EL PETRÓLEO version 1

UNIVERSIDAD DE BURGOS Facultad de Ciencias

EL PETRÓLEO

Química Orgánica IndustrialMª Teresa Rodríguez Rodríguez (mtrod@ubu.es)

EXPLORACIÓN

EXTRACCIÓN

TRANSPORTE

REFINADO

DESTILACIÓN

CONVERSIÓN

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El queroseno está compuesto, principalmente, por hidrocarburos de diez a doce átomos de carbono, por lo que su craqueo permite obtener hidrocarburos de menor número de átomos de carbono.El queroseno es un líquido transparente (o con ligera coloración amarillenta) obtenido por destilación del petróleo. Tiene una densidad intermedia entre la gasolina y el gasóleo. Es insoluble en agua.El queroseno es el combustible más usado para los motores a reacción y tractores y en calefacción doméstica e industrial. Se utiliza también como disolvente, como dieléctrico en procesos de mecanizado por descargas eléctricas y, antiguamente, para iluminación.

La alquilación es la unión de un alcano y un alqueno para dar alcanos ramificados (por ejemplo, isobuteno más isobutano para dar isooctano).Se utilizan catalizadores ácidos (H2SO4, HF, AlCl3) en fase líquida a 15-30ºC.

El petróleo, tal como se extrae del yacimiento, no tiene aplicación práctica alguna. Por ello, se hace necesario separarlo en diferentes fracciones que sí son de utilidad. Este proceso se realiza en las refinerías. Una refinería es una instalación industrial en la que se transforma el petróleo crudo en productos útiles para las personas. El conjunto de operaciones que se realizan en las refinerías para conseguir estos productos son denominados "procesos de refino". Los procesos de refino dentro de una refinería se pueden clasificar, por orden de realización, en destilación, conversión y tratamiento.

• La destilación: permite separar los diversos componentes del crudo.
• La conversión: para hacer más rentable el proceso de refino y adecuar la producción a la demanda, es necesario transformar los productos, utilizando técnicas de conversión. Los principales procedimientos de conversión son el "craqueo“ y el "reformado".
• El tratamiento: los productos obtenidos en los procesos anteriores antes de su comercialización deben ser sometidos a diferentes tratamientos para eliminar o transformar los compuestos no deseados que llevan consigo, principalmente, derivados del azufre. Con este último proceso, las refinerías obtienen productos que cumplen con las normas y especificaciones del mercado.

Las operaciones de refino de las fracciones brutas tienen varios fines:

• Aumentar la proporción de gasolina y mejorar la calidad de la misma: partiendo de fracciones más pesadas, rompiendo las cadenas largas (craqueo catalítico o hidrocraqueo de queroseno, gasóleo o fuel oil), o partiendo de fracciones más ligeras C3 y C4, por adición (por ejemplo, isobutano + buteno) o por polimerización (por ejemplo, de isobuteno).
• Obtener productos petroquímicos básicos para la Industria Química: benceno, tolueno y xilenos (mediante reformado catalítico), y alquenos (etileno y propileno, butenos y butadieno).

Las naftas son una mezcla de hidrocarburos obtenidos en la parte superior de la torre de destilación atmosférica. Las naftas se utilizan principalmente:

• Como materia prima de la industria petroquímica ("nafta petroquímica" o "nafta no energética"), en la producción de alquenos, como etileno y propileno, así como de otras fracciones líquidas como benceno, tolueno y xilenos.
• En la industria química se usa como disolvente.
• Las naftas también son utilizadas en la agricultura como disolventes.
• También tiene uso en la industria de pinturas y en la producción de solventes específicos.

La parte más volátil de las naftas o gasolinas ligeras se puede recuperar por destilación (éter de petróleo) que después de purificada para eliminar los compuestos de azufre y los insaturados se utiliza de disolvente.El llamado “hexano comercial” se obtiene redestilando la fracción y “recortando” entre 55-65ºC; se utiliza en las fábricas de aceite de soja, girasol, etc., como disolvente de extracción.El resto de la fracción, o toda ella se usa para las mezclas de gasolinas, mediante el proceso de reformado catalítico y para la generación de gas de síntesis, que es utilizado a su vez en la producción de gas doméstico.

La reforma catalítica de las naftas (reformado o reforming) aumenta más su índice de octano. El proceso consiste en calentarlas con H2 a 400-500ºC y 25-50 atm, en un reactor con un catalizador de Pt-Rh-alúmina; en estas condiciones se rompen pocos enlaces, la longitud de las cadenas varía poco y se producen pocos gases, pero se deshidrogenan e isomerizan alcanos y cicloalcanos dando unas gasolinas muy ricas en aromáticos (benceno, tolueno y xilenos = BTX).

