UNIDAD 2. QUÍMICA EN LA INDUSTRIA PETROLERA

EXTRACCIÓNLa actividad principal de un campo de producción de petróleo es la de extraer hidrocarburos en estado líquido y/o gaseoso, con el fin de obtener sus derivados para satisfacer las necesidades de la industria.

Los fluidos transportados pierden energía en el yacimiento, en el pozo y en la línea de flujo que los lleva a la estación recolectora.

Cuando la energía del yacimiento es suficiente para completar el proceso de producción, se dice que el pozo produce por flujo natural (empuje por capa de gas, empuje por agua, empuje por gas en solución, drenaje gravitacional, empuje por compactación), y cuando es necesario utilizar alguna fuente externa de energía para el levantamiento de fluidos, desde el fondo del pozo hasta la estación, se dice que el pozo produce mediante levantamiento artificial.

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Si la presión de los fluidos es suficiente, forzará la salida natural del petróleo a través del pozo que se conecta mediante una red de oleoductos hacia su tratamiento primario, donde se deshidrata y estabiliza eliminando los compuestos más volátiles.

Los componentes químicos del petróleo se separan y obtienen por destilación mediante un proceso de refinamiento. De él se extraen diferentes productos, entre otros: propano, butano, gasolina, keroseno, gasóleo, aceites lubricantes, asfaltos, carbón de coque, etc.

Como está compuesto por más de 1 000 hidrocarburos, no se intenta la separación de cada uno de ellos. Es suficiente obtener fracciones, de composición y propiedades aproximadamente constantes, destilando entre dos temperaturas prefijadas, la operación requiere varias etapas.

El proceso de craqueo térmico, o pirólisis a presión, se desarrolló en un esfuerzo para aumentar el rendimiento de la destilación, las partes más pesadas del crudo se calientan a altas temperaturas bajo presión. Esto divide las moléculas grandes de hidrocarburos en moléculas más pequeñas, lo que aumenta la cantidad de gasolina.

En la alquilación, las moléculas pequeñas producidas por craqueo térmico se recombinan en presencia de un catalizador, esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de la gasolina con mejores propiedades.

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, nylon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes.

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ELEMENTOS DE REFINACIÓNLa refinación comprende una serie de procesos de separación, transformación y purificación, mediante los cuales el petróleo crudo es convertido en productos útiles con innumerables usos, que van desde la simple combustión en una lámpara hasta la fabricación de productos intermedios, que a su vez, son la materia prima para la obtención de otros productos industriales.

El término de refino se reviste hoy de tres operaciones: La separación de los productos petrolíferos unos de otros, y sobre la destilación del crudo

(topping). La depuración de los productos petrolíferos unos de otros, sobretodo su desulfuración. La síntesis de hidrocarburos nobles mediante combinaciones nuevas de átomos de

carbono y de hidrógeno, su deshidrogenación, su isomerización o su ciclado.Obtenidos bajo el efecto conjugado de la temperatura, la presión y catalizadores apropiados.

La refinería convierte el petróleo crudo y produce una variedad de derivados a través de una serie compleja de reacciones químicas y de cambios físicos que se pueden englobar básicamente en las seis siguientes operaciones principales:

● Fraccionar: aquí se separa una mezcla de hidrocarburos líquidos en diversos grupos específicos que incluyen a la gasolina, el diésel, los combustibles y otras sustancias más ligeras. ● Desintegrar: porque rompe los hidrocarburos grandes, convirtiéndolos en compuestos más pequeños y de mayor utilidad. La desintegración puede llevarse a cabo térmica o catalíticamente.

● Rearreglar: ya que con altas temperaturas y con catalizadores rearregla la estructura química de los hidrocarburos del petróleo. Algunos hidrocarburos de cadena lineal son transformados en hidrocarburos cíclicos o de cadena circular; del mismo modo los hidrocarburos cíclicos son transformados.

● Combinar: porque hace reaccionar dos o más hidrocarburos o no hidrocarburos, tales como el azufre o el hidrógeno, para obtener otros productos que son considerados como mejorados.

● Tratar: porque convierte materiales contaminantes a una forma tal que pueden ser desechados al medio ambiente sin causar problemas ecológicos.

● Mezclar: porque combina diferentes líquidos para producir los materiales finales con ciertas propiedades deseadas. De esta manera el crudo es transformado en gasolina con o sin mejorador del octanaje o también llamado antidetonante que es un compuesto oxigenado que se le adiciona a la gasolina, gas licuado de petróleo o gas LP, combustóleos, asfaltos, coque y azufre como subproducto, agrega otros compuestos aditivos.

Refinería

Una refinería es un enorme complejo donde el petróleo crudo se somete, en primer lugar, a un proceso de destilación o separación física y luego a procesos químicos que permiten extraerle buena parte de la gran variedad de los componentes que contiene. El petróleo tiene una gran variedad de compuestos, hasta el punto de que de él pueden obtenerse más de dos mil

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productos. El petróleo igualmente puede clasificarse en cuatro categorías: parafinicos, nafténico, asfáltico o mixto y aromático.

