Química del Carbono
Tabla resumen de formulación orgánica
Ejercicios de formulación orgánica con soluciones
Primeros pasos de la Química Orgánica.
Berzelius (1807) Clasifica la química en Inorgánica y Orgánica. Les llamó así porque pensaba que los compuestos orgánicos solo eran producidos por los seres vivos.
Todos los compuesto orgánicos poseen en su composición átomos de carbono. Sin embargo, existen muchos compuestos con carbono en su composición que son típicamente inorgánicos, tales como el CO2 o los carbonatos.
Friedrich Wölher (1828)
Produce la primera Síntesis orgánica a partir de un compuesto inorgánico:
August Kekulé (1861)
Define la Química Orgánica como la Química de los “Compuestos del Carbono”.
Química orgánica en la actualidad:
· La Química de los “Compuestos del Carbono”.
· También tienen hidrógeno.
· Se exceptúan CO, CO2, carbonatos, bicarbonatos, cianuros...
· Pueden tener otros elementos: O, N, S, P, halógenos...
En la actualidad el número de compuestos inorgánicos es de unos 100.000, mientras que el número de compuestos orgánicos es de unos 8.000.000 y se siguen sintetizando muchísimos nuevos cada año. Entre estos últimos se encuentran plásticos, insecticidas, jabones, medicamentos, gasolinas, fibras textiles...
Ejemplo:
Dados los siguientes compuestos, identifica cuales de ellos son compuestos orgánicos: CH3-COOH; CaCO3; KCN; CH3-CN; NH4Cl; CH3-NH-CH2-CH3; Cl-CH2-CH3
Inorgánicos:
CaCO3; KCN; NH4Cl
Orgánicos: CH3-COOH; CH3-CN; CH3-NH-CH2-CH3;
Cl-CH2-CH3
Características del carbono y de los compuestos orgánicos.
La estructura de los compuestos orgánicos depende de una serie de propiedades que son específicas del átomo de carbono:
· Electronegatividad intermedia lo que permite formar enlace covalente tanto con metales como con no metales.
· Posibilidad de unirse a sí mismo formando cadenas.
· Tamaño pequeño lo que le posibilita formar enlaces dobles y triples.
· Tetravalencia: s2p2 Þ s px py pz aportando tan sólo 400 kJ/mol
Los compuestos orgánicos poseen las siguientes características:
· Solubilidad en disolventes orgánicos como acetona, benceno… En cambio, no suelen ser solubles en agua, con algunas excepciones.
· Se descomponen a temperaturas no muy altas y arden fácilmente, en contraposición con los compuestos inorgánicos.
· La velocidad de las reacciones en las que intervienen suele ser muy lenta y suelen precisar una elevada energía para comenzar a reacción.
Tipos de enlaceS del carbono
El carbono se une con otros elementos de las siguientes maneras:
Enlace simple:
Los cuatro pares de electrones se comparten con cuatro átomos distintos.
Ejemplo: CH4, CH3–CH3
Enlace doble:
Hay dos pares electrónicos compartidos con el mismo átomo.
Ejemplo: H2C=CH2, H2C=O
Enlace triple:
Hay tres pares electrónicos compartidos con el mismo átomo.
Ejemplo: HCºCH, CH3 –CºN
Representación de moléculas
orgánicas.
Tipos de fórmulas.
Fórmula Empírica.
Es la forma más reducida. Sólo da idea de la proporción de átomos de cada tipo en la molécula. No sirve pues para identificar compuestos
Ejemplo: CH2O
Fórmula Molecular
Indica el número de átomos de cada tipo existentes en la molécula. Tampoco sirve para identificar compuestos, ya que hay muchos compuestos distintos con la misma fórmula molecular (isómeros).
Ejemplo: C3H6O3
Fórmula Semidesarrollada
Es la más utilizada en la química orgánica. Indica únicamente los enlaces que constituyen la cadena carbonada.
Ejemplo: CH3–CHOH–COOH
Fórmula Desarrollada
Indica todos los enlaces que conforman la molécula. No se usa demasiado aunque al principio es muy útil.
Ejemplo:
Con distribución espacial
Utilizada exclusivamente en estereoisomería.
Ejercicio 1:
Sabemos que un compuesto orgánico tiene de fórmula empírica C2H5N y su masa molecular aproximada es de 130 g/mol. Escribe cual será su fórmula molecular.
La masa molecular debe ser un
múltiplo (entero) de la masa expresada por la fórmula empírica:
(aprox).
Luego la fórmula molecular será: C6H15N3
Ejercicio 2:
Un compuesto orgánico dio los siguientes porcentajes en su composición: 71,7 % de cloro y 4,1 % de hidrógeno. Además, 1 litro de dicho compuesto en estado gaseoso medido a 745 mmHg y 110 ºC tiene una masa de 3,12 g. Hallar su fórmula empírica y su fórmula molecular.
TIPOS DE cadenas carBonadas.
Tipos de átomos de carbono (en las cadenas carbonadas)
Los átomos de carbono se clasifican en primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios según se encuentren unidos a uno, dos, tres o cuatro átomos de carbono respectivamente.
Ejemplo:
Grupos funcionales. Series homólogas.
Grupo funcional: “Es un átomo o grupo de átomos unidos de manera característica y que determinan, preferentemente, las propiedades del compuesto en que están presentes”.
Serie homóloga: “Es un grupo de compuestos en los que la única diferencia formal entre sus miembros se encuentra en el número de grupos metileno, -CH2-, que contiene”
Ejemplo: Serie homóloga de los alcanos.
Serie homóloga de los alcoholes:
| CH3OH | Metanol |
|
CH3-CH2OH |
Etanol |
| CH3-CH2-CH2OH | Propan-1-ol |
| CH3-CH2-CH2-CH2OH | Butan-1-ol |
|
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2OH |
Propan-1-ol |
Principales grupos funcionales
Hidrocarburos
Son compuestos orgánicos que sólo contienen átomos de carbono y de hidrógeno.
Tienen fórmulas muy variadas: CaHb.
Los átomos de carbono se unen entre sí para formar cadenas carbonadas.
Formulación y nomenclatura:
Prefijos según nº de átomos de C.
|
Nº átomos C |
Prefijo |
Nº átomos C |
Prefijo |
|
1 |
met |
6 |
hex |
|
2 |
et |
7 |
hept |
|
3 |
prop |
8 |
oct |
|
4 |
but |
9 |
non |
|
5 |
pent |
10 |
dec |
Hidrocarburos de cadena abierta.
ALCANOS: Prefijo (nº C) + sufijo “ano”
Ejemplo:
CH3–CH2–CH3 propano
ALQUENOS: Prefijo (nº C) + sufijo “eno” indicando la posición del doble enlace si éste puede colocarse en varios sitios.
Ejemplo:
CH3–CH =CH–CH3 but-2-eno
ALQUINOS: Prefijo (nº C) + sufijo “ino” indicando la posición del triple enlace si éste puede colocarse en varios sitios.
