Petróleo y carbón

Recursos naturales. Petroquímica. Hidrocarburos. Crudo. Poder calorífico. Origenes

  • Enviado por: Jose Luis Gc
  • Idioma: castellano
  • País: México México
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Origen del Petróleo

El petróleo es una sustancia aceitosa de color oscuro a la que, por sus compuestos de hidrógeno y carbono, se le denomina hidrocarburo.

La composición elemental del petróleo normalmente está comprendida dentro de los siguientes intervalos:

Elementos

Peso

Carbón

84 - 87

Hidrógeno

11 - 14

Azufre

0 - 2

Nitrógeno

0.2

Ese hidrocarburo puede estar en estado líquido o en estado gaseoso. En el primer caso es un aceite al que también se le dice crudo. En el segundo se le conoce como gas natural.

Según la teoría más aceptada, el origen del petróleo y del gas natural- es de tipo orgánico y sedimentario.

Esa teoría enseña que el petróleo es el resultado de un complejo proceso físico-químico en el interior de la tierra, en el que, debido a la presión y las altas temperaturas, se produce la descomposición de enormes cantidades de materia orgánica que se convierten en aceite y gas.

Esa materia orgánica está compuesta fundamentalmente por el fitoplancton y el zooplancton marinos, al igual que por materia vegetal y animal, todo lo cual se depositó en el pasado en el fondo de los grandes lagos y en el lecho de los mares.

Junto a esa materia orgánica se depositaron mantos sucesivos de arenas, arcillas, limo y otros sedimentos que arrastran los ríos y el viento, todo lo cual conformó lo que geológicamente se conoce como rocas o mantos sedimentarios, es decir, formaciones hechas de sedimentos.

Entre esos mantos sedimentarios es donde se llevó a cabo el fenómeno natural que dio lugar a la creación del petróleo y el gas natural.

Ese proceso de sedimentación y transformación es algo que ocurrió a lo largo de millones de años. Entre los geólogos hay quienes ubican el inicio de todo ese proceso por la época de los dinosaurios y los cataclismos. Otros opinan que hoy se está formando de una manera similar el petróleo del mañana.

En un comienzo los mantos sedimentarios se depositaron en sentido horizontal. Pero los movimientos y cambios violentos que han sacudido a la corteza terrestre variaron su conformación y, por consiguiente, los sitios donde se encuentra el petróleo.

Es por esto que la geología identifica hoy varios tipos de estructuras subterráneas donde se pueden encontrar yacimientos de petróleo: anticlinales, fallas, domos salinos, etc.

En todo caso, el petróleo se encuentra ocupando los espacios de las rocas porosas, principalmente de rocas como areniscas y calizas. Es algo así como el agua que empapa una esponja. En ningún caso hay lagos de petróleo. Por consiguiente, no es cierto que cuando se extrae el petróleo quedan enormes espacios vacíos en el interior de la tierra.

Si tomamos el ejemplo de la esponja, cuando ésta se exprime vuelve a su contextura inicial. En el caso del petróleo, los poros que se van desocupando son llenados de inmediato por el mismo petróleo que no alcanza a extraerse y por agua subterránea.

Los orígenes del gas natural son los mismos del petróleo, pues, como se dijo antes, el gas es petróleo en estado gaseoso.

Cuando se encuentra un yacimiento que produce petróleo y gas, a ese gas se le llama "gas asociado". Pero también hay yacimientos que sólo tienen gas, caso en el cual se le llama "gas libre".

Otros yacimientos sólo contienen petróleo líquido en condiciones variables de presión y transferencia. Generalmente el petróleo líquido se encuentra acompañado de gas y agua.

En Argentina el principal combustible utilizado deriva de los hidrocarburos, siendo los mismos petróleo y gas natural.