Método gravimétricoAnaliza las diferencias de gravedad debidas a la densidad de las rocas.

Método sísmicoConsiste en la emisión, recepción y registro desde la superficie de ondas de sonido con características de frecuencia, amplitud y forma que proporcionan información sobre la estructura, las propiedades físicas y profundidad de las rocas del subsuelo.

Los asfaltos se usan para hacer carreteras y como impermeabilizantes en la construcción.

Los petroleros son los mayores navíos de transporte que existen hoy en día en el mundo. Son inmensos depósitos flotantes que pueden llegar a medir 350 metros de largo (eslora) y alcanzar las 250.000 toneladas de peso muerto (TPM). Actualmente se transportan por mar más de mil millones de toneladas de crudo al año en todo el mundo. El petrolero es el medio más económico para transportar petróleo a grandes distancias y tiene la ventaja de una gran flexibilidad de utilización. Su principal característica es la división de su espacio interior en cisternas individuales, lo que permite separar los diferentes tipos de petróleo o sus productos derivados.http://www.monografias.com/trabajos35/petroleo/petroleo.shtml#transport#ixzz4kHf3YLAV

El craqueo clásico, a temperaturas elevadas, se ha sustituido por el “craqueo catalítico”, a temperaturas más bajas, que produce menos fracción gaseosa, más rendimiento en isoalcanos e isoalquenos y mayor IO. Los catalizadores utilizados son silicatos de aluminio ácidos, que actualmente se sintetizan (zeolitas sintéticas) y han sido, en muchos casos, secretos bien guardados. El mecanismo de ruptura es, en este caso, por iones carbenio.

La dimerización es la unión controlada de alquenos para dar alquenos superiores útiles; se utiliza H3PO4, como catalizador, a aproximadamente 200ºC y presión de 30 a 40 atm.Los productos obtenidos son muy ramificados y tienen altos IO; se usan para mezclar con gasolinas y aumentar su IO.

SondeoEs una perforación vertical realizada en la superficie que permite acceder y obtener muestras de los materiales del subsuelo, así como registrar las propiedades físicas de las rocas perforadas. También permite comprobar directamente la existencia de hidrocarburos.

La fracción que contiene de 14 a 25 carbonos se purifica y se separan:

• Parafina líquida y vaselina, usadas en farmacia
• Cera o parafina sólida para hacer velas y encerar papel, etc.

Los aceites lubricantes contienen hidrocarburos de aproximadamente 20 a 30 carbonos: alrededor del 25% son alcanos lineales y ramificados y el 75% son alquilcicloalcanos y aromáticos con tres, cuatro o más anillos.

La gasolina es una mezcla de hidrocarburos en las cuales las propiedades de octanaje y volatilidad proporcionan al motor del vehículo un arranque fácil en frío, una potencia máxima durante la aceleración, la no dilución del aceite y un funcionamiento normal y silencioso bajo las condiciones de operación del motor.El intervalo de destilación de la gasolina es variable, pero se puede tomar, como límites amplios, entre 70ºC y 200ºC, con hidrocarburos de distinto tipo y tienen de 6 a 12 carbonos.Los motores de gasolina se construyen con altos índices de compresión y ello exige el uso de gasolinas de alto poder antidetonante, que se mide por el llamado “índice de octano” (IO). La presencia de mercaptanos y de polialquenos en las gasolinas es perjudicial.

Un oleoducto es el conjunto de instalaciones que sirve de transporte por tubería de los productos petrolíferos líquidos, en bruto o refinados. El término oleoducto comprende no sólo la tubería en sí misma, sino también las instalaciones necesarias para su explotación: depósitos de almacenamiento, estaciones de bombeo, red de transmisiones, conexiones y distribuidores, equipos de limpieza, control medioambiental, etc. El diámetro de la tubería de un oleoducto oscila entre 10 centímetros y un metro. Los oleoductos de petróleo crudo comunican los depósitos de almacenamiento de los campos de extracción con los depósitos costeros o, directamente, con los depósitos de las refinerías. En los países que se suministran de crudos por vía marítima, el oleoducto asegura el enlace entre los depósitos portuarios de recepción y las refinerías del interior. En la actualidad hay en el mundo más de 1.500.000 kilómetros de tubería destinados al transporte de crudos y de productos terminados, de los cuales el 70 por ciento se utilizan para gas natural, el 20 por ciento para crudos y el 10 por ciento restante para productos terminados (carburantes). http://www.monografias.com/trabajos35/petroleo/petroleo.shtml#transport#ixzz4kHf3YLAV

Bomba de balancín Es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y mediante la energía suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecánico son básicamente:

• unidad de bombeo
• motor (superficie)
• cabillas
• bomba de subsuelo
• anclas de tubería
• tubería de producción (subsuelo)

Un equipo de bombeo mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba sumergible en una perforación.

