del Petróleo
2.3. PROCESOS QUÍMICOS EN LA INDUSTRIA DE LA REFINACIÓN
Los productos tienen que cumplir con una serie de especificaciones que asegu- ren su comportamiento satisfactorio. Esto se logra con una serie de transfor- maciones químicas que ocurren en los diversos procesos que constituyen una refinería, donde se modifica la estructura de los hidrocarburos:
Descomposición: Desintegración térmica. Reducción de viscosidad fcc. Hidrodesintegración. Coquización. Gasificación. Rearreglo molecular: Reformación. Isomerización. Hidrodesintegración. Hidrodesulfuración. Hidrog. de diolefina. Deshidrogenación. • • • • •
Extracción y refinación del petróleo 105 Construcción molecular: Alquilación. Eterificación. Polimerización. Dimerización.
SEPARACIÓN FÍSICA DE COMPONENTES
La mayoría de los procesos químicos que participan en la industria de refi- nación del petróleo están basados en el uso de catalizadores, cuyo papel es el permitir que ocurran reacciones que en condiciones normales no serían po- sibles; funcionan modificando la velocidad de las reacciones, permitiendo así su aplicación industrial en condiciones económicamente atractivas, y además modifican selectivamente las velocidades de varias reacciones posibles, favore- ciendo la reacción buscada para asegurar que se logre la mayor conversión de los reactivos y que el rendimiento de los productos deseados sea satisfactorio. La ciencia de la catálisis, ha desarrollado diversos tipos de catalizadores, divi- diéndose según el tipo de proceso en que se aplican en:
Heterogéneos: el catalizador y los reactivos se encuentran en diferente fase (sólido-gas, sólido-líquido, etcétera).
Homogéneos: el catalizador y los reactivos se encuentran en la misma fase (líquido-líquido, gas-gas, etcétera).
Debido a la facilidad que presentan los catalizadores heterogéneos para sepa- rarse naturalmente de los productos de reacción, esta rama es la que preferen- temente se aplica en la industria petrolera, utilizando materiales diversos para la generación tanto de la especie activa como de los soportes.
Los catalizadores desarrollados en el Instituto Mexicano del Petróleo (imp),
son aplicados en el esquema de Pemex-Refinación, para la obtención de lpg,
combustibles para la industria de la transportación (automóviles, autobuses y aviones) y para generadores de energía (calderas, hornos, termoeléctricas,
•
• •
etcétera) permitiendo, conjuntamente con el proceso, alcanzar las especifica- ciones de dichos combustibles para su adecuado funcionamiento y mínimo impacto ecológico.
Tabla 4. Catalizadores desarrollados en el imp
PROCESO AGENTE EJEMPLOS DE APLICACIONES
Destilación Adición /remoción de calor
Separación del petróleo crudo en sus destilados
Absorción Solvente Eliminación de CO2 y H2S de
hidrocarburos líquidos y gaseosos
Absorción Adsorbente Separación de parafinas normales e isoparafinas
Cristalización Remoción de calor Eliminación de parafinas en el proceso de producción de lubricantes
Filtración Material filtrante Remoción de sólidos en corrientes de carga y en productos refinados
Agotamiento Gas de arrastre Recuperación de hidrocarburos de catali-zador recirculado en plantas de filtración
Permeación Membranas de corrientes gaseosas residuales Recuperación de hidrógeno
Extracción y refinación del petróleo 10 Destilación básica
La herramienta básica de refinado es la unidad de destilación. El petróleo cru- do empieza a vaporizarse a una temperatura algo menor que la necesaria para hervir el agua. Los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más bajas, y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes. El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de gasolina, seguida por la nafta y finalmente el queroseno. En las antiguas destilerías, el residuo que quedaba en la caldera se trataba con ácido sulfúrico y a continuación se destilaba con vapor de agua. Las zonas superiores del aparato de destilación proporcionaban lubricantes y aceites pesados, mientras que las zonas inferiores suministraban ceras y asfalto. A finales del siglo xix, las fracciones de gasolina y nafta se consideraban un
estorbo porque no existía una gran necesidad de las mismas; la demanda de queroseno también comenzó a disminuir al crecer la producción de electrici- dad y el empleo de luz eléctrica, sin embargo, la introducción del automóvil hizo que se disparara la demanda de gasolina, con el consiguiente aumento de la necesidad de crudo.