Con el estallido de la revolución industrial, el carbón paso a ser un combustible muy utilizado debido a la industrialización que se estaba produciendo en aquellos tiempos. Pero hoy en día este mineral ha sido desplazado como combustible a un tercer puesto debajo del petróleo y del gas natural, debido a que estos producen una mejor combustión. Esto nos indica que la relación es prácticamente la misma.

Nosotros creemos que los combustibles fósiles son las fuentes energéticas mas utilizadas ya que estos son los mas eficientes, además de ser rentables. La contra de estos combustibles es que acarrean consigo un daño ecológico considerable, ya que estos producen gases contaminantes y desechos que son de gran toxicidad, unos de las muchas consecuencias de los mismos es el efecto invernadero, este presenta una gravedad a gran escala por que produce un calentamiento global progresivo, con consecuencias mortales para todas las especies del planeta.

Existen varias teorías sobre la formación del petróleo. Sin embargo, la más aceptada es la teoría orgánica que supone que se originó por la descomposición de los restos de animales y algas microscópicas acumuladas en el fondo de las lagunas y en el curso inferior de los ríos.

Esta materia orgánica se cubrió paulatinamente con capas cada vez más gruesas de sedimentos, al abrigo de las cuales, en determinadas condiciones de presión, temperatura y tiempo, se transformó lentamente en hidrocarburos (compuestos formados de carbón e hidrógeno), con pequeñas cantidades de azufre, oxígeno, nitrógeno, y trazas de metales como fierro, cromo, níquel y vanadio, cuya mezcla constituye el petróleo crudo.

Estas conclusiones se fundamentan en la localización de los mantos petroleros, ya que todos se encuentran en terrenos sedimentarios. Además los compuestos que forman los elementos antes mencionados son característicos de los organismos vivientes.

Ahora bien, existen personas que no aceptan esta teoría. Su principal argumento estriba en el hecho inexplicable de que si es cierto que existen más de 30.000 campos petroleros en el mundo entero, hasta ahora sólo 33 de ellos constituyen grandes yacimientos. De esos grandes yacimientos 25 se encuentran en el Medio Oriente y contienen más del 60% de las reservas probadas de nuestro planeta.

En la composición del petróleo crudo también figuran los derivados de azufre (que huelen a huevo podrido), además del carbono e hidrógeno.

Además, los crudos tienen pequeñas cantidades, del orden de partes por millón, de compuestos con átomos de nitrógeno, o de metales como el fierro, níquel, cromo, vanadio, y cobalto.

Por lo general, el petróleo tal y como se extrae de los pozos no sirve como energético ya que requiere de altas temperaturas para arder, pues el crudo en sí está compuesto de hidrocarburos de más de cinco átomos de carbono, es decir, hidrocarburos líquidos.

Por lo tanto, para poder aprovecharlo como energético es necesario separarlo en diferentes fracciones que constituyen los diferentes combustibles como el gasavión, gasolina, turbosina, diesel, gasóleo ligero y gasóleo pesado.

Petróleo

El Crudo ó Petróleo líquido

Está constituido por hidrocarburos líquidos fundamentalmente, y puede tener en solución hidrocarburos gaseosos (los denominados crudos ligeros), o sólidos (crudos pesados). Otros constituyentes pueden ser: compuestos sulfurados en diversas formas orgánicas, compuestos nitrogenados, también de carácter orgánico, y compuestos oxigenados, como los ácidos grasos. Sus características físicas y económicas están muy relacionadas con la composición.

La principal característica económica de los petróleos es su poder calorífico, que hace que sean utilizables como fuentes de energía. Este parámetro varía en función de la densidad, y, por tanto, de la composición química concreta:

11.700 - 11.100 cal/gr. para un crudo de 0.7 a 0.8 11.100 - 10.675 cal/gr. para un crudo de 0.8 a 0.910.675 a 10.500 cal/gr. para un crudo de 0.9 a 0.95

Así, el poder calorífico es mayor para los crudos ligeros que para los pesados.

