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Petroquímica

Petroquímica
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Concepto:La industria de transformación que utiliza petróleo, gas natural o de refinería como materias primas se llama petroquímica.

Petroquímica. industría que se basa fundamentalmente en la refinación del petróleo y la fabricación de polímeros que son los derivados del petróleo, durante estos procesos se derivan varios diferentes productos como lo son el metano, etano, propano, etc...

Antecedentes

Del petróleo se obtienen determinados compuestos que son la base de diversas cadenas productivas que determinan en una amplia gama de productos denominados petroquímicos que se utilizan en las industrias de fertilizantes, plásticos, alimenticia, farmacéutica, química y textil, entre otras. Las principales cadenas petroquímicas son las del gas natural, las olefinas ligeras (etileno, propileno y Buteno) y la de los aromáticos.

A partir del gas natural se produce el gas de síntesis que permite la producción a gran escala de hidrógeno, haciendo posible la producción posterior de amoníaco por su reacción con nitrógeno, y de metanol, materia prima en la producción de metil-terbutil-éter, entre otros compuestos.

Del etileno se producen un gran número de derivados, como las diferentes clases de polietileno, cloruro de vinilo, compuestos clorados, óxidos de etileno, monómeros de estireno entre otros que tienen aplicación en plásticos, recubrimientos, moldes, etc.

Del propileno se producen compuestos como alcohol isopropílico, polipropileno y acrilonitrilo, que tienen gran aplicación en la industria de solventes, pinturas y fibras sintéticas. Por deshidrogenación de butenos, o como subproducto del proceso de fabricación de etileno se obtiene el 1.3-butadieno que es una materia prima fundamental en la industria de los elastómeros, para la fabricación de llantas, sellos, etc.

Una cadena fundamental en la industria petroquímica se basa en los aromáticos (benceno, tolueno y xilenos). El benceno es la base de producción de ciclohexano y de la industria del nylon; así como del cumeno para la producción industrial de acetona y fenol. Los xilenos son el inicio de diversas cadenas petroquímicas, principalmente las de las fibras sintéticas.

Productos que elabora la petroquímica.

Se pueden dividir los productos según su utilización en:

  • Solventes, entre los cuales se encuentran diversos alcoholes, acetona y otros que se usan en la extracción de esencias para perfumes o de aceites de semillas oleaginosas, limpieza de ropas, etcétera:


  • Productos químicos industriales, tales como el negro de humo para pinturas y neumáticos; azufre para preparar ácido sulfúrico; aditivos para la nafta; anticongelantes para radiadores, etcétera;


  • Detergentes, que en gran parte reemplazan a los jabones y son más eficaces cuando se emplean aguas duras;


  • Productos químicos agropecuarios, tales como fertilizantes y herbicidas, cuyo uso determina aumentos en el rendimiento de las tierras cultivadas; insecticidas para combatir depredadores como la langosta e insectos portadores de diversas enfermedades;


  • Plásticos, como el polietileno, el polipropileno, el cloruro de polivinilo, etcétera, que al ser moldeados permiten la fabricación de innumerables objetos: tubos, envases, cubiertas impermeables, juguetes, materiales para la construcción;


  • Fibras sintéticas, variedades de plásticos que se transforman en filamentos continuos por el pasaje a través de finos orificios; por ejemplo: el nailon, el dacrón, el poliéster, etcétera.


Polímeros

Sustancia química, compuesta por unidades estructurales repetidas: el plástico está formado por polímeros. Molécula constituida por la repetición de unidades químicas más simples unidas por enlace covalente. La formación de estas macromoléculas puede realizarse por reacción de moléculas (reacción de polimerización) más sencillas denominadas monómeros.

La mayoría de los polímeros utilizados como plásticos, fibras y cauchos tienen pesos moleculares (producto del peso molecular de la unidad repetitiva por el grado de polimerización) que oscilan entre 10.000 y 1.000.000 (por ejemplo, el polietileno de peso molecular entre 1.000 y 5.000 es un sólido céreo que sólo adquiere propiedades útiles cuando su peso molecular es mayor de 10.000).