Ejemplo:
CH3–CH2–CºCH but-1-ino
Numeración de cadenas hidrocarbonadas
Se numera por el extremo más próximo al grupo funcional (doble o triple enlace). Esta regla será válida para cualquier compuesto orgánico aunque no sea hidrocarburo.
En el caso de que haya un doble y un triple enlace se da prioridad al doble (principal).
Por ejemplo,
CH3–CH2–CH=CH2 se nombra but-1-eno y no but-3-eno
Hidrocarburos ramificados.
La cadena principal es la más larga que contenga el mayor número de dobles y triples enlaces (aunque ésta no sea la más larga). Esta regla también será válida para cualquier compuesto orgánico aunque no sea hidrocarburo.
Se numera por el extremo más próximo al grupo funcional (doble o triple enlace) y si no hubiera por el que la ramificación tenga el nº más bajo.
La ramificación se nombra terminando en “il”.
Ejemplo:
Hidrocarburos cíclicos y aromáticos
CÍCLICOS: Se nombran igual que los de cadena abierta, pero anteponiendo la palabra “ciclo”.
Ejemplo:
AROMÁTICOS: Son derivados del benceno (C6H6) y se nombran anteponiendo el nombre del sustituyente.
Benceno (se puede dibujar de las tres maneras. La forma habitual es la 3)
Ejemplos:
Cuando posee
dos sustituyentes:
Ejemplos:
Ejercicio:
Formular los siguientes hidrocarburos: Pentano, hex-2-eno, propino, metilbutino, 3-etilpent-2-eno.
Ejercicio:
Nombrar los siguientes hidrocarburos:
Compuestos oxigenados.
ÁCIDOS:
Ácido + Prefijo (nº C) + sufijo “oico”
Ejemplo:
CH3–COOH : ácido etanoico (acético)
ÉSTERES:
Prefijo (nº C) + sufijo “ato” de nombre de radical terminado en "ilo”.
Se producen por la reacción de deshidratación entre un ácido y un alcohol:
Ácido orgánico + alcohol → éster + agua
Ejemplos:
CH3–COOH + CH3OH → CH3–COO–CH3 (etanoato de metilo) + H2O
Ejercicio:
Formular los siguientes ácidos carboxílicos y ésteres: ácido pentanoico, butanoato de metilo, ácido 2-butenoico, ácido metil-propanoico, metil-propanoato de metilo.
Ejercicio:
Nombrar los siguientes ácidos carboxílicos y ésteres:
CH3–CºC–COOH,
CH3–CH2–COO–CH2–CH3, HOOC–CH2–COOH,
CH3–CH(CH2– CH3)–COO–CH2–CH3,
CH3–CH(CH3)–CH2–COO–CH3
ALDEHIDOS
Prefijo (nº C) + sufijo “al”.
Ejemplo:
CH3–CH2 –CH2 –CHO: butanal
CETONA
Prefijo (nº C) + Número del C en el que está el grupo (si es necesario) + sufijo “ona”.
Ejemplo:
CH3–CO–CH3 propanona
CH3–CO–CH2 –CH3 butanona
CH3–CO–CH2 –CH2–CH2 –CH3 hexan-2-ona
Ejercicio:
Formular los siguientes aldehídos y cetonas: butanal, propanodial, pent-4-en-2-ona, metilpropanal, dimetilbutanona.
Ejercicio:
Nombrar los siguientes aldehídos y cetonas:
CH2=CH–CH2–CHO,
HCHO, CH3–CO–CH2–CO–CH3,
CH3–CH(CH3)–CO–CH3,
CH3–CH(CH3)–CH(CH3)–CHO
ALCOHOLES:
Prefijo (nº C) + Número del C en el que está el grupo (si es necesario) + sufijo “ol”.
¡ATENCIÓN!: No puede haber dos grupos OH en el mismo C.
Ejemplo:
CH3–CH2–CH2OH: Propan-1-ol
CH3–CHOH–CH3: Propan-2-ol
ÉTERES
Se nombran los radicales (terminados en“il”) por orden alfabético seguidos de la palabra “éter”.
Ejemplo:
CH3–O–CH2–CH3 etilmetiléter
Ejercicio
Formular los siguientes alcoholes y éteres:
butan-1-ol, propanotriol, pent-2-en-1-ol, metilpropan-1-ol, 3,3-dimetilbutan-1-ol.
Ejercicio
Nombrar los siguientes alcoholes y éteres: CH2=CH–CHOH–CH3,
CH3 –CHOH–CH2OH, CH3–O–CH3, CH3–CH(CH3)–CHOH–CH3,
CH3–CH2–CH(CH3)–CH2OH
Compuestos nitrogenados.
AMIDAS
Prefijo (nº C) + sufijo “amida”.
Se producen por la reacción de deshidratación entre
un ácido y un amina
Ácido orgánico + amina → amida + agua
Ejemplo: CH3–COOH + CH3– NH2 → CH3–CO–NH–CH3 (N-metil-propanamida) + H2O
AMINAS
Las aminas se pueden nombrar como derivados de alquilaminas o alcanoaminas.
Ejemplo:
CH3–NH–CH2–CH3: etilmetilamina o bien N-metiletanamina
NITRILOS
Prefijo (nº C) + sufijo “nitrilo”
Ejemplo:
CH3–CH2 –CH2 –CN: butanonitrilo
Ejercicio
Formular los siguientes derivados nitrogenados: pentanamida, etilmetilamina, but-2-enonitrilo, N-metil-propanamida, trietilamina, metilpropanonitrilo.
Ejercicio
Nombrar los siguientes derivados nitrogenados:
CH3–CH=CH–CONH–CH3, CH3–CºN, CH3–CONH–CH2–CH3, CH3–CH2–CON(CH2–CH3)–CH2–CH3, CH3–CH(CH3)–CH2–NH2, CH3–CH2–CH2–NH–CH3
DERIVADOS HALOGENADOS:
R-X
Prefijo (nombre del halógeno) + nombre del compuesto orgánico.
Ejemplo:
CH3–CHCl –CH2 –CH3 2-clorobutano.
NITROCOMPUESTOS:
R-NO2
Prefijo (nitro) + nombre del compuesto orgánico.
Ejemplo:
CH3–CH2 –CH2 –CH2NO2 1-nitrobutano
COMPUESTOS RAMIFICADOS: Prefijo (nombre del radical) + nombre del compuesto orgánico.
Ejemplo: CH3–CH(CH3)–CH2 –CH3 Þ metilbutano
En todos los casos se antepondrá el número del carbono al que va unido en el caso de que sea necesario por haber diferentes compuestos.
Numeración de cadenas con varios grupos funcionales
· Se numera por el extremo más próximo al grupo funcional.
· En el caso de que haya varios grupos funcionales se da prioridad al principal.
· El grupo nitro -NO2 y los halógenos R-X se nombran como meros sustituyentes con igual categoría que grupos alquilo.
Ejemplo: CH3–CO–CH2–CH3 se nombra butanona simplemente y no butan-2-ona, ya que sólo es posible dicha cetona
· Sólo se numera si es necesario diferenciar los compuestos
Ejemplo, CH3–CH2OH se nombra etanol simplemente y no etan-1-ol, ya que no es posible el etan-2-ol
ISOMERÍA
Se llaman isómeros a los compuesto distintos que tienen la misma fórmula molecular. Esto sucede por estar unidos los átomos de manera distinta, por lo que los compuestos tienen propiedades distintas.
