15.7: Gas Natural y Petróleo

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Objetivos de aprendizaje

Describir la naturaleza y procesamiento del gas natural, petróleo y gasolina.
Enumerar diferentes combustibles alternativos.

El petróleo crudo se encuentra frecuentemente en yacimientos junto con el gas natural. En el pasado, el gas natural se quemaba o se le permitía escapar a la atmósfera. Ahora, se ha desarrollado tecnología para capturar el gas natural y reintroducirlo en el pozo o comprimirlo en gas natural líquido (GNL).

Gas Natural

El gas natural está compuesto predominantemente por metano (CH ₄). Algunos de los gases que se producen junto con el metano, como el butano y el propano (subproductos), se separan y limpian en una planta de procesamiento de gas. Los subproductos, una vez retirados, se utilizan de varias maneras. Por ejemplo, el propano se puede utilizar para cocinar en parrillas de gas. El gas natural extraído de un pozo puede contener hidrocarburos líquidos y gases no hidrocarbonados. Esto se llama gas natural “húmedo”. El gas natural se separa de estos componentes cerca del sitio del pozo o en una planta de procesamiento. El gas se considera entonces “seco” y se envía a través de ductos a una compañía de distribución local, y, en última instancia, al consumidor.

La mayor parte del gas natural que se consume en Estados Unidos se produce en Estados Unidos. Algunos son importados de Canadá y enviados a Estados Unidos en ductos. Una pequeña cantidad de gas natural se envía a Estados Unidos como GNL.

Fracking para Gas

El gas natural convencional se encuentra en depósitos permeables, típicamente compuestos de arenisca o piedra caliza, donde la extracción es relativamente sencilla porque el gas generalmente fluye libremente. El gas no convencional se encuentra en rocas de permeabilidad extremadamente baja, lo que dificulta mucho más su extracción. Dicho gas se extrae empleando técnicas llamadas “no convencionales” como la fracturación hidráulica (fracking), que ha estado en uso desde finales de la década de 1940. En las últimas décadas, la tecnología de fracking ha mejorado mucho, y su uso se ha ampliado. El proceso de fracking para gas es muy similar al del fracking para petróleo, y los impactos ambientales son similares también.

Petróleo

El petróleo es actualmente el combustible fósil más utilizado y representa aproximadamente un tercio del consumo global de energía. A diferencia del carbón, que se utiliza principalmente como combustible para la generación de electricidad, el petróleo se utiliza principalmente como combustible para el transporte. El petróleo también se utiliza para fabricar plásticos y otros compuestos sintéticos ubicuos en nuestra vida cotidiana. El petróleo crudo (sin procesar) varía mucho en apariencia dependiendo de su composición. Por lo general, es negro o marrón oscuro (aunque puede ser amarillento, rojizo o incluso verdoso). En el embalse suele encontrar en asociación con el gas natural, el cual al ser más ligero forma una tapa de gas sobre el petróleo.

El petróleo está compuesto por hidrocarburos que son moléculas que contienen hidrógeno y carbono en diversas longitudes y estructuras, desde cadenas rectas hasta cadenas ramificadas y anillos. Los hidrocarburos contienen mucha energía y muchas de las cosas derivadas del petróleo crudo como la gasolina, el diesel, la cera de parafina y así sucesivamente aprovechan esta energía.

Extracción

El petróleo se obtiene principalmente por perforación ya sea en tierra (tierra adentro) o en el océano (costa afuera). La perforación temprana en alta mar se limitó generalmente a áreas donde el agua tenía menos de 300 pies de profundidad. Las plataformas de perforación de petróleo y gas natural ahora operan en aguas tan profundas como dos millas. Los productores de petróleo offshore deben tomar precauciones para prevenir la contaminación, derrames y cambios significativos en el ambiente oceánico. Las plataformas offshore están diseñadas para resistir huracanes. La producción offshore es mucho más cara que la producción terrestre. Cuando los pozos petrolíferos offshore ya no son lo suficientemente productivos como para ser económicos, se sellan y abandonan de acuerdo con la normativa aplicable.

Procesamiento y Refinación

Cuando se extrae, el petróleo crudo consiste en muchos tipos de hidrocarburos, así como algunas sustancias no deseadas como azufre, nitrógeno, oxígeno, metales disueltos y agua, todos mezclados entre sí. Por lo tanto, el crudo sin procesar no es generalmente útil en aplicaciones industriales y primero debe separarse en diferentes productos utilizables en una refinería (Figura\(\PageIndex{1}\)). Todas las refinerías realizan tres pasos básicos: separación, conversión y tratamiento en el procesamiento y refinamiento del petróleo crudo.

