QUIMICA

EL PETROLEO

FEBRERO DEL 2.001, BOGOTA

PETROLEO

ORIGEN Y TEORIAS:

Respecto al origen y formación de los yacimientos petrolíferos, se han emitido numerosas opiniones e hipótesis, que se pueden concretar en las tres siguientes: química, volcánica y orgánica. la primera, iniciada por mendeleiev supuso que el origen del petróleo era debido a la formación de hidrocarburos constituidos por la reacción en el interior de la tierra y a altas presiones de los carburos de hierro sobre el agua. la segunda teoría se ha elaborado basándose en el hecho de la notable presencia de rocas volcánicas en los terrenos petrolíferos, lo que hace suponer que estas tienen gran influencia sobre la formación del petróleo. ambas teorías han pasado a la historia, por haberse demostrado la exactitud de la teoría orgánica, según la cual, el petróleo se forma de substancias de origen animal.

MATERIA PRIMA:

Como materia prima está principalmente el plancton del agua salada, que se deposita en lugares exentos de oxigeno y experimenta una descomposición lenta. según la teoría de potonié, es el sapropel , que continuamente se está generando a partir de residuos animales y vegetales, especialmente del plancton, en las aguas estancadas, el que entra en la formación del petróleo originada por descomposición de la sustancia orgánica, toman parte numerosas substancias de los organismos, especialmente los albuminoides, los hidratos de carbonos y las grasas.

En favor de la participación de las proteínas como materias primas, habla el contenido en nitrógeno y azufre de los petróleos. su actividad óptica es debida, probablemente, a substancias que se han formado a partir de la colesterina y quizáS también de resinas y materias proteicas.

EXPERIMENTOS:

c. engler demostró hace tiempo, experimentalmente, que calentando bajo presión grasas animales se formaban productos parecidos al petróleo. esto hace suponer que en la naturaleza se producen procesos análogos y que bajo la influencia de elevadas presiones y altas temperaturas, las grasas y ceras se transforman en petróleo con el transcurso de muchos años.

El origen orgánica mixto, animal - vegetal, del petróleo se ha comprobado por las nuevas investigaciones de a.treibs; así, en 29 clases de petróleo analizadas ha logrado encontrar derivados de la clorofila, como los animales portadores de hemoglobina. por el contrario hay que rechazar todas las hipótesis que suponen formado el petróleo en una especie de destilación, ya que las porfirinas encontradas no son destilables; seguramente, por último, desempeñan un importante papel en la formación de las capas petrolíferas procesos de difusión, acciones capilares y procesos de absorción.

EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL APROVECHAMIENTO DEL PETRÓLEO.

Los seres humanos conocen estos depósitos superficiales de petróleo crudo desde hace miles de años. Las primeras referencias que se tienen del petróleo en la antigüedad es la presencia de emanaciones de gases espontáneamente inflamadas desde el suelo. en otras oportunidades, el petróleo se manifestaba en corrientes de agua, siendo recogido y empleado en diversos usos como ungüento para curar las heridas, enfermedades de la piel o dar masaje a los músculos reumáticos.

Fueron los egipcios los primeros en darle uso medicinal, ocupándolo también en embalsamamientos y como aceite para las ruedas de sus carruajes.

En Babilonia fue utilizado como combustible y para unir mosaicos y piedras en sus construcciones. la existencia del asfalto en el mar muerto es mencionada por primera vez por moisés en sus escritos.

Durante mucho tiempo se emplearon para fines limitados como el impermeable de los barcos, la impermeabilización de tejidos o la fabricación de antorchas. en la época del renacimiento, el petróleo de algunos depósitos superficiales se destilaba para obtener lubricantes y productos medicinales, pero la auténtica explotación del petróleo no comenzó hasta el siglo XIX, la búsqueda de un combustible mejor para las lámparas llevó a una gran demanda de 'aceite de piedra' o petróleo, y a mediados del siglo XIX varios científicos desarrollaron procesos para su uso comercial. por ejemplo, el británico james young y otros comenzaron a fabricar diversos productos a partir del petróleo, en 1852, el físico y geólogo canadiense abraham gessner obtuvo una patente para producir a partir de petróleo crudo un combustible para lámparas relativamente limpio y barato, el queroseno. en 1855, el químico estadounidense benjamin silliman publicó un informe que indicaba la amplia gama de productos útiles que podían obtenerse mediante la destilación del petróleo.

