Productos derivados del petróleo

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Productos derivados del petróleo

Seguidamente se presentan los productos cuya obtención es el objeto de la industria del refino del petróleo.

Gas de refinería (“fuel-gas”)

Está constituido principalmente por hidrógeno, metano y etano, aunque puede contener cantidades menores de etileno (especialmente cuando la refinería dispone de unidades de craqueo), y excepcionalmente, también propileno, propano y butano, pues estos últimos se recuperan sistemáticamente, en la medida de lo posible, para comercializarlos como LPG. Su composición es muy variable, dependiendo de las condiciones de operación de las distintas unidades que integran cada refinería.

En general, el gas de refinería se autoconsume, utilizándolo como combustible (de ahí su denominación “fuel-gas”) en hornos y cámaras de combustión que, por sus duras condiciones de trabajo requieren combustibles “limpios”, que no produzcan hollín ni cenizas. Por ese motivo y para evitar la contaminación del medio ambiente, además de otras razones inherentes a las propias unidades que lo producen y separan, suelen estar desulfurados hasta niveles muy bajos.

El mejor aprovechamiento del fuel-gas es uno de los objetivos de la operación en las refinerías, procurando optimizar el balance producción-consumo. El complemento de la energía necesaria (aporte de calor en hornos, generación de vapor, etc.) se consigue con combustibles más pesados como fuelóleo o residuos.

Otro destino alternativo del “fuel-gas” es la producción de hidrógeno mediante el reformado en unidades de steam reforming. Este gas es imprescindible en refinerías modernas, que siempre cuenta con unidades de hidrogenación.

Gases licuados del petróleo (LPG)

Se denominan así el propano, el butano y sus mezclas, que se almacenan y transportan a presión para mantenerlos en estado líquido.

Estos hidrocarburos están presentes en los crudos, en disolución con el resto de componentes, de los que se separan por destilación, pero también se producen en los procesos de craqueo, junto con alquenos de bajo peso molecular (propileno y butenos, entre otros), y en el reformado catalítico.

El propano y el butano también se pueden separar junto con el etano del gas natural húmedo, en cuyo caso reciben la denominación “líquidos del gas natural” (Natural Gas Liquids- NLG), que no deben confundirse con el gas natural licuado (Liquified Natural Gas- LNG).

Generalmente se desulfuran con niveles muy bajos de azufre (0,1g/Nm3) y deben estar exentos de agua, separándose en los dos productos más importantes: el propano y el butano comercial.

Todos los LPG son productos de gran importancia como materia prima en la industria química orgánica de base, pero también en las refinerías que se usan para sintetizar componentes valiosos (alquilatos). El n-butano es un componente importante que se adiciona a las gasolinas para ajustar su presión de vapor.

En los países que carecen de red de distribución de gas se emplean como combustible doméstico e industrial, para pequeños consumos, comercializándose en bombonas y a granel. El butano también se usa como carburante de motores de combustión interna con encendido mediante chispa.

Naftas y Gasolinas

Las naftas son mezclas de hidrocarburos de 5 a 11 átomos de carbono, que normalmente tienen un intervalo de ebullición entre los 35 y 195ºC, aunque a veces sobrepasan ligeramente los 205ºC. Las naftas ligeras tienen un punto final de ebullición (EBP) del orden de los 135ºC, mientras que las naftas pesadas cubren el intervalo superior. Si no se especifica si son naftas ligeras, medianas o pesadas, se debe entender que se cubre el intervalo completo (full range nafta). Sus componentes son n-parafinas, isoparafinas, alquenos, naftenos y aromáticos (P.I.O.N.A.) en distintas proporciones según su origen.

Las gasolinas son naftas acondicionadas para su uso como combustibles en motores de combustión interna de explosión, tanto de automóviles como de aviones. Este acondicionamiento tiene como objetivo proporcionarle las características físicas (presión de vapor dentro de las especificaciones, principalmente) y químicas (ausencia de combustión detonante en el interior de los cilindros de los motores en condiciones estándar, estabilidad en relación en formación de gomas, etc.). Los distintos tipos de gasolinas para motores se refieren siempre a las características antidetonantes que se cuantifican con el “índice de octano” (ON). Tanto mayor es este índice, la combustión detonante se produce en condiciones más severas (mayor relación de compresión, entre otros parámetros). En muchos países se comercializan gasolinas con distintos índices de octano. En España, por ejemplo se comercializan gasolinas para automoción de 95 y 98 octanos, mientras que las gasolinas para motores de aviación suelen superar los 100 octanos.

