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INDICE
CAPÍTULO I: MATERIAS PRIMAS PARA PROCESOS ORGÁNICOS
1.1. EL CARBÓN COMO MATERIA PRIMA:
1.1.1. Formación:
1.1.2. Propiedades:
1.1.3. Clasificación:
Turba:
Lignito:
Hulla:
Antracita:
1.1.4. Materiales en cantidades menores presentes en el carbón:
1.1.5. Usos del carbón:
1.1.6. Derivados del carbón:
1.1.7. Licuefacción del carbón:
Licuefacción indirecta:
Licuefacción directa:
1.1.8. Clasificación del carbón:
Usos industriales:
Procesos de clasificación:
Termodinámica:
Procesos:
1.2. EL PETRÓLEO COMO MATERIA PRIMA:
1.2.1. Petróleo:
Composición:
Origen::
1.2.2. Clasificación:
1.2.3. Derivados del petróleo:
1.2.4. Petroquímica. El petróleo como materia prima:
1.2.5. Derivados del petróleo:
1.3. GAS NATURAL:
1.4. DERRIVADOS DE LA AGROINDUSTRIA:
1.4.1. La madera:
1.4.2. Sales de Potasio:
1.4.3. La biomasa:
1.5. SÍNTESIS ORGÁNICAS:
1.5.1. Rol en la química:
1.5.2. Estrategia de síntesis:
1.5.3. Análisis retrosintético:
1.6. BIOTECNOLOGÍA:
1.6.1. La biotecnología es intrínsecamente interdisciplinaria:
1.6.2. Campos de aplicación:
1.6.3. Los tres núcleos de la biotecnología:
1.6.4. Materias primas:
CAPÍTULO II: Procesos Orgánicos de Interés
2.1. ACIDOLISIS:
2.2. ACILACIÓN:
2.2.1. Acilación del carbón:
2.2.2. Otros métodos de activación del carboxilo:
2.3. ALQUILACIÓN:
2.3.1. Reacciones:
2.3.2. Procesos:
2.4. AMINACIÓN:
2.5. AROMATIZACIÓN:
2.6. CHELACIÓN:
2.6.1. Aplicaciones:
2.7. COMBUSTIÓN:
2.7.1. Procesos:
2.7.2. Tipos:
2.7.3. Tecnología:
2.7.4. Aplicaciones:
2.8. CONDENSACIÓN Y ADICIÓN:
2.9. CRAQUEO:
2.9.1. Craqueo térmico:
2.9.2. Craqueo catalítico:
2.9.3. Craqueo con vapor (“Hidrocracking”):
2.10. DESHIDRATACIÓN:
2.11. DESHIDROGENACIÓN:
2.11.1. Aplicaciones Industriales:
2.11.2. Reacciones:
2.11.3. Deshidrogenación Oxidativa:
2.11.4. Catalizadores de Función Dual:
2.11.5. Deshidrogenación Bioquímica:
2.12. DIAZOTACIÓN Y ACOPLAMIENTO:
2.12.1. Reacciones de Acoplamiento:
2.12.2. Reacciones de Substitución:
2.12.3. Compuestos Diazo:
2.13. ESTERIFICACIÓN:
2.13.1. Éster:
2.13.2. Propiedades y usos:
2.13.3. Esterificación:
2.13.4. Hidrólisis:
2.13.5. Síntesis de éster acetoacético:
2.13.6. Síntesis de éster malónico:
2.14. ETINILACIÓN:
2.15. FERMENTACIÓN:
2.15.1. Tipos de Fermentaciones:
2.16. PROCESO DE FISCHER – TROPSCH:
2.16.1. Metanación:
2.16.2. Reacciones:
2.17. REACCIONES DE FRIEDEL CRAFTS:
2.17.1. Alquilación:
2.17.2. Acilación:
2.17.3. Catalizadores:
2.17.4. Aplicación industrial:
2.18. REACCIONES DE GRIGNARD:
2.19. HALOGENACIÓN:
2.19.1. Halogenación Substitución:
2.19.2. Halogenación Adición:
2.19.3. Halogenación de Aromáticos:
2.19.4. Halogenación con Haluros de Hidrógeno:
2.19.5. Agentes misceláneos de Halogenación:
2.19.6. Aplicaciones Industriales:
2.20. HIDROBORACIÓN:
2.21. HIDROFORMILACIÓN:
2.22. HIDROGENACIÓN:
2.22.1. Agentes de Proceso:
2.22.2. Química del Proceso:
2.22.3. Termodinámica:
2.22.4. Efecto de la Temperatura:
2.22.5. Efecto de la Presión:
2.22.6. Catalizadores:
2.22.7. Equipo:
2.22.8. Caso de Estudio:
2.23. HIDRÓLISIS E HIDRATACIÓN:
2.24. ISOMERIZACIÓN:
2.24.1. Migración de Grupos Alquil:
2.24.2. Cambio de un enlace simple de carbono:
2.24.3. Cambio de un doble enlace:
2.25. NITRACIÓN:
2.25.1. Nitraciones Tipo Iónicas:
2.25.2. Nitraciones por Radicales Libres:
2.25.3. Proceso Victor Meyer y Otros Procesos:
2.26. OXIDACIÓN:
2.26.1. Oxidación de Compuestos Orgánicos:
2.26.2. Oxidación de Compuestos Inorgánicos:
2.27. OZONÓLISIS:
2.28. FOTÓLISIS:
2.28.1. Reactores y Características:
2.28.2. Materiales Orgánicos:
2.29. POLIMERIZACIÓN:
2.29.1. Polimerización por Adición – Condensación:
2.29.2. Polimerización por Crecimiento de la Cadena –
Polimerización por etapas:
2.30. RACEMIZACIÓN:
2.30.1. Mecanismos:
2.30.2. Significancia:
2.31. PROCESO DE REFORMACIÓN:
2.31.1. Química:
2.31.2. Reformación Térmica:
2.31.3. Reformación Catalítica:
2.32. REACCIONES DE SUBSTITUCIÓN:
2.32.1. Sustitución Nucleofílica:
2.32.2. Sustitución Electrofílica:
2.32.3. Sustitución por Radicales:
2.33. SULFONACIÓN:
2.33.1. Usos de Sulfonatos y sulfatos:
2.33.2. Agentes de Sulfonación y Sulfatación:
2.33.3. Catalizadores:
2.33.4. Equipo:
2.34. TRANSESTERIFICACIÓN:
2.34.1. Equilibrio de Reacción:
2.34.2. Cinética de Reacción y Catálisis:
2.34.3. Mecanismo de Reacción:
2.35. PIROLISIS:
2.35.1. Aplicaciones: Industriales:
2.36. ELECTRÓLISIS:
2.36.1. Principios:
2.36.2. Aplicaciones:
CAPÍTULO III: Catalizadores
2.1. HISTORIA DE LA CATÁLISIS:
2.2. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LA CATÁLISIS Y LOS
CATALIZADORES:
2.3. CATÁLISIS HOMOGÉNEA:
2.4. CATÁLISIS ENZIMÁTICA:
2.5. CATÁLISIS HETEROGÉNEA:
2.6. APLICACIONES INDUSTRIALES:
CAPÍTULO IV: Manufactura de Productos Químicos
2.1. ACETATO DE ETILO
2.2. ÁCIDO ACÉTICO:
2.3. ÁCIDO TEREFTÁLICO:
2.4. ACRILONITRILO:
2.5. ALCOHOL METÍLICO:
2.6. ALQUILBENCENOS:
2.7. ANHÍDRIDO FTÁLICO:
2.8. ANHÍDRIDO MALEICO:
2.9. ANILINA:
2.10. AROMÁTICOS:
2.11. AROMÁTICOS BTX:
2.12. BENCENO:
2.13. BISFENOL A:
2.14. BUTADIENO 1,3:
2.15. BUTANODIOL:
2.16. BUTENO:
2.17. BUTIRALDEHÍDO:
2.18. CICLOHEXANO:
2.19. CUMENO:
2.20. DICLORURO DE ETILENO:
2.21. DIMETIL ÉTER (DME):
2.22. DIMETIL FORMAMIDA:
2.23. DIMETIL TEREFTALATO:
2.24. ETANOLAMINAS:
2.25. ÉTERES:
2.26. ESTIRENO:
2.27. ETILBENCENO:
2.28. ETILEN GLICOL:
2.29. ETILENO:
2.30. FENOL:
2.31. FORMALDEHÍDO:
2.32. HIDRÓGENO:
2.33. METILAMINA:
2.34. OCTENOS:
2.35. OLEFINAS:
2.36. OXIDO DE ETILENO:
2.37. PARAXILENO:
2.38. POLICAPROAMIDA:
2.39. POLIÉSTERES (PET,PBT,PTT,PEN):
2.40. POLIESTIRENO:
2.41. PROPILENO:
2.42. PVC:
2.43. UREA FORMALDEHÍDO:
2.44. XILENOS:
CAPÍTULO V: Tecnología de Polímeros
CAPÍTULO I
MATERIAS PRIMAS
PARA PROCESOS
ORGÁNICOS
1.1. EL CARBÓN COMO MATERIA PRIMA:
Es una roca combustible de color marrón a negro originada por la
acumulación y subsiguiente alteración física y química de material
proveniente de las plantas sobre largos periodos de tiempo, y estos en
una base libre de humedad contienen no más que 50 % de material
mineral. Los escombros de las plantas fueron acumulados en diversos
ambientes mojados, comúnmente llamados pantanos de turba, donde
las plantas muertas estaban mayormente protegidas de descomposición
por una placa de marea alta y el agua deficiente en oxígeno. El
aglutinamiento esponjoso, saturado de agua, derivado del material
orgánico de la planta conocido como turba es el precursor del carbón.