Captura de pantalla (44) .png — Figura\(\PageIndex{1}\) *Tesoro Corporation Refinería de Petróleo en Anacortes, Washington. Foto de Walter Siegmund.* Commons.wikimedia.org/wiki/o... nery_31904.JPG

Durante la separación, los diversos productos (hidrocarburos) se separan en diferentes componentes (llamados fracciones), aprovechando las diferencias en la temperatura de ebullición de los componentes. Este proceso se llama destilación fraccionada e implica calentar el crudo, dejarlo vaporizar y luego condensar el vapor. Los componentes más ligeros tienen la temperatura de ebullición más baja y suben a la parte superior mientras que los más pesados que también tienen la temperatura de ebullición más alta permanecen en la parte inferior.

La conversión es el procesamiento químico en el que algunas de las fracciones se transforman en otros productos, por ejemplo, una refinería puede convertir el combustible diesel en gasolina dependiendo de la demanda de gasolina. La conversión puede implicar romper cadenas de hidrocarburos más grandes en cadenas más pequeñas (craqueo), combinar cadenas más pequeñas en cadenas más grandes (unificación) o reorganizar las moléculas para crear los productos deseados (alteración).

El tratamiento se realiza a las fracciones para eliminar impurezas como azufre, nitrógeno y agua entre otras. Las refinerías también combinan las diversas fracciones (procesadas y no procesadas) en mezclas para elaborar los productos deseados. Por ejemplo, diferentes mezclas de cadenas de hidrocarburos pueden crear gasolinas con diferentes índices de octanaje, con y sin aditivos, aceites lubricantes de diversos pesos y grados (por ejemplo, WD-40, 10W-40, 5W-30, etc.), aceite para calefacción y muchos otros. Los productos se almacenan in situ hasta que pueden ser entregados a diversos mercados como gasolineras, aeropuertos y plantas químicas.

Un barril de petróleo crudo de 42 galones de EE.UU. produce alrededor de 45 galones de productos derivados del petróleo debido a la ganancia de procesamiento de refinería. Este aumento de volumen es similar a lo que sucede con las palomitas de maíz cuando se reventan. La gasolina constituye la mayor fracción de todos los productos derivados del petróleo obtenidos (Figura\(\PageIndex{2}\)). Otros productos incluyen combustible diesel y combustible para calefacción, combustible para aviones, materias primas petroquímicas, ceras, aceites lubricantes y asfalto.

Captura de pantalla (45) .png — Figura\(\PageIndex{2}\) Principales productos (medidos en galones) elaborados a partir de un barril de petróleo crudo, 2013. Fuente: Administración de información energética de Estados Unidos http://www.eia.gov/energyexplained/i...? page=oil_home

Fracking para aceite

La fracturación hidráulica, conocida informalmente como “fracking”, es un proceso de desarrollo de pozos de petróleo que generalmente implica inyectar agua, arena y productos químicos a alta presión en una formación de roca madre a través del pozo. Este proceso tiene como objetivo crear nuevas fracturas en la roca, así como aumentar el tamaño, extensión y conectividad de las fracturas existentes. La fracturación hidráulica es una técnica de estimulación de pozos que se usa comúnmente en rocas de baja permeabilidad como arenisca apretada, esquisto y algunos lechos de carbón para aumentar el flujo de petróleo a un pozo de formaciones rocosas que contienen petróleo.

Existen preocupaciones sobre la posible contaminación de los recursos de agua subterránea fresca de pozos de extracción de petróleo y gas que utilizan fracturación hidráulica; ya sea del recurso petrolero que se produce o de los productos químicos introducidos en el proceso de fracturación. El flujo de retorno del fluido de fracking, el fluido bombeado fuera del pozo y separado del petróleo y el gas, no solo contiene los aditivos químicos utilizados en el proceso de perforación, sino que también contiene metales pesados, materiales radiactivos, compuestos orgánicos volátiles (COV) y contaminantes peligrosos del aire como benceno, tolueno, etilbenceno y xileno. En algunos casos, esta agua contaminada se envía a plantas de tratamiento de agua que no están equipadas para hacer frente a algunas de estas clases de contaminación.

