PRODUCTOS DERIVADOS DEL PETROLEO
1. Definición de petróleo.
El petróleo se presenta en la naturaleza como un líquido oleoso, bituminoso, de origen natural, compuesto por diferentes sustancias orgánicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible, como materia prima para la producción industrial de lubricantes de base mineral y en la industria química. Además, el petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, industria del plástico, materiales de construcción, pinturas, textiles, etc.
2. Características.
Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen contener componentes de azufre y de oxígeno; el contenido de azufre varía entre un O, 1 % y un 5%. El petróleo contiene elementos sólidos, líquidos y gaseosos. Su consistencia varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta uno tan espeso que apenas fluye. Por lo general hay pequeñas cantidades de compuestos gaseosos disueltos en el líquido; cuando las cantidades de estos compuestos son mayores, el yacimiento de petróleo está asociado con un depósito de gas natural.
Existen tres grandes categorías de petróleos crudos (denominados simplemente "crudos"): los de tipo paraímicos, los de tipos asfálticos o nafténicos y los de base mixta.
2.1. Crudos de características parafinicas.
Los crudos de características parafinicas son aquellos que en su composición existe una preponderancia del enlace carbono-hidrógeno del tipo parafinico. Los enlaces parafinicos están compuestos por moléculas en las que el número de átomos de hidrógeno es siempre superior en dos unidades al doble del número de átomos de carbono. Estos responden a la fórmula general:
Los átomos de carbono tienen cuatro valencias, tomando cada una de ellas un átomo de hidrógeno.
2.2. Crudos de características asfálticas o nafténicas.
Los crudos de características asfálticas o nafténicas son aquellos que en su composición existe una
preponderancia del enlace carbono-hidrógeno del tipo nafténico. Los enlace~ nafténicos están compuestos por moléculas de hidrocarburos cíclicas. Las moléculas características de estos petróleos contienen exactamente el doble de átomos de hidrógeno que de carbono. Responden a la fórmula general:
Los átomos de carbono tienen cuatro valencias, tomando dos de ellas a los átomos de carbono del enlace cíclico y las restantes dos valencias a los átomos de hidrógeno.
2.3. Crudos de características mixtas.
Los crudos de características mixtas son aquellos que en su composición no existe una preponderancia del enlace carbono-hidrógeno del tipo nafténico ni del parafinico.
3. Química de los procesos de refinado.
3 .1. Destilado atmosférico o topping.
El petróleo (crudo) formado en la naturaleza es un compuesto en el cual intervienen distintos componentes de enlace carbono-hidrógeno de variados pesos moleculares, como así también la diversidad de la gradación del punto de ebullición. Por ello se transforma en su característica principal la heterogeneidad, es decir que el petróleo tiene puntos de ebullición variables que irán en aumento a medida que se desprenden los elementos más volátiles (menor peso molecular) quedando, en consecuencia, los más pesados.
En el siguiente gráfico se puede apreciar esquemáticamente, como trabaja el proceso de destilación
simple o topping:
El proceso consiste en separar los productos del crudo de acuerdo a su peso molecular, es decir separando los gases (propano y butano), naftas, querosén / JP, gasoil, bases de aceites lubricantes,
fuel-oil, y asfalto. Este proceso se basa en introducir el crudo en un alambique para un adecuado
calentamiento. Posteriormente se lo deriva a una torre la cual separa, por medio de unos platos intermedios, los distintos cortes. Estos se regulan de acuerdo a las necesidades de la industria.
Por la parte superior de la torre salen los productos más livianos y, descendiendo, los más pesados.
Los productos asfálticos obtenidos de la base de la torre de topping y principalmente la de vacío,
tienen un elevado peso molecular. Estos productos tienen una utilidad relativa para ser usados para
la combustión, en máquinas térmicas, dado su elevado punto de ebullición.
3.2. Proceso de refinado por cracking.
El cracking permite obtener derivados del petróleo de menor peso molecular (menor punto de ebullición) mediante la ruptura de los enlaces moleculares. Esto se consigue a elevadas temperaturas y mediante el uso de catalizadores apropiados, que aceleran el proceso.
