EL PETRÓLEO COMPONENTES: Grupo 3 −Antonio López Soriano

EL PETRÓLEO
COMPONENTES:
Grupo 3
−Antonio López Soriano
−José Pascual Soriano Moragón
−Leonardo José Marco Verdú
Bibliografía:
−Enciclopedia Microsofr Encarta 99
−Enciclopedia Planeta
−Enciclopedia Aula 99
−Diccionario Enciclopedico Espasa
INTRODUCCIÓN
El petroleo es un líquido natural, oleaginoso e inflamable, de color oscuro y olor característico, más ligero que
el agua, formado por una mezcla de hidrocarburos. Se extrae de lechos geológicos continentales o marinos.
Conocido desde antiguo por sus afloraciones naturales (asfalto o betún de Judea), que ya utilizaban en
Mesopotamia para calafatear buques y como material de construcción, la primera destilación del petróleo
bruto se llevó a cabo en Rusia, en el siglo XVIII, y laperforación histórica que inició la carrera por el «oro
negro» tuvo lugar en Pennsylvania en 1859; al principio, únicamente se aprovechó el queroseno, y poco
después los aceites pesados, como lubricantes y para usos domésticos. A comienzos del siglo XX, con la
implantación creciente del automóvil, fue la gasolina el componente que empezó a alcanzar mayor demanda,
y hacia los años veinte, con el descubrimiento de la destilación continua, se empezó a utilizar el fuel−oil.
Después de la segunda guerra mundial, con los avances de la petroquímica (destilación fraccionada, cracking
y reforming), fueronaumentando progresivamente los derivados que se obtenían para su uso directo o como
productos intermedios para la obtención de una vasta gama de compuestos de síntesis, con aplicaciones en los
más variados campos.
El petróleo natural, constituido principalmente por hidrocarburos parafínicos, nafténicos y aromáticos, además
de azufre, mercaptanos y agua salada, es el resultado de un largo proceso de degradación bacteriana de
organismos acuáticos animales y vegetales, producida en el fondo de los océanos durante un período de
millones de años. El petróleo queda depositado en la llamada «roca madre», desde donde migra a través de
areniscas, calizas y otras rocas porosas («rocas almacén») hasta alcanzar una anomalía geológica (anticlinal o
falla), donde una capa impermeable de marga o de arcilla forma una «trampa» que lo mantiene retenido. Se
encuentra casi siempre situado entre una
capa inferior de agua salada (más densa que el petróleo) y una capa superior de hidrocarburos gaseosos,
aunque también puede ascender y salir libre a la superficie en forma de rezumamiento.
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Composición elemental del petróleo
Elementos Porcentaje
Carbono 83−87
Hidrógeno 11,4−11,8
Azufre 0,05−8
Oxígeno 0,05−3
Nitrógeno 0,02−1,3
(También tiene bajos porcentajes de Niquel y Vanadio)
Distintas clases de petróleo: El petróleo que se extrae entre los diferentes países tiene una composición que
oscila dentro de los aplios límites y es debida al origen a la edad y la temperatura a que se a formado. Por
ejemplo, los petróleos que se extraen en Pensilvania contienen casi exclusivamente parafinas; los de la URSS
son ricos en naftenos; los de Rumanía, la composición es parafínico−nafténica; en los de Arabia se encuantran
compuestos nafténicos en su mayoria.
EXTRACCIÓN
Origen y formación de yacimientos. Sobre el origen de este combustible rodean muchas hipótesis, optando
bien por una formación inorgánica, a través de reacciones químicas en el interior de la corteza terrestre, o bien
orgánica, que es la mayoritariamente aceptada. Se supone que el petróleo se ha originado a partir de la
transformación de la materia orgánica contenida en los sedimentos y rocas sedimentarias que constituyen las
denominadas rocas madres del petróleo. El petróleo rara vez se encuentra impregnando dichas rocas, como
ocurre con las pizarras, botuminosas de Puertollano (Ciudad Real, en España). En estos casos se extraen de la
destilación directa de estas rocas las gasolinas y aceites pesados. Lo normal es que la roca madre quede
enterrada en profundidad y que los hidrocarburos formados a partir de los fangos sapropélicos (mezcla de
plancton marino y fango en un ambiente reductor) se vuelven ligeros y móviles, con lo que aumenta su
capacidad de migración. Se apoya esta hipótesis del plancton porque se ha dado la presencia de huellas de
derivados colofílicos y de pigmentos de origen animal en repetidas muestras petrolíferas. En estas bolsas es
muy frecuente encontrar gas metano a presiones elevadas. Así se forma a partir de los fangos citados que,
como fluidos, tienden a emigrar a la superficie. Si la alcanzan, el gas y los hidrocarburos más ligeros se
disipan y quedan residuos (betunes), impregnando las rocas superficiales, igual que en el caso de Puertollano.