ISOMERÍA ESTRUCTURAL
De cadena:
Ejemplo: Con la fórmula molecular C4H10 existen los compuestos:
De posición:
El grupo funcional se encuentra situado en un carbono diferente.
Ejemplo: Con la fórmula molecular C3H6O existen los compuestos:
1-propanol: CH3–CH2–CH2OH y 2-propanol: CH3–CHOH–CH3
De función:
Poseen grupos funcionales diferentes.
Propanal: CH3–CH2–CHO y propanona: CH3–CO–CH3
Dimetiléter: CH3-O-CH3 y Etanol: CH3-CH2OH
Ejercicio
Formula y nombra todos los isómeros estructurales que conozcas del 1-buteno, indicando el tipo a que pertenece cada uno.
ESTEREOISOMERÍA
ISOMERÍA CIS-TRANS
Tienen igual fórmula semidesarrollada pero distinta fórmula desarrollada. Sucede cuando hay dobles enlaces o ciclos que impiden que la cadena gire y hay dos sustituyentes iguales unidos a los dos carbonos que forman el doble enlace que están al mismo lado del doble enlace (cis) o a lados contrarios (trans).
Ejemplo:
Ejercicio N:
Formula y nombra la pareja de isómero cis-trans del ácido butenodioico.
ISOMERÍA ÓPTICA
Sólo se observa distinta distribución espacial (en tres dimensiones) de los grupos unidos a un átomo de carbono.
Para que haya isómeros ópticos es necesario que los cuatro sustituyentes unidos a un átomo de carbono sean “distintos” (carbono asimétrico).
Si la imagen especular de una molécula no se puede superponer consigo misma se trata de moléculas quirales.
Se asigna un orden de prioridad a los grupos (por número atómico). Si dos de ellos fueran el mismo átomo el orden se determina por la prioridad de sus sustituyentes.
Se sitúa el sustituyente 4 hacia atrás y se observa el triángulo que forman los otros tres. Si el orden 1-2-3 sigue las agujas del reloj el isómero se denomina Rectus (R) y si sigue el contrario se denomina Sinister (S).
Ejemplo de isomería óptica
El ácido láctico (2-hidroxi-propanoico) presenta dos estereoisómeros:
Los isómeros especulares se llaman enantiómeros.
Ejercicio
Formula y nombra todos los isómeros posibles (estructurales y geométricos) del 2‑butanol indicando el tipo de isomería en cada caso.
FORMAS ALOTRÓPICAS DEL CARBONO
(CAMBIA LA DISPOSICIÓN Y NATURALEZA DEL ENLACE)
Están formados por átomos de carbono.
Tienen propiedades muy diferentes debido a la disposición de sus átomos y al tipo de enlace.
El grafito
Es el más abundante en la naturaleza. Estructura laminar (el grafito del lápiz permite que se desfolie y deje como rastro la escritura).
Conduce la electricidad en una sola dirección.
Diamante
Es menos estable que el grafito.
Es uno de los sólidos más duros que existen con un 10 en la escala de Mohs.
Grafeno
Tiene una estructura laminar como la del grafito, pero de un átomo de espesor.
Fue sintetizado en 2004 a partir del grafito.
Su densidad es unas 5 veces menor que la del acero pero es unas 200 veces más resistente que él.
Conduce muy bien la electricidad, de hecho las baterías con electrodos de grafeno duran 10 veces más y se cargan antes.
Es biocompatible y biodegradable.
Los científicos creen que los dispositivos de grafeno serán mucho más rápidos que los de silicio.
Según sus descubridores el grafeno es tan resistente que una hamaca de 1 m2 de superficie hecha de grafeno y de un átomo de espesor, aguantaría el peso de un gato.
Fullereno
Su fórmula es C60, aunque puede haber otras con C70, C76 o más átomos de carbono.
Nanotubos
Están formados por carbono.
Podemos imaginar su estructura como una malla de alambre hexagonal enrollada dentro de un cilindro.
Son interesantes en el diseño de nuevos dispositivos electrónicos y ópticos o para fabricar nuevos materiales.
Son mucho más resistentes que los cables de acero.
Reacciones de interés en los seres vivos
Reacciones de combustión
La combustión de sustancias que provienen de los alimentos hace que así obtengamos la energía necesaria para vivir.
La glucosa de los alimentos en la fuente de energía más inmediata
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O; ΔH= -2800 kJ
Esta reacción se realiza en varias etapas catalizadas por enzimas.
La fotosíntesis es el proceso opuesto al de la combustión de la glucosa.
stán formados por átomos de carbono.
Tienen propiedades muy diferentes debido a la disposición de sus átomos y al tipo de enlace.
PETRÓLEO Y GAS NATURAL
GAS NATURAL
1. ¿Qué es el gas natural?
El gas natural es un combustible compuesto por un conjunto de hidrocarburos livianos, el principal componente es el metano (CH4).
Se puede encontrar como "gas natural asociado" cuando esta acompañando de petróleo, o bien como "gas natural no asociado" cuando son yacimientos exclusivos de gas natural.
2. ¿Qué componentes tiene el gas natural?
La composición del gas natural varia según el yacimiento:
Componente Nomenclatura Composición(%) Estado Natural
Metano (CH4) 95,08 gas
Etano (C2H6) 2,14 gas
Propano (C3H8) 0,29 gas licuable
Butano (C4H10) 0,11 gas licuable
Pentano (C5H12) 0,04 líquido
Hexano (C6H14) 0,01 líquido
Nitrógeno (N2) 1,94 gas
Gas carbónico (CO2) 0,39 gas
Impurezas como son, helio, oxigeno, vapor de agua.
Las propiedades del gas natural según la composición del cuadro anterior son:
Densidad relativa: 0,65 Poder calorífico: 9,032 kcal/m³
Cp (presión Cte): 8,57 cal/mol.°C Cv (volumen Cte): 6,56 cal/mol.°C.
GLP
3.- ¿ Dónde se encuentra el gas natural?
Se encuentra en la naturaleza bajo tierra en los denominados reservorios de gas.
Su formación es similar al de la formación de petróleo.
Reservorio de petróleo
Reservorio de petróleo
4.- ¿Cómo se extrae el gas natural?
El gas natural se extrae de los reservorios que se encuentran bajo tierra a profundidades que van desde los 500 m hasta los 3500 m.
5.- ¿Cómo se procesa el gas natural?
El gas natural una vez extraído de los reservorios se somete a un proceso de separación.
Proceso de separación
Mediante este proceso se obtiene:
Gas natural seco (metano y etano) que se transporta por gasoductos a los centros de consumo.
Líquidos de gas natural (propano, butano, pentano y mas pesados) que se transporta por poliductos hasta una planta de fraccionamiento.
Otros componentes : Agua, azufre y otras impurezas que no tiene valor comercial.
Proceso de fraccionamiento
Es un proceso que consiste en separar los líquidos del gas natural (LGN) en gas licuado de petróleo (GLP) y gasolina natural.
