. Un año después del derrame del Prestigie la degradación del hidrocarburo fue muy baja, propiciando la contaminación de las costas. Después de 10 años del derrame del Exxon Valdez se demostró que, los peces y mejillones que se distribuían cerca de este derrame todavía estaban expuestos a hidrocarburos residuales en el ambiente. Otro estudio realizado 17 años después detectó contaminación residual proveniente del mismo incidente .

Posibles soluciones

Evite hacer vertidos y recicle el aceite usado.

- 363 millones de galones de aceite se vierten en las canalizaciones de agua cada año y todas las personas tienen un papel que desempeñar en su reducción. Esto se aplica tanto en el ámbito laboral como en el doméstico; si se utiliza aceite en el lugar de trabajo, ¿pueden sus compañeros recibir mejor formación sobre métodos de eliminación? Algunos gobiernos locales en EE.UU. han utilizado el slogan "Tú lo viertes. Tú lo bebes" para enseñar a la gente que los vertidos de aceite de motor, afectan al agua potable. El aceite puede ser reciclado; y en los Estados Unidos se han instalado estaciones de reciclado para este propósito.

Reduzca la cantidad de petróleo utilizado

- 300 mil millones de galones de petróleo se utilizan, cada día, en todo el mundo. Nuestra dependencia del petróleo como combustible y para la fabricación, debe ser reducida. Las soluciones sencillas, incluyen intentar utilizar el transporte público o una bicicleta; en lugar de conducir un automóvil. Si todo el mundo hace una pequeña contribución, el uso del petróleo puede ser reducido significativamente. Menos utilización significa menos petróleo transportado por mar, y por tanto, menos riesgo de vertidos.La industria y los gobiernos también tienen un papel importante que desempeñar, en la prevención de vertidos.

Disuasión y Legislación

- Las estadísticas muestran que un gran porcentaje de la contaminación petrolífera proviene de la industria; derrames al perforar, mantenimiento o accidentes graves. Si los contaminadores son sancionados por estos delitos contra el medio ambiente, entonces se verán obligados a reducir las posibilidades futuras de contaminación, ya sean intencionadas o accidentales. Las sanciones por contaminación deben ser lo suficientemente severas como para persuadir, a las industrias y a los que vierten ilegalmente, de que la contaminación del mar es demasiado arriesgada. Si los contaminadores han de ser procesados, en primer lugar deben ser capturados y los gobiernos deben hacer más esfuerzos en la vigilancia de buques que efectúen descargas ilegales; por ejemplo mediante la fotografía por satélite.

Mejoras en el diseño de los buques y la formación de las personas involucradas en el transporte marítimo, son esenciales para prevenir los desastres. Muchos de los vertidos de petróleo en el mar, son causadas por material defectuoso o negligencia por parte de la dotación de los buques. Una vez más, si se imponen sanciones graves, tal vez se hará más hincapié en estas áreas.

En 2016, los buques de un solo casco estarán prohibidos en aguas de EE.UU., en virtud de una ley federal aprobada después del naufragio del Exxon Valdez. En 2003, la Unión Europea prohibió los buques monocasco de más de 15 años de edad; pero el plazo fijado por la Organización Marítima Internacional es más tarde, lo que significa que los vertidos de petróleo a nivel mundial seguirán durante muchos años.

Un doble casco sólo es efectivo si hay una pequeña grieta; o en el caso de un embarrancamiento o colisión de poco impacto, que deje el casco interior intacto. El Exxon Valdez se encontraba a plena velocidad de crucero y golpeó un fondo rocoso; por lo que incluso si se hubiera equipado con un doble casco, se habría perdido casi el mismo volumen de petróleo. El espacio entre los cascos deberá ser supervisado, para asegurar que no hay fugas de petróleo de los tanques de carga.

En la Bahía Placienta, Terranova, Canadá; Medio Ambiente Canadá y el Servicio de Guardacostas Canadiense han lanzado la Operación Pluma Limpia. Esta funciona sobre la base de que cada cargamento de petróleo es único y se le pueden tomar las "huellas digitales" cuando entra en el puerto. Toda contaminación por petróleo puede rastrearse hasta el transportista, de manera que el contaminador puede ser específicamente identificado. La intención es hacer que los transportistas sean responsables de la seguridad de sus buques y responsables de su propia contaminación: reduciendo así la posibilidad de vertidos. Este tipo de proyectos deben ser ampliados y financiados.

