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Rango API
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Descripción
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Viscosidad
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Color
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Componentes
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0o – 22.3o
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PESADO |
Extrema
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Oscuro
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Asfalto
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22.3o – 31.3o
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MEDIO
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Moderada
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marrón
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Gasolina & diesel
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31.3o – 47o
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LIGERO
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Fluida
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amarillo ligero
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Condensados/gasolina
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Un petróleo crudo medio con una gravedad API de 35o tendría la siguiente composición:
Se estima que las reservas mundiales de petróleo suponen un total de 2 trillones de barriles.4 Sin embargo, las reservas totales, conocidas y demostradas, en la tierra, es de unos 1034 miles de millones de barriles. Es decir, sobre 1 billón de barriles. A pesar de que este número parece muy grande, todos los carburantes fósiles son fuentes no renovables de manera que es imperativa su conservación y el uso inteligente del petróleo producido.
Los productos útiles a partir del aceite crudo son demasiado numerosos para mencionarlos todos. Los productos del petróleo están relacionados con la fabricación de materiales usados en casa, en la construcción comercial, los automóviles, fibras para ropa, adornos, tratamiento y embalaje de alimentos, dispositivos médicos y síntesis de productos farmacéuticos. La lista es interminable y puede verse en http://www.api.org/edu/petprods.htm. Esta página patrocinada por el Instituto Americano del Petróleo, resume muchos productos del petróleo en la vida diaria. La ruta seguida partiendo del petróleo crudo hasta llegar a los jerseis, los CD, coches de choque, tablillas para tejados, etc, es larga y está relacionada con la química llamada de refino y reformado. Los productos que pueden derivarse de una media de barriles de aceite crudo, que contiene 42 galones, se muestran debajo.5
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En este módulo nos preocupa fundamentalmente
la materia prima petroquímica que seupone un 2.7% (en volumen) de
cada barril de petróleo crudo. En general, a materia prima petroquímica
puede clasificarse según su origen. Debajo se muestran los productos
derivados de cada una de las principales fuentes de carburante fósil.
Unos 40 millones de barriles de esta materia prima se usan diariamente en las refinerías de todo el mundo para producir productos petroquímicos que serán posteriormente empleados en otras áreas de la química industrial para elaborar compuestos intermedios en la ulterior fabricación y consumo de artículos.4 Podemos ver entonces, que el petróleo crudo da lugar a dos categorías principales de productos - aceites y materia prima.
Aunque el petróleo puede encontrarse en cierta cantidad en cada continente, las mayores reservas comerciales se resumen a continuación. 6
Como la composición de los petróleos crudos de cada una de estas zonas difiere, su valor comercial es, por consiguiente, también diferente. Los petróelos crudos de alto grado que producen las mayores cantidades de gasolina, tienen el mayor valor comercial. Aquellos que necesitan considerables transformaciones para rendir cantidades significativas de gasolina o contienen cantidads superiores a las normales de metales como el vanadio (que envenenan o reducen la vida de los catalizadores empleados) tiene el valor más bajo. El aceite crudo medio mencionado anteriormente con una gravedad API de 35o, después del refino, presentaría la siguiente composición.3
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Producto
refinado
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Rango de hidrocarburos |
Porcentaje
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Gasolina
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Keroseno
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Diesel
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Heavy Gas
Oil
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Aceite lubricante
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Residuos
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Mientras que los combustibles se pueden comercializar directamente (gasolina, keroseno, y diesel) para ser rentables, los otros componentes del petróelo crudo, especialmente el gasoil y los residuos necesitan ser convertidos en productos comerciales. Este es el papel del reformado.
Los dimetilbencenos, comúnmente conocidos como xilenos, son importante productos químicos industriales. Se usan en la fabricación de tintes, y en la producción de ácido benzoico, anhídrido ftálico y los ácidos iso y terftálicos. Los ésteres dimetilo de éstos ácidos se usan en reacciones de polimerización para producir una amplia familia de poliésteres. Uno de los cuales, el terftalato de polietileno, es el objetivo de éste módulo. La producción del terftalato de polietileno comienza con el isómero para del xileno. Los tres isómeros del xileno se pueden obtener a partir del alquitrán por destilación, pero la fuente principal es el petróleo crudo. A partir de un carburante fósil se obtiene una mezcla de isómeros, que contiene de 50-60% del meta-xileno y un 20-25% de cada uno de los isómeros orto y para . El primer paso en la recuperación del p-xileno, empleado para la producción de polímeros, es su separación de los otros isómeros. Como puede verse, a partir de los datos de la familia de xilenos, presentada debajo, los puntos de ebullición de los isómeros meta y para son muy similares. La diferencia entre estos y el punto de ebullición del isómero orto permite separarlos de éste por destilación fraccionada. Cuando el destilado se enfria, el isómero para cristaliza permitiendo su separación del isómero meta por cristalización fraccionada.
