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PREUNIVERSITARIO FEULS

UNIDAD 3 EL PETROLEO (I) : ORIGEN Y COMPOSICIÓN Plan común Ciencias: Química Profesora Nury Arancibia

¿QUÉ SON EL CARBÓN MINERAL, EL PETRÓLEO Y EL GAS NATURAL? El carbón mineral, el petróleo y el gas natural, los combustibles fósiles de la naturaleza, no son sustancias puras. El carbón mineral, como su nombre lo indica, está constituido preponderantemente por carbono y en mucho menor proporción por hidrocarburos de alto peso molecular. El petróleo es una sustancia aceitosa de color oscuro a la que, por sus compuestos de hidrógeno y carbono, se le denomina hidrocarburo.

El petróleo es un líquido insoluble 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 parduzco hasta el negro. 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. En cuanto al gas natural, está constituido preponderantemente por metano, que es el más simple de los hidrocarburos pues contiene un solo átomo de carbono. En menos proporción puede contener hidrocarburos de hasta 4 átomos de carbono y, además, anhídrido carbónico e impurezas como sulfuro de hidrógeno. Los combustibles fósiles son fuente de energía cuando sus moléculas de hidrocarburo, entrando en combustión en combinación con el aire dentro de un motor, caldera o turbina, generan calor. ¿QUÉ ES EL PETRÓLEO? El petróleo es un compuesto químico complejo en el que coexisten partes sólidas, líquidas y gaseosas. Lo forman, por una parte, unos compuestos denominados hidrocarburos, formados por átomos de carbono e hidrógeno y, por otra, pequeñas proporciones de nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. Se presenta de forma natural en depósitos de roca sedimentaria y sólo en lugares en los que hubo mar. Su color es variable, entre el ámbar y el negro y el significado etimológico de la palabra petróleo es aceite de piedra, por tener la textura de un aceite y encontrarse en yacimientos de roca sedimentaria. ORIGEN DEL PETROLEO El problema de la génesis del petróleo ha sido, por mucho tiempo, un tópico de investigación de interés. Se sabe que la formación del petróleo esta asociada al desarrollo de rocas sedimentarias, depositadas en ambientes marinos o próximos al mar, y que es el resultado de procesos de descomposición de organismos de origen vegetal y animal que en tiempos remotos quedaron incorporados en esos depósitos. Teoría de Engler Las teorías originales, en las que se atribuyó al petróleo un origen inorgánico (Berthelott y Mendeleyev) han quedado descartadas. Una versión interesante de este tema es la que publicó Thomas Gold en 1986. Este científico europeo dice que el gas natural (el metano) que suele encontrarse en grandes cantidades en los yacimientos petroleros, se pudo haber generado a partir de los meteoritos que cayeron durante la formación de la Tierra hace millones de años. Los argumentos que presenta están basados en el hecho de que se han encontrado en varios meteoritos más de cuarenta (40) productos químicos semejantes al kerógeno, que se supone es el precursor del petróleo. Y como los últimos descubrimientos de la NASA han probado que las atmósferas de los otros planetas tienen un alto contenido de metano, no es de extrañar que esta teoría esté ganando cada día más adeptos. Podemos concluir que a pesar de las innumerables investigaciones que se han realizado, no existe una teoría infalible que explique sin lugar a dudas el origen del petróleo pues ello implicaría poder descubrir los orígenes de la vida misma Uno de los supuestos acerca del origen del Petróleo y que hoy en día tiene más adeptos, lo constituye la Teoría de Engler (1911) que puede resumirse como sigue: Factores para la formación del petróleo:     

Ausencia de aire Restos de plantas y animales (sobre todo, plancton marino) Gran presión de las capas de tierra Altas temperaturas Acción de bacterias

Los restos de animales y plantas, cubiertos por arcilla y tierra durante muchos millones de años –sometidos por tanto a grandes presiones y altas temperaturas, junto con la acción de bacterias anaerobias (es decir, que viven en ausencia de aire) provocan la formación del petróleo. El hecho de que su origen sea muy diverso, dependiendo de la combinación de los factores anteriormente citados, provoca que su presencia sea también muy variada: líquido, dentro de rocas porosas y entre los huecos de las piedras; volátil, es decir, un líquido que se vuelve gas al contacto con el aire; semisólido, con textura de ceras. En cualquier caso, el petróleo, de por sí, es un líquido y se encuentra mezclado con gases y con agua.

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PAÍSES DEL MUNDO CON MÁS PETRÓLEO EN SU SUBSUELO Porcentaje sobre el total de reservas mundiales

País

Arabia Saudí Irán Irak Emiratos Árabes Unidos Kuwait Venezuela Rusia Libia Estados Unidos China México

22,9 11,4 10 8,5 8,4 6,8 6 3,1 2,7 2,1 1,4

Fuente: BP statistical review of world energy June 2004(Datos de 2003)

En este gráfico se expresan las reservas mundiales de crudo por zonas geográficas:

Es decir, que dos tercios de las reservas mundiales de petróleo se encuentran en Oriente Medio.