El craqueo o ruptura (cracking) consiste en someter al queroseno y al gasóleo a temperaturas elevadas para que las moléculas largas se rompan y se reestructuren dando alcanos más cortos, alquenos, isómeros de cadenas ramificadas, cicloalcanos, hidrocarburos aromáticos e hidrógeno. El aumento de la producción de gasolina es muy importante.

El gasóleo o gasoil (o Diesel) es otro de los derivados del petróleo y su composición varía entre los 15 y los 23 átomos de carbono.El gasoil es más denso y menos volátil que la gasolina.El gasoil tiene diferentes usos. Principalmente se usa para aportar energía en la producción de electricidad de manera que funciona como combustible en los motores Diesel, siendo este capaz de hacer funcionar camiones de carga, automóviles, autobuses, embarcaciones y todo tipo de maquinarias (tanto agrícolas como industriales).

El avance en las técnicas de perforación ha permitido que se puedan desarrollar pozos desde plataformas situadas en el mar, en aguas de una profundidad de varios cientos de metros. En ellos, para facilitar la extracción de la roca perforada se hace circular constantemente lodo a través del tubo de perforación. Con ello, se han conseguido perforar pozos de 6.400 metros de profundidad desde el nivel del mar, lo que ha permitido acceder a una parte importante de las reservas mundiales de petróleo.

Es un craqueo hidrogenante que produce menos reacciones secundarias. El catalizador ácido es de sílice-alúmina o una zeolita sintética que lleva disperso Pd o Pt y tiene una acción doble: craqueo e hidrogenación. Se utilizan fracciones pesadas de petróleo (aceites fuel) con hidrógeno a 75-125 atm y a 350-400ºC.Los alquenos que se forman se hidrogenan inmediatamente y con ello se evitan las reacciones secundarias que forman aromáticos y coque; por esto, se pueden craquear fracciones más pesadas y el catalizador no se coquiza.El producto no tiene alquenos ni azufre y sólo muy pocos aromáticos: se usa sobre todo, como combustible para aviones “jet”.

El fueloil está compuesto por moléculas con más de 20 átomos de carbono, y su color es negro. El fueloil se usa como combustible para plantas de energía eléctrica, calderas y hornos.

Esta fracción contiene metano, etano, propano y butanos.Si se comprimen en frío, el propano y el butano se condensan (P. eb. -42ºC y -0,5ºC) y se separan del metano y el etano (P. eb. -162ºC y -89ºC). El propano y el butano se transportan y almacenan a presión en recipientes de acero. El propano se usa para calefacción industrial y el butano para cocinas y calefacción domésticas.Muchas refinerías no separan el metano, el etano y el propano, sino que los utilizan para el consumo de energía propio. En otros casos se envían por un gaseoducto a otros puntos de consumo.Las factorías más grandes separan los 4 componentes de esta fracción que son materias primas muy importantes para la industria petroquímica.

Como funciona una refinería

¿Qué se obtiene de un barril de petróleo crudo?

Durante la destilación fraccionada, la fracción de asfaltos y alquitranes quedan como residuo extremadamente viscoso después de haber extraído del petróleo todas las fracciones que son gaseosas, líquidas o semilíquidas y resulta una mezcla de una enorme cantidad de productos que es sólida o casi sólida a temperatura ambiente, de color negro, bastante olorosa. En su composición hay hidrocarburos pesados, parafinas, cenizas, fenoles, etc. Sus usos más importantes son:

• Para pavimentar se emplean asfaltos de destilación, hechos con los hidrocarburos no volátiles que permanecen después de refinar el petróleo para obtener gasolina y otros productos.
• En la fabricación de materiales para tejados y productos similares se utilizan los asfaltos soplados, que se obtienen de los residuos del petróleo a temperaturas entre 204 y 316 °C.
• Una pequeña cantidad de asfalto se craquea a temperaturas alrededor de los 500 °C para fabricar materiales aislantes.