Las propiedades útiles que presentan los polímeros, como su resistencia mecánica, alta temperatura de transición vítrea (para plásticos amorfos), alta temperatura de fusión (para fibras y filmes semicristalinos), se deben a su alto peso molecular. Debido a los procesos de polimerización (tanto de polímeros sintéticos como naturales) en los que la longitud de cada cadena es determinada por sucesos aleatorios, cada polímero estará formado por un conjunto de cadenas de diferente grado de polimerización (macromoléculas con longitud diferente). Esta longitud de la cadena está determinada por el tiempo en que la cadena crece antes de que ocurra la etapa de terminación.

Los átomos que forman las cadenas poliméricas y sus sustituyentes tienen una importancia capital en las propiedades de los polímeros. En los polímeros de adición, la polaridad y el volumen del sustituyente tiene gran influencia en propiedades y características como la temperatura de transición vítrea, cristalización, flexibilidad de la cadena, etc.

En el caso de polímeros de condensación, los tipos de átomos de las funciones que forman la cadena principal del polímero van a determinar un gran número de sus características. Asimismo, los sustituyentes introducidos en la cadena principal van a influir en la rigidez de la cadena (como en el caso de anillos aromáticos), en el punto de fusión (en polímeros cristalinos), etc. Los enlaces de unión entre átomos de la cadena principal y de los sustituyentes son de tipo covalente. Las fuerzas de enlace secundarias que se producen entre cadenas macromoleculares desempeñan un papel importante en la textura de los polímeros y en sus propiedades térmicas y mecánicas.

Las cadenas con fuerzas intermoleculares débiles y con poco poder de adaptación lateral para formar estructuras ordenadas son características de los cauchos o elastómeros. Si la atracción intermolecular es fuerte y la disposición espacial de los sustituyentes es tal que permite la adaptación de las cadenas para formar una estructura ordenada (cristalinidad), se dan las condiciones estructurales de una fibra.

El mercado de estos productos se caracteriza por su gran variedad de aplicaciones. Los petroquímicos son utilizados principalmente como materia prima de las industrias química y petroquímica, así como en la industria de solventes, pinturas, recubrimientos, alimentos, fármacos, pegamentos y adhesivos, propelentes, obtención de hidrógeno, expansores para poliestireno y solventes de polimerización, industria hulera, rolados de aluminio y elaboración de tintes para la imprenta y de aceites y grasas industriales, etc. Por otra parte, el azufre es utilizado en ingenios azucareros y para la elaboración de fertilizantes, fabricación de caprolactama, químicos, jabones y detergentes, producción de ácidos sulfúrico y sulfhídrico, entre otros.

Los productos tienen que cumplir con una serie de especificaciones que aseguren su comportamiento satisfactorio. Esto se logra con una serie de transformaciones químicas que ocurren en los diversos procesos que constituyen una refinería, donde se modifica la estructura de los hidrocarburos.

¿Cómo se formó el petróleo?

Existen varias teorías sobre la formación del petróleo. Sin embargo, la más aceptada es la teoría orgánica que supone que se originó por la descomposición de los restos de animales y algas microscópicas acumuladas en el fondo de las lagunas y en el curso inferior de los ríos. Esta materia orgánica se cubrió paulatinamente con capas cada vez más gruesas de sedimentos, al abrigo de las cuales, en determinadas condiciones de presión, temperatura y tiempo, se transformó lentamente en hidrocarburos (compuestos formados de carbón e hidrógeno), con pequeñas cantidades de azufre, oxígeno, nitrógeno, y trazas de metales como fierro, cromo, níquel y vanadio, cuya mezcla constituye el petróleo crudo.

Estas conclusiones se fundamentan en la localización de los mantos petroleros, ya que todos se encuentran en terrenos sedimentarios. Además los compuestos que forman los elementos antes mencionados son característicos de los organismos vivientes.

Ahora bien, existen personas que no aceptan esta teoría. Su principal argumento estriba en el hecho inexplicable de que si es cierto que existen más de 30 000 campos petroleros en el mundo entero, hasta ahora sólo 33 de ellos constituyen grandes yacimientos. De esos grandes yacimientos 25 se encuentran en el Medio Oriente y contienen más del 60% de las reservas probadas de nuestro planeta.