Con el paso del tiempo, muchos cambios de la materia vegetal original
son realizados por las bacterias, los hongos, y los agentes químicos.
El proceso progresivamente transforma turba en lignito o carbón
marrón, carbón sub-bituminoso, carbón bituminoso, y antracita. Esta
progresión es conocida como la serie de carbonización. Progresivamente
el entierro más profundo bajo centenares a miles de pies de sedimentos
menores forzó la carbonización hacia el carbón bituminoso y etapas de
la antracita. La presión ejercida por el peso del sedimento que yace
encima y el calor que se incrementa con la profundidad, así como
también el largo tiempo de exposición a ellos, determina el grado de
carbonización realizada.
Los tipos de plantas contribuyendo para las acumulaciones de la turba
varían grandemente, dependiendo del tiempo geológico en que se
formó la turba, esto es, hasta dónde las plantas habían evolucionado a
la sazón, y de los ambientes regionales y locales (por ejemplo, suavidad
profundidad y sus fluctuaciones, su clima, y anegación por corrientes
cercanas o el mar).
1.1.1. Formación:
En eras geológicas remotas, y sobre todo en el periodo carbonífero
(que comenzó hace 345 millones de años y duró unos 65 millones),
grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una
vegetación abundantísima que crecía en pantanos. Muchas de
estas plantas eran tipos de helechos, algunos de ellos tan grandes
como árboles. Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el
agua y se descomponían poco a poco. A medida que se producía
esa descomposición, la materia vegetal perdía átomos de oxígeno
e hidrógeno, con lo que quedaba un depósito con un elevado
porcentaje de carbono.
Así se formaron las turberas, donde se origina la turba la cual es un
material orgánico compacto, de color pardo oscuro y muy rico en
carbono, que se forma como resultado de la putrefacción y
carbonización parciales de la vegetación en el agua ácida de las
turberas.
En el hemisferio norte, la vegetación formadora de turba está
compuesta en su mayoría por musgos. La turba salada es una
forma especial de los marjales salados que se produce a partir de
fragmentos de plantas del género Spartina y otras similares
parcialmente descompuestos.
La formación de turba constituye la primera etapa del proceso por
el que la vegetación se transforma en carbón. Las turberas están
distribuidas por todo el mundo. Hay extensos depósitos en el norte
de Estados Unidos, Canadá, Rusia, los países escandinavos,
Inglaterra e Irlanda. La turba seca, comprimida en ladrillos, se usa
en muchos países de Europa, sobre todo en Irlanda, como
combustible, aunque no es tan eficaz como el carbón, debido a su
elevado contenido en agua y cenizas.
La turba, y otros preparados comerciales de materia vegetal
parcialmente descompuesta y también llamados turba, tiene
excelentes propiedades de retención de agua, y se usa mucho en
jardinería para cubrir y mejorar suelos.
Pero la explotación de las turberas empieza a privar a muchas
plantas y animales de su hábitat natural; por ello, muchos
conservacionistas defienden el uso en jardinería y horticultura de
otros materiales, como bonete, cáscara de cacao y compost de
corteza.
Con el paso del tiempo, la arena y lodo del agua fueron
acumulándose sobre algunas de estas turberas. La presión de las
capas superiores, así como los movimientos de la corteza terrestre
y, en ocasiones, el calor volcánico, comprimieron y endurecieron
los depósitos hasta formar carbón.
1.1.2. Propiedades:
El carbón se evalúa de acuerdo con ciertas propiedades. Las más
importantes son:
Potencia calorífica:
Es la más importante, ya que el calor potencial es la mercancía
objeto de compraventa. Depende de la cantidad de humedad y de
cenizas, así como de la composición de la materia orgánica.
Humedad:
Componente no combustible que aumenta el peso muerto del
carbón, consume calor de la parte combustible y debilita su
estructura física.
Ceniza:
Materia mineral inorgánica que queda como residuo de la
combustión. En la mayoría de las minas de carbón funcionan
plantas de lavado para la separación de la materia inútil.
Azufre:
Impureza inorgánica del carbón. Es perjudicial ya que en la
combustión se forman ácidos corrosivos.
Temperatura de fusión de las cenizas:
Los carbones pobres producen cenizas fundidas que ocasionan
graves averías al obstruir los pasos de aire de las parrillas.
Tamaño:
Determinado por el grado de rotura que sufre en la manipulación,
pero regulado por la trituración que se realiza durante el proceso.
Triturabilidad:
Propiedad de interés principal para la fabricación de cemento y de
las instalaciones que utilicen carbón en polvo. Los carbones se
diferencian en su dureza, pero la pizarra o pirita (minerales duros),
aumenta la dificultad de trituración.
Desmenuzamiento:
Propiedad parecida a la triturabilidad, pero perjudicial para los
carbones destinados a usos domésticos.
Características de coquificación:
Es muy significativa en la clasificación del carbón destinado a los
hornos de coque y a la predicción de la eficacia en las parrillas.
Tendencia a formar escorias:
Función derivada de la composición de las cenizas y de las
condiciones de manipulación. Para la fácil extracción de las
cenizas, éstas deben ser granuladas.
Grado de Ignición:
Depende de las propiedades del carbón e influye en la velocidad de
combustión.
Uniformidad de calidad:
Un carbón de calidad pobre pero uniforme puede ser preferible a
otro de calidad más elevada pero variable.
1.1.3. Clasificación:
Los parámetros obtenidos de análisis de carbón se usan para
clasificar al carbón para propósitos generales así como también
específicos. Ambas organizaciones nacionales e internacionales de
estandarización han adoptado esquemas de clasificación que se
usa en el comercio de carbón, para propósitos estadísticos, y para
compilar recursos de carbón y reservas por categoría de
clasificación. Uno de los sistemas de clasificación más ampliamente
usados es el American Society for Testing and Materials (ASTM)
Standard Classification of Coals by Rank (Tabla 1.1)
Tabla 1.1: Clasificación del carbón según la American Society for Testing
and Materials (ASTM)
Clase ASTM Grupo ASTM
1000
Btu/l
b
%
Materi
a
volátil
,
MJ/kg %C %O %H
Lignito
Turba1.0-
6.072-62
2.3-
14.0
50-
65
42-
307-5
Lignito B <6.3 65-40 <14.7555-
73
35-
237-5
Lignito A6.3-
8.365-40
14.7-
19.3
55-
73
35-
237-5
Subbitumin
oso
Subbituminos
o C
8.3-
9.555-35
19.3-
22.1
60-
80
28-
15
6.0-
4.5
Subbituminos
o B
9.5-
10.555-35
22.1-
24.4
60-
80
28-
15
6.0-
4.5
Subbituminos
o A
10.5-
11.555-35
24.4-
26.7
60-
80
28-
15
6.0-
4.5
Bituminoso
Altamente
volátil C
10.5-
13.055-35
24.4-
30.2
76-
8318-8
6.0-
4.5
Altamente
volátil B
13.0-
14.050-35
30.2-
32.6
77-
8412-7
6.0-
4.5
Altamente
volátil A>14.0 45-31 >32.6
78-
8810-6
6.0-
4.5
Medio volátil @14.0 31-22 @32.684-
919-4
6.0-
4.5
Baja
volatilidad>14.0 22-14 <32.6
87-
925-3
6.0-
4.5
Antracita Semiantracita <14.0 14-8 <32.689-
935-3 5-35
Antracita @14.0 8-2 @32.690-
974-2 4-25
Meta-antracita >14.0 <2 >32.6 >94 2-1 2-15
Existen cuatro tipos de carbón, en función de su poder calorífico
y de su antigüedad, o lo que es lo mismo, según la mayor o menor
riqueza de carbono que posea:
Turba
Lignito
Hulla
Antracita, 8.500 Kcal/m³
Turba:
Las turbas son
materiales de origen
vegetal a partir de su
descomposición, de
propiedades físicas y
químicas variables en
función de su origen. Se
pueden clasificar en dos
grupos: turbas rubias y
negras. Las turbas rubias tienen un mayor contenido en materia
orgánica y están menos descompuestas, las turbas negras están
más mineralizadas teniendo un menor contenido en materia
orgánica.
Es más frecuente el uso de turbas rubias en cultivo sin suelo,
debido a que las negras tienen una aireación deficiente y unos
contenidos elevados en sales solubles.
Las turbas rubias tiene un buen nivel de retención de agua y de
aireación, pero muy variable en cuanto a su composición ya que
depende de su origen.
La inestabilidad de su estructura y su alta capacidad de
intercambio catiónico interfiere en la nutrición vegetal, presentan
un pH que oscila entre 3,5 y 8,5. Se emplea en la producción
ornamental y de plántulas hortícolas en semilleros.
