Petróleo y destilación fraccionada
La garrafa de GLP de tu cocina, la gasolina de un auto y el diésel de un camión que sube a El Alto salen del mismo líquido oscuro: el petróleo crudo. ¿Cómo se obtienen productos tan distintos de una sola materia prima? La respuesta está en una operación que se hace en las refinerías de Cochabamba, Santa Cruz y Oruro: la destilación fraccionada.
El crudo y la destilación fraccionada
El petróleo crudo es una mezcla de cientos de hidrocarburos, principalmente alcanos con cadenas de entre 1 y más de 40 átomos de carbono. No es una sustancia pura, y por eso no sirve tal cual: hay que separar sus componentes.
Los componentes se pueden separar porque cada uno hierve a una temperatura distinta. Cuanto más larga es la cadena de carbono, más grande es la molécula, más fuerzas de atracción hay entre moléculas vecinas y más energía hace falta para pasarla a gas. Por eso a más átomos de carbono, mayor punto de ebullición (P.E.).
El proceso es este:
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El crudo se calienta en un horno hasta unos 350 °C y entra, casi todo vaporizado, a la parte baja de una torre alta.
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Dentro de la torre, la temperatura es mayor abajo y menor arriba.
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Los vapores suben y se enfrían. Cada hidrocarburo se condensa (vuelve a líquido) en el nivel donde la temperatura es inferior a su P.E.
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Cada nivel tiene una bandeja que recoge el líquido: esa es una fracción.
Fíjate en la lógica: las moléculas livianas (cadenas cortas, P.E. bajo) siguen subiendo como gas hasta llegar a la zona fría de arriba. Las pesadas (cadenas largas, P.E. alto) se condensan enseguida y quedan abajo.
El widget muestra el hexano (P.E. 69 °C): mueve la temperatura y observa cuándo pasa a gas.
Explica en qué propiedad física de los componentes del petróleo se basa la destilación fraccionada. Indica además por qué las fracciones más livianas salen por la parte…
Explica en qué propiedad física de los componentes del petróleo se basa la destilación fraccionada. Indica además por qué las fracciones más livianas salen por la parte superior de la torre y las más pesadas por la parte inferior.
Las fracciones del petróleo y sus usos
De arriba hacia abajo, las fracciones principales son estas:
| Fracción | Intervalo de ebullición (°C) | Carbonos aprox. | Uso en Bolivia |
|---|---|---|---|
| Gases (GLP) | menos de 30 | C₁ a C₄ | Garrafa de GLP para cocinar, calefones |
| Gasolina | 30 a 180 | C₅ a C₁₀ | Autos y motos |
| Queroseno | 180 a 250 | C₁₀ a C₁₆ | Combustible de aviones, lámparas |
| Diésel | 250 a 350 | C₁₅ a C₂₀ | Camiones, flotas, maquinaria agrícola |
| Residuo | más de 350 | más de C₂₀ | Aceites lubricantes, asfalto para carreteras |
Cuanto más abajo sale la fracción, más átomos de carbono tiene, más viscosa es y más difícil de quemar. El GLP está formado sobre todo por propano (C₃H₈) y butano (C₄H₁₀): por eso se licúa con presión y cabe en una garrafa.
Ordena las siguientes fracciones del petróleo desde la que sale por la parte más alta de la torre de fraccionamiento hasta la que sale por la más baja: diésel, gasolina,…
Ordena las siguientes fracciones del petróleo desde la que sale por la parte más alta de la torre de fraccionamiento hasta la que sale por la más baja: diésel, gasolina, gases de refinería, residuo (asfalto), queroseno. Escribe el orden completo.
Una refinería procesa petróleo crudo y obtiene, entre otros productos, gas licuado de petróleo (GLP), gasolina y diésel. Relaciona cada uno con su uso cotidiano en…
Una refinería procesa petróleo crudo y obtiene, entre otros productos, gas licuado de petróleo (GLP), gasolina y diésel. Relaciona cada uno con su uso cotidiano en Bolivia (por ejemplo, cocinar en casa o mover un camión) y menciona el número aproximado de átomos de carbono del componente principal del GLP (propano y butano).
Observa la siguiente tabla de fracciones del petróleo con su intervalo aproximado de ebullición: | Fracción | Intervalo de ebullición (°C) | |---|---| | Gases | menos de…
Observa la siguiente tabla de fracciones del petróleo con su intervalo aproximado de ebullición:
| Fracción | Intervalo de ebullición (°C) |
|---|---|
| Gases | menos de 30 |
| Gasolina | 30 a 180 |
| Queroseno | 180 a 250 |
| Diésel | 250 a 350 |
| Residuo | más de 350 |
Una muestra de líquido recogida en la torre comienza a hervir a 200 °C y termina a 240 °C.
- a) Identifica a qué fracción corresponde.
- b) Explica qué le pasaría a la temperatura de ebullición si el compuesto tuviera cadenas de carbono más largas.
Altitud y presión: ¿cambia la destilación?
Un líquido hierve cuando la presión de su vapor iguala a la presión atmosférica. En La Paz (cerca de 3.600 m) la presión atmosférica es menor que a nivel del mar, así que los líquidos alcanzan antes ese punto: hierven a menor temperatura. El agua, por ejemplo, hierve a unos 88 °C en La Paz y no a 100 °C.