Uno se pregunta entonces: ¿Cómo es posible que tantos animales hayan muerto en menos del 1% de la corteza terrestre, que es el porcentaje que le corresponde al Medio Oriente? Indudablemente que la respuesta a esta pregunta, si la teoría orgánica es válida, sólo se puede encontrar en la Biblia, donde se describe al Edén como un lugar rodeado por cuatro ríos (siendo uno de ellos el Éufrates), en cuyo centro se encuentra el "Árbol de la Vida". Esta respuesta probablemente no suena muy científica, pero ¿acaso no justifica el hecho de que el Medio Oriente contenga el cementerio de animales más grande del mundo, origen de sus reservas petroleras, si la teoría orgánica es cierta?

Naturalmente que existen otras teorías que sostienen que el petróleo es de origen inorgánico o mineral. Los científicoss soviéticos son los que más se han preocupado por probar esta hipótesis. Sin embargo estas proposiciones tampoco se han aceptado en su totalidad. Una versión interesante de este tema es la que publicó Thomas Gold en 1986. Este científico europeo dice que el gas natural (el metano) que suele encontrarse en grandes cantidades en los yacimientos petroleros, se pudo haber generado a partir de los meteoritos que cayeron durante la formacion de la Tierra hace millones de años. Los argumentos que presenta están basados en el hecho de que se han encontrado en varios meteoritos más de 40 productos químicos semejantes al kerógeno, que se supone es el precursor del petróleo. Y como los últimos descubrimientos de la NASA han probado que las atmósferas de los otros planetas tienen un alto contenido de metano, no es de extrañar que esta teoría esté ganando cada día más adeptos. Podemos concluir que a pesar de las innumerables investigaciones que se han realizado, no existe una teoría infalible que explique sin lugar a dudas el origen del petróleo pues ello implicaría poder descubrir los orígenes de la vida misma.

¿Qué es el petróleo?

Cualquiera que tenga un cierto sentido de observación puede describir el petróleo como un líquido viscoso cuyo color varía entre amarillo y pardo obscuro hasta negro, con reflejos verdes. Además tiene un olor característico y flota en el agua. Pero si se desea saber todo lo que se puede hacer con el petróleo, esta definición no es suficiente. Es necesario profundizar el conocimiento para determinar no sólo sus propiedades físicas sino también las propiedades químicas de sus componentes. Como dijimos anteriormente, el petróleo es una mezcla de hidrocarburos, compuestos que contienen en su estructura molecular carbono e hidrógeno principalmente.

El número de átomos de carbono y la forma en que están colocados dentro de las moléculas de los diferentes compuestos proporciona al petróleo diferentes propiedades físicas y químicas. Así tenemos que los hidrocarburos compuestos por uno a cuatro átomos de carbono son gaseosos, los que contienen de 5 a 20 son líquidos, y los de más de 20 son sólidos a la temperatura ambiente. El petróleo crudo varía mucho en su composición, lo cual depende del tipo de yacimiento de donde provenga, pero en promedio podemos considerar que contiene entre 83 y 86% de carbono y entre 11 y 13% de hidrógeno.

Mientras mayor sea el contenido de carbón en relación al del hidrógeno, mayor es la cantidad de productos pesados que tiene el crudo. Esto depende de la antigüedad y de algunas características de los yacimientos. No obstante, se ha comprobado que entre más viejos son, tienen más hidrocarburos gaseosos y sólidos y menos líquidos entran en su composición. Algunos crudos contienen compuestos hasta de 30 a 40 átomos de carbono.

¿Hidrócarburos del petróleo?

Cualquier clasificación química del petróleo presupone que se ha establecido de antemano el tipo de compuestos que lo forman. Para esto se clasifican los hidrocarburos del pétroleo en tres grandes series.

La primera serie está formada por los hidrocarburos acíclicos saturados, llamados también parafínicos. Se les llama así porque no reaccionan fácilmente con otros compuestos. Su nombre proviene de las raíces griegas "parum", pequeña y "affinis", afinidad. Su fórmula general es CnH2n+2 (n es un número entero positivo).

Los cuatro primeros hidrocarburos de esta serie son el metano , el etano y el butano y son los principales componentes de los gases del petróleo.