Pero en la mayoría de los casos son detenidos por trampas de origen tectónico o sedimentario. Estas trampas
petrolíferas son las que los geólogos detectan por métodos geofísicos y estudios de geología de campo. Dentro
de una trampa los fluidos se ordenan por densidades: los gases en la parte alta, el petróleo en medio y abajo el
agua salada (que prueba el origen marino del petróleo). La acumulación de los fluidos tiene lugar en las
denominadas rocas almacén, que deben reunir las condiciones mínimas de porosidad y permeabilidad para
contener petróleo y permitir su movimiento dentro de ellas. Así, para que se conserve un yacimiento
petrolífero, es necesario que sobre las rocas almacén exista una cobertura de rocas impermeables que impida
el ascenso de los fluidos hacia la superficie. En el caso de estar alejados de una trampa, el petróleo puede
aflorar superficialmente, donde puede permanecer por tiempo indefinido, después de su parcial oxidación, en
forma de depósitos o impregnaciones de asfalto, o bien pueden ser destruidos por acciones biológicas,
fundamentalmente de carácter bacteriano. Son las bacterias anaerobias las que parece que juegan aquí un
papel importante en los orígenes del petróleo, ya que con su acción ayudan a las reacciones diagenéticas y los
restos orgánicos quedan reducidos a compuestos a base de carbono e hidrógeno solamente. La
descomposición de las bacterias origina los ya citados sapropeles. Todo esto implica un proceso lento como
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confirma el hecho que en sedimentos recientes no se encuentra petróleo. Otro tipo especial de trampa
petrolífera es el que se da asociado a una erupción volcánica, en la que la roca eruptiva, al atravesar los
estratos, ha formado una trampa en la que posteriormente se ha acumulado el petróleo. Como tal hidrocarburo,
el petróleo posee cierta cantidad de carbono, que oscila según el yacimiento en el que se encuentra. El
porcentaje medio oscila entre un 80% y un 90%. Está formado por una mezcla de compuestos, entre los que
cabe destacar el metano, etano, propano, butano, etileno, acetileno, benceno, fenol, etc. Para poder aprovechar
selectivamente estos productos es necesario someter el petróleo al proceso de refinado.
Localización y extracción. Desde el advenimiento de la revolución industrial las crecientes necesidades de
petróleo y de gas natural han determinado que la búsqueda y explotación de los yacimientos de hidrocarburos
naturales, y en especial del petróleo, hayan mejorado y especializado mucho y así constituir una de las ramas
importantes de la geología aplicada al petróleo o, en conjunto, a los hidrocarburos. El petróleo crudo carece de
utilidad comercial, pero tratándolo se pueden separar de él una serie de productos útiles por destilación,
obteniéndose una serie de fracciones de punto de ebullición y peso molecular. Todo yacimiento petrolífero es
el volumen de roca almacén impregnado de petróleo, que tenga continuidad física y que esté sometido a un
solo régimen de presión. Se denomina campo petrolífero la región del subsuelo en el que existen uno o más
yacimientos, a veces superpuestos, originados en condiciones geológicas semejantes. Los yacimientos útiles
de hidrocarburos se encuentran a profundidades de hasta 6.000 ó 7.000 m. En ocasiones se encuentran
afloramientos naturales y superficiales de hidrocarburos, denominados manifestaciones superficiales; casi
siempre están relacionados con yacimientos subterráneos, aunque en su mayor parte caracen de interés
económico.