Con los hidrocarburos pasa lo mismo: sus P.E. medidos en altura son algunos grados menores que los de las tablas. Pero todos bajan, y los compuestos más pesados siguen hirviendo a más temperatura que los livianos. Por eso el orden de salida no cambia: primero el más liviano, después el más pesado.
Un laboratorio de una unidad educativa de La Paz simula una destilación fraccionada con una mezcla de hexano (punto de ebullición aproximado 69 °C) y octano (punto de…
Un laboratorio de una unidad educativa de La Paz simula una destilación fraccionada con una mezcla de hexano (punto de ebullición aproximado 69 °C) y octano (punto de ebullición aproximado 126 °C). A la altitud de La Paz, la presión atmosférica es menor que a nivel del mar.
- a) Indica cuál de los dos compuestos se recoge primero en el destilado y justifica.
- b) Explica cómo cambiarían las temperaturas de ebullición medidas en La Paz respecto de las de nivel del mar y si cambiaría el orden de salida.
Rendimiento y balance de materia
Una refinería no solo se interesa en qué obtiene, sino en cuánto. El rendimiento porcentual de una fracción dice qué parte del crudo procesado se convierte en ese producto:
Es una regla de tres: si de todo el crudo (el 100 %) se obtiene una cantidad, su porcentaje es esa cantidad entre el total, por cien. La unidad es el barril de petróleo (bbl) y no se convierte.
Para comparar dos refinerías que procesan cantidades distintas, no sirven los barriles: hay que pasar todo a porcentajes. Una refinería con un crudo más liviano suele sacar más GLP y gasolina y menos residuo pesado, que es un producto de menor valor.
En una refinería se procesan 2.000 barriles de petróleo crudo en un día. Se obtienen 640 barriles de gasolina, 480 barriles de diésel y 200 barriles de queroseno. a)…
En una refinería se procesan 2.000 barriles de petróleo crudo en un día. Se obtienen 640 barriles de gasolina, 480 barriles de diésel y 200 barriles de queroseno.
- a) Calcula el rendimiento porcentual de cada una de las tres fracciones.
- b) Calcula qué porcentaje del crudo corresponde al resto de productos (gases, residuos y pérdidas).
Una refinería procesa 5.000 barriles de crudo al día. Su producción diaria es: 1.250 barriles de gasolina, 900 de diésel, 450 de queroseno, 300 de GLP y 1.700 de…
Una refinería procesa 5.000 barriles de crudo al día. Su producción diaria es: 1.250 barriles de gasolina, 900 de diésel, 450 de queroseno, 300 de GLP y 1.700 de residuos pesados y otros productos. Otra refinería que procesa un crudo más liviano obtiene, por cada 1.000 barriles, 360 de gasolina, 200 de diésel, 100 de queroseno, 80 de GLP y el resto de residuos.
- a) Calcula el porcentaje de cada fracción en ambas refinerías y verifica que cada una suma 100 %.
- b) Compara las dos refinerías: ¿cuál obtiene más combustibles livianos (GLP y gasolina) y cuál más residuo pesado?
- c) Argumenta cuál de los dos crudos sería más conveniente si la demanda principal fuera de gasolina, y explica qué relación tiene esto con el tamaño de las moléculas del crudo.
El craqueo: aprovechar el residuo
El mercado pide mucha más gasolina y diésel que asfalto. Por eso, tras la destilación, las refinerías aplican el craqueo: calientan los residuos pesados (con catalizador) para romper sus moléculas largas en otras más cortas.
Por ejemplo, una molécula de $\text{C}_{20}\text{H}_{42}$ puede romperse en alcanos y alquenos más cortos, como:
$$\text{C}_{20}\text{H}_{42} \longrightarrow \text{C}_{10}\text{H}_{22} + \text{C}_{10}\text{H}_{20}$$A diferencia de la destilación, el craqueo sí es una reacción química: cambian las moléculas. Las cadenas cortas obtenidas tienen menor P.E. y entran en la fracción de la gasolina o del GLP.
Una refinería aplica, después de la destilación, un proceso de craqueo (ruptura de moléculas grandes) sobre los residuos pesados. De 1.000 barriles de residuo, el 35 %…
Una refinería aplica, después de la destilación, un proceso de craqueo (ruptura de moléculas grandes) sobre los residuos pesados. De 1.000 barriles de residuo, el 35 % se convierte en gasolina y el 15 % en GLP y gases; el resto permanece como residuo.
- a) Calcula cuántos barriles de gasolina y de GLP y gases se obtienen y cuántos barriles quedan sin convertir.
- b) Si antes del craqueo la refinería producía 1.200 barriles de gasolina por destilación, calcula la nueva producción total de gasolina y el aumento porcentual respecto de la anterior.
- c) Explica, a nivel molecular, por qué el craqueo permite aumentar la producción de combustibles livianos y menciona una consecuencia económica posible.
Vuelve al principio: del mismo crudo salen la garrafa, el surtidor y el camión porque cada hidrocarburo hierve a una temperatura distinta y se recoge en un nivel diferente de la torre, y porque el craqueo transforma lo pesado en lo que más se necesita.