Los productos que se sacan del proceso de refinación se llaman derivados y los hay de dos tipos: los combustibles, como la gasolina, A.C.P.M., etc.; y los petroquímicos, tales como polietileno, benceno, etc.

Las refinerías son muy distintas unas de otras, según las tecnologías y los esquemas de proceso que se utilicen, así como su capacidad. Las hay para procesar crudos livianos, crudos pesados o mezclas de ambos. Por consiguiente, los productos que se obtienen varían de una a otra. La refinación se cumple en varias etapas. Es por esto por lo que una refinería tiene numerosas torres, unidades, equipos y tuberías. Es algo así como una ciudad de plantas de proceso.

En Colombia hay dos refinerías: El Complejo Industrial de Barrancabermeja, propiedad de Ecopetrol, ubicada en el centro del país, en el departamento de Santander y la Refinería de Cartagena, cuyos propietarios son Glencore International y Ecopetrol y está ubicada en la Zona Industrial de Mamonal. A la Refinería de Barrancabermeja se le llama “Complejo Industrial” porque además de producir combustibles como la gasolina y el GLP, también produce petroquímicos e industriales.

El primer paso de la refinación del petróleo crudo se cumple en las torres de “destilación primaria” o “destilación atmosférica”. En su interior, estas torres operan a una presión cercana a la atmosférica y están divididas en numerosos compartimientos a los que se denominan “bandejas” o “platos”. Cada bandeja tiene una temperatura diferente y cumple la función de fraccionar los componentes del petróleo. El crudo llega a estas torres después de pasar por un horno, donde se “cocina” a temperaturas de hasta 400 ºC que lo convierten en vapor. Esos vapores entran por la parte inferior de la torre de destilación y ascienden por entre las bandejas. A medida que suben pierden calor y se enfrían.

Cuando cada componente vaporizado encuentra su propia temperatura, se condensa y se deposita en su respectiva bandeja, a la cual están conectados ductos por los que se recogen las distintas corrientes que se separaron en esta etapa. Al fondo de la torre cae el “crudo reducido”, es decir, aquel que no alcanzó a evaporarse en esta primera etapa. Se cumple así el primer paso de la refinación. De abajo hacia arriba se han obtenido, en su orden: crudo reducido, gasóleos, A.C.P.M., queroseno, turbosina, nafta y gases ricos en butano y propano. Algunos de estos, como la turbosina, queroseno y A.C.P.M., son productos ya finales. Las demás corrientes se envían a otras torres y unidades para someterlas a nuevos procesos, al final de los cuales se obtendrá el resto de los derivados del petróleo. Así, por ejemplo, la torre de “destilación al vacío” recibe el crudo reducido de la primera etapa y saca gasóleos pesados, bases parafínicas y fondos. La Unidad de Craqueo Catalítico o Cracking recibe gasóleos y crudos reducidos de crudos livianos para producir fundamentalmente gasolina y gas propano. Las unidades de Recuperación de Vapores reciben los gases ricos de las demás plantas y sacan gas combustible, gas propano, propileno y butanos. La planta de mezclas es en últimas la que recibe las distintas corrientes de naftas para obtener la gasolina motor, extra y corriente.

La unidad de Aromáticos produce a partir de la nafta: tolueno, xilenos, benceno, ciclohexano y otros petroquímicos. La de Parafinas recibe destilados parafínicos y nafténicos para sacar parafinas y bases lubricantes. De todo este proceso también se obtienen azufre y combustóleo.

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El combustóleo es lo último que sale del petróleo. Es algo así como el fondo del barril. El gas natural, rico en gases petroquímicos, también puede procesarse en las refinerías para obtener diversos productos de uso en la industria petroquímica.

Impactos ambientales

Los impactos ambientales de la refinación de petróleo son el resultado, principalmente, de las emisiones gaseosas, descargas de efluentes, desechos sólidos, ruido y olor además de efectos visuales o estéticos. Las emisiones atmosféricas constituyen las causas más significativas de los impactos ambientales negativos de las refinerías. Las más importantes son las partículas, hidrocarburos, monóxido de carbono, óxidos de azufre y de nitrógeno. Emanan de diferentes fuentes incluyendo la unidad de desintegración catalítica, los procesos de recuperación de azufre, calentadores, desfogues, mecheros y almacenamiento de los productos o materias primas. Los sellos de las bombas y las válvulas pueden originar las emisiones fugitivas. La combinación de estas emanaciones puede causar olores nocivos que afectarán a grandes áreas alrededor de la refinería.

