Petróleo, destilación fraccionada y combustibles alternativos
Un domingo, Thiago carga nafta en una estación de servicio de Neuquén y se pregunta: ¿de dónde sale esa nafta, si bajo la tierra lo que hay es un líquido oscuro y espeso? ¿Y por qué el surtidor ofrece nafta común y nafta «súper» a distinto precio? En esta página seguís el camino del petróleo, desde el pozo hasta el tanque del auto, y al final volvemos a esa pregunta.
Qué es el petróleo y para qué sirve
El petróleo crudo es una mezcla de cientos de sustancias. La gran mayoría son hidrocarburos: compuestos formados solo por carbono e hidrógeno, con cadenas de pocos o de muchos átomos de carbono. Hay además pequeñas cantidades de compuestos con azufre, nitrógeno y oxígeno, que luego generan contaminación si no se eliminan.
Se extrae en cuencas como la neuquina (Vaca Muerta) y la del Golfo San Jorge, y se transporta a refinerías como la de La Plata-Ensenada o a polos petroquímicos como el de Bahía Blanca.
Solo una parte se quema. El resto es materia prima: plásticos (bolsas, envases de gaseosa, cañerías), asfalto para las rutas, lubricantes, parafinas para velas, solventes, fertilizantes y fibras sintéticas.
El petróleo crudo que se extrae en yacimientos de la Patagonia o de la cuenca neuquina es una mezcla compleja. Explicá con tus palabras qué tipo de sustancias lo…
El petróleo crudo que se extrae en yacimientos de la Patagonia o de la cuenca neuquina es una mezcla compleja. Explicá con tus palabras qué tipo de sustancias lo componen en su mayor parte y mencioná dos productos de uso cotidiano que se obtengan a partir de él, además de los combustibles.
Destilación fraccionada
Los componentes del crudo tienen distintos puntos de ebullición. La refinería aprovecha eso:
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El crudo se calienta en un horno hasta unos 400 °C y entra a la torre como mezcla de líquido y vapor.
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Dentro de la torre la temperatura baja con la altura: es muy alta abajo y más baja arriba.
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Cada vapor sube hasta una altura donde la temperatura es menor que su punto de ebullición, y ahí se condensa. Se recoge en bandejas a distintos niveles.
Es una separación física: no se rompen enlaces ni se forman sustancias nuevas, solo se separan por su punto de ebullición. Cada fracción sigue siendo una mezcla, pero mucho más sencilla que el crudo.
Leé la figura de arriba hacia abajo: a medida que bajás, las cadenas son más largas, el punto de ebullición es más alto, el líquido es más viscoso y más oscuro.
| Fracción | Átomos de C (aprox.) | Ebullición aprox. | Usos |
|---|---|---|---|
| Gas licuado | 1 a 4 | menos de 30 °C | garrafa, cocina |
| Nafta | 5 a 10 | 30 a 150 °C | autos |
| Kerosene | 10 a 16 | 150 a 250 °C | aviones |
| Gasoil | 15 a 20 | 250 a 350 °C | camiones, colectivos |
| Residuos | más de 20 | más de 350 °C | asfalto, fueloil |
En una refinería, el petróleo se separa en fracciones mediante destilación fraccionada. Indicá en qué propiedad física de los componentes se basa esta separación y…
En una refinería, el petróleo se separa en fracciones mediante destilación fraccionada. Indicá en qué propiedad física de los componentes se basa esta separación y explicá si es un proceso físico o una transformación química.
Ordená las siguientes fracciones del petróleo desde la que se extrae en la parte superior de la torre de destilación (la más fría) hasta la que se obtiene en la parte…
Ordená las siguientes fracciones del petróleo desde la que se extrae en la parte superior de la torre de destilación (la más fría) hasta la que se obtiene en la parte inferior: asfalto, gas licuado de petróleo, gasoil, nafta, kerosene. Indicá además cuál de ellas contiene las moléculas de menor tamaño.
Valentina dice que «en la torre de destilación las moléculas más grandes llegan más arriba porque pesan más y se mueven con más fuerza». Explicá por qué esta afirmación…
Valentina dice que «en la torre de destilación las moléculas más grandes llegan más arriba porque pesan más y se mueven con más fuerza». Explicá por qué esta afirmación es incorrecta, relacionando el tamaño de las moléculas de una fracción con su punto de ebullición y con la altura de la torre en la que se condensa.
Un grupo de estudiantes de 5° año analiza tres muestras obtenidas de una torre de destilación: la muestra A hierve entre 30 °C y 150 °C, la B entre 150 °C y 250 °C y la…
Un grupo de estudiantes de 5° año analiza tres muestras obtenidas de una torre de destilación: la muestra A hierve entre 30 °C y 150 °C, la B entre 150 °C y 250 °C y la C entre 350 °C y 450 °C. Identificá a qué fracción corresponde cada una (nafta, kerosene, gasoil o residuos pesados, justificando la elección) y argumentá cuál de las tres se vaporiza con más facilidad y cuál es más viscosa. Relacioná tus respuestas con el número de átomos de carbono de las cadenas presentes.
Cracking y reforming
La destilación entrega las fracciones en la proporción en que están en el crudo. Pero el mercado pide más nafta que fracciones pesadas. La refinería resuelve el desajuste transformando químicamente unas fracciones en otras. Esto sí es una reacción química.
