CLASIFICACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS Y DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE AZUFRE
FRANCISCO JAVIER GARCÍA ACEVEDO, Cód. 2122469 KAREN NATALIA PÁEZ NIÑO, Cód. 2122490 YULLY MAYERLY RINCÓN RINCÓN MARTÍNEZ, Cód. 2123277 2123277
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOMECÁNICAS LABORATORIO LABORATORIO DE FLUIDOS BUCARAMANGA 2015
CLASIFICACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS Y DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE AZUFRE
JAVIER ENRIQUE GUERRERO YULLY MAYERLY RINCÓN RINCÓN MARTÍNEZ
DOCENTE M.Sc. JOHN ALEXÁNDER LEÓN PABÓN
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOMECÁNICAS LABORATORIO LABORATORIO DE FLUIDOS BUCARAMANGA 2015
CLASIFICACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS Y DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE AZUFRE
JAVIER ENRIQUE GUERRERO YULLY MAYERLY RINCÓN RINCÓN MARTÍNEZ
DOCENTE M.Sc. JOHN ALEXÁNDER LEÓN PABÓN
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOMECÁNICAS LABORATORIO LABORATORIO DE FLUIDOS BUCARAMANGA 2015
Contenido INTRODUC INTRODUCCIÓN CIÓN................................................ .......................................................................... ............................................... ..................... 1 JUSTIFICA JUSTIFICACIÓN.... CIÓN............................ ................................................. ................................................... ........................................... ................. 3 OBJETIVOS OBJETIVOS ............................................... ......................................................................... ................................................... ............................. .... 4 1. TIPOS DE DE HIDROCARBU HIDROCARBUROS ROS SEGÚN LA ESTRUCTURA MOLECULAR 5 1.1. ALIFÁTICOS ALIFÁTICOS.............................................. ........................................................................ ........................................... ................. 6 1.1.1. 1.1.1.
Saturados Saturados................................................ .......................................................................... ....................................... ............. 7
1.1.1.1. 1.1.1.1. 1.1.2. 1.1.2.
Alcanos Alcanos ................................................ .......................................................................... ....................................... ............. 7 Insaturad Insaturados os .................................................. ........................................................................... ................................ ....... 10
1.1.2.1. 1.1.2.1.
Alquenos Alquenos .............................................. ........................................................................ ..................................... ........... 11
1.1.2.2. 1.1.2.2.
Alquinos Alquinos ............................................... ......................................................................... ..................................... ........... 12
1.2. ALICÍCLICO ALICÍCLICOS S ................................................ .......................................................................... ..................................... ........... 13 1.2.1. 1.2.1.
Saturados Saturados................................................ .......................................................................... ..................................... ........... 14
1.2.1.1. 1.2.1.1. 1.2.2. 1.2.2.
Cicloalca Cicloalcanos........ nos.................................. ................................................... ............................................ ................... 14 Insaturad Insaturados os .................................................. ........................................................................... ................................ ....... 15
1.2.2.1. 1.2.2.1.
Cicloalqu Cicloalquenos enos ................................................ ......................................................................... ........................... .. 15
1.2.2.2. 1.2.2.2.
Cicloalqu Cicloalquinos....... inos................................. .................................................. ............................................ .................... 16
1.2.2.3. 1.2.2.3.
Aromáticos Aromáticos ................................................ ......................................................................... ................................ ....... 17
2. CRUDO CRUDO ................................................ .......................................................................... ................................................... ........................... .. 20 2.1. GENERALID GENERALIDADES ADES ................................................. ........................................................................... ............................ .. 20 2.2. CLASIFICA CLASIFICACIÓN CIÓN ................................................ ......................................................................... ................................ ....... 23 2.2.1. 2.2.1.1. 2.2.1.1.
Según la composición ............... ....... ................ ................ ................ ................ ................ ................ .............. ...... 23 Base simple......................... simple.................................................. .................................................. ................................ ....... 24
Parafínic Parafínico o.............................................. ........................................................................ ................................................. ....................... 24 Nafténico Nafténico............................................... ......................................................................... ................................................. ....................... 24 Aromático................ ........ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ............... ............... ................ ................ ........ 25 2.2.1.2. 2.2.1.2.
Base mixta .............................................. ........................................................................ ..................................... ........... 25
Parafínic Parafínico-naft o-nafténico énico ............................................... ........................................................................ ................................ ....... 25 Parafínico-nafténico-aromático .............................................................. 25 Nafténico Nafténico-aromá -aromático tico ............................................... ........................................................................ ................................ ....... 26 2.2.2.
Según la gravedad api ............... ....... ................ ................ ................ ................ ................ ................ .............. ...... 26
2.2.3.
Según el contenido de azufre ................ ........ ................ ................ ................ ................ ................ .......... .. 28
2.2.3.1.
Petróleo dulce .............................................................................. 29
2.2.3.2.
Petróleo agrio ............................................................................... 29
3. GAS NATURAL ......................................................................................... 30 3.1. GENERALIDADES ............................................................................. 30 3.2. COMPONENTES................................................................................ 31 3.3. PROPIEDADES .................................................................................. 32 3.4. CLASIFICACIÓN ................................................................................ 32 3.4.1.
Según la composición ..................................................................... 32
3.4.1.1.
Gas húmedo:................................................................................ 32
3.4.1.2.
Gas seco: ..................................................................................... 33
3.4.2.
Según el contenido de productos corrosivos ................................... 33
3.4.2.1.
Gas agrio: .................................................................................... 33
3.4.2.2.
Gas dulce: .................................................................................... 34
3.4.3.
Según el origen ............................................................................... 34
3.4.3.1.
Gas asociado: .............................................................................. 34
3.4.3.2.
Gas libre o no asociado: ............................................................... 35
3.5. APLICACIONES ................................................................................. 35 4. AZUFRE.................................................................................................... 38 4.1. PROPIEDADES .................................................................................. 38 4.2. CARACTERÍSTICAS .......................................................................... 39 4.3. USOS ................................................................................................. 39 4.4. EFECTOS SOBRE LA SALUD ........................................................... 40 4.5. BENEFICIOS DEL AZUFRE ............................................................... 41 4.6. EFECTOS DEL AZUFRE SOBRE LOS HIDROCARBUROS .............. 41 4.7. SISTEMA DE DETECCIÓN DE YODATO PARA DETERMINAR EL CONTENIDO DE AZUFRE (NORMA ASTM 1552) ....................................... 42 4.7.1.
Sistema de detección de yodato - Método de alta temperatura ....... 43
4.7.1.1.
Horno tipo inducción..................................................................... 43
4.7.1.2.
Horno tipo resistencia................................................................... 45
4.7.1.3.
Cálculos necesarios ..................................................................... 48
4.7.2. 4.7.2.1.
Sistema de detección por radiación infrarroja .................................. 50 Equipos ........................................................................................ 50
4.8. ESPECTROMETRÍA DE ENERGÍA DISPERSIVA DE FLUORESCENCIA DE RAYOS X (NORMA ASTM D-4292-10) ................... 52 4.8.1.
Equipo ............................................................................................. 53
4.8.2.
Procedimiento ................................................................................. 53
4.8.3.
Recomendaciones ........................................................................... 54
5. CONCLUSIONES ..................................................................................... 55 6. RECOMENDACIONES ............................................................................. 57 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................... 58
INTRODUCCIÓN
Así como el agua está formada por dos elementos químicos, hidrógeno y oxígeno, los hidrocarburos están constituidos fundamentalmente por carbono e hidrógeno. Por tal motivo, cualquier compuesto o mezcla de compuestos que contenga carbono e hidrógeno en altas proporciones es denominado hidrocarburo. Los diferentes tipos de crudos están compuestos, entre un 90 y 99 por ciento, por uniones entre los elementos carbono e hidrógeno, y el resto lo constituyen elementos como el azufre, el oxígeno, el nitrógeno y trazas de algunos metales, principalmente vanadio, hierro, níquel, cobre y radio.
Los hidrocarburos pueden hallarse originalmente en la naturaleza en fase gaseosa, líquida e incluso sólida. No obstante, la denominación de fluidos hidrocarburos solo es aplicable a aquellos que se hallan en fases gaseosa y líquida, pues son estas las que pueden desplazarse desde el yacimiento hacia la superficie, esencialmente como efecto de la presencia de un diferencial de presión entre estos dos espacios físicos.
Convencionalmente, el hidrocarburo líquido es denominado petróleo o crudo (la etimología de la palabra “petróleo”, se refiere a petro = roca y oleum = aceite, que se traduce literalmente como “aceite de roca”, y suele ser un término empleado inadecuadamente para enmarcar toda la industria); por otro lado, al hidrocarburo gaseoso se le denomina sencillamente gas natural; y a aquellos que presentan características cercanas a la fase sólida (muy poca movilidad) se les denomina bitumen.