6. ¿Cómo se transporta el gas natural?
El gas natural se transporta principalmente a través de gasoductos y como gas natural licuado (GNL) en los llamados buques metaneros y camiones criogénicos, asimismo se puede transportar en cilindros de alta presión (como gas natural comprimido-GNC).
7. ¿Qué es el gas natural licuado (GNL)?
Se trata de gas natural (principalmente metano) reducido o licuado mediante un proceso criogénico donde se disminuye su temperatura a – 160°C, reduciendo su volumen unas seiscientas veces y de esta forma facilitando su almacenamiento y el transporte a través de buques metaneros hasta las plantas de regasificación.
8.- ¿ Es posible almacenar el gas natural?
El gas natural puede ser almacenado reservorios en el subsuelo que generalmente son cavernas de sal y también como gas natural licuado- GNL (en buques metaneros y tanques de gran capacidad). Como otra forma de almacenaje puede considerarse a los cilindros de GNC donde se almacena gas natural a alta presión para uso automotor.
Tanques de almacenamiento de GNC Tanque de almacenamiento de GNL
9.- ¿Que ventajas ofrece el gas natural?
Comodidad: Al ser una energía de suministro continuo esta siempre disponible en la cantidad y en el momento que se le necesite.
Limpieza: El gas natural es menos contaminante que los combustibles sólidos y líquidos.
Por un lado, como cualquier otro combustible gaseoso, no genera partículas sólidas en los gases de la combustión, produce menos CO2 (reduciendo así el efecto invernadero), menos impurezas, como por ejemplo azufre (disminuye la lluvia ácida), además de no generar humos.
Por otro lado, es el más limpio de los combustibles gaseosos.
Seguridad: El gas natural, a diferencia de otros gases combustibles, es más ligero que el aire, por lo que, de producirse alguna fuga, se disipa rápidamente en la atmósfera. Únicamente, se requiere tener buena ventilación.
Economía: Es la energía de suministro continuo más barata.
El gas natural se ha constituido en el combustible mas económico para la generación de electricidad, ofrece las mejores oportunidades en términos de economía, aumento de rendimiento y reducción del impacto ambiental.
Estas ventajas pueden conseguirse tanto en las grandes centrales termoeléctricas así como en las pequeñas.
1.-¿Qué es una central de ciclo combinado de gas?
Se basa en la producción de energía a través de ciclos diferentes, una turbina de gas y otra turbina de vapor. El calor no utilizado por uno de los ciclos se emplea como fuente de calor del otro. De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbinas de gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo del gas natural.
2.-¿Cómo es una instalación de ciclo combinado?
En la Figura se muestra un esquema simplificado de un circuito típico de un ciclo combinado para generación de energía eléctrica. El aire aspirado desde el ambiente ingresa al turbogrupo del ciclo de gas, es comprimido por un compresor, a continuación se mezcla con el combustible en la cámara de combustión para su quemado. En esta cámara el combustible ingresa atomizado. Los gases de combustión calientes se expanden luego, en la turbina de gas proporcionando el trabajo para la operación del compresor y del generador eléctrico asociado al ciclo de gas.
Los gases de escape calientes salientes de la turbina de gas ingresan a la caldera de recuperación. En esta caldera de recuperación se produce el intercambio de calor entre los gases calientes de escape y el agua a alta presión del ciclo de vapor; es decir, el aprovechamiento del calor de los gases de escape llevando su temperatura al valor más bajo posible. Los gases enfriados son descargados a la atmósfera a través de una chimenea.
En relación con el ciclo de vapor, el agua proveniente del condensador ingresa a un tanque de alimentación desde donde se envía a distintos bancos de alimentación de intercambiadores de calor de la caldera de recuperación, según se trate de ciclos combinados de una o más presiones. En la caldera de recuperación el agua pasa por tres sectores:
1. El economizador.
2. El sector de evaporación.
3. El sector de recalentamiento.
En el primer sector el agua se calienta hasta la temperatura de vaporización y en el último se sobrecalienta hasta temperaturas máximas del orden de los 540°C aprovechando las altas temperaturas a las que ingresan los gases de escape de la turbina de gas a la caldera de recuperación.
3.-¿Qué es la cogeneración?
La cogeneración es la producción simultánea de energía eléctrica y energía térmica utilizando un único combustible como el gas natural.
Las plantas de Cogeneración producen electricidad y calor para aplicaciones descentralizadas y donde se requieran. Estas plantas tienen una óptima eficiencia en las transformaciones energéticas y con mínimas contaminaciones ambientales.
Una planta de cogeneración está compuesta por un motor de combustión interna de ciclo Otto (o turbina de gas) que acciona un alternador (generador eléctrico).
A este conjunto generador se le puede aprovechar la energía térmica liberada a través de la combustión de los gases, mediante intercambiadores de calor instalados en los circuitos de refrigeración de camisas, de aceite lubricante, más un aprovechamiento extra en una caldera de recuperación de gases de escape.
Usualmente la ubicación de estas plantas es próxima a los consumidores, con lo cual las pérdidas por distribución son menores que las de una central eléctrica y un generador de calor convencional.
4.-¿ Qué ventajas ofrecen las centrales térmicas de gas con respecto a la que operan a carbón o diesel?
La sustitución de centrales convencionales de carbón y diesel por centrales de ciclo combinado que utilizan gas natural es una manera efectiva de contribuir a la reducción del efecto invernadero. Por otro lado, la tecnología de ciclo combinado consume un 35% menos de combustible fósil que las convencionales, lo que aporta, de hecho, la mejor solución para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera y, por tanto, contribuir a preservar el entorno medioambiental. Respecto al resto de contaminantes, la emisión unitaria por kWh producido a través de plantas de ciclo combinado es, en general, sensiblemente menor, aunque destaca especialmente la reducción de emisión de dióxido de azufre, que es despreciable frente a la de una central alimentada por carbón o fuel.
En cuanto a los costos; en una planta de ciclo combinado, la inversión necesaria para instalar un módulo es del orden de 50% en relación a la inversión en una planta con carbón importado; el tiempo de construcción es, aproximadamente, 30 % menor. La repercusión, en términos de costos de capital, sobre el precio final del kWh producido en una planta de ciclo combinado es la tercera parte que en el caso de utilizar carbón de importación. También resulta significativa la menor cantidad de agua que se utiliza en el proceso, ya que la turbina de gas no precisa de refrigeración alguna y únicamente se requiere agua para el ciclo de vapor, lo que supone que una central de ciclo combinado con gas natural necesita tan sólo un tercio del agua que se precisa en un ciclo simple de fuel o de carbón.
Reemplaza ventajosamente a otros combustibles. Ideal para procesos industriales, como la industria de la cerámica, del cemento y la fabricación de vidrio. En la fabricación del acero puede ser usado como reductor siderúrgico en lugar del coque (Hierro esponja). Es también utilizado como materia prima en la industria petroquímica y para la producción de amoníaco, urea en la industria del fertilizante
1. ¿ En que industrias se puede usar el gas natural?