Se emplean grandes cantidades de agua en la refinación de petróleo para lavar los materiales indeseados de la corriente del proceso, para enfriamiento y producción de vapor, y en los procesos de reacción. Entre los contaminantes principales que se encuentran en los efluentes de las refinerías de petróleo tenemos: aceites y grasas, amoniaco, compuestos fenólicos, sulfuros, ácidos orgánicos, y cromo y otros metales. Se pueden expresar estos contaminantes en términos de su Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), Demanda Química de Oxígeno (DQO) y el contenido de Carbono Orgánico Total (COT). Además, existe el potencial para contaminar el agua superficial, el suelo y el agua freática debido a las fugas o derrames de las materias primas o productos. La purga del agua de enfriamiento, el agua de lavado o de limpieza, el escurrimiento e infiltración de los patios de tanques, almacén de tubos, áreas de entrega de productos, y módulos de procesamiento, también pueden causar la degradación de las aguas superficiales y freáticas. Las refinerías generan grandes cantidades de desechos sólidos; los principales son las partículas catalíticas de las unidades de desintegración, finos de coque, sulfuros de hierro, medios de filtración, y diferentes lodos (de la limpieza de los tanques, separadores de aceite y agua, y sistemas de tratamiento de las aguas servidas).

La operación de refinación de petróleo puede ser ruidosa. Las fuentes de ruido son los compresores de alta velocidad, las válvulas de control, los sistemas de tubería, turbinas y motores, mecheros, intercambiadores de calor con enfriamiento por aire, ventiladores, torres de enfriamiento y desfogues. Los niveles típicos de ruido varían de 60 a 110 dB a una distancia de un metro de la fuente.

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Maquinaria utilizada en la refinación

1. Topping

Es un proceso de separación del crudo en fracciones, por diferencias de punto de ebullición.Consta de una unidad de destilación compuesta por dos secciones, una a presión atmosférica y otra a presión al vacío.

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2. Cracking

Es un proceso que utiliza altas temperaturas para convertir hidrocarburos pesados en hidrocarburos livianos más valiosos, utilizando catalizadores que permiten obtener gasolina de alto octanaje y mínimos productos residuales pesados no deseables. La planta consta de una unidad de reacción, una de regeneración y una Unidad recuperadoras de vapores (VRU) para separar las fracciones livianas.

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3. Viscorreductora

Es un proceso de Ruptura Térmica para conversión de fracciones pesadas de Hidrocarburos en productos más livianos y de mayor valor.

4. AlquilaciónEs un proceso en el cual se utilizan olefinas (Butilenos C4) Iso-Butano (IC4) para formar Iso-Octano, denominado alquilato, en una reacción que utiliza el ácido sulfúrico como catalizador.

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5. EspecialidadesEs un proceso de separación del Rafinato de Aromáticos y/o de la nafta virgen, por diferencias de punto de ebullición, para obtener los Disolventes Alifáticos Nº 1/2/3/ varsol y hexano comercial. Consta de dos torres fraccionadoras y sus equipos asociados.

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6. Plantas de proceso del tren de Poliolefinas

ETILENO IISe alimenta de la producción de Turboexpander y mediante un proceso de Pirolisis (Craqueo térmico a altas temperaturas) se obtiene el Etileno. También se recibe carga de la Unidades de Cracking Catalítico.

POLIETILENO I/IIProceso de Polimerización del Etileno en presencia de Iniciadores de reacción para unir moléculas de Etileno y formar el polietileno.

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Procesamiento de gas

Su procesamiento consiste principalmente en: La eliminación de compuestos ácidos (H2S y CO2) mediante el uso de tecnologías que

se basan en sistemas de absorción-agotamiento utilizando 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 deshidratación 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, obteniendo corrientes ricas en etano, propano, butanos y gasolina; en ocasiones también resulta conveniente separar el isobutano del n-butano para usos muy específicos.

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Procesamiento de Gas Natural

El gas natural está constituido principalmente por metano con proporciones variables de otros hidrocarburos (etano, propano, butanos, pentanos y gasolina natural) y de contaminantes diversos. El objetivo del procesamiento del gas natural es eliminar los contaminantes, incluyendo los componentes corrosivos (agua y ácido sulfhídrico, este último también por su carácter contaminante), los que reducen el poder calorífico (dióxido de carbono y nitrógeno) y los que forman depósitos sólidos a bajas temperaturas (nuevamente agua y dióxido de carbono), para después separar los hidrocarburos más pesados que el metano, que constituyen materias primas básicas para la industria petroquímica.

Las etapas normales en el procesamiento del gas natural son La deshidratación (eliminación de agua, usualmente con adsorbentes sólidos, como

alúmina o mallas moleculares) El endulzamiento (eliminación de ácido sulfhídrico y dióxido de carbono con soluciones

absorbentes en un esquema similar al descrito para los procesos de endulzamiento de gas de refinería)

La recuperación criogénica de etano e hidrocarburos más pesados (la condensación de estos componentes a bajas temperaturas, y destilación fraccionada de los líquidos condensados).

Otras etapas complementarias son el fraccionamiento de los hidrocarburos recuperados y la conversión del ácido sulfhídrico a azufre.

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