En la localización de las trampas petrolíferas se emplean varios métodos, dejando aparte los afloramientos
superficiales citados, que están asociados a yacimientos de poca profundidad, generalmente a hidrocarburos
sólidos. La búsqueda del petróleo en el interior de la corteza terrestre hasta los 6.000 m de profundidad sólo es
posible alcanzarlos con las modernas técnicas de perforación. Se lleva a cabo por los denominados métodos
geofísicos aptos para definir las condiciones y estructuras del subsuelo. Estos métodos, completados por
sondeos explorativos, permiten confirmar o no los resultados obtenidos con la prospección geofísica. Con
estos datos se configura una columna estratigráfica detallada de la región que se investiga, y en función de los
datos geológicos y de la citada columna se interpreta la historia geológica y se localizan las trampas. Como
método de estudios preliminares destacan: Investigación geológica de las superficies para fijar las zonas de
exploración. Método magnético , empleado frecuentemente en la exploración preliminar de las posibilidades
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petrolíferas de la región. Se funda en la medición de las anomalías del campo magnético de la Tierra,
provocadas por la falta de homogeneidad de la corteza. Se mide con magnetómetros. En ocasiones las
investigaciones magnéticas se sustituyen por las gravimétricas, que consiste en localizar anomalías
gravimétricas, las cuales pueden deberse a irregularidades en la distribución de las transformaciones rocosas
del subsuelo con distintas densidades. Se realiza la medida con gravímetros. El método más utilizado es el
sísmico , que consiste en hacer pasar un tren de ondas sísmicas, que previamente se han provocado con una
explosión subterránea, o se aprovechan los sismos locales de la región, a través de las rocas del subsuelo; la
variación de velocidad de las ondas sufrirá discontinuidades cuando atraviese las trampas petrolíferas de gases
y líquidos. Entre los métodos eléctricos aparecen en importancia las mediciones de los gradientes de potencial
originados en la superficie terrestre por corrientes telúricas, que son corrientes espontáneas, de intensidad muy
débil, que recorren la corteza terrestre y se concentran en las formaciones sedimentarias de menor resistividad.
Con este método se espera poder determinar la configuración estructural y las variaciones de espesor de la
cobertura sedimentaria.
Métodos de perforación: Tras interpretar las características estratigráficas del subsuelo, estudiadas por los
anteriores métodos, se decide el emplazamiento de las perforaciones. Se suelen elegir las zonas más elevadas
de los pliegues anticlinales que pueden albergar en su núcleo a la roca almacén. Actualmente las perforaciones
de realizan por trépanos de rotación montados en torres metálicas, pero en el pasado fue muy usado el método
de percusión , por el cual la roca es triturada mediante una sonda de acero, que de forma rítmica se levanta y
se deja caer. Hay sistemas de percusión por circulación de agua a través de una columna de piezas tubulares
que sostienen la sonda y que sirven para extraer los fragmentos de roca. La velocidad de avance no es muy
rápida, unos 20 ó 30 m cada 24 horas, y un inconveniente es que se ha de revestir las paredes del sondeo a
medida que éste avanza para impedir derrumbamientos de paredes en algunos niveles. Se utiliza con buenos
resultados en pozos es escasa profundidad, en especial en rocas no duras, cavernosas y permeables. El método
de perforación por rotación consiste en excavar un pozo por medio de un trépano que gira a gran velocidad
(300 revoluciones o más por minuto), situado en el extremo de una columna de tubos de acero, en cuya parte
superior se añaden nuevos tubos a medida que la profundidad de la perforación aumenta. La perforación se
realiza sin revestir las paredes. Por medio de una bomba se hace circular el lodo por el interior de la columna
de tubos, y sale de ella por la parte inferior del sondeo, emergiendo a la superficie a través del espacio de
sección anular que existe entre la columna de tubos y las paredes de perforación, con lo que se consigue
sostener las paredes y transportar los fragmentos de roca arrancados. Otros métodos utilizados son por
turbinas y perforación de rotación en circulación de aire comprimido (a 6−12 atm).