Con ello empezó la búsqueda de mayores suministros de petróleo. hacía años que la gente sabía que en los pozos perforados para obtener agua o sal se producían en ocasiones filtraciones de petróleo, por lo que pronto surgió la idea de realizar perforaciones para obtenerlo. los primeros pozos de este tipo se perforaron en alemania entre 1857 y 1859, pero el acontecimiento que obtuvo fama mundial fue la perforación de un pozo petrolero cerca de oíl creek, en pennsylvania (estados unidos), llevada a cabo por edwin l. drake, el coronel, en 1859. drake, contratado por el industrial estadounidense george h. bissell —que también proporcionó a sillimar muestras de rocas petroleras para su informe— perforó en busca del supuesto 'depósito matriz' del que parece ser, surgían las filtraciones de petróleo de pennsylvania occidental. el depósito encontrado por drake era poco profundo (sólo tenía una profundidad de 21,2 metros) y el petróleo era de tipo parafínico, muy fluido y fácil de destilar.

¿QUÉ ES ELPETROLEO?

La palabra petróleo proviene del latín "petroleum", que significa "aceite de piedra". Es una mezcla de hidrocarburos que se encuentran en fase sólida, líquida y gaseosa, que reciben su nombre por estar constituidos principalmente por átomos de carbón e hidrógeno, que también incluyen en algunas de sus moléculas porciones pequeñas de otros elementos como el nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. su color varía entre ámbar y negro.

La definición de hidrocarburo se relaciona con el carbono y el hidrógeno (elemento descubierto por cavendish en 1781), un cuerpo simple, un gas, que participa en la composición del agua. es catorce veces más liviano que el aire, inflamable y arde con una llama pálida.

El petróleo es una sustancia combustible, líquida a temperatura y presión normales.

Al lado de los hidrocarburos se encuentran también en los petróleos diferentes componentes oxigenados, entre ellos ácidos nafténicos, y otros ácidos orgánicos, fenoles, aldehídos y substancias asfálticas; las combinaciones que contienen azufre existen siempre en pequeña cantidad. todos los petróleos, además, contienen nitrógeno, y los más ricos en este elemento, son los que proceden de california, que llegan a contener un 2% ; la mayor parte de este nitrógreno se encuentra en forma de bases orgánicas.

PROPIEDADES DEL PETRÓLEO.

Son líquidos insolubles en agua y de menor densidad que ella. dicha densidad está comprendida entre 0.75 y 0.95 g/ml.

• sus colores varían del amarillo pardusco hasta el negro.

• algunas variedades son extremadamente viscosas mientras que otras son bastante fluidas.

Es habitual clasificar a los petróleos dentro de tres grandes tipos considerando sus atributos específicos y los subproductos que suministran:

localización de cuencas petrolíferas.

El hallazgo de yacimientos de petróleo no es obra librada al azar y obedece a una tarea científicamente organizada, que se planifica con mucha antelación. instrumental de alta precisión y técnicos especializados deben ser trasladados regiones a menudo deshabitadas, en el desierto o en la selva, obligando a construir caminos y sistemas de comunicación, disponer de helicópteros, instalar campamentos y laboratorios, etc. los estudios realizados se desarrollan según el siguiente ordenamiento:

• elevamiento geográfico, que incluye la aerofotografía

• Elevamiento geológico para identificar terrenos sedimentarios con posibilidad de contener petróleo.