Los catalizadores adecuados para cada tipo de proceso, permiten trabajar con menores presiones y
obtener un rendimiento superior. En el gráfico siguiente se puede apreciar esquemáticamente el proceso de cracking:
3.3. Proceso de destilación por polimerización.
Es un proceso químico mediante el cual se llega, partiendo de un hidrocarburo liviano, a otro de mayor peso molecular. Consiste en trabajar con catalizadores adecuados para pasar finalmente a un
proceso de hidrogenación (agregado de hidrógeno para anular los dobles enlaces entre los átomós de
carbono).
De esta forma se puede tener, por ejemplo: Partiendo del isobutileno C4 Ha, gas normalmente quemado y de poca aplicación como combustible comercial, dada su alta volatilidad (punto de ebullición bajo), mediante la polimerización puede obtenerse el octileno Ca H16, compuesto que si bien es inestable, por la formación de gomas y bajo número octánico, puede ser reconvertido mediante hidrogenación en isooctano (número octano 100) de elevado poder antidetonante.
3.4. Proceso de destilación por alkilación o isomerización.
La alkilación es un proceso mediante el cual se une una cadena olefinica a una parafinica (caso especial de polimerización) obteniéndose un compuesto de mayor peso molecular. Este proceso catalítico permite la formación de combustibles de mayor número octánico, siendo la materia prima,
combustibles gaseosos.
El proceso de isomerización consiste en convertir a los hidrocarburos en isómeros, combustibles de
excelente calidad para ser utilizados en motores con encendido a chispa.
3.5. Relación de carbono/hidrógeno en los hidrocarburos.
Un hidrocarburo está conformado, principalmente, por enlaces de carbono e hidrógeno. El carbono
se encuentra presente en rangos del orden del 80 al 87% mientras que el hidrógeno es del 11 al 15%,
en peso. Los restantes elementos que forman la molécula del hidrocarburo son: oxígeno, azufre y
nitrógeno.
4. Hidrocarburos típicos generados por la destilación del petróleo.
De los procesos de destilación del petróleo se obtienen distintos productos con variadas aplicaciones finales.
Entre ellos se pueden destacar los siguientes:
4.1. Metano.
Este producto es el de menor peso molecular y tiene una participación importante en el gas natural
de petróleo. Obtenido como gas residual en el proceso de la destilería, tiene relativa aplicación. Si
bien puede ser licuado, como todo gas, éste requiere elevada presión y ser mantenido a muy bajas
temperaturas. Esto dificulta la tarea y la posibilidad de un fácil manipuleo. Por estos inconvenientes,
normalmente se destina a ser quemado.
4.2. Propano y Butano.
Ambos productos pueden ser licuados. Esto permite una mejor manipulación para su distribución a
granel en camiones o buques, mediante cilindros contenedores de hasta varios cientos de kilogramos.
Comercialmente se los utiliza mezclados, como combustible, dado que no se justifica su separación.
4.3. Naftas.
Las naftas para motores de ciclo Otto o encendido por chispa (de bajo, medio y alto número octánico)
se forman con una mezcla de distintos cortes de hidrocarburos. Es deseable obtener siempre cortes que contengan un alto porcentaje de isoparafinicos, o en su defecto de aromáticos (derivados del benceno), para que el número octánico sea lo más elevado posible.
4.4. Querosén/JP
Este corte de combustible es esencialmente utilizado domésticamente y en la combustión en turbinas
de gas. Es elaborado en base a cadenas del tipo parafinicas, lográndose, de esta forma, una adecuada
llama libre de humo. Es un corte de destilado óptimo para ser utilizado en forma continua en las cámaras de combustión de turbinas de gas, independientemente de la temperatura, tal como sucede en
las aeronaves.
4.5. Gasoil.
Este combustible es utilizado en motores de ciclo diesel. Debe tener propiedades esenciales, siendo
las de mayor importancia la facilidad para la combustión y un punto de inflamación elevado (superior
a los 50ºC). Esto es logrado mediante cadenas de corte parafinico que otorgará al combustible un número de cetano óptimo para el funcionamiento del motor, de forma tal que se reducirá el retardo
diesel de la combustión.