La primera etapa en el refinado del petróleo crudo mostrado en la figura 12; consiste en separarlo en partes, o fracciones, según la masa molecular. El cru- do se calienta en una caldera y se hace pasar a la columna de fraccionamiento, en la que la temperatura disminuye con la altura. Las fracciones con mayor masa molecular (empleadas para producir por ejemplo aceites lubricantes y ce- ras) sólo pueden existir como vapor en la parte inferior de la columna, donde se extraen. Las fracciones más ligeras (que darán lugar por ejemplo a combus- tible para aviones y gasolina) suben más arriba y son extraídas allí. Todas las fracciones se someten a complejos tratamientos posteriores para convertirlas en los productos finales deseados.
Craqueo térmico
El proceso de craqueo térmico, o pirólisis a presión, se desarrolló en un es- fuerzo por aumentar el rendimiento de la destilación. En este proceso, las partes más pesadas del crudo se calientan a altas temperaturas bajo presión. Esto divide (craquea) las moléculas grandes de hidrocarburos en moléculas más pequeñas, lo que aumenta la cantidad de gasolina –compuesta por este tipo de moléculas– producida a partir de un barril de crudo. No obstante, la eficiencia del proceso era limitada porque, debido a las elevadas temperaturas y presiones, se depositaba una gran cantidad de coque (combustible sólido y po- roso) en los reactores. Esto, a su vez, exigía emplear temperaturas y presiones aún más altas para craquear el crudo. Más tarde se inventó un proceso en el que se recirculaban los fluidos; el proceso funcionaba durante un tiempo mucho mayor con una acumulación de coque bastante menor. Muchos refinadores adoptaron este proceso de pirólisis a presión.
Alquilación y craqueo catalítico
En la década de 1930 se introdujeron otros dos procesos básicos, la alquilación y el craqueo catalítico, que aumentaron adicionalmente la gasolina producida a partir de un barril de crudo. En la alquilación, las moléculas pequeñas produ- cidas por craqueo térmico se recombinan en presencia de un catalizador. Esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de la gasolina con mejores
Extracción y refinación del petróleo 10 propiedades (por ejemplo, mayores índices de octano) como combustible de motores de alta potencia, como los empleados en los aviones comerciales ac- tuales.
En el proceso de craqueo catalítico, el crudo se divide en presencia de un ca- talizador finamente dividido. Esto permite la producción de muchos hidro- carburos diferentes que luego pueden recombinarse mediante alquilación, isomerización o reformación catalítica para fabricar productos químicos y combustibles de elevado octanaje para motores especializados. La fabricación de estos productos ha dado origen a la gigantesca industria petroquímica, que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes y materias primas para fabricar medicinas, nailon, plásticos, pin- turas, poliésteres, aditivos y complementos alimentarios, explosivos, tintes y materiales aislantes.
DERIVADOS Y USOS DEL PETRÓLEO
Los siguientes son los diferentes productos derivados del petróleo y su utilización: Gasolina motor corriente y extra. Para consumo en los vehículos auto- motores de combustión interna, entre otros usos.
Turbo combustible o turbosina. Gasolina para aviones jet, también co- nocida como Jet-A.
Gasolina de aviación. Para uso en aviones con motores de combustión interna.
acpm o diesel. De uso común en camiones y buses.
Queroseno. Se utiliza en estufas domésticas y en equipos industriales. Es el que comúnmente se llama "petróleo".
Cocinol. Especie de gasolina para consumos domésticos. Su produc- ción es mínima.
Gas propano o glp. Se utiliza como combustible doméstico e industrial.