COMPOSICIÓN
Carbono 59 %
Hidrógeno 6 %
Oxígeno 33 %
Nitrógeno 2 %
Materias volátiles 60 %
Lignito:
El lignito se forma por compresión de la
turba, convirtiéndose en una sustancia
parda y desmenuzable en la que aún se
pueden reconocer algunas estructuras
vegetales. Su concentración en carbono
varía entre el 60% y el 75% y tiene
mucho menor contenido en agua. Su
poder calorífico es, así mismo, mayor que el de la turba.
La variedad negra y brillante se denomina azabache, que por ser
dura se puede pulir y tallar. Se emplea en joyería y objetos
decorativos
COMPOSICIÓN
Carbono 69 %
Hidrógeno 5,2 %
Oxígeno 25 %
Nitrógeno 0,8 %
Materias
volátiles40 %
Hulla:
La hulla es un mineral de origen fósil que
contiene entre un 75 y un 90% de
carbono. Se origina por compresión del
lignito. Es dura y quebradiza, de color
negro y brillo mate o graso. Se utiliza
como combustible y para la obtención de
gas. En las casas es la más utilizada, y su
aspecto presenta bandas mate alternadas con bandas brillantes.
Antracita:
La antracita es el carbón de mejor calidad.
Procede de la transformación de la hulla. Es
negro, brillante y muy duro. Contiene hasta
un 95% de carbono y, aunque arde con
dificultad, desprende mucho calor y poco
humo. Se formó hace unos 250 millones de
años, durante los períodos Carbonífero y
Pérmico, en la era Primaria.
1.1.4. Materiales en cantidades menores presentes en el
carbón:
El carbón contiene la mayoría de elementos en la tabla periódica,
al menos en trazas. Los elementos todavía no identificados pueden
estar presentes debajo de los límites de detección. Las
concentraciones totales de los elementos que forjan ceniza en los
rangos totales de carbones de más que 0.5 % para elementos
inorgánicos principales como aluminio, calcio, hierro, y el silicio; a
% 0.02-0.5 para elementos menores como potasio, magnesio,
sodio, titanio, cloro, y otros; a menos de 0.02 % (200 partes por
millón) para oligoelementos como arsénico, berilio, cadmio, y el
mercurio. El conocimiento de la concentración de estos elementos
es precisado al evaluar carbones para la combustión y la
conversión (por ejemplo, relativo a la corrosión, la incrustacón de la
caldera, y el envenenamiento de catalizadores) y para evaluar
potenciales impactos negativos y ambientales de salud y
resultando de uso de carbón.
En los Estados Unidos, oligoelementos en carbón son incluidos en
la lista de contaminantes peligrosos del aire (" hazardous air
pollutants" HAPs) de la "Amendments to the Clean Air Act" ( Tabla
1.2 ).
Tabla 1.2: Componentes en cantidades menores y trazas en el Carbón en partes
por millón
Elemento Promedio AritméticoDesviación
Estándar
Antimoni
o0.9 0.7
Arsénico 7.5 8.1
Berilio 1.2 0.7
Cadmio 0.5 0.9
Cloro 1671.0 1189.0
Cromo 14.0 6.1
Cobalto 3.5 1.3
Fluor 93.0 36.0
Plomo 24.0 21.0
Manganes
o38.0 32.0
Mercurio 0.09 0.06
Níkel 14.0 5.0
Fósforo 87.0 83.0
Selenio 1.9 0.9
Thorio 1.5 0.4
Uranio 2.2 1.9
1.1.5. Usos del carbón:
El carbón es usado primordialmente para producir vapor en
centrales eléctricas de potencia [87 % de carbón consumido en los
Estados Unidos en 1997, 67 % en países de la Organización para la
Cooperación Económica y desarrollo ("Organization for Economic
Cooperation and Development" OECD ) en 1996, y 52 % en el
mundo en 1996] . Otros usos importantes son en la industria para
producir vapor y calentar ( 9 % en los Estados Unidos, 12 % en la
OECD, y por la industria siderúrgica para hacer coque (3 % en los
Estados Unidos, 7 % en la OECD). La conversión de carbón a
combustibles sintéticos líquidos o gaseosos no constituye un uso
principal del carbón en todo el mundo o en la mayoría de países.
Sin embargo, la conversión de carbón ha sido importante bajo las
condiciones especiales en algunos países.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania produjo una
cantidad significativa de combustibles líquidos de carbón, y en Sur
África, cuando fue aislada por su política de segregación racial,
estableció una industria principal de licuefacción de carbón para
reducir su dependencia de la importación de petróleo. En los
Estados Unidos se forjó con soporte del gobierno una planta grande
de gasificación de carbón que produce gas natural sintético de
lignito en Dakota Del Norte. Tomará una subida significativa en el
precio de aceite y gas natural para hacer la conversión en
hidrocarburos sintéticos líquidos y gaseosos competitiva en el
futuro.
Ver también: Derivados del carbón; Gasificación del carbón
1.1.6. Derivados del carbón:
Por alrededor de100 años, los productos químicos obtenidos como
subproductos en el procesamiento primario de carbón para coque
metalúrgico fueron la fuente principal de compuestos aromáticos
usados como intermedios en la síntesis de tintes, drogas,
antisépticos, y solventes. Sin embargo, sobre 97 % de los
hidrocarburos aromáticos, como benceno, tolueno, y los xilenos,
son ahora obtenidos mayormente del petróleo. La naftalina, la
fenantrina, los hidrocarburos heterocíclicos como piridinas y
quinolinas, y algunos fenoles son todavía obtenidos de alquitrán de
carbón.
Los subproductos del horno de coque, como un porcentaje del
carbón usado, son gas 18.5, aceite ligero 1.0, y alquitran3.5. El gas
del horno de coque es una mezcla de metano, monóxido de
carbono, hidrógeno, pequeñas cantidades de hidrocarburos más
altos, amoníaco, y ácido sulfídrico. La mayor parte del amoníaco es
recuperado como alrededor de 20 lb (9 kg) de sulfato de amonio
por tonelada (0.9 toneladas métricas) de carbón, pero sólo
aproximadamente 10 % del ácido sulfídrico es recuperado como
azufre elemental. La mayoría de gas del horno de coque es
utilizado como combustible. La composición de un aceite ligero
típico del horno de coque es mostrada en la Tabla 1.3. Las
fracciones sin identificar contienen cantidades muy pequeñas de
un número grande de hidrocarburos, y compuestos orgánicos
conteniendo oxígeno y nitrógeno.
Tabla 1.3: Análisis de un aceite ligero típico del horno de coque
COMPONENTE % Vol.
Primeras fracciones
Ciclopentadieno 0.5
Disulfuro de carbono 0.5
Amilenos, sustancias no identificadas 1.0
Benzol crudo
Benceno 57.0
Tiofeno 0.2
Hidrocarburos no aromáticos
saturados
3.0
Sustancias insaturadas no
identificadas
3.0
Toluol crudo
Tolueno 13.0
Hidrocarburos no aromáticos
saturados
0.1
Sustancias insaturadas no
identificadas
1.0
Crudo ligero solvente
Xilenos 5.0
Etilbenceno 0.4
Estireno 0.8
Hidrocarburos no aromáticos
saturados
0.3
Sustancias insaturadas no
identificadas
1.0
Crudo pesado solvente
Cumarona, indeno, diciclopentadieno 5.0
Polialquilbencenos, hidrindeno, etc. 4.0
Naftaleno 1.0
Aceites pesados no identificados 1.0
Aceite de lavado
(Usado para separar aceite ligero de
gas del horno de coque)
5.0
Aunque varios centenares de compuestos químicos han sido
aislados del alquitrán mineral, un número relativamente pequeño
está presente en cantidades apreciables. Estos pueden ser
agrupados como en la Tabla 1.4.
Tabla 1.4: Productos químicos de alquitrán mineral
Componente
%
Fracción
de
Alquitran
Uso
Naftaleno 10.9 Acido ftálico
Monometilnaftalenos 2.5
Acenaftenos 1.4 Intermedios de tintes
Fluoreno 1.6 Síntesis orgánicas
Fenantreno 4.0 Tintes, explosivos
Antraceno 1.0 Intermedios de tintes
Carbazol (y otros compuestos similares) 2.3 Intermedios de tintes
Fenol 0.7 Plásticos
Cresoles y xilenoles 1.5Antisépticos, síntesis
orgánicas
Piridina, picolinas, lutidinas, quinolinas,
acridina, y otros derivados del alquitrán2.3
Drogas, tintes,
antioxidantes
Todos los compuestos excepto los monometilnaftalenos son de
alguna importancia comercial. Las cantidades recuperadas y
vendidas, sin embargo, son sólo 5-25 % de los totales presentes en
el alquitrán mineral.
La utilización directa de carbón como una fuente de masa de los
productos químicos orgánicos ha sido el objetivo de mucha
investigación y desarrollo. La oxidación de lechadas alcalinas
acuosas de carbón con oxígeno bajo presión da una mezcla de
ácidos carboxílicos aromáticos. Debido a la presencia de
compuestos de nitrógeno y ácidos hidroxi, esta mezcla es difícil de
refinar. La hidrogenación de carbón a presiones y temperaturas
elevadas produce cantidades mucho mayores de ácidos del
alquitrán e hidrocarburos aromáticos de importancia comercial que
son obtenidas por carbonización.