PAÍS
Arabia Saudí**
Estados Unidos
CEI
Irán**
México
China
Venezuela**
Noruega
Reino Unido
Emiratos Árabes Unidos**
Kuwait**
Canadá
Nigeria**
Indonesia**
PRODUCCIÓN EN 1995*
(millones de toneladas)
426,5
386,1
354,9
182,8
154,9
148,8
146,4
139,2
130,3
112,8
104,4
93,8
89,3
73,8
4
Libia**
Argelia**
Egipto
Total OPEP
Total mundial
67,9
56,8
46,0
1.330,6
3.234,6
* Sólo se recogen las producciones superiores a 45 millones de
toneladas.
** Miembro de la Organización de Países Exportadores de Petróleo
(OPEP)
Fuente: Observatorio de la energía, Conferencia mundial de la energía
Cuando se terminan estas operaciones se procede a la extracción: Cuando el pozo ha sido perforado hasta la
profundidad establecida, se reviste totalmente con una columna de tubos de acero. En el espacio existente
entre las paredes de la perforación y la columna de tubos se inyecta el cemento, con el fin de bloquear las
posibles infiltraciones de agua de los estratos impermeables. A la altura de los niveles petrolíferos se abren
agujeros en el revestimiento. En ocasiones es necesario estimular el flujo de hidrocarburos al comenzar la
explotación o en sus fases últimas. La deflagración de cargas explosivas en los niveles potencialmente
productivos provoca la fractura de la roca que rodea el punto de explosión, y aumenta considerablemente la
superficie a través de la cual los hidrocarburos penetran en el pozo. También se emplea la técnica de fractura
hidráulica mediante un líquido gelatinoso, que inyectado a intensa presión en las fisuras de la roca almacén las
dilata sin obstruir poros ni las fisuras más pequeñas. Después, el líquido es eliminado con sustancias
septizantes. En el caso de yacimientos en rocas calcáreas, se obtienen los mismos efectos por acidificación si
se inyecta un ácido que ensanche y ahonde las fracturas de la roca por disolución. El petróleo que penetra en
el pozo puede subir hasta la superficie por sí solo (método fluyente), cuando la presión de los fluidos en la
roca almacén es elevada y el petróleo no es demasiado viscoso; en otros casos es necesario instalar bombas en
el pozo (método mecánico). La presión en el pozo y la disminución de la presión inicial en el transcurso de la
explotación tiene gran importancia para determinar el porcentaje que puede ser extraído. Así, es necesario el
estudio de los cambios de fase de los hidrocarburos. La presión puede mantenerse constante o disminuir.
Dependiendo de esto aparecen distintos tipos de explotación. Otro tipo es el de recuperación , que consiste en
inyectar gas natural, aire o agua en el yacimiento, a través de pozos, con el fin de incrementar la presión de los
fluidos y estimular el movimiento del petróleo hacia los pozos. Además de emplear este método de extracción
en pozos casi agotados, se emplea en nuevos para aumentar la producción de hidrocarburos líquidos.
Generalmente se inyecta en el yacimiento el gas que sale con el petróleo. Este método es necesario en caso de
yacimientos con gases condensables, los cuales son separados por disminución de la presión antes de
introducir el metano en el subsuelo. En yacimientos poco profundos, pobres en gas disuelto y de difícil
extracción, la explotación se realiza por medio de minas. Desde las galerías de las minas que pasan muy cerca
de la roca almacén, parten breves perforaciones que penetran en la roca y por donde va goteando el petróleo,
donde es recogido en canales y conducido a la superficie. Otro método de recuperación secundaria utilizado
esporádicamente es el calentamiento de la formación petrolífera mediante inyecciones de vapor alimentada
por aire, con el fin de hacer más fluida una parte del petróleo viscoso y facilitar así su movimiento hacia los
pozos. La explotación racional de un yacimiento de hidrocarburos se obtiene con la planificación exacta de la
distribución geográfica de los pozos, que debe repartirse todo el volumen de laroca almacén impregnado en
gas o petróleo.