XILENOS
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orto
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meta
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para
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Punto de Ebulición
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144oC
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139.3oC
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137-138oC
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Punto de fusión
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-25oC
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-47.4oC
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13-14oC
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En 1999 se produjeron unas 8,802 millones de libras de para-xileno . 7Ello supuso un aumento del 5% con respecto al año anterior y representa cerca de un crecimiento del 20% sobre los dos últimos años. Esto hace que el p-xileno sea uno de los productos petroquímicos industriales de más rápido crecimiento. La capacidad de producción mundial total es de 10,080 millones de libras, de manera que la producción anual se está acercando a casi el 90% de capacidad de encontrar una demanda industrial. Varias de las compañias de mayor producción petrolífera son las proveedoras principales del p-xileno, incluyendo la Mobil, Exxon, y Chevron. La más importante es la Amoco, con plantas en Decatur, Alabama, y Texas City, Texas, que provee cerca de la mitad de la cantidad total comercializada. Además, las plantas de Amoco son las únicas que proveen del producto directo, ácido terftálico purificado, necesario para la polimerización.8
Aunque existen otras aplicaciones de los xilenos en las industrias de tintes y perfumerias, como disolvente y en la producción de algunos herbicidas, casi todo el p-xileno producido se emplea en la fabricación del ácido terftálico purificado (PTA). El PTA se convierte en fibras de poliéster, resinas y films y en terftalato de dimetilo (DMT).
Los xilenos junto con otros inumerables productos petroquímicos importantes, se obtienen a partir del petróleo crudo mediante procesos de refino y reformado. El término refino se usa con frecuencia para describir el proceso de conversión del aceite crudo en productos útiles. Sin embargo, hay al menos cinco procesos distintos que lo constituyen.
El proceso realmente comienza en el campo petrolífero,
donde el petróleo crudo se extrae de la resenva en donde está
almacenado, por perforación. El depósito normalmente se encuentra
a varios miles de pies bajo tierra. El crudo recuperado se recoge y transporta
en tanques o tuberías a la refinería.
El primer paso en el tratamiento del petróelo crudo es la DESALACIÓN en el cual se lava el crudo para eliminar el agua en suspensión, sales, barro y otras impurezas no-orgánicas que pueden formar parte del crudo o que pueden haberlo contaminado durante su extracción. El crudo desalado entra entonces en el proceso de REFINO donde se destila tanto bajo condiciones de presión atomosférica como de vacío. Esta destilación da lugar a algunos productos directamente comerciales pero muchos componentes requieren una conversión en la cual su composición y estructura molecular son modificadas. A este proceso se le conoce como de REFORMADO.
Los productos del reformado se someten luego a un MEZCLADO, proceso que combina algunos de los productos de primera destilación con porciones de los productos convertidos para producir gasolinas y otros artículos cuya composición ha sido designada para proveer las propiedades comerciales necesarias. Estas operaciones tienen lugar en una refinería, que normalmente es un amplio complejo que abarca muchos acres y que se compone de torres de destilación, tanques de procesado y almacenado y reactores a gran escala conectadas por millas de tuberías. Mientras que la desalación y el mezclado son procesos claros, el refino y el reformado, los pasos donde tiene lugar los procesos químicos, necesita de un mayor estudio. Se puede ver un diagrama detallado de una refinería en
http://www.chevron.com/explore/science/refinery/chart.html.
Una torre de refinería es una enorme columna de destilación (normalmente > 100 pies de alto). El aceite crudo alimenta de forma continua a la torre y los productos destilados son transferidos continuamente. De forma que la refinería puede destilar miles de barriles de crudo al día. El crudo, cuyo punto de ebullición medio es de alrededor de 420oC, se calienta en un horno que evapora la mayoría del mismo y los gases y los líquidos calientes son introducidos en la base de la torre.9 El interior de la misma consiste en una serie de platos, conocidos como platos de destilación, en los cuales condensan y reevaporan para condensar en el siguiente plato superior, en donde de nuevo una parte se condensa y los vapores se van dirigiendo a la parte más lejana de la torre. Los componentes con los puntos de ebullición menores salen por la parte superior de la torre, mientras que los que tienen punto de ebullición mayores permanecen en la base de la misma. De esta manera, los componenetes del petróleo se separan por su punto de ebullición, de acuerdo con su peso. Estos productos se conocen como productos de destilación directa. Ciertamente, la gasolina producida ya tiene un valor en el mercado, pero como normalmente el aceite crudo destilará menos de un 30% de gasolina de primera destilación, la conversión del remanente, expecialmente del residuo, se hace necesaria para aumentar el valor del crudo. A continuación se muestra un esquema del proceso de refinado.