Los combustibles sintéticos pueden ser producidos de carbón por
ya sea métodos directos o indirectos. En los procesos directos de
licuefacción, el carbón pulverizado es suspendido en un solvente,
la lechada resultante es calentada y expuesta a hidrógeno gaseoso
a presión, y los líquidos producidos son separados de la ceniza y
destilados para obtener las fracciones de combustible. En el
proceso indirecto, el carbón es térmicamente descompuesto para
proporcionar gases combustibles, los cuáles son sintetizados para
dar gasolina, alcoholes, y ceras. Ver también: Licuefacción del
carbón; Pirolisis
1.1.7. Licuefacción del carbón:
La conversión de la mayoría de tipos de carbón (con excepción
de antracita) primordialmente a petróleo como hidrocarburo
líquidos los cuales pueden ser substitutos de los combustibles
estándar sólidos o líquidos usados para efectuar el transporte, y
los requerimientos residenciales, comerciales, e industriales de
combustibles. Los líquidos de carbón contienen menos azufre,
nitrógeno, y ceniza, y son más fáciles para transportar y usar
que el carbón padre (sólido). Estos líquidos son materias primas
adecuadas de refinería para la manufactura de gasolina, aceite
combustible de calentamiento, aceite diesel, combustible de
avión, de turbina, aceite combustible, y productos
petroquímicos.
La licuefacción del carbón involucra incrementar la proporción
de átomos de hidrógeno a carbón (H: C) considerablemente
desde cerca de 0.8 hasta 1.5-2.0. Esto puede hacerse en dos
formas:
(1) Indirectamente, por primero gasificar el carbón para producir
un gas de síntesis (monóxido de carbono y el hidrógeno) y
luego reconstruyendo moléculas líquidas por Fischer-Tropsch
o las reacciones de síntesis del metanol.
(2) Directamente, por adición química de hidrógeno a la matriz
de carbón bajo condiciones de presión y temperatura altas.
En uno u otro caso (con excepción de la síntesis del metanol),
se obtiene una gran variedad de productos, desde
hidrocarburos gases ligeros hasta líquidos pesados. Aun las
ceras, las cuales son sólido a la temperatura ambiente,
pueden ser producidas, a merced de las condiciones
específicas empleadas.
La Tabla 1.5 lista los usos potenciales de los productos de la
licuefacción del carbón e indica el procesamiento adicional que
probablemente sería necesario.
Tabla 1.5: Usos potenciales de los productos de la licuefacción del carbón
Producto Uso comercialProcesamiento
adicional requerido
Hidrocarburos ligeros
Metano y etano Gas de tubería Ninguno
C3-C4 hidrocarburosGas licuado de
petróleo (GLP)Ninguno
C2-C4 hidrocarburosManufactura de
etileno y propilenoCraqueo con vapor
Nafta
C4-160°F (71°C) nafta Gasolina motor Hidrotratamiento
160-350°F (71-180°C) nafta
Gasolina motorHidrotratamiento y
reformación
Químicos
(benceno, tolueno,
xileno)
Extracción
350-430°F (180-220°C) nafta Gasolina motor Hidrotratamiento
Destilado intermedioCombustible de
turbina
Uso directo o
hidrotrataminto
350-650°F (180-340°C) o 430-650°F
(220-340°C)
Combustible diesel
de baja- o
mediana-velocidad
Uso directo
Preparar aceite
combustible No. 6Uso directo
Aceite de
calentamiento
Uso directo (con
ajuste del quemador)
o hidrotratamiento
Preparar aceite
diesel de automóvil
Hidritratamiento
moderado
Combustible de
automóvil, a
chorro, aceite
combustible No. 2
Hidrotratamiento
severo o
hidroconversión
Destilado pesado
650-1000°F (340-540°C) vacíoPreparar aceite
combustible
Uso directo o
hidrotrataminto
Gasóleo Alimentación para
craqueo catalítico
fluído o
Hidrotrataminto
hidroconversión
Otros productos
Carbón refinado con solvente (sólido)Combustible de
calderaUso directo
Metanol
Combustible
motor,
combustibledestila
do
Uso directo o (con
sistema de
distribución especial)
Fischer-Tropsch líquidos
Gasolina, aceite
diesel, cera,
combustible para
Jet
Hidrotratamiento,
reformación,
isomerización,
polimerización
a. Licuefacción indirecta:
La licuefacción indirecta de carbón consta de tres pasos
importantes: primero, el carbón es gasificado; segundo , la
composición del gas resultante está ajustada (intercambiado,
si es necesario, para aumentar el contenido H2; y H2S y CO2
son removidos); y tercero, el CO y H2 en el gas resultante de
síntesis son cataliticamente reaccionados para formar los
líquidos. Procesos comerciales para la reacción catalítica de
CO y H2 para formar los líquidos indirectos de carbón incluyen
síntesis de Fischer-Tropsch y síntesis de metanol. Además, un
proceso Mobil para la conversión de metanol a gasolina - se
espera - sea una operación comercial importante.
Síntesis de Fischer-Tropsch
Los procesos de síntesis basados en la química de Fischer-
Tropsch son representados por la reacción (1).
2nH2 + nCO ------>(--CH2--)n + nH2O (1)
Esta reacción representa una adición polimérica de grupos
metileno (CH2) para formar parafinas de distribución lineal. En
la práctica, se produce un amplio rango de pesos moleculares,
y el producto incluye compuestos bifurcados, olefínicos, y
oxigenados, dependiendo del tipo de reactor, condiciones de
operación, y tipo de catalizador. El peso molecular promedio
de la mezcla producto puede ser ajustado hasta cierto punto
por la selección de las condiciones del proceso.
Dos procesos de síntesis (ARGE y Synthol) son usados en las
plantas comerciales de licuefacción del carbón de la "South
African Coal", "Oil", y "Gas Company (Sasol)" en la república
de África de Sur. El proceso ARGE utiliza un reactor de lecho
fijo y un catalizador de hierro precipitado para producir
producto parafina lineal de alto punto de ebullición,
incluyendo un rango de ceras. The Synthol process usa un
reactor de lecho fijo y un catalizador de hierro fundido para
producir un hidrocarburo producto de bajo punto de ebullición
que contiene más isoparafinas y olefinas. .
Las técnicas modificadas de proceso y las condiciones pueden
tener un impacto significativo en la distribución del producto
de Fischer-Tropsch. Las nuevas formulaciones de
catalizadores pueden mejorar actividad y pueden hacer a la
medida la distribución del producto para satisfacer la
demanda de combustible y de productos químicos.
Ver también: Proceso Fischer-Tropsch
Síntesis de Metanol
El proceso de síntesis del metanol se basa en la química
representada por las reacciones (2) y (3) .
CO + 2H2 → CH3OH (2)
CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O (3)
Los procesos comerciales usan catalizadores basados en
cobre y en cinc y reactores de cama fija operando a presión
alta (100 atm o 10 megapascales) y conversión baja por paso
con altas razones de reciclo. El metanol crudo puede ser
utilizado en tres formas: Como un combustible limpio, como
un aditivo de la gasolina, o como una alimentación para el
proceso "Mobil Methanol" para obtener gasolina.
Proceso Mobil methanol para gasolina
En el proceso Mobil, ocurre una secuencia compleja de
reacciones sobre un catalizador de zeolita. El metanol es
primero deshidratado a una mezcla de equilibrio de dimetil
éter, metanol, y agua. Esta mezcla es luego alimentada a
reactores catalíticos donde el metanol restante es
deshidratado a dimetil éter, el cual reacciona formar olefinas
que polimerizan para formar componentes aromáticos de
gasolina. Una versión de lecho fijo de este proceso está
comercialmente disponible y ha sido aplicado en un proyecto
para obtener gasolina de gas natural en Nueva Zelanda. Una
versión de lecho fluido del proceso metanol a gasolina es
usada en una instalación piloto en Alemania, la cual inicio a
fines de 1982.
b. Licuefacción directa:
La licuefacción directa o hidrogenación del carbón fue
desarrollada en Alemania en los años 1920s por F. Bergius,
quien recibió el Premio Nóbel en química por éste trabajo.
Esta tecnología fue posteriormente modificada por M. Pier y
comercialmente probada durante la Segunda Guerra Mundial.
Sin embargo, esta tecnología opera a presión
extremadamente alta (casi 700 atm o 70 MPa) y en pequeños
reactores (3-ft o 1-m de diámetro) y fue demasiado costoso
para ser económicamente justificado en tiempo de paz.
Desde la guerra, el interés en la licuefacción directa de carbón
periódicamente ha sido revivido, generalmente en respuesta a
escaseces proyectadas de petróleo, pero ninguna planta
comercial se han construido. Sin embargo, cuatro tecnologías
de licuefacción de segunda generación han sido demostradas
en instalaciones pilotos grandes, y estas son comparadas en
la Tabla 1.10. Estas tecnologías fueron un resultado del
proceso de Bergius-Pier, pero funcionan a presión muy inferior
(140-300 atm o 14-30 MPa . Otras tecnologías tienen también
beneficios de los principales avances en diseño del reactor
desde los 1940s, lo cual permitirá ser construídas plantas
mucho más grandes (y por consiguiente más económicas). Sin
embargo, a pesar de las mejoras técnicas que han se han
hecho, las etapas básicas de procesamiento en la licuefacción
del carbón no se han alterado conceptualmente (ver
ilustración).