La gasolina está constituida por diferentes corrientes de refinería, que se combinan en lo que se conoce como la mezcla o blending de gasolina. Dicha mezcla tiene que cumplir una serie de especificaciones que están reguladas según la norma europea EN 228. Una de las propiedades más importantes es el índice de octano.Para que la gasolina final cumpla todos los requisitos se puede variar la cantidad de cada corriente de refinería en la mezcla. Por lo tanto, 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 craqueo.La fracción líquida más ligera obtenida en la destilación del petróleo, se denomina nafta de destilación directa. Esta nafta tiene un índice de octano bajo y no llega al índice de 95 ó 98 que tienen las gasolinas en las estaciones de servicio. Por ello, hay que transformarla mediante procesos de refino que eleven el índice de octano. Se trata de los procesos de reformado catalítico y de isomerización, que convierten compuestos químicos con bajo índice de octano, como son las parafinas y los naftenos, en otros con mayor índice de octano (isoparafinas y aromáticos). A estas corrientes obtenidas las llamamos nafta reformada e isomerato, y en una proporción determinada, ya están listas para añadir a la mezcla de gasolina.Otro de los componentes de la mezcla es el alquilato o gasolina alquilada. Se obtiene mediante un proceso de alquilación y consiste en unir dos moléculas pequeñas para obtener una más grande con buen índice de octano para formar parte de la gasolina.La polimerización de hidrocarburos olefínicos para producir alcanos usa catalizadores para la obtención de gasolina. Al combustible que resulta se le llama gasolina polimerizada.Los procesos de craqueo catalítico para obtener preferentemente las gasolinas de alto octanaje (gasolinas de craqueo) usan como carga los gasóleos. Las gasolinas obtenidas por craqueo catalítico, y en particular las fracciones ligeras, contienen hidrocarburos altamente ramificados, tanto parafínicos como olefínicos. Estas ramificaciones en las moléculas contenidas en la fracción de la gasolina le imparten un alto índice de octano.

La función del lubricante es la de proteger las partes móviles de un mecanismo, reduciendo su fricción y desgaste. También actúa como refrigerador y se encarga de la limpieza, arrastre y eliminación de residuos. Las ventajas que se derivan del uso de lubricantes son:

• Reducir el rozamiento mejorando el rendimiento del motor y disminuyendo el consumo de carburante.
• Proteger los órganos mecánicos contra el desgaste y la corrosión para garantizar la duración y la eficiencia del motor.
• El aceite permite evacuar las impurezas gracias al filtro de aceite y al drenaje para mantener la limpieza de las partes motor.
• Reforzar la impermeabilidad (estanqueidad), indispensable para asegurar el buen funcionamiento del motor.
• Evacuar de manera eficaz el calor, enfriando el motor para evitar la deformación de las piezas.

El queroseno es un líquido transparente (o con ligera coloración amarillenta) obtenido por destilación del petróleo, de densidad intermedia entre la gasolina y el gasóleo o diésel, que se utiliza como combustible. Es una mezcla de hidrocarburos:

• Parafinas lineales (n-parafinas)
• Parafinas ramificadas (iso-parafinas)
• Cicloparafinas (naftenos)
• Hidrocarburos aromáticos (principalmente alquilbencenos y alquilnaftalenos) y olefinas (0,5% -5% como máximo) con diferentes productos químicos.

El queroseno se utiliza como combustible de turbinas de aviación. La principal característica que distingue al queroseno de aviación respecto al gasóleo de automoción es el punto de congelación. Mientras que en España esa cifra se sitúa en 10º bajo cero, el queroseno no se congela a no ser que la temperatura descienda por debajo de -47º. Además, otra de las diferencias respecto al combustible utilizado en vehículos es su pureza, que viene definida por una elevada estabilidad térmica y una cantidad de partículas muy reducida. El uso de aditivos en el queroseno está muy restringido por la normativa de aviación. Solo se permiten ciertos antioxidantes, que mejoran la conductividad eléctrica, la lubricación y desactivadores de metales que deben estar previamente homologados.Aunque la principal aplicación del queroseno es como combustible en motores utilizados en aviación, otras aplicaciones del queroseno son:

• Combustible para maquinaria pesada en las industrias agrícola o minera
• Material dieléctrico en procesos de mecanizado donde se utilizan descargas eléctricas
• Combustible de sistemas de refrigeración
• Material base para la producción de polímeros
• Producción de insecticidas
• Limpiador en mecánica