Las cifras muestran que una mayor y mejor aplicación de la legislación funciona. Entre 1981 y 1990 la contaminación por petróleo procedente de los buques se redujo de 3,2 millones de toneladas a 2,35 millones de toneladas, principalmente debido a normas más estrictas. Aunque estas cifras suenen optimistas, algunas zonas todavía tienen un nivel muy alto de contaminación; por ejemplo, la cuenca del Caribe y la parte septentrional del Océano Índico, debido a la alta densidad de transporte marítimo en esas zonas. Las cifras utilizadas son sólo los niveles de contaminación denunciados y se cree que, en realidad, el nivel es mucho mayor. Las personas necesitan ser concienciadas de que cada vez que el petróleo contamina los caudales de agua, tiene un efecto sobre la compleja estructura ecológica, no importa cuán pequeño.

Conclusiones

En términos generales se puede considerar que el gas natural, el gas LP, y varios de los hidrocarburos contenidos en las gasolinas de alto octano, son los principales proveedores de las materias primas básicas para la industria petroquímica.

Las olefinas y los aromáticos obtenidos de los productos antes mencionados son las piedras angulares sobre las que descansa la industria de los materiales sintéticos. Indudablemente que no

se cubrieron en este libro todos los aspectos de estos temas, ya que no se pretendió ser exhaustivo. Pero sí quisimos presentar los últimos descubrimientos y aplicaciones de la petroquímica para que el lector pudiera comprobar que aún hay mucho futuro en el fascinante mundo de la química del petróleo.

México es un país rico en petróleo, pero debemos comprender que para que esta riqueza natural sirva para cubrir nuestras necesidades en materia de vestido, salud, alimentación, vivienda, transporte, etc., es indispensable tener suficiente conocimiento para generar la tecnología de transformación. Para ello hace falta el trabajo y talento tanto de científicos de todas las ramas de la ciencia, como de toda clase de personal técnico como son los químicos, bioquímicos, ingenieros de todas las especialidades, etc.

El trabajo científico nos permite establecer la comprensión y la explicación de causas, principios, procesos y leyes universales, con el fin de incrementar la relación entre el hombre y la naturaleza, independientemente del contexto político y social circundante, logrando con ello encontrar los satisfactorias de necesidades comunes a la mayoría de los seres humanos. El científico no crea nada en el sentido absoluto, ya que el Creador del Universo es el que colocó al hombre en un mundo lleno de maravillas que sencillamente había que descubrir y desarrollar para solucionar los problemas que poco a poco han ido apareciendo a través de la historia humana. ¡Qué bueno que el hombre tenga el reto permanente de encontrar nuevas respuestas a sus necesidades, aplicando hoy algo que aprendió ayer, basándose en lo que otro había hecho anteayer! Es así como siempre existe la esperanza de desarrollar algo mejor, porque creemos que estamos lejos de agotar todas las posibilidades de conocimiento de nuestro planeta, sobre todo en esta área de la química del petróleo.

Por otro lado, la tecnología consiste en aplicar los conocimientos científicos y empíricos para solucionar los problemas actuales que se definen en función de las necesidades económicas, políticas o sociales de una sociedad o grupo en particular. Por lo tanto, podemos decir que el desarrollo tecnológico de un país no implica usar las tecnologías de los países desarrollados sino tratar de cubrir sus necesidades con sus propios recursos tanto humanos como materiales.

En cuanto al resto de la población, la ayuda más grande que puede proporcionarle al país es hacer un uso más racional de los energéticos como son el gas, la gasolina y la electricidad (generada con combustóleos), pues esto equivale a reducir el uso de la madera de los bosques para producir leña y carbón, a fin de poder contar con más material para hacer muebles y papel, de acuerdo a la ilustración descrita al iniciar este libro. El pago al presente esfuerzo colectivo será el de garantizarle a las futuras generaciones el poder de disfrutar de los beneficios que brindan los productos derivados de la petroquímica en todos los aspectos de la vida cotidiana.

Referencias

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