Tabla 1.10: Nuevas Tecnologías de licuefacción directa de carbón
EDS H-Coal SCR II
Bergius-Pier
Modificado
Planta de
demostración
250 tons/día (230
Mg/día), Baytown,
Texas
200 tons/día (180
Mg/día),
Catlettsburg,
Kentucky
35 tons/día (32
Mg/día), Fort
Lewis,
Washington
220 tons/día (200
Mg/día), Bottrop,
Alemania
Reciclo de
Solvente
Destilado
hidrogenado
Destilado Lodo producto Destilado
Presión, atm
(MPa)
140-170 (14-17) 210 (21) 140 (14) 300 (30)
Reciclo de
fondos
Opcional No Esencial No
Catalizador
Ni-Mo en solvente
hidrotratamiento
(no en
licuefacción)
Co-Mo (en reactor
de lecho)
Ninguno (confía
en actividad
catalítica en
ceniza reciclada
de carbón)
FeSO4 como lodo
rojo
Tipos de
carbón
Bituminoso Bituminoso Bituminoso Bituminoso
Sub-bituminoso Sub-bituminoso
Lignito
*Mg = megagramos.
Fig. 1: Etapas del proceso en licuefacción directa. Las líneas discontinuas representan etapas o corrientes de flujo
opcionales
El carbón es primero triturado y formado un lodo con el
solvente y luego calentado y bombeado a las condiciones
típicas de reacción, en el rango de 800-930 ° F (425-500 ° C) y
140-300 atm (14-30 MPa).
Dependiendo del proceso, un catalizador puede ser
adicionado a la etapa de licuefacción, o el solvente puede ser
hidrogenado para mejorar la transferencia de hidrógeno al
carbón. A medida que el carbón es calentado a las
temperaturas de reacción y permanece allí durante un tiempo
nominal de residencia de 40-80 min, ocurre el craqueo
térmico (termolisis). A la temperatura de licuefacción, los
enlaces químicos son rotos, esto es, craqueado, generando
fragmentos de radicales libres los cuales pueden participar en
reacciones secundarias combinándose con hidrógeno para
producir líquidos estables, reaccionando posteriormente para
formar líquidos más ligeros, o polimerizar para dar pesos
moleculares altos, y os fondos de puntos de ebullición altos. El
control de estas reacciones secundarias es importante para
lograr conversiones altas y buena selectividad para productos
líquidos destilables. Durante la licuefacción, también son
liberados heteroatoms presentes en el carbón (el oxígeno, el
nitrógeno, y el azufre), principalmente como óxidos de
carbón, agua, amoníaco, y ácido sulfídrico.
Después de la licuefacción, los productos deben ser separados
de los fondos (la ceniza, los líquidos pesados de carbón, y el
carbón no convertido) y el solvente recuperado. La técnica
más común para separación es destilación, aunque los
hidrociclones, los cuales separan por la fuerza centrífuga, han
estado siendo usados en "Hydrocarbon Research's H-Coal" y
extracción en "Gulf Gulf solvent-refined coal "(SRC) para la
extracción de residuos de ceniza y de carbón. El proceso SRC
II de Gulf, que evolucionó de SRC, recicla fondos para
aumentar el nivel de ceniza en el reactor de licuefacción y
mejorar la conversión. El proceso EDS ha operado con y sin
reciclo de fondos, y emplea reciclo para aumentar la
conversión y producir un producto de peso molecular inferior.
1.1.8. Gasificación del carbón:
En un principio el objetivo era producir un gas natural que
pudiese transformarse en productos químicos (incluyendo
combustibles líquidos). En los últimos tiempos, ha aumentado la
disponibilidad del gas natural. La gasificación del carbón, se ha
centrado en el suministro de un combustible gaseoso limpio y
flexible para la alimentación de plantas industriales, aisladas de
suministros de gas natural y para centrales generadoras de
energía de ciclo combinado.
La gasificación de carbón se utilizó inicialmente por compañías
de gas para iluminación hace más de 70 años, y fue
ampliamente utilizada en Europa donde el petróleo era escaso
en los 40. Los gasificadores de carbón se utilizan en muchos
países para la producción comercial de gas y compuestos
carboquímicos. La elevada eficiencia de los procesos de ciclo
combinado que usan gas natural como combustible ha llevado a
proponer como vía posible para un aprovechamiento limpio y
eficiente del carbón su conversión a gas mediante la
gasificación.
a. Usos industriales:
En todos los casos de interés comercial, la gasificación con
vapor, la cual es endotérmica, es una reacción química
importante. La entrada de calor necesario es típicamente
suministrada al gasificador por combustión de una porción del
carbón con oxígeno adicionado junto con el vapor. Desde el
punto de vista industrial, el producto final es ya sea "chemical
synthesis gas (CSG)", "medium-Btu gas (MBG)", o un
"substitute natural gas (SNG)". Valores de calentamiento,
composiciones, y usos finales para estos gases son
comparados en la Tabla 1.11.
ProductoValores altos de
calentamiento*
Principales
Constituyen
tes
Uso
Synthesis gas
(CSG)250-400 Btu/SCF (9-15 MJ/m3) CO, H2
Materias primas para
síntesis de H2, NH3,
metanol,
hidrocarburos, y
semejantes
Medium-Btu gas
(MBG)
300-500 Btu/SCF (11-19
MJ/m3)CO, H2, CH4
Combustible multiuso
para servicios
públicos y las
industrias
Substitute
natural gas
(SNG)
900-1050 Btu/SCF CH4 Combustible gaseoso
* Basado en la producción de agua como liquido. SCF = pie cúbico estándar.
Tabla 1.11: Productos de la Gasificación del Carbón
Cada uno de los tipos de gas tiene potenciales aplicaciones
industriales. En la industria química, el gas de síntesis de
carbón es una fuente alternativa potencial de hidrógeno y
monóxido de carbono. Esta mezcla es obtenida
primordialmente del vapor reformando de gas natural,
líquidos naturales del gas, u otros líquidos del petroleo. Los
usuarios de combustible en el sector industrial han estudiado
la viabilidad de utilizar de "medium-Btu gas" en lugar de gas
natural o petróleo para aplicaciones de combustible.
Finalmente, la industria del gas natural está interesada en
substituir el gas natural , el cual puede ser distribuido en
redes de tubería.
Ver también: Gas Natural
También ha habido algo de interés por la industria de
potencia eléctrica en gasificar el carbón usando aire para
proveer la de entrada necesaria de calor. Esto podría
producir "low-Btu gas" (por la presencia de nitrógeno), el
cual puede ser quemado en un sistema de generación de
potencia del ciclo combinado.
b. Procesos de Gasificación:
En casi todos los procesos, el diagrama general de flujo de
proceso es el mismo (Fig. 2). El carbón está preparado por
chancado y secado, retratado si es necesario para prevenir el
endurecimiento, y luego convertido en gas con una mezcla de
aire u oxígeno y vapor. El gas resultante es enfriado y
limpiado de los residuos quemados, ácido sulfhídrico, y CO2
antes de ingresar a las fases opcionales de procesamiento
para ajustar su composición para el uso final pretendido.
Fig. 2: Representación esquemática de las etapas en la gasificación del carbón.
c. Termodinámica:
En discusiones de la termodinámica de gasificación de carbón,
al menos una suposición simplificadora es usualmente hecha,
a saber, a saber que el carbón puede ser tratado como carbón
puro. El carbón realmente es un sólido no homogéneo
conteniendo hidrógeno, oxígeno, azufre, nitrógeno, y materia
mineral, pero los errores asociados con esta suposición
probablemente no son significativos.
Las reacciones químicas básicas comunes a todos los
procesos de gasificación de carbón y quemadura de carbón
"char" son las reacciones (1) - (3) y reacciones de gases (4) y
(5) . La reacción (2) es altamente endotérmica, requiriendo 32
kilocalorías/mol (134 kilojoules/mole).
Carbón ─ Calor -------> Gases (CO, CO2, H2, CH4) + C
("char") (1)
C ("char") + H2O → CO + H2 (endotérmica) (2)
C ("char") + 3/2 O2 → CO2 + CO (exotérmica) (3)
CO + H2O → CO2 + H2 (medianamente exotérmica) (4)
CO + 3H2 → CH4 + H2O (exotérmica) (5)
El asunto termodinámico principal en procesos de gasificación
más prácticos es cómo suministrar el calor para esta reacción.
Varios métodos han sido considerados, pero generalmente el
calor es suministrado permitiendo que ocurran reacciones
exotérmicas (3) y (5) en el mismo reactor junto con la
reacción (2) . El grado al cual una reacción o la otra, es usada
depende de la configuración del proceso y del producto
deseado. Las reacciones (4) y (5) son llevadas a cabo en
etapas posteriores en razón a medir la composición de los
gases para los usos particulares.
d. Procesos:
En casi todos los procesos, el diagrama general de flujo de
proceso es el mismo (Fig. 1). El carbón está preparado
chancado y secado, pretratado si es necesario para impedir
endurecerse, y luego convertido en gas con una mezcla de
aire u oxígeno y vapor. El gas resultante es enfriado y
limpiado de residuos de quemadura, ácido sulfhídrico, y CO2
antes de introducir a las etapas optativas de elaboración para
ajustar su composición para el uso final pretendido.