4.6. Crudo reducido.
Es un hidrocarburo de elevado peso molecular del que puede obtenerse, dadas sus características y
según el tipo de crudo tratado, combustibles o materia prima para la elaboración de lubricantes.
5. Lubricantes.
Los lubricantes están formados por cadenas pesadas de hidrocarburos y estructuras principalmente parafinicas.
Este tipo de estructura logra una adecuada respuesta de la viscosidad con respecto a la temperatura.
Los aceites base se obtienen mediante distintos procedimientos, de modo tal que el producto final sea
adecuado al tipo de lubricación a realizar u otro uso que se le de al aceite.
5 .1. Descripción de la obtención de los aceites base.
La búsqueda tecnológica para la elaboración de los lubricantes se ha basado, desde sus orígenes en la obtención de productos de mayor refinación para que su utilización en las maquinarias sea eficiente y, de esta forma, obtener el mayor rendimiento de las mismas.
Los periodos que se han sucedido en la refinación, han sido:
- Desde los orígenes hasta la década del 40, la obtención de los aceites base fue mediante la refinación utilizando ácido sulfúrico seguido de un lavado básico por medio de soda cáustica o un tratamiento con arcillas para llegar, de este modo, a un valor adecuado de neutralidad.
- Posteriormente se empezó a utilizar la producción de aceite mediante solventes selectivos apropiados. Estos solventes separan al aceite refinado de componentes indeseables y luego son recuperados para continuar con el proceso de refinación.
- Por último aparece, manteniéndose hasta el presente, la refinación mediante el uso de la hidrogenación catalítica. Los elementos indeseables son eliminados con el agregado de hidrógeno, que a partir de los años 70 se obtiene en abundancia en las destilerías al ser reformuladas las naftas para mejorar su índice octánico. El hidrógeno, obtenido como un producto residual, resulta muy económico y se utiliza en catalizadores separando los productos que deben ser eliminados del lubricante del aceite base.
Partiendo de un crudo que resulte apropiado para obtener aceite base, se procesa como una destilación atmosférica o topping. Su producto más pesado, denominado crudo reducido, será la materia prima para elaborar los distintos cortes con que se obtendrán los aceites base para llegar a los distintos productos finales.
El crudo reducido es procesado en una destilación de vacío, es decir que se continúa destilando,
controlando que la temperatura no se eleve como para que se rompan los enlaces carbono-hidrógeno
de elevado peso molecular. Esto se logra mediante el control de la presión de la torre (por debajo de
la atmosférica). El vacío se obtiene por medio de eyectores de agua que operan acoplados a la torre
de destilación, bajando el punto de ebullición. Los productos derivados del petróleo, no condensables,
son extraídos de la torre mediante los mencionados eyectores.
Los productos obtenidos de esta forma, son: aceites livianos, medios y pesados y como residuo asfalto, que contiene aún una cierta cantidad de aceites viscosos que pueden ser extraídos en una posterior destilación.
De pretender obtener los aceites del asfalto mediante temperatura (destilación), se corre el riesgo,
aún en una torre de vacío, de romper las cadenas de enlaces ( crackeo ). Esto se evita separándolo
mediante la extracción con solventes, por ejemplo, el propano líquido que permite obtener dos aceites
base más como son el bright stock y el cilindro. Como residuo queda asfalto duro recuperándose el propano para su posterior reutilización.
En definitiva se han obtenido cinco cortes de aceites base crudos, que serán la materia prima para la
obtención de los lubricantes finales, posteriormente a su refinación.
5.2. Características de los aceites base.
Los aceites base deben tener las siguientes tres cualidades, de modo tal que sea apto para la elaboración de lubricantes.
- Alta resistencia a la oxidación: Para adecuarse satisfactoriamente a las altas temperaturas durante el uso del aceite.
- Alto índice de viscosidad (IV): La viscosidad debe mantenerse lo mas uniforme posible con el aumento de la temperatura, es decir que la viscosidad debe caer con menor gradiente con respecto a
la temperatura. Esto se logra con estructuras moleculares del tipo parafinico.