Como comparación, una hulla presenta un poder calorífico entre 5.600 y 8.000 cal/gr, con lo que, a efectos de poder calorífico:

1,5 t carbón = 1 t petróleo = 1.000 m3 gas

Un carácter importante de los crudos es su densidad, ya que es un reflejo directo de su composición química. Aumenta con el porcentaje de hidrocarburos y productos pesados, en especial de resinas y asfaltenos. Disminuye con la temperatura a la que se encontraba el petróleo en su ambiente de generación, lo que implica que los yacimientos profundos, enterrados a mayores profundidades, contendrán crudos menos densos.

La densidad se expresa en gr/ml, o en gr/cm3, o, más comúnmente, en grados API, que evolucionan inversamente:

- 1 gr/ml (igual que el agua) = 10º API (crudos pesados)

- 0.77 gr/ml = 50º API (crudos ligeros)

Este parámetro es un criterio muy representativo de la calidad económica del crudo, y se utiliza para fijar su precio. Los términos comerciales que se utilizan son: crudos ligeros (31.1ºAPI); medios (22.3-31.1ºAPI); pesados (10-22.3ºAPI) y extrapesados (<10ºAPI).

La principal aplicación del crudo es para obtención de energía, a través de sus productos refinados: gasolina, gas-oil (diesel), fuel-oil, keroseno, etc. Otros usos: materia prima para la industria petroquímica (polímeros, etc.); materia prima para lubrificantes (aceites y grasas para motores); aglomerantes asfálticos (fracciones pesadas).

Los Hidrocarburos sólidos

Se incluyen aquí los hidrocarburos naturales de carácter sólido. Pueden ser de dos tipos diferentes: hidratos de metano, y bitúmenes y asfaltos. Los hidratos de metano son muy poco abundantes en la naturaleza, por lo que no vamos a insistir en su descripción. La familia de los bitúmenes es mucho más importante, ya que aparece en dos tipos importantes de yacimientos: arenas asfálticas (tar sands), y pizarras bituminosas (oil shales).

Los bitúmenes se pueden definir, desde el punto de vista de explotación, como mezclas viscosas naturales de hidrocarburos de molécula muy pesada, y productos sulfurosos minoritarios. Su alta densidad y viscosidad impide su explotación convencional por bombeo.

Los hidrocarburos semirrefinados que se pueden extraer de los bitúmenes reciben el nombre de crudos sintéticos.

Las rocas que contienen proporciones importantes de estos bitúmenes pueden ser de dos tipos: Arenas asfálticas y pizarras bituminosas.

Las Arenas asfálticas son rocas sedimentarias, consolidadas o no, que contienen productos petrolíferos pesados, de viscosidad muy elevada, que no pueden ser recuperados por medios tradicionales.

Se trata de arenas gruesas, bien clasificadas, porosas y permeables, en las que el bitumen representa del orden del 18 al 20% en peso de la roca.

Desde el punto de vista geoquímico, están formadas fundamentalmente por asfaltenos y productos complejos ricos en nitrógeno, azufre, oxígeno, frente a productos saturados y ligeros.

Las pizarras bituminosas son rocas sedimentarias pelíticas (arcillosas), menos a menudo carbonatadas (margas), ricas en kerógeno y pobres en bitumen (0.5-5%), y capaces de producir hidrocarburos por pirólisis, a unos 500&deg;C. Ocasionalmente reciben la denominación de "esquistos bituminosos", lo que resulta equívoco con respecto a su naturaleza petrográfica, puesto que nunca se trata de materiales metamórficos.

La materia orgánica que contienen está formada por restos de algas lacustres o marinas.

Su composición química es muy variable y compleja, generalmente con altas relaciones H/C (1.25-1.75), y con relaciones O/C entre 0.2 y 0.02.

El carbón

El carbón se forma como consecuencia de la acumulación y evolución de la materia orgánica de origen vegetal que se produce en determinadas cuencas sedimentarias.