• aplicación de métodos geofísicos:

Con gravitó metros se mide la aceleración de gravedad terrestre: g, que disminuye ligeramente donde hay petróleo de menor densidad que las rocas que le rodean. con magnetómetros se aprecian variaciones del campo magnético. también hay determinaciones de conductividad eléctrica del terreno. y, finalmente, se detecta con sismógrafos las ondas sísmicas provocadas por la detonación de cargas explosivas. todos estos procedimientos son concurrentes y permiten determinar la dirección, extensión e inclinación de los estratos presuntivamente petrolíferos.

YACIMIENTOS:

los hidrocarburos naturales se encuentran ocupando los poros y fisuras de las rocas permeables, y los yacimientos suelen ayarse a grandes profundidades y en zonas muy localizadas, pues para su conservación es preciso un perfecto aislamiento de la atmósfera, para que no puedan evaporarse y oxidarse las fracciones ligeras (gas y petróleo), pues de no ser así quedan únicamente yacimientos de rocas bituminosas.

para que se forme un yacimiento petrolífero es preciso que el petróleo sea expulsado por presiones de las rocas petrolígenas, que son en las que se forman, y se acumule en grandes cantidades en rocas más permeables, que se llaman petrolíferas ; por consiguiente, el petróleo no se encuentra donde se formó, sino que es expulsado como de una esponja, a zonas de menor presión. si en esta emigración, el petróleo no queda encerrado en alguna estructura especial, llega a la superficie terrestre y se pierde por evaporación y oxidación.

las estructuras en las que se encuentra el petróleo recibe el nombre de “cierres o trampas”, y además de su estructura especial , tienen que estar recubiertas de rocas impermeables. se encuentran de preferencia en las formaciones sedimentarias afectadas por una tectónica suave. las “trampas” más características están constituidas por pliegues anticlinales y cupuliformes, diapidos, fracturas de compresión y discordancias.

en todas estas estructuras, los gases se acumulan en las zonas más elevadas, seguidamente se localiza el petróleo, y en las zonas más bajas las aguas saladas que generalmente acompañan a los hidrocarburos.

estos fenómenos se han sucedido en todas las eras geológicas, pues se encuentran yacimientos en terrenos correspondientes a las diferentes edades y diversas partes del mundo.

principales localizaciones:

los llamados polos del petróleo parecen corresponder a la regiones del caribe y golfo de méjico, por un lado, y a los mares negro y caspio y golfo pérsico, por otro. los principales yacimientos están situados en irak, arabia saudí , kuwait, egipto e iran y su principal problema reside en el transporte del petróleo bruto a las refinerías y puertos, ya que la construcción de oleoductos a través del desierto salvando algunas veces grandes distancias (1800 km. de los campos arabia saudí al puerto de sidón ),supone un considerable costo.

producción primaria

La mayoría de los pozos petroleros se perforan con el método rotatorio. en este tipo de perforación rotatoria, una torre sostiene la cadena de perforación, formada por una serie de tubos acoplados. la cadena se hace girar uniéndola al banco giratorio situado en el suelo de la torre. la broca de perforación situada al final de la cadena suele estar formada por tres ruedas cónicas con dientes de acero endurecido. la roca se lleva a la superficie por un sistema continuo de fluido circulante impulsado por una bomba.

El crudo atrapado en un yacimiento se encuentra bajo presión; si no estuviera atrapado por rocas impermeables habría seguido ascendiendo debido a su flotabilidad hasta brotar en la superficie terrestre. por ello, cuando se perfora un pozo que llega hasta una acumulación de petróleo a presión, el petróleo se expande hacia la zona de baja presión creada por el pozo en comunicación con la superficie terrestre. sin embargo, a medida que el pozo se llena de líquido aparece una presión contraria sobre el depósito, y pronto se detendría el flujo de líquido adicional hacia el pozo si no se dieran otras circunstancias. la mayoría de los petróleos contienen una cantidad significativa de gas natural en solución, que se mantiene disuelto debido a las altas presiones del depósito. cuando el petróleo pasa a la zona de baja presión del pozo, el gas deja de estar disuelto y empieza a expandirse. esta expansión, junto con la dilución de la columna de petróleo por el gas, menos denso, hace que el petróleo aflore a la superficie.