Bencina industrial. Se usa como materia prima para la fabricación de disolventes alifáticos o como combustible doméstico.
• • • • • • • •
Combustóleo o fuel oil. Es un combustible pesado para hornos y calde-
ras industriales.
Disolventes alifáticos. Sirven para la extracción de aceites, pinturas, pe- gantes y adhesivos; para la producción de thinner, gas para quemadores industriales, elaboración de tintas, formulación y fabricación de pro- ductos agrícolas, de caucho, ceras y betunes, y también para limpieza en general.
Asfaltos. Se utilizan para la producción de asfalto y como material se- llante en la industria de la construcción.
Bases lubricantes. Es la materia prima para la producción de los aceites lubricantes.
Ceras parafínicas. Es la materia prima para la producción de velas y simi- lares, ceras para pisos, fósforos, papel parafinado, vaselinas, etcétera. Polietileno. Materia prima para la industria del plástico en general. Alquitrán aromático (arotar). Materia prima para la elaboración de ne- gro de humo que, a su vez, se usa en la industria de llantas. También es un diluyente.
Acido nafténico. Sirve para preparar sales metálicas tales como nafte- natos de calcio, cobre, zinc, plomo, cobalto, etcétera, que se aplican en la industria de pinturas, resinas, poliéster, detergentes, tensoactivos y fungicidas.
Benceno. Sirve para fabricar ciclohexano.
Ciclohexano. Es la materia prima para producir caprolactama y ácido adípico con destino al nylon.
Tolueno. Se usa como disolvente en la fabricación de pinturas, resinas, adhesivos, pegantes, thinner y tintas, y como materia prima del benceno. Xilenos mezclados. Se utilizan en la industria de pinturas, de insectici- das y de thinner.
Ortoxileno. Es la materia prima para la producción de anhídrico ftálico. Alquilbenceno. Se usa en la industria de todo tipo de detergentes, para elaborar plaguicidas, ácidos sulfónicos y en la industria de curtientes. El azufre que sale de las refinerías sirve para la vulcanización del caucho, fabri- cación de algunos tipos de acero y preparación de ácido sulfúrico, entre otros
• • • • • • • • • • • • • •
Extracción y refinación del petróleo 111 usos. En Colombia se extrae un petróleo pesado que se llama Crudo Castilla, el cual se utiliza para la producción de asfaltos y/o para mejoramiento directo de carreteras, así como para consumos en hornos y calderas.
GAS NATURAL
El gas natural que se obtiene principalmente en baterías de separación está cons- tituido por metano con proporciones variables de otros hidrocarburos (etano, propano, butanos, pentanos y gasolina natural) y de contaminantes diversos. Representa aproximadamente 47% de los combustibles utilizados en el país y 72% de nuestra petroquímica se deriva del metano y etano contenido en el gas, de ahí la importancia de este recurso como energético y como petroquímico. El procesamiento de gas natural mostrado en la figura 13 consiste principal- mente en:
La eliminación de compuestos ácidos (H2S y CO2) mediante el uso de tecnologías que se basan en sistemas de absorción-agotamiento utili- zando un solvente selectivo. El gas alimentado se denomina “amargo”, el producto “gas dulce” y el proceso se conoce generalmente como “endulzamiento”.
La recuperación de etano e hidrocarburos licuables mediante procesos criogénicos (uso de bajas temperaturas para la generación de un líquido separable por destilación fraccionada) previo proceso de deshidrata- ción para evitar la formación de sólidos.
Recuperación del azufre de los gases ácidos que se generan durante el proceso de endulzamiento.
Fraccionamiento de los hidrocarburos líquidos recuperados, obtenien- do corrientes ricas en etano, propano, butanos y gasolina; en ocasiones también resulta conveniente separar el isobutano del n-butano para usos muy específicos.
•
•
• •
Figura 13. Procesamiento de gas natural.