Gasolina

El petróleo se convierte en productos útiles como la gasolina en tres etapas: destilación, craqueo y reformado. La parte (a) de la Figura\ (\ PageIndex {3}\ muestra un dibujo recortado de una columna utilizada en la industria petrolera para separar los componentes del petróleo crudo. El petróleo se calienta a aproximadamente 400°C (750°F), temperatura a la cual se ha convertido en una mezcla de líquido y vapor. Esta mezcla, llamada materia prima, se introduce en la torre de refinación. Los componentes más volátiles (aquellos con los puntos de ebullición más bajos) se condensan en la parte superior de la columna donde está más fría, mientras que los componentes menos volátiles se condensan más cerca del fondo. Algunos materiales son tan no volátiles que se recogen en el fondo sin evaporarse en absoluto. Así, la composición del líquido que se condensa en cada nivel es diferente. Estas diferentes fracciones, cada una de las cuales generalmente consiste en una mezcla de compuestos con números similares de átomos de carbono, se extraen por separado. Parte (b) La Figura\ (\ PageIndex {3}\ muestra las fracciones típicas recolectadas en las refinerías, el número de átomos de carbono que contienen, sus puntos de ebullición y sus usos finales. Estos productos van desde gases utilizados en gas natural y embotellado hasta líquidos utilizados en combustibles y lubricantes hasta sólidos gomosos utilizados como alquitrán en carreteras y techos.

Figura \(\PageIndex{3}\)La Destilación del Petróleo. a) Se trata de un diagrama de una columna de destilación utilizada para separar fracciones de petróleo. b) Las fracciones de petróleo se condensan a diferentes temperaturas, dependiendo del número de átomos de carbono en las moléculas, y se extraen de la columna. Los componentes más volátiles (aquellos con los puntos de ebullición más bajos) se condensan en la parte superior de la columna, y los menos volátiles (aquellos con los puntos de ebullición más altos) se condensan en la parte inferior.

Clasificaciones de octano de Gasolinas

La calidad de un combustible está indicada por su índice de octanaje, que es una medida de su capacidad para quemar en un motor de combustión sin tocar ni hacer pinging. Los golpes y los pinging señalan una combustión prematura (Figura\(\PageIndex{4}\)) que puede ser causada ya sea por un mal funcionamiento del motor o por un combustible que se quema demasiado rápido. En cualquier caso, la mezcla gasolina-aire detona en el punto equivocado del ciclo del motor, lo que reduce la potencia de salida y puede dañar válvulas, pistones, cojinetes y otros componentes del motor. Las diversas formulaciones de gasolina están diseñadas para proporcionar la mezcla de hidrocarburos con menos probabilidades de causar detonaciones o pinging en un tipo dado de motor que funciona a un nivel particular.

Figura\(\PageIndex{4}\) La Quema de Gasolina en un Motor de Combustión Interna. (a) Normalmente, el combustible es encendido por la bujía, y la combustión se extiende uniformemente hacia afuera. (b) La gasolina con un índice de octanaje demasiado bajo para el motor puede encenderse prematuramente, dando como resultado una combustión desigual que provoca golpes y pinging.

La escala de octano se estableció en 1927 utilizando un motor de prueba estándar y dos compuestos puros: n-heptano e isooctano (2,2,4-trimetilpentano). al n-heptano, que causa una gran cantidad de detonación en la combustión, se le asignó una clasificación de octano de 0, mientras que al isooctano, un combustible de combustión muy suave, se le asignó un octano calificación de 100. Los químicos asignan índices de octano a diferentes mezclas de gasolina quemando una muestra de cada una en un motor de prueba y comparando el golpeteo observado con la cantidad de golpeteo causado por mezclas específicas de n-heptano e isooctano. Por ejemplo, el índice de octano de una mezcla de 89% de isooctano y 11% de n-heptano es simplemente el promedio de las calificaciones de octano de los componentes ponderados por las cantidades relativas de cada uno en la mezcla. Convirtiendo porcentajes a decimales, obtenemos el índice de octano de la mezcla:

\[0.89(100) + 0.11(0) = 89 \tag{3.8.1} \]