A diferencia de sustancias puras como el agua, que se constituye exclusivamente por la agrupación de moléculas conformadas por la unión de
1
dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno, los hidrocarburos suelen presentarse en la naturaleza como mezclas multicomponentes, donde cada mol característica está conformada por una gran variedad de compuestos de diferentes pesos moleculares y tipos de moléculas. Dependiendo de la proporción de estos compuestos dentro de la mezcla, esta exhibirá comportamientos diferentes a lo largo de todo el proceso de explotación. Es por ello, que conocer y caracterizar las proporciones de cada uno de estos compuestos básicos dentro de la mezcla resulta ser una tarea fundamental para pronosticar su comportamiento a lo largo del sistema de producción, tratamiento, transporte y refinación, y principalmente para establecer su valor comercial.
2
JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo es parte de los estudios realizados en la Escuela de Ingeniería de Petróleos de la Universidad Industrial de Santander, en Bucaramanga, Colombia, con el propósito de tener un acercamiento profundo a los tipos de hidrocarburos según diferentes enfoques, así como a los métodos empleados para determinar ciertas propiedades que los caracterizan y per miten establecer criterios de producción, transporte, comercialización y venta. También se pretende profundizar con detalle en los efectos del contenido de azufre en diversos fluidos hidrocarburos y entender los métodos empleados en campo para determinar este factor.
3
OBJETIVOS
Conocer e identificar la clasificación de los componentes hidrocarburos, sus propiedades y características.
Identificar las diferentes clasificaciones que puede tener el crudo, y comprender la diferencia entre cada una de ellas, entendiendo así por qué son importantes y el procedimiento necesario que se debe realizar según cada clasificación.
Identificar las diversas maneras en que se puede clasificar el gas natural y las principales características del gas según cada una de las clasificaciones.
Explicar los diferentes métodos para determinar el contenido de azufre de una muestra de hidrocarburos.
Entender en qué consiste el método de radiación infrarroja y el método de alta temperatura para la determinación del contenido de azufre de una muestra de hidrocarburos.
4
1. TIPOS DE HIDROCARBUROS SEGÚN LA ESTRUCTURA MOLECULAR El carbono y el hidrógeno, al estar juntos, se agrupan formando compuestos con una gran variedad de patrones, cuya estructura varía desde un carbón por molécula a cientos de carbones por molécula, lo cual resulta en centenas de compuestos diferentes que pueden presentarse en un crudo. Por tal motivo, la existencia de estos fluidos no se debe solo a la presencia de un elemento, ni aun a un compuesto químico, sino que es una mezcla de compuestos que varía mucho en cuanto al tipo y número (es decir, la proporción dentro de la mezcla), a tal punto de que algunos contienen pocos compuestos, y otros pueden llegar a contener miles de ellos. Pese a que, en su mayor parte, se constituyen de los compuestos hidrocarburos (en una proporción media de 83 a 87% de carbono y 11 a 15% de hidrógeno), en los fluidos también están presentes pequeñas cantidades de azufre (0 a 6%), oxigeno (0 a 3,5%) y nitrógeno (0 a 0,5%). Por lo demás, existen trazas de otros elementos, principalmente metales. La clasificación más empleada de los fluidos hidrocarburos es hecha desde la distribución o cantidad presente de los componentes elementales, por lo cual resulta conveniente conocer con antelación cómo se clasifican estos compuestos. El tipo de categorización más conocido se fundamenta en la propuesta
de
grupos
que
tienen
características
fisicoquímicas
y
comportamientos similares. Estos se clasifican fundamentalmente en dos grandes familias, según la configuración de sus estructuras moleculares, en cadenas lineales y en sistemas cerrados o cíclicos. Ambos grupos principales se subdividen, a su vez, según el nivel de saturación en los enlaces carbonohidrógeno y su comportamiento químico, en saturados e insaturados.
5
HIDROCARBUROS
Cíclicos
Lineales
Saturados
Alcanos
No saturados
Saturados
Alquenos
Cicloalcanos
Alquinos
No saturados
Cicloalquenos
Cicloalquinos
Aromáticos
Figura 1.1. Clasificación básica de los compuestos hidrocarburos.
1.1.
ALIFÁTICOS
Los hidrocarburos lineales contienen uno o más átomos de carbono, los cuales están unidos entre sí formando una cadena lineal que puede tener una o más ramificaciones.
6
1.1.1. Saturados Los hidrocarburos lineales son compuestos en los que cada átomo de carbono está unido a cuatro átomos mediante un enlace simple. Los hidrocarburos saturados lineales son los alcanos.
1.1.1.1. Alcanos Los hidrocarburos lineales saturados están constituidos únicamente por átomos de carbono unidos por medio de enlaces simples a otros átomos de carbono y a átomos de hidrógeno. De este hecho se deriva el nombre de saturados, ya que su capacidad de valencia está completa. También cabe destacar que se presentan como cadenas lineales o ramificadas. Los alcanos son también llamados comúnmente parafinas, cuyo nombre proviene de su poca reactividad química (del latín parum affinis: poca afinidad). No obstante, el nombre genérico internacional para los hidrocarburos de esta serie es alcanos, denominación que incluye el sufijo característico -ano. La composición de todos los miembros del grupo está dada por la formula general:
C n H 2 n 2 , Donde n es el número de átomos de la molécula. Los alcanos son nombrados según la IUPAC a través de un prefijo que denota el número de átomos de carbono y el sufijo -ano. A continuación se presentan los prefijos más empleados, asociados a moléculas con 1 a 10 carbonos.
7
Tabla 1.1. Prefijos para nombrar una molécula según el número de carbonos.
Figura 1.2. Ejemplo de cómo nombrar las moléculas según el número de carbonos. Los alcanos presentan diferentes configuraciones en la disposición u ordenamiento de los átomos para moléculas con un mismo número de carbonos, lo que es conocido como isomería. A estos compuestos se les denomina isoparafinas, las cuales presentan el mismo número de átomos de carbono e igual peso molecular. Algunas de las características fisicoquímicas de los alcanos se enuncian a continuación:
A medida que aumenta la cantidad de carbonos, también lo hacen propiedades como la gravedad específica y el punto de ebullición, lo que no ocurre siempre con el punto de fusión. Todos los alcanos son menos densos que el agua.
8
Los primeros cuatro miembros del grupo son gases (moléculas entre 1 y 4 carbonos) y, como resultado del decrecimiento de la volatilidad, a medida que aumenta el número de carbonos, los trece siguientes son líquidos (C 5 a C17) y los alcanos con más de 18 carbonos son sólidos, todo esto a presión y temperatura estándares.
Químicamente, las parafinas son poco reactivas dado que el enlace simple entre el hidrógeno y el carbono es bastante fuerte a temperaturas normales. Las parafinas son casi insolubles en agua, pero fácilmente solubles en alcohol etílico y éter, y su solubilidad disminuye a medida que aumenta el peso molecular.
Los cuatro primeros alcanos son usados principalmente para propósitos de calefacción y cocina, e incluso en algunos países para generación de electricidad. El metano y el etano son los principales componentes del gas natural, así como otros miembros de esta familia. El propano y el butano pueden ser líquidos a presiones moderadamente bajas, y son mejor conocidos como gas licuado de petróleo (GLP). Por ejemplo, el propano se usa en el quemador de gas propano y el butano, en los encendedores descartables de cigarrillos. Desde el pentano hasta el octano, los alcanos son líquidos razonablemente volátiles. Se usan como combustibles en motores de combustión interna, puesto que pueden vaporizarse rápidamente al entrar en la cámara de combustión, sin formar gotas, que romperían la uniformidad de la combustión. Se prefieren los alcanos de cadena ramificada en lugar de sus análogos de cadena lineal, puesto que son menos susceptibles a la ignición prematura, que causa el cascabeleo en los motores.
La presencia de compuestos parafínicos en el petróleo es bastante común, inclusive en sus principales derivados. En la figura siguiente se observa el caso de las aplicaciones de los compuestos más livianos del petróleo.