Cerámica
El gas natural ofrece a la industria cerámica ventajas, cuyo provecho viene determinado por el tipo de producto de que se trate y el equipo usado. En la fabricación de azulejos, porcelana, gres o refractarios, su utilización se traduce en un importante aumento de la producción, la mejora en la calidad de los productos y la optimización en la economía de la empresa.
El gas natural disminuye la formación de manchas y decoloraciones de los artículos durante la cocción y secado; mejorando la calidad de los productos.
Metalúrgia
El gas natural tiene un gran número de aplicaciones en este sector de la industria; sus características lo hacen apto para todos los procesos de calentamiento de metales, tanto en la fusión como en el recalentamiento y tratamientos térmicos.
Vidrio
El gas natural se utiliza en la industria del vidrio, infusión, feeders, arcas de recogido y decoración, máquinas automáticas, etc. El estudio conjunto de las propiedades físico-químicas del gas natural y de las condiciones de funcionamiento que requiere el perfecto calentamiento del horno de fusión de cristal, ha permitido la construcción de quemadores para gas natural con unas características de la llama que le permiten obtener la luminosidad y la radiación necesarias para conseguir una óptima penetración y transmisión de la energía desprendida en la masa de cristal
Textil
Además de los beneficios que reporta a la industria textil el uso del gas natural como combustible en las calderas de vapor, son múltiples los procesos donde el gas encuentra aplicaciones tan específicas que lo convierten en prácticamente imprescindible: aplicaciones de acción directa de la llama (chamuscado de hilos, chamuscado de tejidos); aplicaciones de calentamiento por contacto (abrasado, calandrado); aplicaciones de calentamiento por radiación (presecado, polimerización); aplicaciones de calentamiento directo por convección en secadores y rames, en sustitución del tradicional sistema de calentamiento mediante fluidos intermedios, con el consiguiente ahorro energético (entre el 20 y el 30%); la posibilidad de calentamiento directo de los baños líquidos mediante tubos sumergidos o por combustión sumergida.
Química
El gas natural encuentra uno de los campos más amplios de utilización en la industria química. El gas natural como fuente de energía, tanto para la producción de vapor como para el calentamiento de las unidades de cracking y de reforming, permite una perfecta regulación de la temperatura; por el ajuste de la relación aire-gas y la uniformidad de composición del gas natural, presenta una nula corrosión de los haces tubulares gracias a la ausencia de impurezas, y facilita la posibilidad de utilización del gas natural con mezcla variable de otros gases residuales disponibles en la industria gracias a la ductibilidad de los quemadores.
El metano y etano constituyen la materia base en procesos fundamentales de la petroquímica, tan importantes como por ejemplo la producción de hidrógeno, de metanol, de amoniaco, de acetileno, de ácido cianhídrico, etc. Todos estos fabricados se consideran punto de partida para la obtención de una amplia gama de productos comerciales.
Otras actividades industriales
Además de las aplicaciones ya mencionadas, el gas natural es una energía muy usada en todos los procesos de fabricación que requieren calor, como por ejemplo la industria del papel, alimentaria, etc
EL PETRÓLEO
Origen y formación del petróleo
¿QUÉ ES EL PETRÓLEO?
El producto 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.
Factores para su formación:
Al ser un compuesto líquido, su presencia no se localiza habitualmente en el
lugar en el que se generó, sino que ha sufrido previamente un movimiento vertical
o lateral, filtrándose a través de rocas porosas,
a veces una distancia considerable, hasta encontrar una salida al exterior –en
cuyo caso parte se evapora y parte se oxida al contactar con el aire,
con lo cual el petróleo en sí desaparece– o hasta encontrar una roca no porosa
que le impide la salida. Entonces se habla de un yacimiento.
NOTA: El
petróleo no forma lagos subterráneos;
siempre aparece impregnado en rocas porosas.
Estratigráficos: En forma de cuña alargada que se inserta entre dos estratos.
Anticlinal: En un repliegue del subsuelo, que almacena el petróleo en el arqueamiento del terreno.
Falla: Cuando el terreno se fractura, los estratos que antes coincidían se separan. Si el estrato que contenía petróleo encuentra entonces una roca no porosa, se forma la bolsa o yacimiento.
En las últimas décadas se ha desarrollado enormemente la búsqueda de yacimientos bajo el mar, los cuales, si bien tienen similares características que los terrestres en cuanto a estructura de las bolsas, presentan muchas mayores dificultades a la hora de su localización y, por añadidura, de su explotación.
El petróleo no se encuentra distribuido de manera uniforme en el subsuelo hay que tener presencia de al menos cuatro condiciones básicas para que éste se acumule:
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Debe existir una roca permeable de forma tal que bajo presión el petróleo pueda moverse a través de los poros microscópicos de la roca. |
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La presencia de una roca impermeable, que evite la fuga del aceite y gas hacia la superficie. |
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El yacimiento debe comportarse como una trampa, ya que las rocas impermeables deben encontrarse dispuestas de tal forma que no existan movimientos laterales de fuga de hidrocarburos. |
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Debe existir material orgánico suficiente y necesario para convertirse en petróleo por el efecto de la presión y temperatura que predomine en el yacimiento. |
La búsqueda de petróleo o gas se enfrenta con el hecho de que la superficie de la tierra tiene una historia complicada. Los geocientíficos saben que parte de la corteza terrestre, que abarcan continentes y océanos, se han trasladado con relación a otras. Cuando los continentes se separaron, zonas que eran tierra quedaron sumergidas por el mar: esas zonas se convirtieron en lugares de deposición de rocas sedimentarias. Al producirse colisiones las enormes fuerzas originadas levantaron cadenas de montañas, estrujaron las rocas en plegamientos y las echaron unas sobre otras, para formar estructuras complejas. Algunas de éstas son favorables para la acumulación de petróleo.
Una de las estructuras más comunes es el anticlinal, cuyas capas forman un arco hacia arriba o en forma convexa, con las capas antiguas cubiertas por las más recientes y se estrechan con la profundidad. Debajo del anticlinal, puede encontrarse un yacimiento de hidrocarburos, sellado por una capa impermeable. Si se perfora un pozo a través de esta cubierta, hasta llegar al yacimiento, se puede sacar petróleo a la superficie.
Fig.2.- Trampas estratigráficas: lentes de arena donde el petróleo se encuentra impregnado entre los granos (poros). Estos lentes se encuentran rodeados por material impermeable que actúa como roca sello.
Fig.3.- Trampas estructurales: responde a fractura, fallamiento donde se desplaza un bloque respecto del otro, y a plegamiento. El petróleo se acumula en los laterales de la falla y en la cresta de los pliegues.
El petróleo no suele encontrarse en el lugar en el que se genera. La generación de petróleo se produce a partir de la materia orgánica que se encuentra en sedimentos de grano fino, como arcillas; a estos sedimentos se les llama rocas madre. Posteriormente el petróleo se traslada a sedimentos de grano más grueso, como areniscas, por medio de un proceso llamado migración; A veces el petróleo no encuentra obstáculos en su migración, por lo que sale o brota, a la superficie como un manantial (así el Hombre conoció la existencia de petróleo) o bien queda entrampado. Las trampas son sitios del subsuelo donde existen condiciones adecuadas para que se acumulen los hidrocarburos, éstas se caracterizan por la presencia de rocas porosas y permeables conocidas como rocas almacén o reservorios, donde se acumulan o almacenan los hidrocarburos bordeados de capas de rocas impermeables o rocas sello que impiden su migración.