Las características antidetonantes de las gasolinas dependen de su composición. Concretamente, los alquenos, los aromáticos y las parafinas ramificadas contribuyen a elevar el número de octano, mientras que las n-parafinas lo rebajan, tanto más cuanto mayor sea su peso molecular. Existen además unos productos cuya presencia en pequeñas concentraciones inhibe la combustión detonante, aumentando el índice de octano de las gasolinas en algunos puntos. Estas sustancias se denominan aditivos antidetonantes.

Las gasolinas como productos de uso final deben tener una estabilidad química que asegure el mantenimiento de sus características durante largo periodo de tiempo y en condiciones muy variables. Esta exigencia obliga, en ocasiones, a eliminar los alquenos como componentes de las gasolinas, a pesar de sus buenas características antidetonantes, pues pueden polimerizar, por apertura de sus dobles enlaces, dando origen a productos de alto peso molecular de aspecto gomoso, cuya presencia en el carburante es completamente inadmisible.

En la industria del refino casi ningún producto final se fabrica directamente como tal (únicamente, y no siempre, el propano comercial y el keroseno), sino por mezcla (blending) de distintos componentes que se obtienen y almacenan separadamente.

En el caso de las gasolinas, éstas se producen mezclando distintos productos intermedios (naftas principalmente) de diferentes características acumulados en unos tanques de almacenamiento denominados el pool de gasolinas.

Las naftas, además de utilizarse como productos intermedios para la preparación de gasolinas, son una importante materia prima de la industria química y también tienen aplicaciones como disolventes. Evidentemente, se da este destino, en la medida de lo posible, a las naftas que tienen peores características antidetonantes, por lo que resultan indeseables como blending stocks en la formulación de gasolinas. Habitualmente se las designa como “naftas químicas”.

Kerosenos

Los productos intermedios entre las gasolinas y gasóleos reciben el nombre genérico de “kerosenos”, están constituidos fundamentalmente por hidrocarburos del intervalo C10-C14. Su principal utilización es la preparación de turbocombustibles o jet-fuels, utilizados por turborreactores en aviones comerciales y en las aeronaves a turbohélice.

Las características de los jet-fuels corresponden a las condiciones de utilización a grandes alturas (relativamente baja volatilidad) y a muy bajas temperaturas (bajo punto de congelación), entre otras exigencias.

Existen otros usos de kerosenos de especificaciones menos exigentes, pero su demanda es muy reducida. Su empleo como alumbrado y calefacción está limitado a países en vías de desarrollo. También se usan como disolvente en ciertas industrias como en el curtido de pieles y en hidrometalurgia.

Gasóleos

La denominación “gasóleos” se le da a las mezclas de hidrocarburos dentro del margen C14-C20, con intervalos de ebullición generalmente comprendidos entre 200 y 350ºC, aunque pueden llegar a prepararse en su punto inicial de ebullición (IBP) tan bajo como 175ºC y su punto final de ebullición (EBP) hasta 370ºC. Se emplean como combustible en motores de combustión interna de encendido por compresión (diésel) y como combustibles en las calefacciones domésticas y en pequeñas instalaciones térmicas.

Los gasóleos para motores diésel rápidos deben reunir una serie de características especiales que no deben reunirlas los destinados a la calefacción. En ambos casos, sin embargo, se requiere un contenido en azufre lo suficientemente bajo para reducir las emisiones de SOx en los gases de escape de la combustión. También en ambos casos su temperatura de congelación debe ser inferior a la temperatura ambiente, de modo que en invierno no sean necesarios sistemas adicionales de calentamiento.

Las características más importantes de los gasóleos destinados a la utilización en motores son en relación a la adecuada velocidad de combustión en las condiciones reinantes en el interior del cilindro. Una velocidad excesiva produciría un sobrecalentamiento en la tobera del inyector, mientras que una velocidad insuficiente provocaría que el combustible llegara a las camisas del motor sin quemar. Este comportamiento se cuantifica con una escala designada como “índice de cetano”, y tiene una estrecha relación con la proporción en que están presentes los distintos tipos de hidrocarburos. Concretamente, los aromáticos tienen una relación C/H muy alta y queman muy lentamente, provocando índices de cetano menores que las parafinas.