9
Tabla 1.2. Presencia de compuestos alcanos en combustibles livianos. 1.1.2. Insaturados Dentro de esta clasificación se incluyen compuestos que contienen menos átomos de hidrógeno que el correspondiente alcano, y de ahí el nombre de insaturados. Los hidrocarburos alifáticos no saturados son aquellos que presentan enlaces dobles o triples entre carbonos en su molécula. Cuando hay un doble enlace, reciben el nombre de alquenos, olefinas o hidrocarburos etilénicos (debido a que el etileno es el más importante de la serie). En el caso en que tienen un triple enlace, se denominan alquinos. 10
1.1.2.1. Alquenos Son hidrocarburos lineales en los que existe un doble enlace entre dos átomos de carbono y son también llamados olefinas. La fórmula general de la familia de los alcanos está dada por:
C n H 2 n , Donde n es el número de átomos de la molécula. Los alquenos son nombrados según la IUPAC a través de un prefijo que denota el número de átomos de carbono y el sufijo -eno. Los principales alquenos son el eteno, también llamado etileno, y el propeno también llamado propileno. Estos compuestos no se encuentran en la naturaleza y son producto de procesos desarrollados sobre otros compuestos por los seres humanos. Pueden obtenerse, por ejemplo, a partir de la destilación destructiva de sustancias naturales complejas como el carbón, y en grandes cantidades de los procesos de refinación de petróleo, especialmente en el proceso de cracking. Algunas de las características fisicoquímicas de los alquenos son:
Las propiedades físicas de los alquenos son muy parecidas a los de los alcanos, debido a que, al aumentar el número de carbonos, también lo hacen estas. Los puntos de fusión y ebullición, así como las densidades, aumentan paulatinamente a medida que se avanza en la serie. Los puntos de ebullición son muy semejantes entre un alcano y un alqueno de igual número de carbonos. Los puntos de fusión, sin embargo, son, en general, menores para los alquenos que para las parafinas.
Al igual que los alcanos, los miembros más bajos son gases, los compuestos intermedios son líquidos y los más altos son sólidos. Los tres
11
primeros miembros normales de la serie (de 2 a 4 carbonos) son gaseosos; de 5 a 15 carbonos, líquidos; de 16 en adelante, sólidos. Todo esto a condiciones normales de presión y temperatura.
Los compuestos del grupo de los alquenos son más reactivos químicamente que los compuestos saturados. Reaccionan fácilmente con sustancias como los halógenos, adicionando átomos de halógeno (tales como el cloro o el hidrogeno) a los dobles enlaces. La mayoría de los alquenos reaccionan eliminando el doble enlace y formando dos encales sencillos. Es precisamente por esta alta reactividad que no se encuentran originalmente en el crudo o gas que se obtiene directamente de los yacimientos.
Los hidrocarburos olefínicos son menos densos que el agua e insolubles en ella, pero se disuelven fácilmente en benceno, éter y cloroformo. Se emplean preferentemente mezclados como combustibles y disolventes. 1.1.2.2. Alquinos
Los alquinos o acetilenos con compuestos en los que se presenta uno o más enlaces triples entre los átomos de carbono. Estos compuestos tienen como fórmula general:
C n H 2 n2 , Donde n es el número de átomos de la molécula.
La nomenclatura de los alquinos sigue, en general, las mismas reglas dadas para los alquenos, teniendo en cuenta que el sufijo característico es -ino. El primero y principal miembro de esta serie es el etino, también conocido como etileno o acetileno (C 2H2).
12
Las principales características físicas y químicas de los alquinos son:
El comportamiento de las propiedades físicas de los acetilenos son esencialmente las mismas que para los alcanos y alquenos. El etino, el propino y el 1-butino son gaseosos; el isómero de este, el 2-butino, sin embargo, es líquido, lo mismo que los demás términos hasta el C 14H26. De este compuesto en adelante son sólidos, a condiciones normales de presión y temperatura.
La tendencia de propiedades como la densidad y los puntos de fusión y ebullición aumenta con el número de carbonos. Son muy activos químicamente y no se presentan libres en la naturaleza.
Los alquinos son menos densos que el agua e insolubles en ella, pero solubles en solventes orgánicos tales como benceno y el éter.
Los alquinos se utilizan principalmente como combustibles y en síntesis orgánicas, pero, a excepción del acetileno, los demás son muy poco empleados.
1.2.
ALICÍCLICOS
En los compuestos cíclicos, los átomos de carbono forman uno o más anillos cerrados a partir de tres o más átomos de carbono que se disponen en una estructura cíclica. Estos hidrocarburos pueden subdividirse igualmente en saturados o insaturados.
13
1.2.1. Saturados Los hidrocarburos saturados son los cicloalcanos (naftenos) y, como en el caso de la familia de los alcanos, se caracterizan por mantener exclusivamente enlaces sencillos.
1.2.1.1. Cicloalcanos Los cicloalcanos, cicloparafinas o, como también son llamadas en la industria del petróleo, naftenos, son hidrocarburos saturados, cuyo esqueleto es formado únicamente por átomos de carbono unidos entre ellos con enlaces simples en forma de anillo. La fórmula general de estos compuestos es:
C n H 2 n , Donde n es el número de átomos de la molécula. Estos compuestos son las estructuras moleculares más comunes en el petróleo crudo. Aunque presentan la misma fórmula general de las olefinas, su estructura es completamente diferente y, por lo tanto, las propiedades físicas y químicas de estos compuestos también lo son. El compuesto más elemental de esta familia es el ciclopropano (C 3H6). Los más comunes de los cicloalcanos son el ciclopentano y el ciclohexano. Entre sus propiedades fisicoquímicas encontramos que:
Al igual que los alcanos, los miembros más bajos suelen presentarse en fase gaseosa, los compuestos intermedios son líquidos y los más altos son sólidos: de 3 a 4 carbonos son gaseosos, de 5 a 15 carbonos, líquidos y, de 16 en adelante, sólidos, a condiciones normales de presión y temperatura.
14
Presentan mayores puntos de fusión y ebullición que los correspondientes
alcanos de igual número de carbonos. La rigidez del anillo permite un mayor número de interacciones intermoleculares, que es necesario romper mediante la aportación de energía para pasar las moléculas a fase gaseosa. Los cicloalcanos de pequeño tamaño (ciclopropano, ciclobutano) presentan
una tensión importante, lo que los hace susceptibles a reaccionar con facilidad. Los cicloalcanos de mayor tamaño, como ciclopentano y ciclohexano, están casi libres de tensión. Algunos compuestos como el ciclohexano forman parte de la gasolina.
También se utilizan como disolventes.
1.2.2. Insaturados En esta familia encontramos varios tipos de compuestos, cuyas semejanzas se basan en la conformación de estructura cíclicas o cerradas y la presencia de uno o más dobles o triples enlaces, lo que les da la característica de no saturación. Dentro de los hidrocarburos cíclicos insaturados se tiene tres subconjuntos:
Cicloalquenos.
Cicloalquinos.
Aromáticos.
1.2.2.1. Cicloalquenos Los cicloalquenos son hidrocarburos cuyas cadenas se encuentran cerradas y cuentan con uno o más dobles enlaces covalentes. El cicloalqueno más sencillo, de menor número de átomos de carbono, es el ciclopropeno. Al ser
15
cadenas cerradas, se presenta la insaturación de dos átomos de hidrógeno, además, por presentar enlaces covalentes dobles, cada enlace de estos supone dos insaturaciones menos adicionales. La fórmula general de estos compuestos es:
C n H 2 n2 , Donde n es el número de átomos de la molécula. Algunas de sus características fisicoquímicas son:
Las temperaturas de fusión son inferiores a las de los cicloalcanos con igual número de carbonos puesto que la rigidez del doble enlace impide un empaquetamiento compacto.
Las reacciones más características de los alquenos son las de adición, aunque también ocurren otras reacciones importantes tales como la oxidación con MnO 4 – u OsO4, que en frío da lugar a un diol y en caliente, a la ruptura del doble enlace y a la formación de dos ácidos.
Otra característica química importante son las reacciones de polimerización. Mediante ellas se puede obtener una gran variedad de plásticos como el polietileno, el poliestireno, el teflón, el plexiglas, etc. La polimerización de dobles enlaces tiene lugar mediante un mecanismo de radicales libres. 1.2.2.2. Cicloalquinos
Los cicloalquinos son hidrocarburos que tienen un triple enlace en el ciclo. La fórmula general es:
C n H 2 n4 , Donde n es el número de átomos de la molécula. 16
Algunas de las propiedades fisicoquímicas de los cicloalquinos son: Los tres primeros términos son gases; los demás son líquidos o sólidos. A
medida que aumenta el peso molecular, aumentan la densidad, el punto de fusión y el punto de ebullición.
Los acetilenos arden con llama luminosa produciendo elevadas temperaturas.
1.2.2.3. Aromáticos
Cuando se estudian las reacciones de algunos compuestos insaturados se observan características marcadamente distintas de las de los compuestos alifáticos, por lo que se agrupan en esta nueva serie llamada aromática, término que, en un principio, provenía del hecho de que muchos compuestos de esta serie tenían olores intensos y casi siempre agradables. En resumen, los compuestos más representativos y abundantes de esta familia, son los bencénicos, y el compuesto más elemental es el benceno.