Tabla 1.2: Tabla descriptiva de los tipos de gasificadores
PROCESO PRESIÓN
AGENTE
GASIFICAN
TE
Lecho descendente (fijo)
Sin fusión de cenizas
Lurgi Hasta 85 Bar Aire u
oxígeno
Foster Wheeler Stoic Atmosférico Aire
De dos etapas (Babcock
W-D)
Atmosférico Aire u
oxígeno
Con fusión de cenizas
Lurgi British Gas 25 Bar Oxígeno
Lecho fluidizado
Sin aglomeración
Winkler Atmosférico- 40 Aire u
Bar oxígeno
Con aglomeración
Westinghouse 30 Bar Aire u
oxígeno
Lecho de arrastre
Alimentación seca
KBW Atmosférico Oxígeno
Shell 30 Bar Aire u
oxígeno
Combustion Engineering Atmosférico Aire u
oxígeno
Alimentación slurry
Texaco 30 – 80 Bar
Medio de reacción fundido
Saarberg-Otto 25 Bar Aire u
oxígeno
Reactor rotativo Aire u
oxígeno
KILN GAS Hasta 8 Bar Aire
Fig. 2: Derivados del Carbón
1.2. EL PETRÓLEO COMO MATERIA PRIMA:
1.2.1. Petróleo:
Del petróleo se dice que es el energético más importante en la
historia de la humanidad; un recurso natural no renovable que
aporta el mayor porcentaje del total de la energía que se
consume en el mundo.
Aunque se conoce de su existencia y utilización desde épocas
milenarias, la historia del petróleo como elemento vital y factor
estratégico de desarrollo es relativamente reciente, de menos
de 200 años.
En 1850 Samuel Kier, un boticario de Pittsburg, Pennsylvania
(EE.UU.), lo comercializó por vez primera bajo el nombre de
"aceite de roca" o "petróleo".
A partir de entonces se puede decir que comenzó el desarrollo
de la industria del petróleo y el verdadero aprovechamiento de
un recurso que indudablemente ha contribuido a la formación
del mundo actual.
La alta dependencia que el mundo tiene del petróleo y la
inestabilidad que caracteriza el mercado internacional y los
precios de este producto, han llevado a que se investiguen
energéticos alternativos sin que hasta el momento se haya
logrado una opción que realmente lo sustituya, aunque se han
dado importantes pasos en ese sentido.
A los otros países productores se les denomina "independientes"
y entre los principales se encuentran el Reino Unido, Noruega,
México, Rusia y Estados Unidos. Este último es el mayor
consumidor de petróleo, pero al mismo tiempo es uno de los
grandes productores.
Colombia forma parte de este grupo de naciones, aunque su
participación se considera "marginal" tanto en reservas como en
producción y volúmenes de exportación. No es, por
consiguiente, un país petrolero.
El petróleo es uno de los más importantes productos que se
negocian en el mercado mundial de materias primas. Las bolsas
de Nueva York (NIMEX) y de Londres (IPC) son los principales
centros donde se transa, pero también tiene un mercado "spot"
o al momento. Los precios se regulan por unos marcadores o
"precios de referencia", entre los que sobresalen el WTI, Bren,
Dubai.
El petróleo contiene tal diversidad de componentes que
difícilmente se encuentran dos tipos idénticos.
Además existen parámetros internacionales, como los del
Instituto Americano del Petróleo (API) que diferencian sus
calidades y, por tanto, su valor. Así, entre más grados API tenga
un petróleo, mejor es su calidad.
Los petróleos de mejor calidad son aquellos que se clasifican
como "livianos" y/o "suaves" y "dulces".
Los llamados "livianos" son aquellos que tienen más de 26
grados API. Los "intermedios" se sitúan entre 20º y 26º API, y los
"pesados" por debajo de 20º API.
El hallazgo y utilización del petróleo, la tecnología que soporta
su proceso industrial y el desarrollo socioeconómico que se
deriva de su explotación, son algunos de los temas que se
presentan en este recorrido didáctico y educativo por el mundo
del petróleo.
Composición:
El petróleo está formado por hidrocarburos, que son compuestos
de hidrógeno y carbono, en su mayoría parafinas, naftenos y
aromáticos, que son los caracterizan ese petróleo. Junto con
cantidades variables de derivados hidrocarbonados de azufre,
oxígeno y nitrógeno. Cantidades variables de gas disuelto y
pequeñas proporciones de componentes metálicos. También
puede contener agua en suspensión o en emulsión y sales. Sus
componentes útiles se obtienen por destilación en las refinerías
de petróleo. Los componentes no deseados: azufre, oxígeno,
nitrógeno, metales, agua, sales, etc., se eliminan mediante
procesos físico-químicos.
El número de compuestos es muy grande. En un crudo
determinado se han aislado hasta 277 compuestos de
hidrocarburos.
La mayoría de hidrocarburos aislados se clasifican como:
Hidrocarburos parafínicos (33%)
Son hidrocarburos saturados homólogos del metano (CH4)
Fórmula general: Cn+H2n+2
Cicloparafinas-Naftenos (21%)
Son hidrocarburos cíclicos saturados, derivados del
ciclopentano (C5H10) y del ciclohexano (C6H12). Muchos de
estos hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con
cadenas parafínicas ramificadas.
Fórmula general: CnH2n
Hidrocarburos aromáticos ( 47% )
Son hidrocarburos cíclicos insaturados constituidos por el
benceno (C6H6) y sus homólogos.
Fórmula general: CnHn.
Otros hidrocarburos:
Olefinas
Fórmula general: CnH2n
Son moléculas lineales o ramificadas que contienen un
enlace doble de carbono.
Dienos o Diolefinas
Fórmula general: CnH2n-2
Son moléculas lineales o ramificadas que contienen dos
enlaces dobles de carbono.
Compuestos no hidrocarburos:
Los compuestos más importantes son los sulfuros
orgánicos, los compuestos de nitrógeno y de oxígeno.
También hay trazas de compuestos metálicos, tales como
el sodio (Na), hierro (Fe), níquel (Ni), vanadio (V), plomo
(Pb), etc. Asimismo se pueden encontrar trazas de
porfirinas, que son especies organometálicas.
Origen:
El petróleo es una sustancia aceitosa de color oscuro a la que,
por sus compuestos de hidrógeno y carbono, se le denomina
hidrocarburo.
La composición elemental del petróleo normalmente está
comprendida dentro de los siguientes intervalos:
Element
o
% Peso
Carbón 84 - 87
Hidrógeno 11 - 14
Azufre 0 - 2
Nitrógeno 0.2
Ese hidrocarburo puede estar en estado líquido o en estado
gaseoso. En el primer caso es un aceite al que también se le
dice crudo. En el segundo se le conoce como gas natural.
Según la teoría más aceptada, el origen del petróleo y del gas
natural- es de tipo orgánico y sedimentario.
Esa teoría enseña que el petróleo es el resultado de un complejo
proceso físico-químico en el interior de la tierra, en el que,
debido a la presión y las altas temperaturas, se produce la
descomposición de enormes cantidades de materia orgánica que
se convierten en aceite y gas.
Esa materia orgánica está compuesta fundamentalmente por el
fitoplancton y el zooplancton marinos, al igual que por materia
vegetal y animal, todo lo cual se depositó en el pasado en el
fondo de los grandes lagos y en el lecho de los mares.
Junto a esa materia orgánica se depositaron mantos sucesivos
de arenas, arcillas, limo y otros sedimentos que arrastran los ríos
y el viento, todo lo cual conformó lo que geológicamente se
conoce como rocas o mantos sedimentarios, es decir,
formaciones hechas de sedimentos.
Entre esos mantos sedimentarios es donde se llevó a cabo el
fenómeno natural que dio lugar a la creación del petróleo y el
gas natural.
Ese proceso de sedimentación y transformación es algo que
ocurrió a lo largo de millones de años. Entre los geólogos hay
quienes ubican el inicio de todo ese proceso por la época de los
dinosaurios y los cataclismos. Otros opinan que hoy se está
formando de una manera similar el petróleo del mañana.
En un comienzo los mantos sedimentarios se depositaron en
sentido horizontal. Pero los movimientos y cambios violentos
que han sacudido a la corteza terrestre variaron su
conformación y, por consiguiente, los sitios donde se encuentra
el petróleo.
Es por esto que la geología identifica hoy varios tipos de
estructuras subterráneas donde se pueden encontrar
yacimientos de petróleo: anticlinales, fallas, domos salinos, etc.
En todo caso, el petróleo se encuentra ocupando los espacios de
las rocas porosas, principalmente de rocas como areniscas y
calizas. Es algo así como el agua que empapa una esponja. En
ningún caso hay lagos de petróleo. Por consiguiente, no es cierto
que cuando se extrae el petróleo quedan enormes espacios
vacíos en el interior de la tierra.
Si tomamos el ejemplo de la esponja, cuando ésta se exprime
vuelve a su contextura inicial. En el caso del petróleo, los poros
que se van desocupando son llenados de inmediato por el
mismo petróleo que no alcanza a extraerse y por agua
subterránea.
Los orígenes del gas natural son los mismos del petróleo, pues,
como se dijo antes, el gas es petróleo en estado gaseoso.