A medida que se continúa retirando líquido del yacimiento, la presión del mismo va disminuyendo poco a poco, así como la cantidad de gas disuelto. esto hace que la velocidad de flujo de líquido hacia el pozo se haga menor y se libere menos gas. cuando el petróleo ya no llega a la superficie se hace necesario instalar una bomba en el pozo para continuar extrayendo el crudo.

Finalmente, la velocidad de flujo del petróleo se hace tan pequeña, y el coste de elevarlo hacia la superficie aumenta tanto, que el coste de funcionamiento del pozo es mayor que los ingresos que pueden obtenerse por la venta del crudo (una vez descontados los gastos de explotación, impuestos, seguros y rendimientos del capital). esto significa que se ha alcanzado el límite económico del pozo, por lo que se abandona su explotación.

refinado

una vez extraído el crudo, se trata con productos químicos y calor para eliminar el agua y los elementos sólidos y se separa el gas natural. a continuación se almacena el petróleo en tanques desde donde se transporta a una refinería en camiones, por tren, en barco o a través de un oleoducto. todos los campos petroleros importantes están conectados a grandes oleoductos.

tratamiento y transporte del petróleo crudo.

(MAPA 1)

el petróleo extraído del pozo se denomina crudo. como no se lo consume directamente, ya en el propio yacimiento sufre algunos tratamientos:

• separación de gases:

cuatro gases, que están disueltos a presión en el crudo, se separan con facilidad.

el metano: ch4, y el etano: c2h6, componen el gas seco, así llamado porque no se licúa por compresión. el gas seco se utiliza como combustible en el yacimiento o se inyecta en los gasoductos, mezclándolo con el gas natural.

otros dos hidrocarburos, el propano: c3h8, y el butano: c4h10, constituyen el gas húmedo que se licúa por compresión. el gas líquido se envasa en cilindros de acero de 42 - 45 kg, comercializados como “supergas” y también en garrafas de 10 - 15 kg. la apertura de la válvula, que los recoloca a presión atmosférica, lo reconvierte en gas.

• deshidratación:

decantado en grandes depósitos, el crudo elimina el agua emulsionada.

el crudo se envía de los yacimientos a las destilerías que, en nuestro país, están en los centros de consumo y no en la región productora. se recurre a diversos medios:

• por vía terrestre: vagones - tanque del ferrocarril o camiones con acoplado.

• por vía marítima: buques petroleros, también llamados barcos cisterna o buques - tanque, con bodegas de gran capacidad. japón ha botado petroleros gigantescos, “supertanques” con 400 metros de eslora, que acarrean hasta 500.000 m3.

• mecánicamente el crudo se transporta por oleoductos de 30 - 60 cm. de diámetro con estaciones en el trayecto para bombardearlo, calentándolo para disminuir su viscosidad. los poliductos se destinan al transporte alternativo de los diferentes subproductos.

destilación simple y fraccionada.

destilar significa calentar un líquido hasta convertirlo en sus vapores que, cuando son enfriados, retornan al estado inicial. un aparato para la destilación simple consta de:

• un balón de destilación, con tubo lateral para la salida de los vapores.

• la temperatura se mide con un termómetro cuyo bulbo enfrenta al tubo de desprendimiento.

• un refrigerante condensa a los vapores. el tubo por el cual se desprenden está dentro de otro, más grueso, con circulación de agua fría a contracorriente con dichos vapores.

• el líquido condensado se recolecta dentro de un recipiente adecuado.