El carbón es una roca sedimentaria combustible con más del 50% en peso y más del 70% en volumen de materia carbonosa, formada por compactación y maduración de restos vegetales superiores.

Desde el punto de vista estratigráfico, es una roca sedimentaria organoclástica de grano fino, compuesta esencialmente por restos litificados de plantas, que aparece constituyendo secuencias características que reciben el nombre de ciclotemas.

Composición y propiedades

Dentro de la composición química del carbón se debe diferenciar entre los datos correspondientes a la estructura química del carbón, y los correspondientes a su composición elemental. Así mismo, es necesario diferenciar aquellos datos relacionados con la medida de algunos parámetros de importancia tecnológica. Otros parámetros de gran importancia en la actualidad son los referidos al contenido en elementos menores que puedan liberarse durante el proceso de combustión, y que pueden tener efectos nocivos para la salud humana o del medio ambiente.

Los parámetros tecnológicos que se utilizan para definir un carbón son: el contenido en humedad, la proporción de volátiles, el contenido en cenizas, y el poder calorífico.

El contenido en humedad se determina por la pérdida de peso relativa de la muestra calentada a 107ºC durante una hora en una atmósfera inerte.

La proporción de volátiles viene dada por la pérdida de peso de una muestra seca por calentamiento a temperaturas entre 875 y 1050ºC fuera del contacto con el aire.

El contenido en cenizas se determina por combustión en aire; el residuo, expresado como tanto por ciento con respecto del peso original de la muestra, constituye la expresión de este parámetro. Sería un fiel reflejo del contenido en materia mineral de un carbón, de no ser por el hecho de que en la fracción inorgánica de éste pueden existir carbonatos y sulfuros que se descomponen a esas temperaturas.

El poder calorífico se determina por combustión dentro de un calorímetro.

Otra propiedad importante del carbón es su densidad, que se relaciona de forma directa con su contenido en cenizas. Todos los procesos de lavado y concentración de carbones se basan en el aprovechamiento de esta propiedad.

Desde el punto de vista elemental, el carbón está constituido fundamentalmente por C, H y O, con proporciones menores de N y S.

Clasificación del carbón

El carbón se clasifica según diversos criterios:

- Tipo: diferencias en el tipo y clase de material vegetal que contenga, traducida a los denominados componentes macroscópicos del carbón: fusita, durita, clarita y vitrita.

- Rango: diferencias en el grado de evolución o carbonización que haya sufrido, debidos a las condiciones de presión y temperatura a que hayan estado sometidos. Es la evolución de turba a lignito, hulla y antracita.

- Grado: por el nivel de impurezas (cenizas) que contenga.

Lignito

Hulla

Antracita

Densidad

1.1-1.3

1.2-1.5

1.4-1.8

Humedad (%)

20-50

3-25

3-5

% C

27-31

37-86

89-98

% Volátiles

25-55

25-50

2-14

P. Calorífico Cal/Kg.

2000-4000

3500-7500

7000-8350

Propiedades del carbón según su rango

Origen:

El origen del carbón está en relación evidente con la acumulación de materia vegetal superior (troncos, ramas, hojas) en cuencas marinas o continentales. Los parámetros que definen la posibilidad de acumulación de la materia vegetal que va a dar origen al carbón son similares a los que permiten la acumulación de microorganismos para dar lugar al petróleo:

- Medios protegidos del influjo detrítico

- Profundidad adecuada del medio, para evitar oxidación y permitir la acumulación vegetal.

- pH bajo de las aguas, dado que un pH5 produce la degradación de la materia vegetal.

- Subsidencia continuada del fondo, para mantener unas condiciones uniformes a lo largo del tiempo.

Esta acumulación se puede producir en el propio medio de vida de las plantas, o en medios distintos al de formación, como deltas, estuarios o albuferas. Esto permite diferenciar carbones autóctonos, formados en el propio medio de vida, y aloctónos, formados en un medio diferente al de vida: la materia vegetal ha sufrido un transporte, más o menos largo.