La fórmula general es:
C n H 2 n6
,
Donde n es el número de átomos de la molécula.
17
Figura 1.3. Compuestos aromáticos más representativos.
Los hidrocarburos aromáticos más sencillos pueden considerarse como derivados del benceno, por sustitución de uno o varios átomos de hidrógeno por radicales hidrocarbonados, bien sean saturados, como metilo, etilo, npropilo, iso-propilo, etc., o no saturados, como etenilo o vinilo, etinilo, etc. Existen, además, muchos otros hidrocarburos aromáticos con varios anillos, llamados, por esto, polinucleares, como es el caso del naftaleno, antraceno, fenantreno, etc., y todos sus derivados por sustitución de átomos de hidrógeno por radicales hidrocarbonatos. Las principales características fisicoquímicas de los aromáticos se enumeran a continuación:
La gran mayoría de los compuestos aromáticos son líquidos a condiciones ambientales normales; los restantes son sólidos. Los líquidos son incoloros, de olor aromático menos densos que el agua e insolubles en ella.
18
Estos compuestos se encuentran en los petróleos crudos en proporciones variables. En la naturaleza son muy escasos, y son producidos principalmente a partir de la refinación.
Entre los subproductos aromáticos más importantes se encuentran prácticamente todos los condimentos, perfumes y tintes orgánicos, tanto sintéticos como naturales; los alcaloides que no son alicíclicos y sustancias como el trinitrotolueno (TNT) y los gases lacrimógenos. Por otra parte, los hidrocarburos aromáticos suelen ser nocivos para la salud, como los llamados BTEX, benceno, tolueno, etilbenceno y xileno por estar implicados en numerosos tipos de cáncer o el alfa-benzopireno que se encuentra en el humo del tabaco, extremadamente carcinogénico.
19
2. CRUDO
2.1.
GENERALIDADES
Desde el punto de vista físico, el petróleo es un líquido de aspecto viscoso, menos denso que el agua e inmiscible en ella, por lo general combustible e inflamable, de olor y color variado según material precursor y el ambiente de formación y acumulación.
Desde el punto de vista químico, el petróleo es una mezcla natural y compleja de hidrocarburos en distintas proporciones, con pequeñas cantidades de otras sustancias orgánicas e inorgánicas que comúnmente se denominan “contaminantes del petróleo ”.
ELEMENTO
PORCENTAJE EN PESO ( )
Carbono
84.00 – 87.00
Hidrógeno
11.00 – 14.00
Azufre
0.06 – 2.00
Nitrógeno
0.10 – 2.00
Oxígeno
0.10 – 2.00
Tabla 2.1: Rangos de Composición Típica de Petróleo.
Los compuestos hidrocarburos constituyen entre el 90 y 99% en los diferentes tipos de crudos, el resto lo constituyen los contaminantes, especialmente compuestos de Azufre, Oxígeno, Nitrógeno y trazas de algunos metales principalmente Vanadio, Hierro, Níquel, Cobre y Radio, considerados como 20
impurezas en el crudo. Análisis químicos de crudos típicos han relevado también la presencia de colesterina, productos derivados de la clorofila y de las heminas (porfirinas), lo cual revela claramente que se trata de un compuesto de origen orgánico, formado a partir de estos animales y vegetales.
En la siguiente sección se discutirá brevemente acerca de algunas de las formas más conocidas para referirse a los tipos de petróleo que se pueden encontrar en un yacimiento. Una bastante conocida y aceptada, y sobre la cual se hará mayor referencia, es a partir de los tipos de hidrocarburos
que
contienen.
Así,
su
denominación
dependerá
fundamentalmente de la familia de constituyentes que se halle en mayor proporción dentro de la mezcla.
Algunos autores discretean con suficiente detenimiento estas categorías, en bases simples o bases mixtas, subdivididas en tres subgrupos cada uno dependiendo de la proporción de compuestos hidrocarburos presentes en la mezcla, descritos en la sección anterior. Otras propuestas, se asocian a diferenciarlos a partir de propiedades físicas fácilmente medibles, como el caso de la densidad (convertida a API) y el contenido de azufre.
21
Petróleo
Clasificación según:
Composición
ºAPI
Contenido de Azufre
Base Simple
Extrapesado
Dulce
Base Mixta
Pesado
Agrio
Mediano
Liviano
Condensado Figura 2.1. Clasificación básica del petróleo
22
2.2.
CLASIFICACIÓN
2.2.1. Según la composición Los petróleos crudos para su estudio, análisis, venta y procesamiento, se clasifican en varios grupos llamados “bases”, de acuerdo a su constitución
química, es decir, según los tipos y cantidades relativas de hidrocarburos presentes en ellos, ya que todos los crudos son mezclas complejas de las diferentes series. Composición Química
Se diven en:
Base Simple
Base Mixta
Parafínico
ParafínicoNafténico
Nafténico
ParafínicoNafténicoAromático
Aromático
NafténicoAromático
Figura 2.2. Clasificación del petróleo según la composición química.
23
Se han establecido tres bases simples o principales y tres mixtas o intermedias, cuyas características se mencionarán a continuación.
2.2.1.1.
Base simple
Parafínico
Cuando la proporción de hidrocarburos parafínicos está en cantidades mayores del 75 % dentro de la mezcla. Son crudos livianos, inoloros y de colores claros (verdes, anaranjados, rojizos, etc.). Generalmente están libres de contaminantes
orgánicos - sólo trazas algunas veces- e
inorgánicos. Da un alto rendimiento de productos livianos (gasolinas, disolventes y querosenes) y aceites lubricantes de buena calidad.
El costo de refinamiento de los productos es relativamente bajo, gracias a que
carecen
de
contaminantes
y
de
hidrocarburos
indeseables.
Geológicamente hablando son los más antiguos. Pues la mayoría de ellos se formaron en la era Mesozoica, periodo Cretácico hace aproximadamente 150 millones de años.
Nafténico
Cuando los hidrocarburos cicloalcanos (naftenos) están en cantidades mayores del 75%. Son crudos pesados, viscosos, mal olientes y de color negro. Casi siempre están contaminados por compuestos orgánicos e inorgánicos, en cantidades por lo general relativamente moderadas a altas.
El costo de refinamiento de los productos tiende a ser superior que un crudo parafínico, debido a la presencia de contaminantes a veces en cantidades apreciables, que deben eliminarse a través de procesos muy costosos. Geológicamente, son los más recientes, pertenecen a la era Cenozoica en el
24
periodo terciario hace menos de 100 millones de años. El precio promedio, es inferior al de los parafínicos, dependiendo en todo caso del valor de su gravedad API y el grado de contaminación.
Aromático
Cuando el contenido de hidrocarburos bencénicos, incluyendo resinas y asfaltenos es mayor del 50%. Son crudos pesados, viscosos, color oscuro, olor un poco alquitranado, presentan fluorescencia muy marcada cuando se exponen a la luz ultravioleta. Por lo general están contaminados en cantidades apreciables por compuestos orgánicos e inorgánicos.
El costo de refinamiento de los productos de este tipo de crudos es alto, debido a la presencia de contaminantes sobre todo sulfurados y oxidados.
Geológicamente se considera que son de la misma era geológica que la de los nafténicos. Los crudos de base aromática son escasos en la naturaleza, en el mundo se encuentran algunos en California (EEUU), el Cáucaso (Rusia), en Borneo y Sumatra (Oceanía), entre otros.
2.2.1.2.
Base mixta
Parafínico-nafténico
Cuando el contenido de estas dos serias está en una proporción de 60 y 30% respectivamente.
Parafínico-nafténico-aromático
Cuando el contenido de las dos series es aproximadamente de 45% de cada una.
25
Nafténico-aromático
Cuando el contenido de las tres series es alrededor de 30% de cada una de ellas dentro de la mezcla.
Tipo de Crudo
Parafinas
Naftenos
Aromáticas
Ceras
Asfaltanos
Parafínico
46 - 61
22 - 32
12 - 25
1.5 - 10
0-6
Nafténico
15 – 26
61 – 76
8 – 13
Trazas
0-6
Aromático
0 – 8
57 – 78
20 – 25
0 – 0.5
0 - 20
ParafínicoNafténico
42 -45
38 – 39
16 – 20
1 – 6
0-6
27 – 35
36 – 47
26 – 33
0.5 – 1
0 – 10
ParafínicoNafténicoAromático Tabla 2.2: Rangos de Componentes de los Diferentes tipos de Crudo.
2.2.2. Según la gravedad api
La valoración en los mercados internacionales del petróleo y sus derivados hace necesario el desarrollo de sistemas de referencia que permitan una idea fácil y general de las propiedades de los mismos.