Productos derivados
El petróleo es una mezcla de términos intermedios pertenecientes a diversas series de hidrocarburos en
solución, los cuales, en estado puro, son gaseosos o líquidos. Una vez extraído, la primera operación es
separarlo del agua salada, tierra y fango que lo pueden enturbiar. La segunda operación es la destilación, con
el objeto de obtener los llamados gases de refinería (hidrocarburos, constituidos hasta por cuatro átomos de
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carbono, gasolinas, queroseno, aceites ligeros o tipo diesel y aceites pesados). En este proceso se somete el
petróleo a elevadas temperaturas a la presión atmosférica; de esta forma se van obteniendo diferentes
fracciones, según el punto de ebullición. Así la gasolina es la fracción que hierve entre los 80 y 200 ºC. La
destilación o refinado se realiza en unas altas torres que tienen diferentes salidas a distintas alturas, por donde
sale cada una de las fracciones. Posteriormente, cada una de las fracciones es susceptible de ser sometida a
nuevos procesos para obtener de esta forma sus últimos componentes. Entre los derivados se encuentran:
parafinas , que son hidrocarburos saturados con notable estabilidad química; olefinas, cicloparafinas o naftas,
que son todos aceites ligeros; mercaptanos, compuestos nitrogenados como la piridina y la quinoleina;
cantidades pequeñas de compuestos orgánicos oxigenados , como fenoles, ácidos grasos y los ácidos
naftánicos; también se encuentra el ácido sulfhídrico, queroseno y ceras minerales; otros derivados son el
fuel−oil, alquitrán, asfalto y coque. Los combustibles líquidos son los más utilizados por sus notables
ventajas, mayor rendimiento calorífico y posibilidad de utilización en los motores que funcionan por
combustión interna. Los de mayor importancia económica son el grupo de las gasolinas, con varios tipos en
función del octanaje. Con el fin de cubrir toda la demanda actual una parte de los aceites pesados y ligeros se
somete a procesos de craqueo o cracking, de modo que los hidrocarburos de elevado peso molecular se
descomponen térmicamente con otros de igual cantidad de átomos que las gasolinas y con un punto de
ebullición menor. Así se pueden separar compuestos como el butano, propano, etileno, etc. Un elemento base
para la industria química es el benceno, del que se obtienen derivados importantes como la anilina y el fenol,
para la fabricación de pinturas, detergentes, tintes, plásticos y herbicidas.
El petróleo es base para la actual industria, estando en su fase de total expansión y moderno desarrollo con la
incorporación de nuevas técnicas. Es el elemento energético básico, alrededor del cual nacen grandes
multinacionales por todo el mundo, puesto que mantiene a pesar de la reciente crisis energética (esta posición,
por las concentraciones de producción agrupada en los países de la O.P.E.P., devaluaciones del dólar, etc.,
repercuten en toda la industria). La invasión de Kuwait por Irak el 2 de agosto de 1990 supuso un duro golpe,
quedando este último país sometido a un embargo que también afectó al petróleo de Kuwait en el período de
la ocupación, hasta finales de febrero de 1991. Esto también fue negativo en el sentido que muchos pozos
fueron destruidos. A pesar de todo los países potentes siguen ostentado la mayor producción energética en
este sector, capitaneado por Estados Unidos, Rusia, Arabia Saudí, Irán y México, seguidos de China y
Venezuela. Las nuevas tendencias han mejorado y mejorarán los sistemas de explotación y rendimiento.
APLICACIONES
COMBUSTIÓN
La combustión es la reacción mediante la cual el carbono (C) y el hidrógeno (H), que constituyen la molécula
de los hidrocarburos, reaccionan completamente, es decir con el oxígeno (O) contenido en el aire, para formar
dióxido de carbono y vapor de agua. Se trata de una reacción de producción de calor.
La combustión para su aprovechamiento se ha de realizar en los lugares preparados para obtener beneficios de
dicha reacción. Dichos lugares son los motores, calderas, etc...