Según el tipo de medio de formación, también se diferencian los carbones límnicos (formados en medios lacustres), y parálicos (formados en medio marino).

En concreto, los medios en los que pueden darse procesos de acumulación de materia vegetal son:

- Marismas, saladas o salobres. Son zonas con comunicación ocasional con el mar, en que se puede producir una importante actividad biológica vegetal.

- Zonas pantanosas, ciénagas, canales, lagos y charcas intracontinentales, con vegetación de tipos diversos (herbácea, leñosa, ...) según su profundidad, condiciones del fondo, temperatura de las aguas, etc. (figura ).

- Manglares de las zonas tropicales.

- Ambientes fluviales y deltáicos.

Uno de los medios sedimentarios mas favorables para la acumulación de materia carbonífera que da origen al carbón son los deltas, cuyas secuencias estratigráficas normales son muy semejantes a las que encontramos en los ciclotemas, constituidas por alternancias de capas de carbón con material arcilloso o arenoso.

Un factor también importante es el paleoclima, o sea, el clima imperante en la época de formación del carbón. El mas favorable es el paleoclima tropical, generador de vegetaciones exuberantes.

Otra cuestión importante en cuanto al origen del carbón es la edad de las series sedimentarias en que aparece: las plantas vasculares aparecen en el Silúrico, y pueblan la superficie de La Tierra en el Devónico. Ello implica que los yacimientos más antiguos de carbón conocidos sean de edad Devónica. Posteriormente, se dan yacimientos de carbón de todas las edades, pero hay períodos especialmente favorables:

% sobre Recursos mundiales

Carbonífero Inferior

1,0

Carbonífero Medio - Superior

14,5

Pérmico

24,4

Triásico

0,5

Jurásico

14,2

Cretácico

16,7

Paleógeno - Neógeno

28,7

Ello se explica por factores fundamentalmente paleoclimáticos, y de tipo de vegetación predominante en cada uno de los períodos.

Carbonización o Coalificación

Hace más de 100 años se enunciaba la llamada regla de Hill, según la cual a medida que se profundiza en una explotación de carbón, el contenido en volátiles disminuye. Esta idea simple es la base conceptual en la que se apoya la evolución de la materia orgánica durante el enterramiento subsecuente a la sedimentación. Es un proceso esencialmente físico-químico, con participación biológica en las primeras etapas, que se conoce con el nombre de carbonización o coalificación.

Los factores que influyen en este proceso son: temperatura, presión y tiempo. Los dos primeros están relacionados con el enterramiento y con el gradiente geotérmico: en condiciones normales un enterramiento produce un aumento de presión debido al peso de los sedimentos suprayacentes, y un aumento de temperatura del orden de 33ºC/Km (gradiente geotérmico medio), si bien en zonas concretas este gradiente puede ser mucho más alto.

El factor tiempo tiene una importancia extraordinaria: la incorporación de la materia orgánica a los sedimentos se realiza a través de geles (geopolímeros), que sufren procesos de envejecimiento que les llevan primero a deshidratarse, luego a reordenarse y formar moléculas con mayor grado de orden, hasta dar formas cristalinas incipientes. Este proceso puede tener lugar independientemente de la temperatura y de la presión, siendo por tanto, solamente función del tiempo. Esto explica la formación de carbones en cuencas antiguas que no han sufrido enterramientos importantes, como es el caso de la de Puertollano.

El principal cambio que se produce en la coalificación es el incremento del contenido en carbono frente a volátiles y humedad, acompañado de pérdida de oxígeno en forma de H2O y CO2 (desde valores por encima del 20% hasta valores próximos a cero en las antracitas) y pérdida de hidrógeno en forma de agua e hidrocarburos ligeros (desde valores del orden del 5,5% a contenidos entre el 2,5 y el 4%) . El contenido en carbono pasa de valores del orden del 65% a por encima del 95%.

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