Otra exigencia importante en los gasóleos destinados a la combustión en motores es la ausencia de cenizas o residuos de combustión, que dañarían los órganos internos de los motores, lo que limita la mezcla de productos excesivamente pesados.

Fuelóleos

Los componentes más pesados del petróleo, que constituyen los residuos de las destilaciones atmosféricas y de vacío, se destinan a la preparación de fuelóleos, que encuentran su aplicación en las instalaciones térmicas (generadores de vapor, hornos, etc.) y en motores diésel lentos.

Las principales características de los fuelóleos o fueloils, que sirven para clasificarlos, son la viscosidad y el contenido de azufre.

La viscosidad es una de las propiedades que más influyen en la dificultad de pulverizar los combustibles en finas gotas a una determinada temperatura, para posibilitar su adecuada combustión. La preparación de los distintos tipos de fuelóleos en las refinerías exige la mezcla de distintos productos destilados de baja viscosidad, denominados cutter stocks, de modo que el producto resultante tenga su viscosidad dentro de un margen especificado.

Su contenido de azufre se limita por razones de defensa del medio ambiente, pero también, en ciertos casos para evitar corrosiones excesivas en las partes frías de las instalaciones en contacto con los gases de combustión.

Aceites lubricantes

Los hidrocarburos comprendidos en el intervalo C20-C70 contenidos en el petróleo tienen buenas propiedades lubricantes y son más baratos que otros productos con similares propiedades, por lo que su uso en la lubricación de todo tipo de máquinas y mecanismos está ampliamente extendido. Únicamente en casos especiales hay que recurrir a otros tipos de lubricantes, casi siempre sintéticos. Todos ellos son líquidos a la temperatura de utilización y su característica principal es su untuosidad, o adherencia a las superficies metálicas, formando películas de muy pequeño espesor, por ello se les denomina aceites.

Los aceites lubricantes deben ser químicamente estables; no deben oxidarse ni formar barros en las condiciones de utilización. Su viscosidad debe variar poco con la temperatura y ser adecuada a cada aplicación. Deben estar libres de impurezas y no solidificar a bajas temperaturas.

No todos los hidrocarburos presentes en la fracción C20-C70 del petróleo tienen las mismas propiedades en relación a las exigencias. Los aromáticos ofrecen na buena resistencia a la oxidación, pero proporcionan fuertes variaciones de la viscosidad con la temperatura. Los naftenos no tienen este efecto pero forman barros con facilidad cuando son insaturados y permanecen mucho tiempo a alta temperatura. Las parafinas son más estables que los naftenos, pero cuando su peso molecular es alto y su cadena es recta (n-parafinas) pueden cristalizar a temperaturas bajas, alterando el régimen de la lubricación. En consecuencia, todos ellos deben ser eliminados, quedando como componentes mayoritarios las parafinas ramificadas y los naftenos saturados.

El conjunto de propiedades y características requeridas para distintas aplicaciones de los aceites lubricantes minerales se consigue mediante mezcla de distintas fracciones o bases de hidrocarburos previamente tratados y unos aditivos específicos, cuya formulación está basada en resultados experimentales.

El consumo de aceites lubricantes derivados del petróleo disminuyó en los países desarrollados a partir de la crisis del petróleo, a pesar de aumento notable experimentado en el parque automovilístico y de maquinaria industrial, debido a tres razones fundamentales:

  • Menores pérdidas por ejecuciones mecánicas más precisas (menos holguras), coincidentes con una importante renovación de la flota automovilística a base de motores de menor capacidad de cárter.
  • Mayor calidad de los propios aceites, que tienen una mayor duración de utilización.
  • Mayor proporción de componentes sintéticos y aditivos.

Parafinas y ceras

Las parafinas separadas de las fracciones de petróleo destinadas a la fabricación de aceites lubricantes encuentran aplicación en otras industrias por sus características reológicas, barrera a la humedad y químicas. Se denominan también ceras.