26
La determinación de la gravedad específica del petróleo y sus productos es
una
medida necesaria para la conversión de volúmenes medidos a
cualquier temperatura. Éste es un factor que gobierna la calidad del crudo y se usa para tener una idea de su composición, su calor de combustión y su valor comercial.
La gravedad específica es la relación entre la densidad del líquido con respecto a la densidad del agua medidas a las mismas condiciones de presión y temperatura. La gravedad específica 60/60 se refiere a que las densidades, tanto del líquido como del agua, fueron tomadas a 60 ºF y a la misma presión. La gravedad específica 100/60 significa que la densidad del líquido fue medida a 100 ºF y la del agua a 60 ºF bajo las mismas condiciones de presión.
Sin embargo, su cuantificación viene dada principalmente en numeraciones decimales inferiores al 1
(GE del agua),
que
dificultan
apreciar
las
diferencias entre los crudos con suficiente claridad. La gravedad API es una unidad creada por el “American Petroleum Institute”, medida basada en la gravedad específica de un líquido, que busca solventar este problema numérico traduciéndolo a valores mayores donde se logren apreciar estas diferencias, y se calcula por la expresión: º =
141.5 0
− 131.5
La densidad( 0) es una propiedad física que mide la cantidad de masa contenida en un determinado volumen. La Gravedad API se basa en la comparación de la densidad del petróleo con la densidad del agua, es decir, se busca determinar si el petróleo es más liviano o pesado que ésta última.
27
La clasificación propuesta por el Instituto de Petróleo americano indica que a una mayor gravedad API el petróleo será más liviano, como se puede ver en el siguiente cuadro:
ACEITE-CRUDO
DENSIDAD ()
GRAVEDAD API
Extrapesados
Menor de 1.0
Menor de 10
Pesados
0.92 – 1.0
10.0 – 22.2
Mediano
0.87 – 0.92
22.3 – 31.1
Liviano
0.83 – 0.87
31.1 – 39.0
Condensado
Menor de 0.83
Mayor de 39.0
Tabla 2.3. Densidades y Gravedades API de los tipos de Crudo.
Cabe indicar que los petróleos de más gravedad API son también los más requeridos en el mercado, y al mismo tiempo los de mayor precio, ya que los costos tanto de extracción como de refinación son menores en comparación con petróleos pesados. Así, se da una relación directa entre la gravedad API y la calidad del petróleo, petróleos más ligeros tienen una mayor calidad, y requieren de menores costos para ser aprovechados que aquellos más pesados.
2.2.3. Según el contenido de azufre
Como mencionamos en un inicio, el azufre es uno de los componentes que están presentes en los hidrocarburos. Pero su presencia en los hidrocarburos implica la necesidad de mayores procesos de refinamiento, y por ende un mayor costo final, razón por la cual la presencia de azufre es también un determinante del valor comercial del petróleo.
28
Así, tenemos que el petróleo puede clasificarse de dos formas:
2.2.3.1.
Petróleo dulce
Es aquel que contiene menos de 0.5% de contenido sulfuroso, es decir, con presencia de azufre. Es un petróleo de alta calidad y es ampliamente usado para ser procesado como gasolina.
2.2.3.2.
Petróleo agrio
Es aquel que contiene al menos 1% de contenido sulfuroso en su composición. Debido a la mayor presencia de azufre su costo de refinamiento es mayor, razón por la cual es usado mayormente en productos destilados como el diesel, dado su menor costo de tratamiento.
29
3. GAS NATURAL 3.1.
GENERALIDADES
El gas natural es una mezcla de hidrocarburos livianos miembros de la seria parafínica en estado gaseoso, que en su mayor parte está compuesta por metano y etano, y en menor proporción por propano, butanos, pentanos e hidrocarburos más pesados. También, puede hacer parte de la composición gases como bióxido de carbono, sulfuro de hidrogeno, nitrógeno, helio, mercurio y vapor de agua; estas impurezas son eliminadas antes de que el gas salga a la venta, con el objetivo de cumplir con estándares de calidad los cuales son especificados por las compañías de transmisión y distribución y varían dependiendo del diseño del sistema de ductos y de las necesidades del mercado que se quiere atender.
El gas natural es una energía de origen fósil extraída del subsuelo y considerada como la más amigable con el medio ambiente. Se encuentra frecuentemente asociado al petróleo y se cree que ambos combustibles tienen un origen común.
Es un combustible inodoro e incoloro, por lo que se le debe de adherir mercaptano, el cual se detecta al 0.5% de concentración (muy por debajo de los niveles de peligrosidad), para identificar las fugas mediante el olfato, es biológicamente inerte y no-tóxico. En general el riesgo a fuego es menor que la gasolina y comparable al del diésel. Su flama es 60% visible.
30
3.2.
COMPONENTES
El gas natural está formado por un pequeño grupo de hidrocarburos livianos: fundamentalmente metano con una pequeña cantidad de propano y butano. El propano y el butano se separan del metano y se usan como combustible para cocinar y calentar, distribuidos en bombonas. El metano se usa como combustible tanto en viviendas como en industrias y como materia prima para obtener diferentes compuestos en la industria química orgánica.
Los siguientes, son los componentes principales del gas natural los cuales varían según el yacimiento:
COMPONENTE
%
Metano
95,0812
Etano
2,1384
Propano
0,2886
n-butano
0,0842
i-butano
0,0326
n-pentano
0,0124
i-pentano
0,0152
Benceno
0,0050
Ciclohexano
0,0050
Nitrógeno
1,9396
CO2
0,3854
Otros
0,0124
Tabla 3.1 Composición del gas natural.
31
3.3.
PROPIEDADES
Las propiedades del gas natural según la composición indicada en la tabla anterior, son las siguientes:
Densidad:
0,753 kg/m³
Poder calorífico:
9,032 kcal/m³
Cp (presión constante):
8,57 cal/mol.°C
Cv (volumen constante): 6,56 cal/mol.°C Tabla 3.2 Propiedades del gas natural.
3.4.
CLASIFICACIÓN
La clasificación del gas es análoga a la del petróleo, se hace teniendo en cuenta diferentes parámetros que determinan características especiales y condiciones diferentes en los distintos tipos de gas.
3.4.1. Según la composición 3.4.1.1.
Gas húmedo:
Son hidrocarburos en estado gaseoso, en cuya composición aun predomina un alto porcentaje de metano (generalmente 75-90 %) y contiene cantidades importantes de hidrocarburos más pesados que el metano (lo que es el gas asociado). El gas húmedo es más o menos equivalente al condensado de gas existente en yacimientos de gas condensado. El fluido en este tipo de yacimiento
32
(condensado de gas) se encuentra en estado gaseoso en el momento de su descubrimiento; con posterioridad, generalmente exhiben el fenómeno denominado condensación retrograda isotérmica. En ocasiones se utiliza el término de gas húmedo para referirse al gas en cuya composición hay vapor de agua.
3.4.1.2.
Gas seco:
Hidrocarburo gaseoso que está compuesto casi exclusivamente por metano (generalmente más del 90 por ciento); y contiene cantidades menores de otros hidrocarburos. Este tipo de gas, puede provenir directamente de yacimientos de gas, caso en el cual se le denomina también gas no-asociado, o sea hidrocarburos gaseosos que ocurren como gas libre en el yacimiento, o también puede provenir de plantas de gasolina natural, donde el gas húmedo (condensado de gas) ha sido despojado de sus productos más pesados en forma líquida.
El poder calorífico es típicamente alrededor de 1,000 BTU/SCF, a menos que esté presente una proporción significativa de gases que no sean hidrocarburos. En ocasiones se usa este término para referirse al gas que no posee en su composición vapor de agua, es decir, gas sin agua.
3.4.2. Según el contenido de productos corrosivos 3.4.2.1.
Gas agrio:
El gas agrio o gas amargo, es aquel que contiene cantidades apreciables de productos corrosivos, generalmente derivados del azufre, como: ácido 33
sulfhídrico, mercaptanos, sulfato de hidrogeno, oxido de carbono y/o amoniaco, entre otros sulfuros y disulfuros.
3.4.2.2.
Gas dulce:
El gas dulce es aquel gas que no contiene o al que ya se le han retirado los componentes corrosivos; principalmente aquellos derivados del azufre. Se obtiene luego de realizar un proceso de endulzamiento al gas amargo, utilizando solventes químicos o físicos, o adsorbentes.
3.4.3. Según el origen
Esta clasificación se realiza dependiendo de cómo se encuentre el gas dentro del yacimiento
3.4.3.1.
Gas asociado:
Es el que se extrae junto con el petróleo y contiene grandes cantidades de hidrocarburos, como etano, propano, butano y naftas. El gas asociado se encuentra acompañado del petróleo crudo, disuelto en el crudo o como un ‘tapón’ de gas libre por encima del yacimiento de petróleo.