Existen dos tipos de migración: primaria, desde la roca madre a la almacén, y secundaria, dentro de la roca almacén. Mientras que la migración primaria se produce siempre a través de cortas distancia, la secundaria se puede dar a distancias muy largas.
Los reservorios tienen tres propiedades cuyo conocimiento resultan
fundamentales para conseguir el máximo rendimiento en la exploración y producción de
hidrocarburos.
Porosidad
La porosidad es la medida de los espacios huecos en una roca, y resulta
fundamental para que ésta actúe como almacén:
Porosidad = % (volumen de
huecos / volumen total) x 100
La porosidad se expresa como ø. Casi todos los almacenes tienen un ø entre 5% y 30%, y la mayoría entre 10% y 20%.
Existen varios tipos de porosidad según la conexión de sus poros:
Conectada: poros conectados por un solo lado.
Interconectada: poros conectados por varios lados. Las corrientes de agua pueden desalojar el gas y el petróleo (ver saturación de hidrocarburos).
Aislada: poros aislados.
Los poros conectados e interconectados constituyen la porosidad efectiva.
Es el segundo factor importante para la existencia de un almacén. La permeabilidad (k) es la capacidad de una roca para que un fluido fluya a través de ella y se mide en darcys, que es la permeabilidad que permite a un fluido de un centipoise de viscosidad fluir a una velocidad de 1 cm/s a una presión de 1 atm/cm. Habitualmente, debido a la baja permeabilidad de las rocas, se usan los milidarcies.
La ley de Darcy sólo es válida cuando no hay reacciones química entre el fluido y la roca, y cuando hay una sola fase rellenando los poros.
La permeabilidad media de los almacenes varía entre 5 y 500 milidarcies, aunque hay depósitos de hasta 3.000 - 4.000 milidarcies.
Para ser comercial, el petróleo debe fluir a varias decenas de milidarcies.
Debido a ciertas propiedades de los fluidos y de las rocas almacén o reservorios, es común que al menos una parte del espacio poral esté ocupado por agua. La saturación de hidrocarburos expresa el porcentaje del espacio poral que está ocupado por petróleo o gas natural.
En términos geológicos, las capas subterráneas se llaman "formaciones" y están debidamente identificadas por edad, nombre y tipo del material rocoso del cual se formaron. Esto ayuda a identificar los mantos que contienen las ansiadas rocas sedimentarias.
Las "cuencas sedimentarias" son cubetas rellenas de sedimentos, que son las únicas rocas donde se pueden generar hidrocarburos (conforme a la teoría de Engler) y donde en general se acumulan. En pocos casos se dan acumulaciones de petróleo y gas en rocas graníticas. El tamaño de estas cubetas varía en decenas de miles de kilómetros cuadrados, y el espesor generalmente es de miles de metros, alcanzando hasta 7.000 metros. Estas cubetas se encuentran rodeadas por zonas de basamento (que rara vez contienen petróleo).
Son miles los compuestos químicos que constituyen el petróleo, y, entre muchas otras propiedades, estos compuestos se diferencian por su volatilidad (dependiendo de la temperatura de ebullición). Al calentarse el petróleo, se evaporan preferentemente los compuestos ligeros (de estructura química sencilla y bajo peso molecular), de tal manera que conforme aumenta la temperatura, los componentes más pesados van incorporándose al vapor.
Las curvas de destilación TBP (del inglés "true boiling point", temperatura de ebullición real) distinguen a los diferentes tipos de petróleo y definen los rendimientos que se pueden obtener de los productos por separación directa.
La industria mundial de hidrocarburos líquidos clasifica el petróleo de acuerdo a su densidad API (parámetro internacional del Instituto Americano del Petróleo, que diferencia las calidades del crudo).
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Aceite Crudo |
Densidad |
Densidad |
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Extrapesado |
>1.0 |
10.0 |
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Pesado |
1.0 - 0.92 |
10.0 - 22.3 |
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Mediano |
0.92 - 0.87 |
22.3 - 31.1 |
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Ligero |
0.87 - 0.83 |
31.1 - 39 |
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Superligero |
< 0.83 |
> 39 |
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Para descubrir los lugares donde existen yacimientos de petróleo no existe un método científico exacto, sino que es preciso realizar multitud de tareas previas de estudio del terreno. Los métodos empleados, dependiendo del tipo de terreno, serán geológicos o geofísicos.
MÉTODOS GEOLÓGICOS
El primer objetivo es encontrar una roca que se haya formado en un medio propicio para la existencia del petróleo, es decir, suficientemente porosa y con la estructura geológica de estratos adecuada para que puedan existir bolsas de petróleo.
Hay que buscar, luego, una cuenca sedimentaria que pueda poseer materia orgánica enterrada hace más de diez millones de años.
Para todo ello, se realizan estudios geológicos de la superficie, se recogen muestras de terreno, se inspecciona con Rayos X, se perfora para estudiar los estratos y, finalmente, con todos esos datos se realiza la carta geológica de la región que se estudia.
Tras nuevos estudios "sobre el terreno" que determinan si hay rocas petrolíferas alcanzables mediante prospección, la profundidad a la que habría que perforar, etc., se puede llegar ya a la conclusión de si merece la pena o no realizar un pozo-testigo o pozo de exploración. De hecho, únicamente en uno de cada diez pozos exploratorios se llega a descubrir petróleo y sólo dos de cada cien dan resultados que permiten su explotación de forma rentable.
Cuando el terreno no presenta una estructura igual en su superficie que en el subsuelo (por ejemplo, en desiertos, en selvas o en zonas pantanosas), los métodos geológicos de estudio de la superficie no resultan útiles, por lo cual hay que emplear la Geofísica, ciencia que estudia las características del subsuelo sin tener en cuenta las de la superficie.
Aparatos como el gravímetro permiten estudiar las rocas que hay en el subsuelo. Este aparato mide las diferencias de la fuerza de la gravedad en las diferentes zonas de suelo, lo que permite determinar qué tipo de roca existe en el subsuelo.
Con los datos obtenidos se elabora un "mapa" del subsuelo que permitirá determinar en qué zonas es más probable que pueda existir petróleo.
También se emplea el magnetómetro, aparato que detecta la disposición interna de los estratos y de los tipos de roca gracias al estudio de los campos magnéticos que se crean.
Igualmente se utilizan técnicas de prospección sísmica, que estudian las ondas de sonido, su reflexión y su refracción, datos éstos que permiten determinar la composición de las rocas del subsuelo. Así, mediante una explosión, se crea artificialmente una onda sísmica que atraviesa diversos terrenos, que es refractada (desviada) por algunos tipos de roca y que es reflejada (devuelta) por otros y todo ello a diversas velocidades. Estas ondas son medidas en la superficie por sismógrafos.