• la destilación simple se efectúa al separar un líquido -agua- de una solución que contiene un sólido disuelto no da vapores, queda retenido en la solución residual. el agua obtenida es pura: agua destilada.

sometida a destilación simple una solución de dos líquidos -por ejemplo: alcohol y agua- no se consigue separarlos. ambos suministran vapores: el alcohol hierve a 78ºc y el agua, a 100ºc, y, consecuentemente, están presentes en el vapor desprendido. con todo, las primeras fracciones destiladas contienen más alcohol que agua, pero a medida que la temperatura aumenta, también aumenta el porcentaje de agua en el líquido recogido. si cada fracción se destila varias veces sucesivas, se mejora posiblemente la separación de los componentes.

• para solucionar el caso mencionado: separación de dos líquidos disueltos entre sí, se recurre a la destilación fraccionada. entre el balón de destilación y el refrigerante se intercala una columna de fraccionamiento, que puede ser otro refrigerante, vertical y de bolas. los vapores calientes que ascienden por dentro del mismo encuentran al líquido condensado que cae. en su contacto íntimo ocurren intercambios de calor, cuyo resultado es semejante al de muchísimas destilaciones simples sucesivas. en definitiva, el líquido recogido es casi puro.

destilación primaraia del petróleo crudo.

En las destilerías se destila fraccionadamente a petróleo. como está compuesto por más de 1.000 hidrocarburos, no se intenta la separación individual de cada uno de ellos. es suficiente obtener fracciones, de composición y propiedades aproximadamente constantes, destilando entre dos temperaturas prefijadas. la operación requieres varias etapas; la primera de ellas es la destilación primaria o topping.

El crudo se calienta a 350ºc y se envía a una torre de fraccionamiento, metálica y de 50 metros de altura, en cuyo interior hay numerosos “platos de burbujeo”. un plato de burbujeo es una chapa perforada, montada horizontalmente, haciendo en cada orificio un pequeño tubo con capuchón. de tal modo, los gases calientes que ascienden por dentro de la torre atraviesan el líquido más frío retenido por los platos. tan pronto dicho líquido desborda un plato cae al inmediato inferior.

La temperatura dentro de la torre de fraccionamiento queda progresivamente graduada desde 350ºc en su base, hasta menos de 100ºc en su cabeza. como funciona continuamente, se prosigue la entrada de crudo caliente mientras que de platos ubicados a convenientes alturas se extraen diversas fracciones. estas fracciones reciben nombres genéricos y responden a características bien definidas, pero su proporción relativa depende de la calidad del crudo destilado, de las dimensiones de la torre de fraccionamiento y de otros detalles técnicos.

De la cabeza de las torres emergen gases. este “gas de destilería” recibe el mismo tratamiento que el de yacimiento y el gas seco se une al gas natural mientras que el licuado se expende como supergás o en garrafas. las tres fracciones líquidas más importantes son, de arriba hacia abajo -es decir, de menor a mayor temperatura de destilación- :

naftas:

Estas fracciones son muy livianas (densidad = 0.75 g/ml) y de baja temperatura de destilación: menor de 175ºc. están compuestas por hidrocarburos de 5 a 12 átomos de carbono.

naftas sin plomo:

Desde la década del ´20 se conoce que el agregado de un compuesto de plomo, el tetraetil plomo (c2h5)4pb, mejora el encendido y el funcionamiento del motor.

las investigaciones médicas demostraron que el plomo que va a la atmósfera es incorporado por los seres vivo, pasa a la sangre y a partir de ahí puede localizarse en diferentes órganos como el cerebro, los riñones o los huesos.

kerosene:

Los kerosenes destilan entre 175ºc y 275ºc, siendo de densidad mediana (densidad = 0.8 g/ml). sus componentes son hidrocarburos de 12 a 18 átomos de carbono.

gas oíl:

El gas oíl es un líquido denso (0.9 g/mol) y aceitoso, que destila entre 275ºc y 325ºc. sus hidrocarburos poseen más de 18 átomos de carbono.