Cuando no se puede comercializar, el gas asociado se reinyecta en el pozo, se quema en antorcha o se arroja a la atmósfera. En yacimiento dependiendo de si ya alcanzo la presión de burbuja, puede encontrarse como capa de gas a o como gas en solución dentro del petróleo; estas dos situaciones pueden ser observadas en la siguiente figura.
34
Capa de gas.
Gas en solución.
Figura 3.1 Tipos de gas asociado.
3.4.3.2.
Gas libre o no asociado:
El gas libre o no asociado es el que se encuentra en depósitos que no contiene cantidades significativas de petróleo crudo, por lo que se puede decir que contienen únicamente gas natural. A menudo se produce a mayor profundidad, donde el calor ha dividido los hidrocarburos en moléculas de gas más pequeñas y ligeras. El gas de esquisto es un tipo de gas no convencional no asociado.
3.5.
APLICACIONES
El gas natural es una energía versátil y por ello tiene diferentes aplicaciones para los sectores industrial, terciario (comercios y servicios), residencial, vehicular, transporte de pasajeros y para la generación de energía eléctrica. La combustión del gas natural no genera partículas sólidas ni azufre, por ello es especialmente atractiva para usos urbanos como sustituta de derivados del petróleo.
35
Así mismo, ofrece importantes ventajas en los procesos industriales donde es importante disponer de una energía limpia, económica, eficiente y con alta confiabilidad, además de ambientes limpios y procesos controlados.
SECTOR Industrial
APLICACIONES/PROCESOS
Generación de vapor
Industria de alimentos
Comercio y Servicios
Energía Residencial
Transporte de pasajeros
Secado
Cocción de productos cerámicos
Fundición de metales
Tratamientos térmicos
Temple y recocido de metales
Generación eléctrica
Producción de petroquímicos
Sistema de calefacción
Hornos de fusión
Calefacción central
Aire acondicionado
Cocción/preparación de alimentos
Agua caliente
Cogeneración eléctrica
Centrales térmicas
Cocina
Calefacción
Agua caliente
Aire acondicionado
Buses
Taxis
Tabla 3.1 Usos y aplicaciones del gas natural.
36
Adicionalmente, el gas natural es utilizado como materia prima en diversos procesos químicos e industriales. De manera relativamente fácil y económica puede ser convertido a hidrógeno, etileno, o metanol; los materiales básicos para diversos tipos de plásticos y fertilizantes.
37
4. AZUFRE
La palabra azufre proviene etimológicamente del latín “sulphur”, de allí que su
símbolo químico sea S. Como elemento químico; 16 es su número atómico y su peso atómico, 32.07. Es un no metal, de color anaranjado y olor fuerte característico, que los egipcios usaban para que sus templos resultaran purificados. En la Edad Media el azufre fue relacionado con el diablo, pues como se halla en zonas volcánicas, podría abundar en el infierno. Se halla frecuentemente en estado puro y muchas veces integra los minerales, especialmente los sulfuros; y entre ellos, la pirita, la galena, la calcopirita y la esfalerita. Entre los sulfatos, lo contienen la barita, el yeso y la anhidrita. Aparece también en el petróleo crudo, en el gas natural ácido, y en el gas de sulfuro de hidrógeno, que tiene un olor desagradable. Durante la combustión, los compuestos de azufre presentes en un producto petrolífero originan también los anhídridos sulfuroso y sulfúrico, que, además de corroer las partes metálicas con las que se ponen en contacto, pueden contaminar la atmósfera en grado variable.
4.1.
PROPIEDADES
El azufre es un elemento químico de aspecto amarillo limón y pertenece al grupo de los elementos no metálicos; una de las propiedades características de este tipo de elementos es que son malos conductores del calor y la electricidad. Al igual que los demás elementos no metales, el azufre, no tiene lustre. Debido a su fragilidad, los no metales como el azufre, no se pueden aplanar para formar láminas, tampoco puede ser estirado para convertirse en h ilos. El estado del azufre en su forma natural es sólido.
38
El punto de fusión del azufre es de 388,36 grados Kelvin o de 116,21 grados celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del azufre es de 717,87 grados Kelvin o de 445,72 grados celsius o grados centígrados.
4.2.
CARACTERÍSTICAS
Elemento no metálico
Color amarillento, amarronado o anaranjado
Blando, frágil, ligero.
Desprende un olor característico a huevo podrido al combinarse con hidrógeno
4.3.
Arde con llama de color azul, desprendiendo dióxido de azufre. Es insoluble en agua pero se disuelve en disulfuro de carbono.
USOS
El azufre, es un sólido cristalino amarillo brillante, que es esencial para la vida. A continuación se muestra una lista de los principales usos del azufre:
La mayoría de azufre se convierte en ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico es extremadamente importante para muchas industrias de todo el mundo. Se utiliza en la fabricación de fertilizantes, refinerías de petróleo, tratamiento de aguas residuales, baterías de plomo para automóviles, extracción de mineral, eliminación de óxido de hierro, fabricación de nylon y producción de ácido clorhídrico.
El azufre puede ser utilizado como un pesticida y fungicida. Muchos agricultores que cultivan alimentos orgánicos usan azufre como un pesticida natural y fungicida.
39
El sulfato de magnesio, que contiene azufre, se utiliza como laxante, en sales de baño y como un suplemento de magnesio para las plantas.
El azufre es importante para la vida. Por lo tanto, se añade a los fertilizantes (en forma soluble) para que las plantas tengan más azufre disponible en el suelo.
El disulfuro de carbono, un compuesto de azufre, se puede utilizar para hacer celofán y rayón (un material utilizado en la ropa).
El azufre se utiliza para vulcanizar caucho. La vulcanización de goma hace más difícil. Se asegura que el caucho mantiene su forma. El caucho vulcanizado se utiliza para fabricar neumáticos del coche, suelas de zapatos, mangueras y discos de hockey sobre hielo.
Otros compuestos de azufre (sulfitos) se utilizan para blanquear el papel y preservar la fruta.
4.4.
El azufre es también un componente de la pólvora.
EFECTOS SOBRE LA SALUD
Puede producir efectos neurológicos y cambios comportamentales
Puede aturdir la circulación sanguínea
Puede provocar daños cardiacos
Puede producir efectos en los ojos y en la vista
Puede originar fallos reproductores
Puede provocar desórdenes estomacales y gastrointestinales
Puede originar daños en las funciones del hígado y los riñones
Puede producir defectos en la audición
Puede alterar el metabolismo hormonal
Puede causar efectos dermatológicos
40
Puede provocar ronquera y presión en el pecho
Puede causar dolores de cabeza.
4.5.
BENEFICIOS DEL AZUFRE
Dentro de las funciones o beneficios del azufre se encuentran:
Mantiene el oxígeno necesario en nuestro cerebro.
Hace que haya una correcta secreción biliar.
Asegura la salud de los nervios.
Su papel es de relevancia en la respiración de los tejidos orgánicos.
Favorece el transporte y equilibrio de otros minerales en el organismo.
Interviene en el metabolismo de los lípidos y de los hidratos de carbono.
Alivia el dolor en la artritis y en la fibro mialgia.
Regula los niveles de azúcar o glucosa en la sangre (interviene en la síntesis de la insulina).
4.6.
Se le utiliza como laxante, exfoliante, o agregado nutritivo para plantas.
EFECTOS DEL AZUFRE SOBRE LOS HIDROCARBUROS
Es imposible limpiar el aire, o en particular reducir la contaminación del aire que es generada por el sector transporte, sin eliminar el azufre de los combustibles. El azufre es por sí mismo un contaminante, pero más importante aún es que el azufre impide la adopción de las principales tecnologías para el control de la contaminación.
Ninguna
estrategia
de 41
reducción
significativa
de
la
contaminación del aire puede dar resultado sin reducir el azufre de los combustibles a niveles cercanos a cero. El azufre es un componente natural del petróleo crudo y en consecuencia se encuentra tanto en la gasolina como en el diesel. Cuando estos combustibles son quemados, el azufre se emite como bióxido de azufre (SO2) o como partículas de sulfatos. Cualquier reducción en el contenido de azufre en los combustibles disminuye las emisiones de estos compuestos y cuando este contenido disminuye más allá de cierto punto, el beneficio aumenta hasta una disminución importante de las emisiones totales de contaminantes.
4.7.