Más recientemente, las técnicas sísmicas tridimensionales de alta resolución permiten obtener imágenes del subsuelo en su posición real, incluso en situaciones estructurales complejas.
Pero, con todo, la presencia de petróleo no está demostrada hasta que no se procede a la perforación de un pozo.
Aunque en un principio se empleó el método de percusión, cuando los pozos petrolíferos estaban situados a poca profundidad y bajo rocas de gran dureza, dicha técnica desde mediados del siglo XX dejó paso al método de rotación, ya que la mayor parte del petróleo se ha determinado que se encuentra a una profundidad de entre 900 y 5.000 metros, aunque hay pozos que llegan a los 7.000 u 8.000 metros.
Consiste en un sistema de tubos acoplados unos a continuación de otros que, impulsados por un motor, van girando y perforando hacia abajo. En el extremo se halla una broca o trépano con dientes que rompen la roca, cuchillas que la separan y diamantes que la perforan, dependiendo del tipo de terreno. Además, existe un sistema de polea móvil del que se suspende el conjunto de los tubos que impide que todo el peso de los tubos –los pozos tienen profundidades de miles de metros– recaiga sobre la broca.
Para evitar que las paredes del pozo se derrumben durante la perforación y, al mismo tiempo, la estructura de los estratos del subsuelo permanezca inalterada, según se va perforando el pozo, éste va siendo recubierto mediante unas paredes –o camisas– de acero de un grosor de entre 6 y 12 milímetros.
Aprovechamiento del Yacimiento
Los cálculos realizados históricamente permiten afirmar que habitualmente una bolsa de petróleo sólo suele ser aprovechada entre un 25% y un 50% de su capacidad total. El petróleo suele estar acompañado en las bolsas por gas. Ambos, por la profundidad a la que se hallan, están sometidos a altas presiones–el gas, por esa circunstancia, se mantiene en estado líquido–. Al llegar la broca de perforación, la rotura de la roca impermeable provoca que la presión baje, por lo que, por un lado, el gas deja de estar disuelto y se expande y el petróleo deja de tener el obstáculo de la roca impermeable y suele ser empujado por el agua salada que impregna generalmente la roca porosa que se encuentra por debajo de la bolsa de petróleo. Estas dos circunstancias hacen que el petróleo suba a la superficie.
Sin embargo, llega un momento en que la presión interna de la bolsa disminuye hasta un punto en que el petróleo deja de ascender solo -y, por otro lado, el gas, cada vez menor, deja de presionar sobre el crudo–, por lo que hay que forzarlo mediante bombas para que suba. Este bombeo se realiza hasta el momento en que el coste del sistema de extracción es mayor que la rentabilidad que se obtiene del petróleo, por lo que el pozo es abandonado.
Inyección de Agua
Para aumentar la rentabilidad de un yacimiento se suele utilizar un sistema de inyección de agua mediante pozos paralelos. Mientras que de un pozo se extrae petróleo, en otro realizado cerca del anterior se inyecta agua en la bolsa, lo que provoca que la presión no baje y el petróleo siga siendo empujado a la superficie, y de una manera más rentable que las bombas.
Este sistema permite aumentar la posibilidad de explotación de un pozo hasta, aproximadamente, un 33% de su capacidad. Dependiendo de las características del terreno, esta eficiencia llega al 60%.
Inyección de Vapor
En yacimientos con petróleo muy viscoso (con textura de cera) se utiliza la inyección de vapor, en lugar de agua, lo que permite conseguir dos efectos:
1.) Por un lado, se aumenta, igual que con el agua, la presión de la bolsa de crudo para que siga ascendiendo libremente.
2.) Por otro, el vapor reduce la viscosidad del crudo, con lo se hace más sencilla su extracción, ya que fluye más deprisa.
El avance en las técnicas de perforación ha permitido que se puedan desarrollar pozos desde plataformas situadas en el mar (off-shore), en aguas de una profundidad de varios cientos de metros.
En ellos, para facilitar la extracción de la roca perforada se hace circular constantemente lodo a través del tubo de perforación y un sistema de toberas en la propia broca.
Con ello, se han conseguido perforar pozos de 6.400 metros de profundidad desde el nivel del mar, lo que ha permitido acceder a una parte importante de las reservas mundiales de petróleo.
A finales de 2003, las reservas mundiales probadas de petróleo ascendían a 157.000 millones de toneladas, equivalentes a 1,15 billones de barriles.
El 77% de esas reservas se encuentran
en los 11 países pertenecientes a la Organización de
Países Productores de Petróleo (OPEP)
–Arabia Saudí, Argelia, Emiratos Árabes Unidos, Indonesia, Irak, Irán,
Kuwait, Libia, Nigeria, Qatar y Venezuela–.
El 7,5% del total mundial se encuentra en países pertenecientes a la OCDE
(Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico),
formada por 30 países entre los que se encuentran los económicamente más
potentes del mundo. El resto, un 15,6%, está repartido en los demás países
del mundo (entre éstos destacan, por sus reservas, Rusia y China).
Esto quiere decir que el 86,3% de las reservas actualmente existentes de
petróleo en el mundo se encuentran en esos 12 países.
Países del mundo con más petróleo en su subsuelo
bbl/day (barriles por día)
1 barril=159 litros aprox.
Reservas mundiales. Producción y duración
Normalmente, los pozos petrolíferos se encuentran en zonas muy alejadas de los lugares de consumo, por lo que el transporte del crudo se convierte en un aspecto fundamental de la industria petrolera, que exige una gran inversión, tanto si el transporte se realiza mediante oleoductos, como si se realiza mediante buques especiales denominados "petroleros".
Al principio de la industria petrolífera, el petróleo generalmente se refinaba cerca del lugar de producción. A medida que la demanda fue en aumento, se consideró más conveniente transportar el crudo a las refinerías situadas en los países consumidores.
Por este motivo, el papel del transporte en la industria petrolífera es muy importante. Hay que tener en cuenta que Europa occidental importa el 97% de sus necesidades –principalmente de Africa y de Oriente Medio– y Japón, el 100%.
Los países que se autoabastecen también necesitan disponer de redes de transporte eficaces, puesto que sus yacimientos más importantes se encuentran a millares de kilómetros de los centros de tratamiento y consumo, como ocurre en Estados Unidos, Rusia, Canadá o América del Sur.
En Europa, el aprovisionamiento de zonas industriales alejadas del mar exige el equipamiento de puertos capaces de recibir los superpetroleros de 300.000 y 500.000 Tm de carga, almacenamientos para la descarga y tuberías de conducción de gran capacidad.
Aunque todos los medios de transporte son buenos para conducir este producto (el mar, la carretera, el ferrocarril o la tubería), el petróleo crudo utiliza sobretodo dos medios de transporte masivo: los oleoductos de caudal continuo y los petroleros de gran capacidad.
Los otros medios de transporte (barcos de cabotaje, gabarras, vagones cisterna o camiones cisterna, entre otros) se utilizan, salvo casos excepcionales, como vehículos de distribución de productos terminados derivados del petróleo.
En la actualidad no hay en el comercio internacional mercancía individual cuyo transporte supere en volumen o valor al del petróleo.