El reformado incluye la transformación química de los productos procedentes de la destilación. Las reacciones que tienen lugar cambian el tamaño y la estructura de las moléculas en las fracciones del destilado, produciendo materiales útiles a partir del residuo y convirtiendo algunos productos en otros de mayor valor comercial9,10 Estas reacciones incluyen la acción del calor y presión, con frecuencia en presencia de catalizadores y se las llama REACCIONES DE PROCESADO . El esquema siguiente muestra el flujo de la destilación directa procedentes de una torre de refinado, a través del proceso de reformado, a los productos acabados.
Las operaciones que tienen lugar en la refinería también incluyen muchos procesos y técnicas mecánicas relacionadas con la mejora de las características físicas de los productos refinados y reformados. Estas incluyen el desparafinado, y la extracción. Algunas de éstas se muestran en un excelente diagrama de una refinería de la página web de Amoco (http//www.Amoco.com/resource_pool/design/refinery_flow.jpeg)
Los procesos de refino y reformado del petróleo crudo produce los carburantes necesarios para la calefacción y transporte, aceites lubricantes, grasas y asfaltos para dispositivos mecánicos y construcción de carreteras así como materias primas petroquímicas para la fabricación de productos quimicos. Una de las áreas más importantes de la fabricación de productos químicos incluye las reacciones de polimerización.
El DMT producido en el primer paso debe someterse a una columna de destilación de cinco pasos para producir material puro suficiente para ser usado en las reacciones de polimerización.
Esta reacción es una reacción típica de esterificación Fisher en la cual un ácido reacciona con un alcohol siguiendo el mecanismo usual de la reacción. El hecho de que cada molécula sea disfuncional produce un polímero por la reacción.
La otra síntesis del PET implica un intercambio éster de un diéster y un diol. Esta es una reacción de transesterificación en el cual un éster se transforma en otro. La síntesis del PET por este método es la reacción de terftalato de dimetilo con el etilen glicol como sigue.
La síntesis original del PET fue desarrollada por Whinfield y Dixon.11 Usaron una transesterificación del DMT y el glicol en una relación 1 : 2.4 , destilando el metanol liberado en la mezcla reactiva a medida que tenía lugar la síntesis. Esta síntesis fue realizada a 200-290oC en presencia de SbO3 como catalizador. Las posteriores técnicas empleadas en la industria de polímeros usaban una polimerización de adición del ácido terftálico con un exceso de etilen glicol a 250oC y una presión de 60psi. Ello daba lugar a un polímero de 1 a 6 unidades de repetición. Durante la década de los 70, la síntesis del PET empleó tres veces más DMT que TA. En la década de los 80 las cantidades de DMT y TA eran casi iguales. Actualmente, en los Estados Unidos, la proporción es TA 46 : DMT 54.
El problema inicial cuando se usa TA es la pureza del ácido. La esterificación del DMT permite la separación de un producto puro. El uso del TA aumentó a medida que las técnicas se encontraban disponibles para la producción de ácido terftálico puro conocido como PTA. El PTA tiene un 99% de pureza. Se produce por oxidación del p-xileno en presencia de sales de bromuro de metales pesados de cobalto y manganeso. 10,11
Como se indicó anteriormente, el mayor productor de PTA es Amoco. El proceso Amoco para la producción de PTA cristaliza el TA bruto (producción de un 90% a partir de TA de 96% de pureza). Una vez que el ácido acético subproducto y el p-xileno que no ha reaccionado se eliminan por evaporación, el TA es purificado mediante lavado con agua caliente. La principal impureza remanente es el ácido p-formilbenzoico que se hidrogena a ácido p-metóxibenzoico. Entonces el TA puede separase por cristalización fraccionada para producir PTA que es ácido terftálico del 99.9% de pureza. Las aplicaciones de estos dos monómeros, TA y DMT, se muestran a continuación. 11
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Percentaje del Total
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Fibra de Poliéster
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Exportación
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Resina de Poléster
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Film de Poléster
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Varios
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La reacción de despolimerización, que
es el centro de la tecnología Petretec produce DMT y etilenglicol,
las moléculas de las que está hecho el PET, y no trozos de
poliéster, que son el resultado del reciclado mecánico. La
enorme ventaja de esto es que se reproducen monómeros idénticos
a aquellos empleados como material de partida en la reacción de polimerización.
Por consiguiente, no existen límites en los usos del PET hecho a
partir de ellos. Esto supone una reducción en la dependencia de los
productos petroquímicos para la producción. El lado marrón del PET está
ampliamente superado por el proceso verde
Petretec . Dupont desarrolla el proceso Petretec en su instalación
situada en Cape Fear en Carolina del Norte. La planta tiene una capacidad
de procesado de 100 millones de libras al año.2