Cuando se encuentra un yacimiento que produce petróleo y gas,
a ese gas se le llama "gas asociado". Pero también hay
yacimientos que sólo tienen gas, caso en el cual se le llama "gas
libre".
Otros yacimientos sólo contienen petróleo líquido en condiciones
variables de presión y transferencia. Generalmente el petróleo
líquido se encuentra acompañado de gas y agua.
1.2.2. Derivados del petróleo:
Este diagrama de flujo le dará una visión general de qué va
entre materias primas de carácter petroquímico y los productos
que usamos en nuestra vida diaria - como analgésicos, autos,
ropas, etc. No todos los derivados son mencionados - estaría
cerca de lo imposible.
Para cada producto que mencionamos, hay a menudo
centenares de aplicaciones. Tomamos otro atajo aquí, y
preferimos ilustrar las aplicaciones de nuestros productos con
sólo un ejemplo. Así es que justamente recuerde que hay más
para la petroquímica que lo que usted verá aquí.
Importante:
http://www.petrochemistry.net/flowchart/flowchart.htm
1.2.3. Derivados del petróleo:
1.3. GAS NATURAL:
Es una mezcla de gases que se encuentra frecuentemente en
yacimientos fósiles, solo o acompañando al petróleo o a los
depósitos de carbón. Aunque su composición varía en función del
yacimiento del que se extrae, está compuesto principalmente por
metano en cantidades que comúnmente pueden superar el 90 o 95%,
y suele contener otros gases como nitrógeno, etano, CO2, H2S, butano,
propano, mercaptanos y trazas de hidrocarburos más pesados.
Como fuentes adicionales de este recurso natural, se están
investigando los yacimientos de hidratos de metano que se estima que
puede suponer unas reservas energéticas muy superiores a las
actuales de gas natural.
Puede obtenerse también con procesos de descomposición de restos
orgánicos (basuras, vegetales - gas de pantanos) en las plantas de
tratamiento de estos restos (depuradoras de aguas residuales urbanas,
plantas de procesado de basuras, de alpechines, etc.). El gas obtenido
así se llama Biogás.
El gas natural que se obtiene debe ser procesado para su uso
comercial o doméstico. Algunos de los gases de su composición se
extraen porque no tienen capacidad energética (nitrógeno o CO2) o
porque pueden depositarse en las tuberías usadas para su distribución
debido a su alto punto de ebullición. El propano, butano e
hidrocarburos más pesados en comparación con el gas natural son
extraídos, puesto que su presencia puede causar accidentes durante la
combustión del gas natural. El vapor de agua también se elimina por
estos motivos y porque a temperaturas cercanas a la temperatura
ambiente y presiones altas forma hidratos de metano que pueden
obstruir los gasoductos. Los compuestos de azufre son eliminados
hasta niveles muy bajos para evitar corrosión y olores perniciosos. Hay
que notar que para uso doméstico, al igual que al butano, se le añade
unas trazas de metil-mercaptano, para que sea fácil detectar una fuga
de gas y evitar su ignición espontánea.
El gas natural al ser un combustible fósil produce CO2, a diferencia de
otros combustibles como la biomasa que absorben CO2 durante su
producción y lo devuelven al quemarlos. Sin embargo, el gas natural
produce mucho menos CO2 que otros combustibles como los derivados
del petróleo, y sobre todo el carbón.
Además es un combustible que se quema más limpia y eficazmente.
La razón por la cual produce poco CO2 es que el principal componente,
metano, contiene 4 átomos de hidrogeno y uno de carbono.
Como ventaja añadida es un combustible más versátil, que puede
utilizar en sistemas de generación más eficientes como el ciclo
combinado o la pila de combustible.
Como materia prima, por su alto contenido en hidrógeno, el gas natural
es la materia prima más utilizada en la producción de amoniaco de
amoníaco producto base de toda la industria de abonos nitrogenados y
también del metanol (producto que se utiliza en la fabricación de
plásticos y proteínas sintéticas). A partir del gas natural se obtienen
materias primas de base en la industria petroquímica tales como
etileno, butadieno, propileno. Por su contenido de etano sirve como
base para obtener el etileno el cual sirve de intermedio para una serie
de compuestos tales como polietileno, poliestireno, oxido de etileno,
policloruro de vinilo, etc.
Fig.: Derivados del Gas Natural
1.4. DERIVADOS DE LA AGROINDUSTRIA:
1.4.1. La madera:
Sólo madera entre los combustibles renovables es significante
como una materia prima química. Madera es una compleja
estructura física y química.
Su composición elemental global por masa es aproximadamente
49% carbono, 6% hidrógeno, y 0.2% nitrógeno; los elementos
restantes y sus cantidades y formas varían considerablemente
de una especie de árbol a otra. Los cationes más comunes
encontrados en la madera son calcio, potasio, y magnesio; los
aniones comunes incluyen carbonato, sulfato, fosfato, y silicato.
Éstos constituyen la parte no combustible de la madera, la
ceniza.
La madera es una materia prima importante para la industria
química. Cada año se reducen a pasta enormes cantidades de
madera, que se reconstituye de forma mecánica para hacer
papel. Otras industrias se encargan de extraer algunos
componentes químicos de la madera, como taninos, pigmentos
(véase Pinturas y barnices), gomas, resinas y aceites, y de
modificar estos constituyentes.
Además de agua, el componente principal de la madera es la
celulosa. De la gran cantidad de celulosa que se utiliza para
fabricar rayón y nitrocelulosa, una parte se extrae del algodón,
pero la mayor parte se obtiene de la madera. El mayor problema
que presenta la extracción de celulosa de la madera es eliminar
las impurezas, de las cuales la más importante es la lignina, el
cual es un polímero complejo de una unidad de fenilpropano y se
encuentra en el rango de 18% a 28% del total. Al principio se
desechaba, pero más tarde se ha descubierto que es una buena
materia prima para la fabricación de plásticos y una sustancia
adecuada para el cultivo de levadura de cerveza, que es un
importante alimento para el ganado y las aves de corral.
También se utiliza la madera, sin separar la celulosa de la
lignina, para obtener otros productos químicos mediante
procesos determinados. En el método Bergius, la madera se
trata con ácido clorhídrico para obtener azúcares, que se utilizan
como alimento para el ganado o se fermentan para producir
alcohol. La madera puede transformarse en combustible líquido
por hidrogenación. También se obtienen productos químicos por
destilación. La mayoría de estos productos, como el ácido
acético, metanol y acetona, se obtienen ya de forma sintética.
La madera puede quemarse parcialmente a carbón de leña que
es esencialmente una forma porosa de carbono puro en hornos
que permiten acceso limitado de aire. Este proceso se llama
carbonización de la madera y ha estado en uso desde tiempos
antiguos. La carbonización de madera produce el alquitrán, y se
usó el alquitrán del pino alguna vez para calafatear las naves.
Por esta razón el alquitrán y sus productos todavía se conocen
como " los almacenes navales". Se ha usado el alquitrán de
Madera como una fuente comercial de ácido acético, metanol, y
la mezcla solvente llamada "trementina".
Otros nuevos productos se obtienen mezclando la madera con
ciertos compuestos químicos; la mezcla resultante tiene
propiedades mecánicas similares a las de la madera, pero es
más fuerte y resistente desde el punto de vista químico. Los
métodos más importantes para realizar estas mezclas consisten
en impregnar la madera de ciertos compuestos, como fenol y
formaldehído; después se calienta la madera impregnada y los
productos químicos reaccionan con las células de la madera y
forman una capa plástica. La madera tratada de esta forma se
llama impreg; es muy duradera y resiste el ataque de los
insectos perforadores; su densidad relativa es mayor, aunque su
dureza es casi la misma. Otro producto, llamado compreg, se
obtiene comprimiendo la madera impregnada en una prensa
hidráulica. Se la somete a una determinada presión mientras se
produce la reacción química en el exterior. Esta madera tiene
una densidad relativa de 1,35, su dureza es muy superior a la de
la madera sin tratar y su resistencia un poco mayor, aunque su
rigidez puede ser un poco inferior.
Destilación de la Madera
El carbón vegetal es un útil subproducto de la madera, y se
obtiene por el proceso de carbonización. Tratando la madera de
diferentes formas pueden obtenerse también otros subproductos
útiles. La destilación destructiva - conocida también como
pirólisis o destilación de la madera - es parecida a la
carbonización, salvo que la madera se calienta en un recipiente
cerrado y se recogen los gases y líquidos producidos. Algunos de
esos gases pueden después condensarse para obtener una serie
de productos químicos, y los que no se condensan pueden
utilizarse como combustible gaseoso para el proceso mismo de
destilación, o para cualquier otro fin.
Una tonelada de madera seca tratada da 300 kg de carbón
vegetal, 140 m3 de gas combustible, 14 litros de alcohol metílico,
53 l. de ácido acético, 8 l. de ésteres, 3 l. de acetona, 76 l. de
aceite de madera y de alquitrán ligero, 12 l. de aceite de
creosota y 30 kg de brea. Muchos de esos productos pueden
utilizarse directamente, mientras que otros son materias primas
químicas para la industria.