Extracción y refinación del petróleo 113 Las tuberías transportan petróleo desde el mayor campo petrolífero en Ghawar de Arabia Saudita y otros, al puerto de Ra’s Tannūrah, donde se refinan medio millón de barriles diariamente. Esta enorme reserva de petróleo ha hecho pa- sar a Arabia Saudita de una economía agrícola de subsistencia a la de una rica y moderna nación.
En el mundo del petróleo los oleoductos y los buques tanqueros son los me- dios por excelencia para el transporte del crudo.
El paso inmediato al descubrimiento y explotación de un yacimiento es su tras- lado hacia los centros de refinación o a los puertos de embarque con destino a la exportación.
Para ello se construye un oleoducto, trabajo que consiste en unir tubos de acero a lo largo de un trayecto determinado, desde el campo productor hasta el punto de refinación y/o de embarque.
La capacidad de transporte de los oleoductos varía y depende del tamaño de la tubería. Es decir, entre más grande sea el diámetro, mayor la capacidad. En Colombia hay oleoductos desde 6 hasta 36 pulgadas de diámetro.
Estas líneas de acero pueden ir sobre la superficie o bajo tierra y atraviesan la más variada topografía. En Colombia generalmente van enterradas a 1.50/2.0 metros de profundidad.
En la parte inicial del oleoducto una “estación de bombeo” impulsa el petróleo y, dependiendo de la topografía por donde éste pase, se colocan estratégica- mente otras estaciones para que le permitan superar sitios de gran altura, como las cordilleras en Colombia.
Los oleoductos disponen también de válvulas que permiten controlar el paso del petróleo y atender oportunamente situaciones de emergencia, como las que periódicamente ocurren en Colombia por efecto de las voladuras.
El gas natural se transporta en idénticas circunstancias, pero en este caso la tubería se denomina gasoducto.
Hay ductos similares que cumplen funciones específicas: poliductos para gaso- linas, y otros derivados; propanoductos para gas propano, combustoleoductos para combustóleo, etcétera.
Los buque-tanques son a su vez enormes barcos dotados de compartimientos y sistemas especialmente diseñados para el transporte de petróleo crudo, gas, gasolina o cualquier otro derivado. Son el medio de transporte más utilizado para el comercio mundial del petróleo.
La capacidad de estas naves varía según el tamaño de las mismas, de acuerdo con el servicio y la ruta que cubran. Algunas pueden transportar cientos de mi- les de barriles e incluso millones. En Colombia Ecopetrol utilizó para sus ex- portaciones el fsu Coveñas, un tanquero que almacenaba 2 millones de barriles.
PETROQUÍMICA
Del petróleo se obtienen determinados compuestos que son la base de diversas cadenas productivas que derivan en una amplia gama de productos denomi- nados petroquímicos que se utilizan en las industrias de fertilizantes, plásticos, alimenticia, farmacéutica, química y textil, entre otras. Las principales cadenas petroquímicas son las del gas natural, las olefinas ligeras (etileno, propileno, butenos) y la de los aromáticos.
A partir del gas natural se produce el gas de síntesis que permite la produc- ción a gran escala de hidrógeno, haciendo posible la producción posterior de amoníaco por su reacción con nitrógeno, y de metanol, materia prima en la producción de metil-terbutil-éter, entre otros compuestos.
Del etileno se producen un gran número de derivados, como las diferentes clases de polietileno, cloruro de vinilo, compuestos clorados, óxidos de etileno,
Extracción y refinación del petróleo 115 monómeros de estireno entre otros que tienen aplicación en plásticos, recubri- mientos, moldes, etcétera. (Véase figura 15).
Figura 15. Principales productos petroquímicos que se obtienen a partir del etileno. (Tomado de M. Stephenson, Introducción a los procesos
químicos industriales, cecsa, México, 1980).
Del propileno se producen compuestos como alcohol isopropílico, polipropi- leno y acrilonitrilo, que tienen gran aplicación en la industria de solventes, pinturas y fibras sintéticas.
Por deshidrogenación de butenos, o como subproducto del proceso de fabri- cación de etileno se obtiene el 1.3-butadieno que es una materia prima funda- mental en la industria de los elastómeros, para la fabricación de llantas, sellos, etcétera.