- Bajo punto de escurrimiento: El aceite debe fluir ·con facilidad a bajas temperaturas, es decir que
los cristales de parafina no deben cristalizarse o el contenido de parafina debe estar acotado.
La siguiente tabla muestra como se comportan los distintos tipos de enlaces, en función de estas características:
De la misma tabla se desprende la necesidad de que en el proceso de refinación de las bases de los
aceites deben reducirse los contenidos.de aromáticos y en menor medida las parafinas.
5.3. Refinación.
El concepto de refinación de los aceites es el de reducir el contenido de aromáticos y de cierta cantidad de parafinas sólidas para enriquecer el aceite en sus componentes aptos. Siendo las parafinas
buenos lubricantes, se trata de separar la menor cantidad posible. Finalmente, se deberán reducir los
contenidos de azufre y oxígeno y mejorar el color final del corte, lo que se lpgra mediante un tratamiento con hidrógeno y catalizadores.
Los métodos de refinación son los siguientes:
5.3.1. Refinación por solventes.
La refinación por solventes reemplazó al antiguo sistema de utilización de ácidos (normalmente
ácido sulfúrico) para la extracción de aromáticos.
Utilizando el solvente apropiado se consigue la separación de los aromáticos del aceite base.
Al mezclarse la carga a ser refinada con el solvente, éste arrastra a los aromáticos que, por diferencia
de densidad, quedan en la parte inferior de la columna, obteniéndose de la superior el aceite refinado. El solvente es recuperado para continuar con su utilización, obteniéndose un extracto de aromáticos que será posteriormente utilizado en otros procesos. El solvente más utilizado es el Furfural (aldehído aromático obtenido de productos vegetales).
5.3.2. Desparafinización.
El aceite obtenido mediante la refinación por solventes tiene un alto contenido de parafinas, las cuales no permiten disponer de un producto con un punto de escurrimiento adecuado, por lo que se deberán extraer aquellos hidrocarburos de características parafinicas que no permiten satisfacer dicha condición.
Teniendo en cuenta que los buenos aceites deben tener parafinas, la extracción de éstas debe ser en la menor medida posible de modo de obtener un producto adecuado como lubricante, teniendo en cuenta las condiciones climatológicas donde va a ser usado.
En nuestro país el punto de escurrimiento normalmente utilizado es de -1 OºC, aproximadamente.
La desparafinización puede hacerse por medio de solventes y un posterior enfriamiento.
5.3.3. Hidrogenación.
El objeto de la hidrogenación es la de refinar ciertos productos, entre los que se incluye las bases de los lubricantes. Su descubrimiento data de 1920 pero el elevado costo de producción del hidrógeno limitó su utilización hasta 1970, en que se abarató su obtención. Es el método más moderno para la producción de lubricantes.
Se utilizan tres tipos de refinado por hidrogenación:
- Hidroterminado: Utilizado como proceso final, estabilizando los elementos no deseados. Tiene mayor rendimiento que los tratamientos con arcilla, eliminando una cantidad superior de azufre. Mejora notablemente el color del producto, obteniéndose gran transparencia del mismo.
- Hidrotratamiento moderado: Es un tratamiento más severo que el anterior, donde se utilizan mayores presiones que modifican la estructura de los hidrocarburos de la carga. De esta forma, una elevada saturación de hidrógeno provoca la conversión de cargas con alto contenido de nitrógeno, azufre y aromáticos, en aceites nafténicos estables y de alto rendimiento.
- Hidrotratamiento severo: Utilizando altas presiones y temperaturas, en presencia de catalizadores, se produce el hidrocracking de los aromáticos, transformándolos en parafmicos, obteniéndose un producto final de elevado índice de viscosidad.
_____________________________________________________________________________________
ENTRADAS RELACIONADAS
_____________________________________________________________________________________
FUENTE:
NORMAS PARA EL USO Y CONSERVACIÓN DEL MATERIAL DE CASCO, ELECTRICIDAD Y
MAQUINAS NAVALES (NOCEM) CAPITULO 23 LUBRICANTES Y SISTEMAS RELACIONADOS
3ª Edición 1999
