Historia de la petroquímica Hemos visto que la petroquímica comenzó en EUA a principios de los roaring twentie´s, con la producción de isopropanol. La materia prima era el propileno contenido en los gases de refinería. re finería. Paulatinamente, la industria petroquímica posibilitó substituir al carbón por el petróleo, como punto de partida para la obtención de productos químicos orgánicos. Hasta entonces, el carbón, vía gas de síntesis o por destilación del alquitrán de hulla, había sido la fuente más empleada. También la petroquímica fue desplazando a otros procesos, como la fermentación o la extracción de sustancias natur ales. Hasta fines de la década de los años 30, la petroquímica existía sólo en EUA, donde estaba limitada a la síntesis de algunos compuestos oxigenados y a la producción de amoníaco a partir de gas natural. Durante esos años se puso énfasis en la investigación que más tarde, durante la segunda Guerra Mundial, posibilitó crear un número importante de materiales críticos. Se obtuvieron materiales sintéticos para substituir otros tradicionales tales como metales, resinas, caucho, fibras naturales, vidrio, cuero, ceras, aceites secantes y otros productos. Además, su producción requería de olefinas básicas en una escala muy superior a la que se po día obtener de los gases de refinería. re finería. Surgió entonces como respuesta, la producción de olefinas por cracking térmico, primero de hidrocarburos livianos existentes en los gases de refinería, y luego de cortes livianos resultantes de la destilación primaria del petróleo crudo. Un fenómeno semejante al expuesto fue el rápido incremento de la demanda de amoníaco para la producción de fertilizantes y de ácido nítrico, insumo estratégico para la obtención de pólvoras y explosivos. Donde previamente se utilizaba gas de síntesis, obtenido a partir del carbón, el gran crecimiento en la demanda de amoníaco hizo necesario recurrir a otra fuente ± el steam reforming de metano ± para obtener el hidrógeno necesario. Otro acontecimiento importante, fue la aparición del reforming catalítico de nafta virgen, asociado con la posterior extracción de aromáticos. Poco tiempo después, se desarrolló el proceso de hidrodealquilación (HDA), que permitió ajustar la producción de benceno y tolueno a las necesidades del mercado. Durante las décadas de los años 40 y 50, la petroquímica se desarrolló en Europa y en la siguiente llegó a Japón. En ambas regiones, su expansión se basó en el procesamiento de cortes líquidos, básicamente naftas. La industria petroquímica se liberaba de la necesidad de estar próxima a las fuentes de gas natural o gases de refinería, ya que las naftas eran insumos mucho más accesibles. Ese hecho dio origen a las denominadas refinerías petroquímicas, que permitieron a los países de Europa occidental y, particularmente a Japón ± país sin hidrocarburos ± no sólo desarrollar sus importantes mercados internos de productos finales y derivados, sino también competir con éxito en los mercados mundiales.
Nacen
los materiales plásticos
La palabra plástico proviene del griego plastiko, que significa ³hábil para ser moldeado . Fue ésta la primera definición de uno de los materiales más empleados en nuestra vida cotidiana. Otras definiciones posibles son: materiales hechos por el hombre, a los que se les puede dar cualquiera forma; materiales no metálicos, básicos para la ingeniería, y que pueden ser transformados por medio de muchos métodos y procesos. Generalmente son transparentes y sin color, pero pueden ser luego coloreados, según su aplicación final. Pueden tener la suavidad de la seda o la dureza de un paragolpes. Los procesos de transformación pueden convertirlos en un equipo, un envase, un juguete, un mueble, una bolsa e infinidad de otros artículos. Los plásticos de mayor difusión y empleo tienen su origen en la industria petroquímica. Pero no siempre fue así. Los primeros materiales plásticos tuvieron mucho que ver con la intuición y el esfuerzo de científicos que trabajaron con variados productos químicos. Algunos afirman que la moderna industria del plástico tuvo su origen en 1839. Ese año, Charles Goodyear descubrió que cuando se agregaba una pequeña cantidad de azufre al caucho natural, éste se transformaba en un material muy resistente y elástico que podía soportar altas temperaturas. Doce años después, su hermano Nelson incorporó una cantidad mayor de azufre al caucho y obtuvo un material muchommás duro al que llamó ebonita, por su parecido con el ébano. Nelson Goodyear fabricó pinturas hechas a partir de ebonita y el material fue usado muy pronto como aislante para recubrir bornes y otras partes del telégrafo. Po co antes, Charles Mackintosh había instalado una fábrica de impermeables para lluvia, al recubrir telas de algodón con caucho natural. Un hecho mucho más importante ocurrió en 1846, cuando Alexander Parkes, un químico de Birmingham, descubrió que podía producir nuevos objetos si disolvía nitrocelulosa ± que se obtenía a partir de celulosa y ácido nítrico ± en un solvente volátil al que luego evaporaba. Pudo así transformar el material resultante en objetos decorativos y útiles. La nitrocelulosa también se utilizó para la preparación de materiales fotográficos. Tiempo después, nacía una de las primeras empresas del sector ± la British Xylonite ± excelente productora de plásticos de nitrocelulosa, que utilizaba métodos muy avanzados, que incluían el desarrollo de solventes de bajo costo. Las moléculas de caucho y de celulosa están formadas por cadenas de gran longitud, por eso son denominadas macromoléculas. Sus estructuras y propiedades pueden ser modificadas por la acción de ot ros productos químicos y solventes.