La destilación de la madera es en realidad otro procedimiento
para hacer carbón vegetal. Se necesita un equipo más
complicado que para la producción convencional, pero el
proceso es más rentable desde el punto de vista energético. La
producción de carbón vegetal en una retorta, condensando los
gases afluentes, puede aumentar considerablemente la energía
que se obtiene; los países que emplean este método ganan
mucho simplemente con la energía extra obtenida. Además, los
subproductos pueden utilizarse de manera sencilla y rentable;
por ejemplo, en Ghana y en Costa Rica los gases producidos se
utilizan para secar la leña destinada a los sistemas de
calefacción, y los líquidos como agentes de conservación de la
madera.
Las economías de energía que podrían conseguirse con esa
técnica han sido estudiadas detalladamente para Ghana, que
produce casi 100 000 toneladas de carbón vegetal al año,
equivalentes a unos 420 000 barriles de petróleo; el rendimiento
es del 15 por ciento, de modo que hacen falta unas 700 000
toneladas de biomasa seca. Con los nuevos equipos de pirólisis
podrían recuperarse 500 000 toneladas de carbón vegetal,
aceites y gases, que representan del 70 al 80 por ciento del
contenido de energía de la biomasa original, con un valor
energético equivalente a más de dos millones de barriles de
petróleo. La diferencia, de más de un millón y medio de barriles
de petróleo, vale a los precios actuales cerca de 45 millones de
dólares en divisas, igual a casi un cuarto del precio de toda la
energía consumida en Ghana.
1.4.2. Sales de Potasio:
1.4.3. La biomasa:
1.5. SÍNTESIS ORGÁNICAS:
1.5.1. Rol en la química:
1.5.2. Estrategia de síntesis:
1.5.3. Análisis retrosintético:
1.6. BIOTECNOLOGÍA:
1.6.1. La biotecnología es intrínsecamente interdisciplinaria:
1.6.2. Campos de aplicación:
1.6.3. Los tres núcleos de la biotecnología:
1.6.4. Materias primas:
CAPÍTULO II
PROCESOS ORGÁNICOS
DE INTERÉS2.1. ACIDOLISIS:
2.2. ACILACIÓN:
2.2.1. Acilación del carbón:
2.2.2. Otros métodos de activación del carboxilo:
2.3. ALQUILACIÓN:
2.3.1. Reacciones:
2.3.2. Procesos:
2.4. AMINACIÓN:
2.5. AROMATIZACIÓN:
2.6. CHELACIÓN:
2.6.1. Aplicaciones:
2.7. COMBUSTIÓN:
2.7.1. Procesos:
2.7.2. Tipos:
2.7.3. Tecnología:
2.7.4. Aplicaciones:
2.8. CONDENSACIÓN Y ADICIÓN:
2.9. CRAQUEO:
2.9.1. Craqueo térmico:
2.9.2. Craqueo catalítico:
2.9.3. Craqueo con vapor (“Hidrocracking”):
2.10. DESHIDRATACIÓN:
2.11. DESHIDROGENACIÓN:
2.11.1. Aplicaciones Industriales:
2.11.2. Reacciones:
2.11.3. Deshidrogenación Oxidativa:
2.11.4. Catalizadores de Función Dual:
2.11.5. Deshidrogenación Bioquímica:
2.12. DIAZOTACIÓN Y ACOPLAMIENTO:
2.12.1. Reacciones de Acoplamiento:
2.12.2. Reacciones de Substitución:
2.12.3. Compuestos Diazo:
2.13. ESTERIFICACIÓN:
2.13.1. Éster:
2.13.2. Propiedades y usos:
2.13.3. Esterificación:
2.13.4. Hidrólisis:
2.13.5. Síntesis de éster acetoacético:
2.13.6. Síntesis de éster malónico:
2.14. ETINILACIÓN:
2.15. FERMENTACIÓN:
2.15.1. Tipos de Fermentaciones:
2.16. PROCESO DE FISCHER – TROPSCH:
2.16.1. Metanación:
2.16.2. Reacciones:
2.17. REACCIONES DE FRIEDEL CRAFTS:
2.17.1. Alquilación:
2.17.2. Acilación:
2.17.3. Catalizadores:
2.17.4. Aplicación industrial:
2.18. REACCIONES DE GRIGNARD:
2.19. HALOGENACIÓN:
2.19.1. Halogenación Substitución:
2.19.2. Halogenación Adición:
2.19.3. Halogenación de Aromáticos:
2.19.4. Halogenación con Haluros de Hidrógeno:
2.19.5. Agentes misceláneos de Halogenación:
2.19.6. Aplicaciones Industriales:
2.20. HIDROBORACIÓN:
2.21. HIDROFORMILACIÓN:
2.22. HIDROGENACIÓN:
2.22.1. Agentes de Proceso:
2.22.2. Química del Proceso:
2.22.3. Termodinámica:
2.22.4. Efecto de la Temperatura:
2.22.5. Efecto de la Presión:
2.22.6. Catalizadores:
2.22.7. Equipo:
2.22.8. Caso de Estudio:
2.23. HIDRÓLISIS E HIDRATACIÓN:
2.24. ISOMERIZACIÓN:
2.24.1. Migración de Grupos Alquil:
2.24.2. Cambio de un enlace simple de carbono:
2.24.3. Cambio de un doble enlace:
2.25. NITRACIÓN:
2.25.1. Nitraciones Tipo Iónicas:
2.25.2. Nitraciones por Radicales Libres:
2.25.3. Proceso Victor Meyer y Otros Procesos:
2.26. OXIDACIÓN:
2.26.1. Oxidación de Compuestos Orgánicos:
2.26.2. Oxidación de Compuestos Inorgánicos:
2.27. OZONÓLISIS:
2.28. FOTÓLISIS:
2.28.1. Reactores y Características:
2.28.2. Materiales Orgánicos:
2.29. POLIMERIZACIÓN:
2.29.1. Polimerización por Adición – Condensación:
2.29.2. Polimerización por Crecimiento de la Cadena –
Polimerización por etapas:
2.30. RACEMIZACIÓN:
2.30.1. Mecanismos:
2.30.2. Significancia:
2.31. PROCESO DE REFORMACIÓN:
2.31.1. Química:
2.31.2. Reformación Térmica:
2.31.3. Reformación Catalítica:
2.32. REACCIONES DE SUBSTITUCIÓN:
2.32.1. Sustitución Nucleofílica:
2.32.2. Sustitución Electrofílica:
2.32.3. Sustitución por Radicales:
2.33. SULFONACIÓN:
2.33.1. Usos de Sulfonatos y sulfatos:
2.33.2. Agentes de Sulfonación y Sulfatación:
2.33.3. Catalizadores:
2.33.4. Equipo:
2.34. TRANSESTERIFICACIÓN:
2.34.1. Equilibrio de Reacción:
2.34.2. Cinética de Reacción y Catálisis:
2.34.3. Mecanismo de Reacción:
2.35. PIROLISIS:
2.35.1. Aplicaciones: Industriales:
2.36. ELECTRÓLISIS:
2.36.1. Principios:
2.36.2. Aplicaciones:
CAPÍTULO III
CATALIZADORES2.1. HISTORIA DE LA CATÁLISIS:
2.2. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LA CATÁLISIS Y LOS
CATALIZADORES:
2.3. CATÁLISIS HOMOGÉNEA:
2.4. CATÁLISIS ENZIMÁTICA:
2.5. CATÁLISIS HETEROGÉNEA:
2.6. APLICACIONES INDUSTRIALES:
CAPÍTULO IV
MANUFACTURA DE
PRODUCTOS QUÍMICOS
2.1. ACETATO DE ETILO
2.2. ÁCIDO ACÉTICO:
2.3. ÁCIDO TEREFTÁLICO:
2.4. ACRILONITRILO:
2.5. ALCOHOL METÍLICO:
2.6. ALQUILBENCENOS:
2.7. ANHÍDRIDO FTÁLICO:
2.8. ANHÍDRIDO MALEICO:
2.9. ANILINA:
2.10. AROMÁTICOS:
2.11. AROMÁTICOS BTX:
2.12. BENCENO:
2.13. BISFENOL A:
2.14. BUTADIENO 1,3:
2.15. BUTANODIOL:
2.16. BUTENO:
2.17. BUTIRALDEHÍDO:
2.18. CICLOHEXANO:
2.19. CUMENO:
2.20. DICLORURO DE ETILENO:
2.21. DIMETIL ÉTER (DME):
2.22. DIMETIL FORMAMIDA:
2.23. DIMETIL TEREFTALATO:
2.24. ETANOLAMINAS:
2.25. ÉTERES:
2.26. ESTIRENO:
2.27. ETILBENCENO:
2.28. ETILEN GLICOL:
2.29. ETILENO:
2.30. FENOL:
2.31. FORMALDEHÍDO:
2.32. HIDRÓGENO:
2.33. METILAMINA:
2.34. OCTENOS:
2.35. OLEFINAS:
2.36. OXIDO DE ETILENO:
2.37. PARAXILENO:
2.38. POLICAPROAMIDA:
2.39. POLIÉSTERES (PET,PBT,PTT,PEN):
2.40. POLIESTIRENO:
2.41. PROPILENO:
2.42. PVC:
2.43. UREA FORMALDEHÍDO:
2.44. XILENOS:
CAPÍTULO V
TECNOLOGÍA DE
POLÍMEROS