La ventaja del petróleo es que su fluidez permite el transporte a granel, lo que reduce los gastos al mínimo y permite una automatización casi completa del proceso. Gracias a los adelantos técnicos de hoy en día, basta en muchos casos con hacer la conexión de tuberías y proceder a la apertura o cierre de válvulas, muchas veces de forma automática y a distancia con telecontrol.
Un oleoducto es el conjunto de instalaciones que sirve de transporte por tubería de los productos petrolíferos líquidos, en bruto o refinados.
El término oleoducto comprende no sólo la tubería en sí misma, sino también las instalaciones necesarias para su explotación: depósitos de almacenamiento, estaciones de bombeo, red de transmisiones, conexiones y distribuidores, equipos de limpieza, control medioambiental, etc.
El diámetro de la tubería de un oleoducto oscila entre 10 centímetros y un metro. Los oleoductos de petróleo crudo comunican los depósitos de almacenamiento de los campos de extracción con los depósitos costeros o, directamente, con los depósitos de las refinerías.
En los países que se suministran de crudos por vía marítima, el oleoducto asegura el enlace entre los depósitos portuarios de recepción y las refinerías del interior.
En la actualidad hay en el mundo más de 1.500.000 kilómetros de tubería destinados al transporte de crudos y de productos terminados, de los cuales el 70 por ciento se utilizan para gas natural, el 20 por ciento para crudos y el 10 por ciento restante para productos terminados (carburantes).
Los Estados Unidos tienen la red de oleoductos más densa del mundo. En Europa existen cinco grandes líneas de transporte de crudo que, partiendo de los terminales marítimos de Trieste, Génova, Lavera, Rotterdam y Wilhelnshaven, llevan el petróleo a las refinerías del interior. Esta red es de 3.700 kilómetros, una extensión que se queda pequeña si se compara con los 5.500 kilómetros del oleoducto del Comecón o de la Amistad, que parte de la cuenca del Volga-Urales (600 kilómetros al este de Moscú) y que suministra crudo a Polonia, Alemania, Hungría y otros países centro europeos.
El petróleo circula por el interior de la conducción gracias al impulso que proporcionan las estaciones de bombeo, cuyo número y potencia están en función del volumen a transportar, de la viscosidad del producto, del diámetro de la tubería, de la resistencia mecánica y de los obstáculos geográficos a sortear. En condiciones normales, las estaciones de bombeo se encuentran situadas a 50 kilómetros unas de otras.
El crudo parte de los depósitos de almacenamiento, donde por medio de una red de canalizaciones y un sistema de válvulas se pone en marcha la corriente o flujo del producto. Desde un puesto central de control se dirigen las operaciones y los controles situados a lo largo de toda la línea de conducción. El cierre y apertura de válvulas y el funcionamiento de las bombas se regulan por mando a distancia.
La construcción de
un oleoducto supone una gran obra de ingeniería y
por ello, en muchos casos, es realizada conjuntamente por varias empresas.
También requiere de complicados estudios económicos, técnicos y financieros
con el fin garantizar su operatividad y el menor impacto posible en el medio ambiente.
El trazado debe ser recto en la medida de lo posible y, normalmente, la
tubería es enterrada en el subsuelo para evitar los efectos de la
dilatación. Los conjuntos de
tubos se protegen contra la corrosión exterior
antes de ser enterrados. Las tuberías se cubren con tierra y el terreno,
tras el acondicionamiento pertinente, recupera su aspecto anterior.
Actualmente se transportan por mar más de mil millones de toneladas de crudo al año en todo el mundo.
El petrolero es el medio más económico
para transportar petróleo a grandes distancias y tiene la ventaja de una
gran flexibilidad de utilización. Su principal característica es la división
de su espacio interior en cisternas individuales, lo que permite separar los
diferentes
tipos de petróleo o sus productos derivados.
Buque de extracción y almacenamiento de crudo.
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.
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.
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".
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 demandas 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.
Para hacer más rentable el proceso de refino y adecuar la producción a la demanda, es necesario transformar los productos, utilizando técnicas de conversión. Los principales procedimientos de conversión son el "cracking"y el "reformado".
Los procedimientos de "cracking" o craqueo consisten en un ruptura molecular y se pueden realizar, en general, con dos técnicas: el craqueo térmico, que rompe las moléculas mediante calor, o el craqueo catalítico, que realiza la misma operación mediante un catalizador, que es una sustancia que causa cambios químicos sin que ella misma sufra modificaciones en el proceso.
Refinería
(Se pueden ver algunas torres de fraccionamiento o destilación)
Recogida de líquido
En general, los productos obtenidos en los procesos anteriores no se pueden considerar productos finales. Antes de su comercialización deben ser sometidos a diferentes tratamientos para eliminar o transformar los compuestos no deseados que llevan consigo. Estos compuestos son, principalmente, derivados del azufre.
Con este último proceso, las refinerías obtienen productos que cumplen con las normas y especificaciones del mercado. El proceso de craqueo catalítico, antes mencionado, permite la producción de muchos hidrocarburos diferentes que luego pueden recombinarse mediante la alquilación, la 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 una gigantesca industria petroquímica que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes, materias primas para fabricar medicinas, nailon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes, así como otros componentes para la producción de abonos. Las plantas de tratamiento más usuales son: MTBE, para mejorar la calidad de la gasolina, alquilación, para reducir los derivados de plomo, e isomerización, para obtener productos de alto índice de octano que son utilizados para las gasolinas.
PORCENTAJES DE LOS DISTINTOS PRODUCTOS REFINADOS
En 1920, un barril de crudo, que contiene 159 litros, producía 41,5 litros de gasolina, 20 litros de queroseno, 77 litros de gasoil y destilados y 20 litros de destilados más pesados.
Hoy un barril de crudo produce 79,5 litros de gasolina, 11,5 de combustible para reactores, 34 litros de gasoil y destilados, 15 litros de lubricantes y 11,5 litros de residuos más pesados.
DISTRIBUCIÓN DE LOS PRODUCTOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO
Los productos derivados del petróleo alimentan no sólo a otras industrias, sino, sobre todo, a los consumidores industriales o privados. Al principio resultaba más económico situar las refinerías junto a las explotaciones petrolíferas, mientras que ahora, los progresos realizados en la técnica de los oleoductos han dado lugar a una evolución que conduce a instalar las refinerías cerca de los grandes centros de consumo.
Una vez obtenidos los derivados petrolíferos, las empresas deben distribuir sus productos a los clientes. En general, estos productos salen de las refinerías a granel, aunque algunos se envasan en latas o bidones, listos para su uso. Los grandes consumidores, como las eléctricas o las industrias químicas, reciben el suministro directamente de la refinería, por oleoducto o por carretera. Los consumidores de menos cantidades son abastecidos, generalmente, desde centros de almacenamiento y distribución.
Aunque los derivados del petróleo forman una gama muy variada, el 90% de ellos se destinan a satisfacer las necesidades energéticas del mundo. Es decir, estamos hablando de los combustibles.
Principales productos derivados del petróleo
Otros derivados