Cuando científicos e inventores se dieron cuenta que esos materiales podían ser transformados y llevados a un estado tal que pudieran ser moldeados y transformados en elementos útiles, nació la nueva industria de los plásticos. En 1868, John e Isaiah Hyatt entraron en la industria del plástico en Albany, Nueva York, para intentar ganar un premio de 10.000 dólares, ofrecido por la firma Phelan and Colender, para aquél que descubriese un nuevo material para fabricar bolas de billar. El objetivo era encontrar un sustituto más económico que el marfil, entonces muy escaso y además evitar la matanza de elefantes, de cuyos colmillos se obtenía dicho material. Los hermanos Hyatt descubrieron que mezclando nitrocelulosa con alcanfor, se obtenía un material con el cual, empleando calor y presión, se podían moldear bolas de billar. Los ³plásticos de Hyatt recibieron luego el nombre de celuloide y sirvieron de base para fabricar distintos objetos. En forma casi simultánea, en 1865, era producido, por primera vez, en un laboratorio en la Universidad de la Sorbona, París, el acetato de celulosa. Este producto era soluble sólo en solventes caros como el cloroformo y requería para su obtención, el uso del también costoso anhídrido acético. En 1905, G.W. Miles patentó en EUA un proceso simple para modificar la celulosa y permitir el uso de acetona como solvente. Este proceso dio origen a las fibras artificiales. A su vez, en 1909, Leo Baekeland desarrolló un nuevo material plástico, a partir de fenol y formaldehido, que encontró rápidamente múltiples aplicaciones, especialmente en la incipiente industria de artefactos eléctricos. Ese material plástico fue conocido desde entonces con el nombre que recuerda a su invento: baquelita.
El perfil de la industria petroquímica petroquímica No hay nada más elegante que un par de medias de nylon. Esta y otras prendas tienen mucho en común con un rudo paragolpes de automóvil, con los neumáticos que soportan el impacto de un avión de 400 toneladas que aterriza a 300 km por hora o con el casco de un astronauta. El origen de todos estos productos es la petroquímica. En un hogar actual, la mayor parte de su equipamiento son bienes que tuvieron su origen en la petroquímica: los enchufes eléctricos, la carcaza de la procesadora, los líquidos para la limpieza de la cocina y del baño, el gabinete y el interior de la heladera, la mesa y las sillas del jardín, los muebles de cocina, el gabinete de la computadora personal, de la impresora, del teléfono, del televisor, del radiograbador, el calzado, la vestimenta, los colchones y las almohadas, y hasta la raqueta de tenis. Todo comenzó con la acumulación de restos de organismos animales y vegetales en el lecho de los mares prehistóricos; restos que luego fueron sometidos a elevadas presiones durante millones de años en ese laboratorio real que se llama planeta Tierra. La lenta
descomposición de esos restos orgánicos en las cuencas sedimentarias, permitió formar cadenas de átomos de carbono combinados con átomos de hidrógeno, con forma lineal en algunos casos, o con forma de anillos cerrados en otros casos. Ese es el origen más aceptado de los hidrocarburos que constituyen el petróleo y el gas natural, en definitiva, fuentes de todas las materias primas que emplea la industria petroquímica.