SISTEMA DE DETECCIÓN DE YODATO PARA DETERMINAR EL CONTENIDO DE AZUFRE (NORMA ASTM 1552)
Este método de ensayo es eficiente en la determinación de la cantidad de azufre total de los productos petrolíferos, incluyendo los aceites lubricantes que contienen aditivos, y debe ser aplicado a todas las muestras cuyo punto de ebullición sea superior a 350 °F y que no contengan de 0,06% de azufre en masa. De un total de tres procedimientos, dos emplean el sistema de detección de yodato: en el primero, un horno de inducción, y en el otro, un horno de resistencia. El tercer procedimiento, por su parte, requiere de un sistema de radiación infrarroja. En general, este método de ensayo proporciona la forma de controlar el nivel de azufre de los productos del petróleo y aditivos diversos. La información que se obtiene puede ser útil en el momento de predecir la eficiencia, la manipulación o el procesamiento de propiedades de los fluidos. Este método cubre tres procedimientos para productos petrolíferos. Es aplicable a las muestras con punto de ebullición por encima de 177 ° C y con un contenido mínimo del 0,06% de azufre en masa. 42
4.7.1. Sistema de detección de yodato - Método de alta temperatura 4.7.1.1.
Horno tipo inducción
Equipos o
Cilindro de oxígeno.
o
Tubos de purificación.
Rotámetro.
o
o
Tubo de combustión.
o
Horno de inducción
Absorbedor.
o
Bureta.
o
Figura 4.1. Equipo utilizado durante la etapa del horno de inducción.
43
Reactivos
o
Oxido de magnesio.
o
Perclorato de magnesio.
o
Ácido clorhídrico.
o
Soluciones estándar de yodato yodato de potasio 0,006230 0,006230 N y 0,01248 N.
Oxígeno.
o
Ascarita.
o
Estaño.
o
o
Almidón de solución de yoduro de potasio.
o
Ácido sulfúrico concentrado.
o
Astillas de hierro aceleradoras.
Procedimiento
1)
Se prepara la muestra.
2)
Se agregan de 3,2 a 4,8 mm mm de de capa de óxido de magnesio a un crisol.
3)
Se hace una depresión en la capa con el extremo del agitador.
4)
Se pesa el crisol a 0,1 mg.
5)
Se pesa en la depresión depresión la cantidad cantidad apropiada de acuerdo acuerdo a la tabla 4.1.
6)
Se cubre la muestra con el disco separador.
7)
Se añade en el disco disco separador una cantidad predeterminada de astillas de hierro necesarias para obtener la temperatura deseada. Esta cantidad está usualmente entre 1,2 y 2 g, pero debería mantenerse constante con ±0,05 g.
8)
Se rocían más o menos 0,1 g de estaño sobre el hierro.
9)
Se cubre el crisol crisol con una tapa y se coloca sobre el pedestal pedestal del horno.
44
CONTENIDO DE
PESO DE LA
AZUFRE (%)
MUESTRA (mg)
NORMALIDAD DE LA SOLUCIÓN ESTÁNDAR DE KIO3 PARA LA TITULACIÓN
0a2
90
0,006238
2a4
50 a 90
0,006238
4 a 10
50 a 90
0,01248
Tabla 4.1. Cantidades sugeridas de muestra y aditivos en el horno de inducción. Luego de esto, se llevan a cabo la combustión y la titulación, las cuales c uales constan de los siguientes pasos adicionales: 10) Se enciende la la corriente y se deja por por lo menos un minuto de precalentamiento; luego, se aumenta el pedestal y se cierra. La placa de corriente oscilará por tiempo muy corto y se subirá gradualmente hasta el máximo valor. 11) Se añade la apropiada apropiada solución estándar estándar de KIO3 (tabla 4.1) al absorbedor para mantener el color azul. La solución en el absolvedor debe empezar a perder color completamente. 12) Se hacen adiciones de KIO3 tal como la tasa de evolución de SO2 vaya disminuyendo, tal que, cuando la combustión sea completada, la intensidad de color azul es la misma intensidad inicial. Téngase en cuenta que la combustión es completada cuando el color permanece como mínimo 1 minuto y la placa de corriente ha caído considerablemente. 13) El registro registro del volumen de la solución estándar KIO3 es requerido para para titular el SO2 desarrollado.
4.7.1.2.
Horno tipo resistencia
Equipos
o
Tubos de purificación.
45
Rotámetro.
o
o
Horno tipo resistencia.
Absorbedor.
o
Bureta.
o
Figura 4.2. Equipo utilizado durante la etapa del horno de resistencia.
Reactivos
o
Oxido de magnesio.
o
Perclorato de magnesio.
o
Ácido clorhídrico.
o
Soluciones estándar de yodato yodato de potasio 0,006230 0,006230 N y 0,01248 0,01248 N.
Oxígeno.
o
Ascarita.
o
Estaño.
o
46
o
Almidón de solución de yoduro de potasio.
o
Ácido sulfúrico concentrado.
o
Astillas de hierro aceleradoras.
o
Pentóxido de vanadio.
Procedimiento
1)
Se prepara la muestra.
2)
Se pesa la cantidad adecuada de muestra en una cápsula de combustión de acuerdo a la tabla 4.2.
3)
Se añaden 100 ± 5 g de pentóxido de vanadio y se cubre completamente la mezcla con el óxido de magnesio. NORMALIDAD DE LA
CONTENIDO DE
PESO DE LA
AZUFRE (%)
MUESTRA (mg)
0a2
100 a 200
0,006238
2a4
100 a 200
0,01248
4 a 10
100 a 200
0,06238
SOLUCIÓN ESTÁNDAR DE KIO3 PARA LA TITULACIÓN
Tabla 4.2. Cantidades sugeridas de muestra y aditivos en el horno de resistencia.
Seguidamente, se realizan la combustión y la titulación, las cuales constan de los siguientes pasos adicionales:
4)
Se introduce la cápsula en la porción fría del tubo de combustión, cerca de la entrada. Cuando inicie la combustión, se empuja la cápsula que contiene la muestra progresivamente dentro de la zona caliente del 47
tubo de combustión. La cápsula debe ir avanzando lo más rápido posible consistente con la tasa de evolución de SO 2. 5)
Se agrega la solución apropiada estándar de KIO3 (Tabla 4.2) al absorbedor para mantener el color azul. La solución en el absorbedor debe empezar a descolorarse completamente.
6)
Se hacen adiciones de KIO3 tal como la tasa de evolución de SO2 disminuya. Cuando la combustión sea completada, la intensidad del color azul es igual a la intensidad inicial.
7)
La combustión está completa cuando el color permanece, por lo menos, un minuto. A continuación, se registra el volumen de KIO3 requerido para titular el SO2 desarrollado.
4.7.1.3.
Cálculos necesarios
Factor de alumbre
El factor de alumbre debe encontrarse entre 1,02 y 1,08. Si los valores son menores a 1,02, se confirma independientemente la cantidad de azufre del alumbre y la cantidad equivalente de KIO 3; por el contrario, si los valores son mayores a 1,08, se deben hacer algunos ajustes en el equipo de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y debe repetirse la determinación del factor de alumbre.
La expresión para calcular el factor de alumbre ( FA) es la siguiente:
FA
S AW A
100C I (V a
V b )
,
Donde: S A =
porcentaje de masa del azufre en el alumbre de potasio usado.
48
W A = V a
miligramos de potasio de alumbre usado.
= mililitros de la solución estándar de KIO 3 usados en la determinación del
factor de alumbre. V b = C I
mililitros de a solución estándar de KIO 3 usados en la prueba en blanco.
= azufre equivalente de la solución estándar de KIO 3 usado en la
determinación del factor de alumbre.
Factor de normalización
Por circunstancias tales como la volatilidad de la muestra, es posible que se afecte la recuperación relativa del SO 2 del azufre presente inicialmente en la muestra. Por tal motivo, es necesario determinar el factor de normalización ( FN ), el cual se calcula mediante: FN
S sW s
100C (V s
V b )
,
Donde: S s =
porcentaje de masa de azufre de la muestra de estandarización usada.
W s =
miligramos de la muestra de estandarización usada.
V b =
mililitros de solución estándar KIO 3 usados en la prueba en blanco.
V s =
mililitros de solución estándar KIO 3 usados en la determinación del factor
de estandarización (normalización). C
= azufre equivalente de la solución estándar de KIO 3 usados en la
determinación del factor de estandarización (mg/ml).
Cálculo del contenido de azufre
49
El porcentaje de masa de azufre ( %A) calculado a partir de la siguiente expresión:
% A
100 F s C (V
W
V b )
,
Donde: V =
mililitros de solución estándar KIO3 usados en el análisis.
V b =
mililitros de solución estándar KIO 3 usados en la prueba en blanco.
F s = C =
factor de estandarización. Azufre equivalente de la solución estándar de KIO 3 usado en el análisis, en
mg/mL. W =
miligramos de la muestra usada en el análisis.
4.7.2. Sistema de detección por radiación infrarroja
4.7.2.1.