Una cadena fundamental en la industria petroquímica se basa en los aromá- ticos (benceno, tolueno y xilenos). El benceno es la base de producción de ciclohexano y de la industria del nylon; así como del cumeno para la producción
industrial de acetona y fenol. Los xilenos son el inicio de diversas cadenas pe- troquímicas, principalmente las de las fibras sintéticas
INGENIERÍA DEL PETRÓLEO
Los conocimientos y técnicas empleadas por los ingenieros de prospección y refinado proceden de casi todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Por ejemplo, en los equipos de prospección hay geólogos especializados en la con- fección de mapas de superficie, que tratan de reconstruir la configuración de los diversos estratos sedimentarios del subsuelo, lo que puede proporcionar claves sobre la presencia de depósitos de petróleo. Después, los especialistas en el subsuelo estudian las muestras de las perforaciones e interpretan los datos sobre formaciones subterráneas transmitidos a sensores situados en la super- ficie desde dispositivos de sondeo eléctricos, acústicos y nucleares introduci- dos en el pozo de prospección mediante un cable. Los sismólogos interpretan las complejas señales acústicas que llegan a la superficie después de propagarse a través de la corteza terrestre. Los geoquímicos estudian la transformación de la materia orgánica y los métodos para detectar y predecir la existencia de dicha ma- teria en los estratos subterráneos. Por su parte, los físicos, químicos, biólogos y matemáticos se encargan de la investigación básica y del desarrollo de técnicas de prospección complejas.
Los ingenieros especializados son los responsables de la explotación de los ya- cimientos de petróleo descubiertos. Por lo general, son especialistas en una de las categorías de operaciones de producción: instalaciones de perforación y de superficie, análisis petrofísico y petroquímico del depósito, estimación de las reservas, especificación de las prácticas de explotación óptima y control, y seguimiento de la producción. Muchos de estos especialistas son ingenieros químicos, industriales o eléctricos, o bien físicos, químicos, matemáticos o geó- logos.
El ingeniero de perforación determina y supervisa el programa concreto para perforar el pozo, el tipo de lodo de inyección empleado, la forma de fijación
Extracción y refinación del petróleo 11 del revestimiento de acero que aísla los estratos productivos de los demás es- tratos subterráneos, y la forma de exponer los estratos productivos del pozo perforado. Los especialistas en ingeniería de instalaciones especifican y di- señan los equipos de superficie que se deben instalar para la producción, las bombas de los pozos, los sistemas para medir el yacimiento, recoger los fluidos producidos y separar el gas, los tanques de almacenamiento, el siste- ma de deshidratación para eliminar el agua del petróleo obtenido y las insta- laciones para sistemas de recuperación mejorada.
Los ingenieros petrofísicos y geológicos, después de interpretar los datos su- ministrados por el análisis de los testigos o muestras geológicas y por los di- ferentes dispositivos de sondeo, desarrollan una descripción de la roca del yacimiento y de su permeabilidad, porosidad y continuidad. Después, los in- genieros de depósito desarrollan un plan para determinar el número y locali- zación de los pozos que se perforarán en el depósito, el ritmo de producción adecuado para una recuperación óptima y las necesidades de tecnologías de recuperación complementarias.
Estos ingenieros también realizan una estimación de la productividad y las re- servas totales del depósito, analizando el tiempo, los costes de explotación y el valor del crudo producido. Por último, los ingenieros de producción supervi- san el funcionamiento de los pozos; además, recomiendan y ponen en práctica acciones correctoras como fracturación, acidificación, profundización, ajuste de la proporción entre gas y petróleo o agua y petróleo, o cualquier otra medi- da que mejore el rendimiento económico del yacimiento.
VOLUMEN DE PRODUCCIÓN Y RESERVAS
El petróleo es quizá la materia prima más útil y versátil de las explotadas. En 1999, el primer país productor era Arabia Saudita, que producía 412 millones