Motor de combustión:
• De combustión externa. Motor térmico en el cual la fuente de calor es exterior al mismo, es decir, la
combustión no se produce dentro del cilindro o de la turbina. En los motores tradicionales (de
combustión externa), el combustible se quema en un hogar, produciéndose en una caldera el vapor
que actúa en forma de fluido activo y accionando los pistones, si se trata de un motor rotativo. El
vapor, después de la expansión, puede condensarse y regresar a la caldera. El motor de vapor fue
perfeccionado por Watt. Los primeros intentos para aprovechar los motores de combustión externa
para la locomoción por carretera, se remontan al comienzo del siglo XIX; sin embargo a principios
del siglo XX, los motores combustión interna se impusieron definitivamente. Hasta los años setenta,
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los motores de vapor se empleaban, en algunos países, para tracción ferroviaria. En los motores de
combustión externa nucleares, el calor se obtiene aprovechando la energía desarrollada por una
reacción nuclear (fisión del átomo de uranio). En algunos casos (turbinas de ciclo cerrado y centrales
nucleares), se recurre a un fluido intermedio para la transmisión del calor de la fuente al fluido activo.
• De combustión interna. Se denomina así a todo motor en el cual la energía mecánica se obtiene
mediante la transformación de la energía derivada de una combustión, que se produce en el interior
del propio motor y en el seno del propio fluido, llamado fluido activo, que genera el movimiento de
los órganos del motor (alternativo o rotativo) o el empuje (motores a chorro). El fluido activo suele
estar constituido (con excepción de los motores espaciales) por una mezcla de aire y combustible
(mayoritariamente un derivado del petróleo) gaseoso o líquido finamente pulverizado. Como
consecuencia de la combustión de esta mezcla, se generan variaciones de temperatura (en la práctica
el fluido activo introduce calor en el motor en algunas fases del ciclo y extrae calor en otras) y de
volumen a presión a partir de las cuales se extrae trabajo.
Los motores de combustión interna presentan, con relación a los motores de combustión externa, la ventaja de
la eliminación del hogar externo, la caldera, la reserva de agua con su respectivo depósito y el condensador.
Además, en los motores de combustión interna alternativos, las temperaturas medias de los órganos mecánicos
pueden mantenerse, por medio de sistemas de refrigeración, a niveles muchos más bajos que en los motores
de combustión externa de vapor, a pesar de que las temperaturas máximas son bastante más elevadas
(aproximadamente 1.400ºC en lugar de 120ºC), por el hecho de que estas máximas solo se alcanzan por
intervalos de tiempo muy cortos; esto conlleva dificultades de lubricación menores. También las presiones
poseen variaciones distintas; mientras en los motores de vapor son constantes e iguales a las de la caldera
(12atm), en los de combustión interna varían mucho durante el ciclo y alcanzan máximos bastante más
elevados (80atm), que permiten rendimientos térmicos superiores.
Entre las etapas fundamentales del origen del motor de combustión interna se nombran, además de la
formulación del ciclo de Beau de Rochas, las realizaciones de Bernardi y Daimler, al cual se suele atribuir la
primera aplicación del motor de combustión interna a los vehículos (1883−1885), aunque parece ser que ya en
1865 existieron algunas ideas y prácticas al respecto, obra del alemán Marcus. A partir de principios del siglo
XX, los motores de combustión interna substituyeron a los de combustión externa en automoción.
COMPRESIÓN
Es la fase de ascenso del pistón sucesiva a la de admisión, durante la cual la mezcla de aire y combustible es
comprimida por el cilindro en la cámara de combustión hasta reducir su volumen unas 7/10 veces. Durante
esta fase la presión de la mezcla aumenta, ya sea por efecto de la reducción del volumen, o como
consecuencia del aumento de la temperatura debido a la compresión. El aumento de presión permite que se
queme la mezcla, desarrollando una potencia mucho mayor que la que se obtendría con una combustión a
presión normal. En un principio los motores de combustión interna prescindían de la fase de compresión,
actuando a presión normal (atmosférica). Pero más tarde Otto y Beau de Rochas comprobaron mediante
experimentos el aumento de la potencia al comprimir la mezcla antes de la combustión (a presión atmosférica
la presión de la combustión no rebasaba la 8atm, pero ejerciendo un presión a la mezcla de 15atm la presión
posterior a la combustión rebasaba la 60atm supone un aumento de 4 veces).
Se puede observar el ciclo completo de la combustión en el esquema siguiente:
1
12
7