Sin embargo, el porcentaje que consume cada zona no tiene nada que ver con sus reservas:

Reservas % s/total Oriente Medio 63.3 Europa y Euroasia 9.2 Sur y Centro de América 8.9 África 8.9 América del Norte 5.5 Asia-Pacífico 4.2 Zona

Consumo % s/total 5.9 25.9 6 3.3 30.1 28.8

DURACIÓN DE LAS RESERVAS MUNDIALES DE PETRÓLEO El dato sobre la producción de barriles de petróleo es de gran importancia en tanto en cuanto permite averiguar la duración de las reservas mundiales si no se efectuasen nuevos descubrimientos. De esta forma, si la producción de petróleo siguiera en el futuro al mismo ritmo que en 2003, las reservas mundiales –salvo que se encontrasen nuevos yacimientos durarían 41 años. En los últimos 30 años, la capacidad máxima de reservas de petróleo se alcanzó en 1989, cuando se estimó que éstas durarían 44 años más. REFINACIÓN DEL PETROLEO 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”. La industria del refino tiene como finalidad obtener del petróleo la mayor cantidad posible de productos de calidad bien determinada, que van desde los gases ligeros, como el propano y el butano, hasta las fracciones más pesadas, fuelóleo y asfaltos, pasando por otros productos intermedios como las gasolinas, el gasoil y los aceites lubricantes. El petróleo bruto contiene todos estos productos en potencia porque está compuesto casi exclusivamente de hidrocarburos, cuyos dos elementos son el carbón y el hidrógeno. Ambos elementos al combinarse entre sí pueden formar infinita variedad de moléculas y cadenas de moléculas. PROCESOS DE REFINO Los procesos de refino dentro de una refinería se pueden clasificar, por orden de realización y de forma general, en destilación, conversión y tratamiento.

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Antes de comenzar este proceso se realiza un análisis de laboratorio del petróleo, puesto que no todos los petróleos son iguales, ni de todos se pueden extraer las mismas sustancias. A continuación se realizan una serie de refinados “piloto” donde se experimentan a pequeña escala todas las operaciones de refino. Una vez comprobados los pasos a realizar, se inicia el proceso. DESTILACIÓN DEL PETROLEO La destilación es la operación fundamental para el refino del petróleo. Su objetivo es conseguir, mediante calor, separar los diversos componentes del crudo. Cuando el crudo llega a la refinería es sometido a un proceso denominado “destilación fraccionada”. En éste, el petróleo calentado es alimentado a una columna, llamada también “torre de fraccionamiento o de destilación”. El petróleo pasa primero por un calentador que alcanza una temperatura de 370ºC y posteriormente es introducido en una torre, donde comienza a circular y a evaporarse. De esta forma se separan los productos ligeros y los residuos.

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. Las fracciones más ligeras del crudo, como son los gases y la nafta, ascienden hasta la parte superior de la torre. A medida que descendemos, nos encontramos con los productos más pesados: el queroseno, gasoil ligero, gasoil pesado. En último lugar, se encuentra el residuo de fuelóleo atmosférico. La destilación es continua: el crudo calentado entra en la torre y las fracciones separadas salen a los diferentes niveles. Esta operación, no obstante, sólo suministra productos en bruto que deberán ser mejorados (convertidos) para su comercialización, dado que los procesos de destilación no rinden productos en la cantidad ni calidad demandadas por el mercado. En cuanto a la cantidad, las fracciones obtenidas deben estar distribuidas de forma que puedan hacer frente a las necesidades de las distintas épocas del año. En invierno, las necesidades de gasóleos y fuelóleos para calefacción serán superiores a las del verano, donde prima la producción de gasolinas. Con respecto a la calidad, las gasolinas que provienen directamente de la destilación, no responden a las exigencias de los motores, particularmente en lo que se refiere a su índice de octanos.

FRACCIONES DEL PETROLEO FRACCIÓN Gas Natural

COMPOSICIÓN PRINCIPAL

RANGO DE DESTILACIÓN

C1 – C 4

Debajo de 20ºC

APLICACIONES

Gas Embotellado

C5 – C 6

20 a 60ºC

Combustibles para horno tubular, para cocinas y calefactores domésticos, gas de cañería y gas licuado

Gasolina

C4 – C12

40 a 200ªC

Combustible para automóviles y aviones

Queroseno o parafina

C10 – C16

175 a 275ºC

Combustibles domésticos: cocinas, estufas, tractores, aviones a reacción, lámparas

Fuel oil, petróleo diesel

C15 – C20

250 a 400ºC

Combustible para hornos industriales y domésticos; motores diesel, para “cracking”

Aceites lubricantes

C18 – C22

Sobre 300ºC

Para lubricación y “cracking”

Hasta C40 o mas

Destilación al vacío, sobre 400ºCº

Asfalto

Residuo no volátil

Fracción del fondo

Pavimentación, impermeabilización.

Coque

Residuo No volátil

Sólido

Combustible; electrodos de carbono

Vaselina semisólida, cera, parafina sólida

En medicina, en ungüentos; fabricación de velas; impermeabilización; aislante eléctrico.

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

Elemento

Peso(%)

Carbono

84 - 87

Hidrógeno

11 - 14

Azufre

0-2

Nitrógeno

0.2

Dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el petróleo, se tienen diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes.

Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno, constituyen las parafinas

cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas

al presentarse dobles uniones entre los átomos de carbono se forman las olefinas

las moléculas en las que se forman ciclos de carbono son los naftenos

y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo bencénico) se tiene la familia de los aromáticos

Además hay hidrocarburos con presencia de azufre, nitrógeno y oxígeno formando familias bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos las estructuras se hacen verdaderamente complejas y difíciles de identificar químicamente con precisión. Un ejemplo son los asfaltenos que forman parte del residuo de la destilación al vacío; estos compuestos además están presentes como coloides en una suspensión estable que se genera por el agrupamiento envolvente de las moléculas grandes por otras cada vez menores para constituir un todo semicontínuo.