Equipos
Microprocesador
Tubos de combustión
Detector infrarrojo
Rotámetros
Horno de tipo resistencia capaz de mantener temperatura de 1350 °C (2460 °F).
50
Figura 4.3. Equipo requerido para el sistema de detección con radiación infrarroja.
4.7.2.2.
Procedimiento
1)
Se prepara la muestra.
2)
Se pesa la muestra en una cápsula cerámica especial que se encuentra localizada en un horno de combustión a 1371 ºC (2500 ºF) en una atmósfera de oxígeno.
3)
La mayoría de azufre presente es convertido a SO2, para luego ser medido en un detector infrarrojo; a continuación, la humedad y el polvo son removidos por medio de separadores.
4)
Un microprocesador calcula el porcentaje de masa de azufre del peso de la muestra, así como la señal integrada de detector y un factor de calibración determinado.
5)
Finalmente, el número de identificación de la muestra y el porcentaje de azufre son impresos. 51
No obstante, cuando se emplean muestras líquidas, el procedimiento varía considerablemente y sigue, en efecto, los siguientes pasos:
1)
Se toman 0,13 g para el análisis.
2)
Se llena la navecilla de combustión hasta un tercio de su capacidad con polvo MgO, esparciendo uniformemente.
3)
Se forma una ligera trinchera en el polvo MgO con una cuchara.
4)
Se coloca la navecilla de combustión en la balanza y se pesa la cantidad apropiada de la muestra dentro de la trinchera en el polvo MgO. Asimismo, se registra e ingresa este peso.
5)
Se quita la navecilla de la balanza y se añade polvo MgO hasta que la cápsula esté llena hasta dos tercios de su capacidad.
6)
Se inicia el flujo de oxígeno y se monta la navecilla dentro del horno.
7)
Cuando el análisis esté completo, se leen los resultados desde el microprocesador.
8)
4.8.
Se remueven las navecillas de combustión utilizados del horno.
ESPECTROMETRÍA
DE
ENERGÍA
DISPERSIVA
DE
FLUORESCENCIA DE RAYOS X (NORMA ASTM D-4292-10) Este método de ensayo cubre la determinación de azufre total en petróleo y sus derivados que son de una sola fase y, o bien líquido en condiciones ambientales, licuable con calor moderado, o solubles en disolventes de hidrocarburos. Estos materiales pueden incluir el combustible diesel, combustible de aviación, queroseno, petróleo destilado otro, nafta, aceite residual, aceite lubricante base, aceite hidráulico, aceite crudo, la gasolina sin plomo, gasóleo, biodiesel y otros productos similares derivados del petróleo. 52
Este método de ensayo proporciona una rápida y precisa medición de azufre total en petróleo y productos derivados del petróleo con un mínimo de preparación de la muestra. Un análisis en tiempo típico es de 1 a 5 min por muestra. 4.8.1. Equipo
Fuente de rayos X de excitación.
Tubo de rayos X con energía de excitación por encima de 2,5 keV.
Recipiente para muestra extraíble, equipada con reemplazables de rayos X de ventanas transparentes de película de plástico y proporcionar una profundidad de muestra de al menos 4 mm y un diámetro de al menos 10 mm.
Detector de rayos X, no con una alta sensibilidad y un valor de resolución (ancho completo en la mitad del máximo, FWHM) para superar 800 eV a 2,3 keV.
Filtros u otros medios de discriminar entre la radiación Ka azufre y otros rayos X de mayor energía.
Display o impresora que se lee en el% de azufre en masa.
Balanza analítica, con una precisión y resolución de 0,1 mg y capaz de pesar hasta 100 g.
4.8.2. Procedimiento
Una muestra de control de calidad se mide antes de analizar incógnitas para verificar que el método de ensayo está en control
Llenar el vaso con la muestra a ser medida a aproximadamente 75% de la capacidad de la taza.
53
La muestra se coloca en el haz emitido desde un tubo de rayos-X. La radiación resultante se mide, y el recuento acumulado es comparado con los recuentos de muestras de calibración previamente preparadas para obtener la concentración de azufre en% en masa.
Un mínimo de tres grupos de muestras de calibración se requiere para abarcar el intervalo de concentración: 0,0 a 0,1% en masa, de 0,1 a 1,0% en masa, y 1,0 a 5,0% en masa de azufre.
4.8.3. Recomendaciones
Antes de llenar la celda, puede ser necesario calentar las muestras viscosas de manera que sean fáciles de verter en la célula. Asegúrese de que no hay burbujas de aire entre la ventana de taza y la muestra de líquido.
54
5. CONCLUSIONES
El Azufre es uno de los elementos que se encuentran en el petróleo y es el responsable de las características indeseables de sus productos.
Existen tres criterios principales para la clasificación del petróleo en la industria: la composición química dada por el porcentaje en peso de los diferentes componentes del crudo, la gravedad API quien depende de la densidad del mismo y por último, del Azufre contenido en el aceite.
La clasificación del gas, análoga a la del petróleo, depende del criterio a evaluar, la clasificación común en la industria se basa en su composición química (% de metano), cantidad de componentes corrosivos y origen.
La clasificación del petróleo dependerá del criterio (Composición, ºAPI o cantidad de Azufre) que se considere el más importante, siendo éste un aspecto de vital importancia para la industria pues determinará su calidad y por ende, su valor comercial.
Los beneficios de remover el azufre en los combustibles del sector transporte son evidentes. Mientras que cualquier reducción del azufre hace disminuir directamente las emisiones de SO2 y de sulfatos, los beneficios adicionales se acrecientan con mayores reducciones.
Los hidrocarburos se dividen en alifáticos y alicíclicos. Los hidrocarburos alifáticos incluyen tres clases de compuestos: alcanos, alquenos y alquinos. Por su parte, los hidrocarburos alicíclicos se dividen en cicloalcanos, cicloalquenos, cicloalquinos y aromáticos.
Los métodos de ensayo para la determinación de azufre proporcionan un medio de control del nivel de azufre Este conocimiento puede ser utilizado para predecir el rendimiento, el manejo o las propiedades de procesamiento.
55
Los métodos para la determinación del contenido de azufre en el petróleo y sus productos utilizan la combustión sobre la muestra porque de este modo pueden evaporar los componentes sulfuros en ella y, a su vez, valorarlos y clasificarlos, ya sea mediante titulación en presencia de una solución indicadora y un compuesto absorbente, o mediante detección infrarroja.
56
6. RECOMENDACIONES
La clasificación de los tipos de hidrocarburos tomada en cuenta para la realización del presente trabajo es un poco general, en la literatura se encuentran diversas clasificaciones, que por comodidad y simplicidad no fueron tomadas en cuenta.
Recomendaciones para los métodos utilizados para la determinación del contenido de azufre:
Todos los reactivos deberán ajustarse a las especificaciones de la Comisión de reactivos para análisis de la sociedad química americana.
Debe comprobarse previamente que el reactivo tiene una pureza lo suficientemente alta para permitir su uso sin disminuir la exactitud de la determinación.
Después de cada proceso a la muestra se le tiene que realizar el control de calidad respectivo, dependiendo de los protocolos de cada laboratorio para confirmar su fiabilidad.
Al recibir la muestra, esta debe estar totalmente seca.
57
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
McCain, William; PROPERTIES OF PETROLEUM FLUIDS, Second edition, 1990. Jesús
Páramo
Carrillo
y Carlos
Mario
Sierra
Restrepo.
Caracterización de Crudos y Derivados. Universidad Nacional de Colombia, Seccional Medellín, Facultad de Minas, Ingeniería de Petróleos Medellín, 1991.
Vasily Simanzhenkov, Raphael Idem; CRUDE OIL CHEMISTRY.
Información proporcionada por el Ing. Jhon Alexánder León, Laboratorio de fluidos, Escuela Ingeniería de Petróleos. Universidad Industrial de Santander.
http://deconceptos.com/ciencias-naturales/azufre
http://deconceptos.com/ciencias-naturales/azufre#ixzz3hTeXqNAv
http://diccionario.motorgiga.com/diccionario/azufre-definicionsignificado/gmx-niv15-con193071.htm
http://ea.com.py/v2/efecto-del-azufre-en-los-hidrocarburos-sobre-lasalud-humana/
http://elementos.org.es/azufre
http://elgasnatural.pe.tripod.com/elgasnatural/id3.html
http://historiaybiografias.com/gas_natural1/
http://profesores.fib.unam.mx/l3prof/Carpeta%20energ%EDa%20y%20a mbiente/Gas%20Natural.pdf
http://vidaok.com/azufre-caracteristicas/
http://vidaok.com/azufre-caracteristicas/
http://www.fisicanet.com.ar/energias/gases/en01_gas_natural.php
http://www.fisicanet.com.ar/energias/gases/en01_gas_natural.php
58