A la segunda serie pertenecen los hidrocarburos cíclicos saturados o nafténicos de fórmula general , tales como el ciclopentano y el ciclohexano . La tercera serie la forman los hidrocarburos cíclicos no saturados, más conocidos como hidrocarburos aromáticos, cuya fórmula general es CnH2n-6. El compuesto más simple de esta serie es el benceno , que tiene seis átomos de carbono unidos por dobles ligaduras alternadas formando un anillo. Los hidrocarburos de esta última serie, que se encuentran en el petróleo crudo por lo general, están constituidos por los llamados poliaromáticos, que son varios anillos bencénicos unidos entre sí y que se encuentran principalmente en las fracciones pesadas.

Sin embargo, aparte de las tres series antes mencionadas, existen en pequeñas cantidades otros hidrocarburos tales como los acíclicos no saturados, llamados también etilénicos u olefinas, de fórmula generaI , las diolefinas los acetilénicos , además de otros hidrocarburos formados por la combinación de anillos y cadenas que pueden semejarse a varias de las series precedentes. Como dijimos anteriormente, el petróleo crudo casi no contiene hidrocarburos bencénicos ligeros como el benceno, tolueno y xilenos. Tampoco cuenta con gran cantidad de olefinas ni diolefinas de pocos carbones como son el etileno, propileno, butenos, butadieno e isopreno. Sólo mediante procesos específicos o separándolos al fabricar gasolinas, es posible obtener estos importantes hidrocarburos.

Materias primas petroquímicas

La industria petroquímica emplea ante todo como materias primas básicas las olefinas y los aromáticos obtenidos a partir del gas natural y de los productos de refinación del petróleo: el etileno, propileno, butilenos, y algunos pentenos entre las olefinas, y el benceno, tolueno y xilenos como hidrocarburos aromáticos.

Sin embargo, en algunos casos, la escasa disponibilidad de éstos hidrocarburos debido al uso alterno que tienen en la fabricación de gasolina de alto octano ha obligado a la industria a usar procesos especiales para producirlos. Por lo tanto, si se desea producir petroquímicos a partir de los hidrocarburos vírgenes contenidos en el petróleo, es necesario someterlos a una serie de reacciones, según las etapas siguientes:


1.Transformar los hidrocarburos vírgenes en productos con una reactividad química más elevada, como por ejemplo el etano, propano, butanos, pentanos, hexanos etc., que son las parafinas que contiene el petróleo, y convertirlos a etileno, propileno, butilenos, butadieno, isopreno, y a los aromáticos ya mencionados.


2.Incorporar a las olefinas y a los aromáticos obtenidos en la primera etapa otros heteroátomos tales como el cloro, el oxígeno, el nitrógeno, etc., obteniéndose así productos intermedios de segunda generación. Es el caso del etileno, que al reaccionar con oxígeno produce acetaldehído y ácido acético.


3.Efectuar en esta etapa las operaciones finales que forman los productos de consumo. Para ello se precisan las formaciones particulares de modo que sus propiedades correspondan a los usos que prevén.


Algunos ejemplos de esta tercera etapa son los poliuretanos, los cuales, dependiendo de las formulaciones específicas, pueden usarse para hacer colchones de cama, salvavidas, o corazones artificiales. Las resinas acrílicas pueden servir para hacer alfombras, plafones para las lámparas, prótesis dentales y pinturas.

Otro caso típico es el del acetaldehído que se produce oxidando etileno y que encuentra aplicación como solvente de lacas y resinas sintéticas, en la fabricación de saborizantes y perfumes, en la manufactura de pieles artificiales de tintas, cementos, películas fotográficas y fibras como el acetato de celulosa y el acetato de vinilo.

Esta clasificación tiene numerosas excepciones, a veces, por ejemplo, se reduce el número de etapas para hacer el producto final. Es necesario mencionar otros productos que se consideran petroquímicos básicos sin ser hidrocarburos, como el negro de humo y el azufre. Éstos se pueden obtener del gas natural y del petróleo. A continuación trataremos de explicar cómo se obtienen los productos de la primera etapa, entre los cuales consideraremos no sólo la obtención de olefinas y aromáticos, sino también la de negro de humo y azufre a partir de estos crudos.