Queda un residuo que no destila: el fuel oil, que se extrae de la base de la torre. es un líquido negro y viscoso de excelente poder calorífico: 10.000 cal/g. una alternativa es utilizarlo como combustible en usinas termoeléctricas, barcos, fábricas de cemento y de vidrio, etc. la otra, es someterlo a una segundo destilación fraccionada: la destilación conservativa, o destilación al vacío, que se practica a presión muy reducida, del orden de pocos milímetros de mercurio. con torres de fraccionamiento similares a las descriptas se separan nuevas fracciones que, en este caso, resultan ser aceites lubricantes, liviano, medios y pesados, según su densidad y temperaturas de destilación. el residuo final es asfalto, utilizado para pavimentación e impermeabilización de techos y cañerías.

petroquímica.

La industria de transformación que utiliza petróleo, gas natural o de refinería como materias primas se llama petroquímica.

Esta es una industria reciente, que nació en los estados unidos de américa en 1918 pero que se desarrolló a partir de la segunda guerra mundial, ante la necesidad de producir explosivos, caucho artificial para los equipos y fibras textiles para las vestimentas. fuera de ese país, se destacaron por sus investigaciones y realizaciones gran bretaña, holanda, italia, la república federal alemana y japón.

En latinoamérica, el primer lugar le corresponde a méxico y luego siguen brasil, venezuela y la argentina.

En los últimos años comenzaron a instalarse en nuestro país “polos petroquímicos”, se construyeron en luna misma región diferentes plantas donde la materia prima sufre sucesivas transformaciones hasta llegar al producto fina. las más importantes realizaciones en este sentido son: petroquímica bahía blanca y petroquímica general mosconi (ensenada, provincia de buenos aires).

productos que elabora la petroquímica.

se pueden dividir los productos según su utilización en:

• solventes, entre los cuales se encuentran diversos alcoholes, acetona y otros que se usan en la extracción de esencias para perfumes o de aceites de semillas oleaginosas, limpieza de ropas, etcétera:

• productos químicos industriales, tales como el negro de humo para pinturas y neumáticos; azufre para preparar ácido sulfúrico; aditivos para la nafta; anticongelantes para radiadores, etcétera;

• detergentes, que en gran parte reemplazan a los jabones y son más eficaces cuando se emplean aguas duras;

• productos químicos agropecuarios, tales como fertilizantes y herbicidas, cuyo uso determina aumentos en el rendimiento de las tierras cultivadas; insecticidas para combatir depredadores como la langosta e insectos portadores de diversas enfermedades;

• plásticos, como el polietileno, el polipropileno, el cloruro de polivinilo, etcétera, que al ser moldeados permiten la fabricación de innumerables objetos: tubos, envases, cubiertas impermeables, juguetes, materiales para la construcción;

• fibras sintéticas, variedades de plásticos que se transforman en filamentos continuos por el pasaje a través de finos orificios; por ejemplo: el nailon, el dacrón, el poliéster, etcétera.

FRACCIONES DEL PETRÓLEO

aspectos fundamentales.

el petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos, en la que predominan los alcanos, los cicloalcanos y los aromáticos.

• origen: animal - vegetal (teoría actual).

• aplicaciones: principal fuente para la obtención de combustibles gaseosos y líquidos.

• gas natural: porción gaseosa que acompaña al petróleo (metano y pequeñas cantidades de otros hidrocarburos).

• los principales componentes del gas licuado son el propano y el butano.

• separación de los componentes del petróleo: por destilación.

• cracking o pirólisis: procedimiento que permite aumentar y mejorar el rendimiento de un petróleo en naftas.

• índice de octanos: capacidad de una nafta para el buen funcionamientos de un motor de combustión interna (antidetonancia). se lo mejora por procesos de isomerización, alquilación y aromatización.

• poder calorifico del petróleo: 11.500 kcal/kg (aproximadamente).

los derivados no combustibles del petróleo se utilizan para la síntesis de gran cantidad de productos: alcoholes, caucho, acetona, plásticos, colorantes, disolventes (petroquímica).

MAPA 1