Dentro de la industria petroquímica se emplean como materia prima para la fabricación de detergentes, entre otras aplicaciones.

Asfaltos

Los asfaltos eran conocidos y utilizados mucho antes de que explotasen los yacimientos de petróleo. En el Siglo XVIII ya se obtenían materiales asfálticos de acumulaciones superficiales de bitumen que impregnaban rocas porosas.

Están formados por los componentes menos volátiles del petróleo, contienen nitrógeno, oxígeno y metales pesados, además de azufre, combinados con hidrocarburos complejos con múltiples anillos aromáticos.

Modernamente se obtienen casi exclusivamente en algunas refinerías a partir de los residuos de la destilación de los crudos y de las unidades de cracking, en los que los asfaltos aparecen dispersos en aceites pesados, que pueden extraerse mediante disolventes.

En contacto prolongado con aire a alta temperatura endurecen, cambiando su estructura molecular y originando una variedad de asfaltos modificados, conocidos generalmente como “oxiasfaltos” o “asfaltos soplados”.

La principal aplicación de los asfaltos es la construcción de pavimentos en carreteras, mezclándolos con cargas minerales de granulometría adecuada. Los oxiasfaltos se usan en la fabricación de materiales impermeabilizantes para cubiertas de edificios y naves, protección contra la corrosión y otros tipos de recubrimientos.

Las principales características de los asfaltos son las que determinan su comportamiento reológico; concretamente su resistencia a la penetración y su temperatura de reblandecimiento.

La preparación de un tipo de asfalto con unas características previamente especificadas requiere, como en el caso de otros productos petrolíferos, la mezcla de diferentes bases, con propiedades diferentes y en las debidas proporciones. Cada base se obtiene de distintas materias primas y/o en diferentes partes de la refinería y se almacenan por separado.

Los consumos de estos productos, como ocurre en el caso de los aceites, son muy inferiores a las cantidades que se podrían separar de los crudos tratados en las refinerías, pero evidentemente, sólo se separan y tratan las necesarias para satisfacer la demanda del mercado. El resto sale mezclado con otros hidrocarburos más ligeros en fuelóleos, formando una mezcla estable, o se coquiza mediante cracking térmico para producir coque.

Coque de petróleo.

coque de petroleo

Calentando los residuos del petróleo por encima de los 400ºC se produce la ruptura o cracking de las moléculas de hidrocarburos, formándose compuestos ligeros que destilan y quedando un residuo pastoso que con el tiempo llega a adquirir una alta consistencia; es el denominado “coque de petróleo”, que tal cual sale de las plantas de coquización se llama “coque verde”. Este tipo de coque se utiliza como combustible y su aplicación más generalizada está en las fábricas de cemento.

El coque de buena calidad (con bajos contenidos de cenizas y otras impurezas) se suele calcinar para eliminar los hidrocarburos volátiles ocluidos y se tritura, comercializándose con el nombre de “coque calcinado”.

El coque calcinado contiene más del 90% de carbono en peso, junto con otras impurezas y pequeñas cantidades de hidrógeno. Su estructura es casi siempre esponjosa, aunque con ciertas materias primas ricas en aromáticos puede adquirir una estructura cristalina porosa, que constituye una variedad muy apreciada denominada “coque de aguja”.

El coque de petróleo no dispone de las características necesarias para ser utilizado en los altos hornos siderúrgicos, sin embargo encuentra aplicación, en cuanto el contenido de cenizas es relativamente pequeño, en la fabricación de ánodos para la obtención electrolítica de aluminio a partir de alúmina y para la fabricación de electrodos usados en hornos eléctricos. La variedad de aguja de menor calidad se emplea en la fabricación de equipos de grafito para la industria.

Fuentes:

M. A. RAMOS CARPIO. “Refino del petróleo, gas natural y petroquímica”. Editorial Fundación fomento innovación industrial, 1997. ISBN: 84-605-6755-9

J. P. WAUQUIER. “El Refino del petróleo”. Ediciones Díaz de Santos, 2004. ISBN: 84-7978-623-X

JAMES G. SPEIGHT. “Chemistry and technology of petroleum”, 4th Edition. Taylor&Francis Group, 2008. ISBN:978-0-8493-9367-8

 

Artículo escrito por: Adrià Cortés del Pino

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