Como se indica en la Tabla\ (\ PageIndex {1}\, muchos compuestos que ahora están disponibles tienen índices de octano mayores a 100, lo que significa que son mejores combustibles que el isooctano puro. Además, se han desarrollado agentes antidetonantes, también llamados potenciadores del octano. Uno de los más utilizados durante muchos años fue el tetraetilplomo [(C ₂ H ₅) ₄ Pb], que a aproximadamente 3 g/gal da un aumento de 10-15 puntos en el índice de octano. Desde 1975, sin embargo, los compuestos de plomo se han eliminado gradualmente como aditivos de gasolina porque son altamente tóxicos. Otros potenciadores, como el metil t-butil éter (MTBE), han sido desarrollados para tomar su lugar. Combinan un alto índice de octanaje con una corrosión mínima en las partes del motor y del sistema de combustible. Desafortunadamente, cuando la gasolina que contiene MTBE se escapa de tanques de almacenamiento subterráneos, el resultado ha sido la contaminación del agua subterránea en algunos lugares, lo que ha resultado en limitaciones o prohibiciones directas sobre el uso de MTBE en ciertas áreas. Como resultado, el uso de potenciadores de octano alternativos como el etanol, que se puede obtener de recursos renovables como maíz, caña de azúcar y, eventualmente, tallos y pastos de maíz, está aumentando.

Cuadro \(\PageIndex{1}\)Las Clasificaciones de Octano de Algunos Hidrocarburos y Aditivos Comunes.

Combustibles Alternativos

Medios alternativos a los vehículos motorizados es un tema candente en la química ambiental. Los vehículos híbridos, el etanol, el biodiesel (Figura\(\PageIndex{5}\)), el gas natural y las pilas de combustible de hidrógeno son opciones para alimentar vehículos que reducen el impacto ambiental de los gases de efecto invernadero en el medio ambiente. La principal preocupación de estos combustibles alternativos es su eficiencia vs. costo en comparación con los combustibles fósiles. En el cuadro se\(\PageIndex{2}\) muestra la estructura química de varios combustibles, así como el contenido energético de cada uno.

Figura *Estación\(\PageIndex{5}\) de biocombustible (SECO)*

Tabla Contenido\(\PageIndex{2}\) Energético de Combustibles*.
	Gasolina	Diésel No. 2	Biodiesel	Etanol	Hidrógeno	Gas Natural Licuado (GNL)	Gas Licuado de Petróleo
Estructura Química	C4 a C12	C8 a C25	Ésteres metílicos de ácidos grasos C12 a C22	CH ₃ CH ₂ OH	H ₂	CH ₄	C _³ H ₈ (mayoría) y C4H10 (minoría)
Contenido de energía (mayor valor calorífico)	124.340 BTU/gal (g)	137.380 BTU/gal (g)	127,960 BTU/gal para B100 (g)	84,530 BTU/gal para E100 (g)	61,013 BTU/lb (g)	84,820 BTU/gal (g)	91,410 BTU/gal (g
Energía contenida en varios combustibles alternativos en comparación con un galón de gasolina	100%	113%	103%	77%	100%	64%	73%

*Mesa creada en: http://www.afdc.energy.gov/afdc/fuels/properties.html

Etanol

El etanol se puede usar en grados porcentuales variables por vehículos. El gasohol es 10% de etanol, produce menos emisiones de carbono que la gasolina típica, pero disminuye ligeramente las millas por galón (MPG) del vehículo. E85 es hasta 85% de etanol, puede ser menos costoso dependiendo de donde vivas, pero baja el MPG hasta 30% en comparación con la gasolina típica. Veamos el cambio de entalpía de bonos para la quema de combustibles fósiles vs. la quema de E85 para entender la caída de MPG.

Resumen

Se discutió la extracción y procesamiento de gas natural (principalmente metano) y petróleo.
El petróleo se convierte en productos útiles como la gasolina por destilación, craqueo y reformado.
Los medios alternativos para impulsar vehículos y reducir el efecto de los gases de efecto invernadero en el medio ambiente incluyen vehículos híbridos, etanol, biodiesel, gas natural y pilas de combustible de hidrógeno.

Colaboradores y Atribuciones

Libretext: Introduction to Environmental Science (Zendher et al.)
Dr. Dietmar Kennepohl FCIC (Professor of Chemistry, Athabasca University)
Ed Vitz (Kutztown University), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (University of Minnesota Rochester), Tim Wendorff, and Adam Hahn.
US Department of Energy. Alternative Fuels. Retrieved 6/13/2012 from: http://www.fueleconomy.gov/feg/current.shtml
US Department of Energy. Alternative and Advanced Fuels. Retrieved 6/13/2012 from: http://www.afdc.energy.gov/afdc/fuels/properties.html
Marisa Alviar-Agnew (Sacramento City College)