Impactos ambientales potenciales

La mayoría de los materiales que se utilizan en la fabricación de químicos y petroquímicos son inflamables y explosivos. Si bien muchos de los químicos y petroquímicos son tóxicos, algunos también son carcinogénicos. Los riesgos potenciales de explosión son más severos, comparados, por ejemplo, con la industria de refinación, porque los compuestos son muy reactivos y las presiones que ocurren durante su manufactura y manejo son altas.

Los materiales muy tóxicos que causan lesiones inmediatas, como fosgeno o cloro, serían clasificados como un peligro para la seguridad. Otros causan efectos a largo plazo, a veces con concentraciones muy bajas. En los estudios realizados sobre la producción de químicos y su impacto ambiental, se encontró que las consideraciones de toxicidad, peligro y operabilidad juegan un papel importante. Los posibles desechos y emisiones dependen de los tipos de compuestos que se fabriquen y la gran variedad de procesos y químicos que se emplean en su manufactura.

Puede ser muy severo el impacto ambiental negativo, de la producción de químicos. Para proveer información sobre los riesgos químicos y para la salud, la National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), una división del U.S. Department of Health and Human Resources (HHS) ha publicado un libro de guía. El Dow and Fire and Explosion Index, publicado por el American Institute of Chemical Engineers (AICE), se utiliza para obtener información sobre los riesgos de incendio y explosión.

Se emplean grandes cantidades de agua en la industria química para el proceso, enfriamiento y lavado. A menudo, durante la producción de químicos, se contamina el agua con estos o los subproductos. La Agencia de Protección Ambiental de los EE.UU. (EPA) ha publicado una lista de los compuestos para los cuales se han establecido guías en cuanto a efluentes. Los contaminantes que pueden representar un peligro si se descargan a los ríos y acuíferos subterráneos, incluyen los materiales tóxicos, compuestos carcinogénicos, sólidos suspendidos y sustancias que manifiestan una alta demanda de oxígeno bioquímico y químico.

Los recursos hídricos freáticos y superficiales pueden ser afectados, negativamente, por el agua lluvia proveniente de los patios de tanques, áreas de descarga y procesamiento de los productos, tuberías, purgación del agua de enfriamiento, agua de lavado y limpieza, y derrames casuales de materias primas y productos terminados. Normalmente, para evitar estos impactos negativos, es necesario implementar medidas para controlar el escurrimiento, incluyendo el uso de recipientes de detención del agua lluvia, la misma que recibe tratamiento antes de descargarla.

Dependiendo del proceso que se utilice, los contaminantes atmosféricos incluyen partículas y un gran número de compuestos gaseosos, como óxidos de azufre, óxidos de carbono y de nitrógeno procedentes de las calderas y hornos del proceso, amoníaco, compuestos de nitrógeno y clorinados. Estas emisiones provienen de varias fuentes, incluyendo el equipo del proceso, instalaciones de almacenamiento, bombas, válvulas, desfogues y los retenedores que tienen fugas. Se controlan las emisiones atmosféricas mediante el uso de incineración (mecheros), adsorción, lavado de gases, y otros procesos de absorción. La Agencia de Protección Ambiental de los EE.UU. ha desarrollado normas para la calidad del aire, que regulan las emisiones de las fábricas de químicos.

Los desechos sólidos de la industria química, pueden incluir restos de materia prima, polímeros residuales, lodos provenientes de la caldera, limpieza de los tanques o equipos de control de la contaminación, y ceniza producida durante la operación de las calderas a carbón. Los desechos pueden estar contaminados con las sustancias químicas de los procesos. La eliminación de los catalizadores gastados puede generar un problema ambiental en las industrias petroquímicas. Actualmente, los proveedores de catalizadores ofrecen el servicio de recibir, nuevamente, los catalizadores gastados.


Enlaces externos


Fuentes

  • American Petroleum Institute. 1973. Guidelines on Noiseb A Medical Report. Austin, Texas.
  • National Institute for Occupational Safety and Health. 1985. Guide to Chemical Hazards. No. 78 210. Washington D.C.: United States Department of Health and Human Services.
  • United States Environmental Protection Agency. Effluent Guidelines and Standards for Oruanic Chemicals. (40 CFR 414).