El gasóleo o diesel es una mezcla compleja de hidrocarburos procedentes del refino del petróleo, utilizado principalmente como combustible. A pesar de ser ésta la aplicación más empleada, no sólo existe el gasóleo de los coches. Hoy en día encontramos tres tipos de gasóleo, A, B y C, cada uno de ellos con diferentes utilidades. El más conocido es el gasóleo A, que se utiliza en automoción, y es el que mejores prestaciones aporta. El gasóleo B se formula a medida para motores de máquinas agrícolas e industriales y el gasóleo C, formulado específicamente para calderas de calefacción. En un motor diésel, la autoinflamación o ignición espontánea del carburante es de vital importancia. Una de las características más relevantes de los gasóleos es el número de cetano, que es lo que diferencia unos gasóleos de otros. La norma UNE-EN 590 establece que el número de cetano sea superior a 51 en el gasóleo A, ya que con valores inferiores podría producirse humo blanco en el escape, así como fallos en el encendido. El mínimo número de cetano especificado para el gasóleo B es 49. En cambio, no se establece ningún límite para el de clase C.

PRODUCTOS PETROQUÍMICOS BÁSICOS

Los xilenos se utilizan como disolventes, particularmente en la industria de la pintura.El p-xileno es el más demandado. pero el obtenido en menores cantidades, por lo que se obtiene en reacciones de isomerización, desproporción y transalquilación.La oxidación es la principal reacción de los xilenos. Su oxidación da lugar a los ácidos tereftálico (p-xileno), isoftálico (m-xileno) y anhídrido ftálico (o-xileno).

El isobuteno se puede copolimerizar con 2 a 5% de isopreno para dar caucho butílico. Los polímeros de bajo peso molecular del isobuteno son aditivos para aceites lubricantes. Puede ser hidratado hasta t-butanol y oxidado a ácido metacrílico.Se utiliza también para la preparación del antioxidante BHT por reacción con p-cresol.El 1- y el 2-buteno pueden hidratarse con ácido sulfúrico concentrado para dar isobutanol o sec-butanol. Las mezclas de 1- y 2-buteno pueden también experimentar la reacción oxo para dar una mezcla de alcoholes amílicos que son de utilidad directamente como disolventes o para formar ésteres simples.

A partir del propileno se obtienen numerosos productos químicos en la industria petroquímica:

• Polipropileno
• Oligómeros (dodeceno para a preparación de detergentes)
• Ácido acrílico, acrilonitrilo y acrilamida que se utilizan en procesos de polimerización.
• Óxido de propileno que permite obtener propilenglicol, polipropilenglicoles y productos para poliuretanos.
• Cumeno
• Productos derivados de la acetona: bisfenol A, metacrilato de metilo y productos derivados de la aldolización de la acetona.
• Epiclorhidrina que se utiliza en la síntesis de resinas epoxi, y en la síntesis de glicerina que a su vez se utiliza para la síntesis de resinas alquídicas. También se utiliza para la obtención de poliuretanos.
• Butanal, e isobutanal.
• Isopropanol

En Química Industrial, el benceno es la base más importante de los múltiples productos intermedios aromáticos, así como también de los compuestos cicloalifáticos. Hay que señalar que la mayor parte de la producción del benceno (80-90%) se consume en sólo tres productos derivados del mismo:

• Etilbenceno para la obtención de estireno
• Cumeno para la obtención de fenol
• Ciclohexano, materia prima para el nylon

El etileno es una de las principales materias primas de la cual se derivan gran cantidad de productos químicos en la industria petroquímica:

• La polimerización del etileno se usa en la obtención de polietileno.
• La oxidación del etileno da óxido de etileno, etilenglicol, acetaldehído y acetato de vinilo.
• La halogenación del etileno produce cloruro de vinilo del cual se obtiene el PVC.
• La alquilación del etileno produce etilbenceno y etiltolueno.
• La oligomerización produce alfa-olefinas y alcoholes primarios.
• La hidratación del etileno produce etanol.

De particular importancia es la hidrodesalquilación del tolueno para dar benceno, llevada a cabo o bien vía térmica o bien sobre catalizador metal u óxidos metálicos.También se puede realizar su conversión a fenol, caprolactama y estireno.La cloración del tolueno da cloruro de bencilo y cloruro de benzal que es un intermedio en la síntesis del benzaldehído.La oxidación del tolueno proporciona ácido benzoico.

El butadieno es el C4 más importante. Este se utiliza para la obtención de:

• Cauchos sintéticos.
• Síntesis de hexametilendiamina y caprolactama que se utilizan en la preparación del nylon 6 y el nylon 6,6.
• Obtención del ácido adípico