Cracking (craqueo) catalítico. Las moléculas grandes de las fracciones pesadas se rompen, con calor y un catalizador, en moléculas más pequeñas, que van a la nafta y al gas licuado. Se forman también alquenos (hidrocarburos con doble enlace). Un esquema posible:
$$C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}$$Fijate que se conservan los átomos: 16 de C y 34 de H de cada lado. Del hidrocarburo grande salen un alcano de 8 carbonos (en la nafta) y un alqueno de 8 carbonos.
Reforming. Reorganiza moléculas de la nafta sin cambiar mucho su tamaño: transforma cadenas lineales en ramificadas, cíclicas o aromáticas (con anillo de benceno). Estas estructuras queman mejor en el motor, y eso sube el octanaje.
Una refinería de La Plata obtiene de la destilación mucho más gasoil y fracciones pesadas que nafta, pero la demanda de nafta es mayor. Explicá qué es el cracking…
Una refinería de La Plata obtiene de la destilación mucho más gasoil y fracciones pesadas que nafta, pero la demanda de nafta es mayor. Explicá qué es el cracking (craqueo) catalítico, qué le ocurre a las moléculas de las fracciones pesadas y por qué este proceso ayuda a resolver el problema. Podés apoyarte en un esquema escrito con fórmulas, por ejemplo la ruptura de $C_{16}H_{34}$ en moléculas más pequeñas.
Octanaje y aditivos
En el motor de nafta, la mezcla de aire y combustible se comprime y la bujía la enciende. Si el combustible se enciende antes de tiempo por la compresión, se produce una detonación («pistoneo»), que baja el rendimiento y daña el motor.
El índice de octano (RON) mide la resistencia del combustible a detonar por compresión. Se compara con una escala: el isooctano (muy ramificado) vale 100 y el heptano (cadena lineal) vale 0. Una nafta de 95 se comporta como una mezcla con 95 % de isooctano y 5 % de heptano.
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Mayor octanaje = resiste mejor la compresión. Una nafta de 98 detona menos que una de 95.
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Las cadenas ramificadas, los ciclos y los aromáticos tienen mayor octanaje que las cadenas lineales. De ahí el papel del reforming.
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Se puede subir el octanaje con aditivos, como el etanol o el MTBE (un éter). Antes se usaba plomo, pero es muy tóxico y se abandonó.
Una nafta tiene un octanaje (RON) de 95 y otra de 98. Explicá qué mide el índice de octano, cuál de las dos naftas resiste mejor la compresión en el motor sin detonar…
Una nafta tiene un octanaje (RON) de 95 y otra de 98. Explicá qué mide el índice de octano, cuál de las dos naftas resiste mejor la compresión en el motor sin detonar prematuramente y qué efecto tiene el reforming sobre la estructura de los hidrocarburos de la nafta para mejorar este índice.
Combustibles alternativos
Quemar derivados del petróleo libera CO₂, un gas de efecto invernadero. Además, el petróleo es no renovable. Por eso se buscan alternativas:
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Bioetanol: se obtiene por fermentación de caña de azúcar (Tucumán) o maíz y se mezcla con la nafta.
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Biodiésel: se produce a partir de aceites vegetales (soja, en la zona de Rosario) y se mezcla con el gasoil.
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GNC (gas natural comprimido): lo usan muchos taxis y colectivos. Sigue siendo fósil, pero emite menos CO₂ por energía.
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Hidrógeno: al quemarse solo forma agua. Su problema es cómo producirlo (si se obtiene a partir de combustibles fósiles, no resuelve nada) y cómo almacenarlo.
La combustión del etanol es:
$$C_2H_5OH + 3\,O_2 \rightarrow 2\,CO_2 + 3\,H_2O$$Al quemarse libera CO₂, igual que la nafta. La diferencia está en el balance del ciclo completo: la caña de azúcar absorbió CO₂ de la atmósfera al crecer por fotosíntesis, así que gran parte del CO₂ emitido había sido tomado antes del aire. En el petróleo, en cambio, el carbono estuvo bajo tierra millones de años y al quemarlo se agrega CO₂ nuevo a la atmósfera.
| Ventaja | Desventaja | |
|---|---|---|
| Bioetanol | Fuente renovable, balance de CO₂ mucho menor | Ocupa tierras que podrían usarse para alimentos |
| Biodiésel | Renovable, menos azufre | Requiere grandes superficies de cultivo y energía para producirlo |
En Argentina se mezcla la nafta con bioetanol (obtenido de la caña de azúcar o del maíz) y el gasoil con biodiésel (obtenido de aceites vegetales). Compará estos…
En Argentina se mezcla la nafta con bioetanol (obtenido de la caña de azúcar o del maíz) y el gasoil con biodiésel (obtenido de aceites vegetales). Compará estos combustibles alternativos con los derivados del petróleo considerando: el carácter renovable o no de la fuente, la combustión del etanol, $C_2H_5OH + 3\,O_2 \rightarrow 2\,CO_2 + 3\,H_2O$, y el balance de dióxido de carbono a lo largo del ciclo completo. Plantéa también una ventaja y una desventaja de cada tipo de combustible alternativo y justificá si es correcto afirmar que «son totalmente inocuos para el ambiente».
Volvemos al principio
La nafta que cargó Thiago salió de la fracción liviana del petróleo, separada por destilación, mejorada con cracking y reforming, y mezclada con bioetanol. La nafta «súper» tiene mayor octanaje: resiste mejor la compresión y conviene a motores exigentes, no a todos.