Fig.productos petroquímicos
Variedad de productos con valor agregado Esta industria se caracteriza por la gran variedad de productos que ofrece y, además, por el valor agregado que se va incorporando en cada una de las etapas de sus cadenas productivas. Por ejemplo, del gas natural que sale de un yacimiento se puede extraer el gas etano, que la petroquímica transforma luego en etileno y posteriormente en polietilenos de distintos tipos. Estos últimos productos son suministrados a la industria plástica, que a su vez los transforma en distintos bienes de consumo: bolsas de supermercado, bolsas para basura, mangueras, películas de distinto tipo y aplicaciones, cajones de cerveza, envases para detergentes y lubricantes, y una infinidad de productos más. En cada una de las diferentes etapas, el producto final tiene mayor valor que el inicial. De esta manera, 1 m3 de gas natural que vale en el yacimiento alrededor de cinco centavos, se transforma en bienes de consumo final que pueden valer muchísimo más. Esta es la misión de la industria petroquímica que se ha constituido en una de las industrias más importantes, dentro del panorama de toda economía moderna, y que no ha cumplido aún 80 años. En efecto, la petroquímica nació en EUA en 1920, con la producción de isopropanol en una refinería de petróleo. Su desarrollo reconoce varias etapas. La evolución de la industria automotriz en los EUA provocó que las empresas refinadoras de petróleo buscaran aumentar el volumen y la calidad de las naftas a partir de la misma cantidad de petróleo. Esto ocasionó la aparición de gases muy reactivos, como subproductos de los procesos de refinación, que podían ser aprovechados para obtener, en forma competitiva, los productos químicos que el mercado demandaba y que hasta ese momento se obtenían por otras vías, tales como madera, carbón, etc. Incluso los científicos se animaron a crear nuevas moléculas y fueron apareciendo ± al principio lentamente ± nuevos productos y aplicaciones.
La segunda Guerra Mundial fue el disparador de la petroquímica, ya que esta industria permitió abastecer con materias primas críticas, que reemplazaron a otras de origen natural, tales como el caucho. Gran parte de las plantaciones de caucho natural estaban en países del sudeste asiático, ocupados por Japón. Además, el transporte marítimo del caucho natural hacia los EUA estaba bloqueado por la flota japonesa. La respuesta fue producir caucho sintético, cuya irrupción en EUA fue explosiva. Este producto que no se consumía en 1941, llegó a representar en 1946 el 85% del consumo total de caucho y sólo el resto era caucho natural. El caucho sintético había sido inventado por un químico de Bayer, partiendo del carbón como materia prima. Por otra parte, los motores de los aviones exigían naftas de mayor potencia, con más octanos, para contar con más velocidad en los combates aéreos. Para ello, se perfeccionaron aditivos que agregaban poder a las naftas, y se desarrollaron procesos, como el reforming catalítico, que permitían obtener naftas de a lto rendimiento en las refinerías de petróleo. También se necesitaron nuevos hilados para los paracaídas, nuevos materiales que sustituyeran al vidrio en las ventanillas de los aviones, gomas para balsas, insecticidas más efectivos para eliminar a los mosquitos que trasmitían la malaria. A su vez los aviones y los blindados alemanes consumían naftas sintéticas, obtenidas a part ir del carbón. Cuando el conflicto terminó muchas cosas nunca volvieron a ser como antes. El impacto de la petroquímica en la vida cotidiana era irreversible y su influencia, de una u otra forma, se hizo sentir sobre casi todas las demás industrias. Desde entonces la petroquímica puso a disposición de los distintos mercados una cantidad muy grande de productos que permitían, a su vez, obtener materiales para sustituir o complementar a materiales tradicionales tales como el algodón, la lana, la madera, los metales o el vidrio. Sin los nuevos materiales sería prácticamente imposible satisfacer hoy las necesidades básicas de los seres humanos: alimentación, vivienda, vestimenta, sanidad, educación, artículos para el hogar, medicina, transporte, comunicaciones. La industria petroquímica permite obtener plásticos, fibras y cauchos sintéticos, solventes, detergentes, herbicidas, insecticidas, pinturas, adhesivos y una gama muy amplia de productos químicos.
Fig.- Hilos de plástico
En especial, la petroquímica posibilitó la producción de millones de toneladas de fertilizantes, como la urea y los fosfatos de amonio, que se convirtieron en los protagonistas mundiales de la ³revolución verde , aumentando los rendimientos agrícolas, y consecuentemente, la oferta de trigo, arroz, maíz, soja, girasol. Obviamente, cuando Malthus formuló su teoría sobre el crecimiento de la población y la futura escasez de alimentos, no podía siquiera imaginar la capacidad de innovación de la ciencia y de la tecnología, que permitieron el nacimiento y la expansión de la petroquímica.
Fig. Maquinaria que propicio el rendimiento agrícola
Economía de escala y dinamismo El consumo mundial de productos petroquímicos es del orden de 400 millones de toneladas anuales, y se ubica detrás de los consumos de acero y de cemento. En estas industrias, la escala de producción es un factor competitivo esencial. La petroquímica se caracteriza específicamente por requerir grandes inversiones; es una industria de capital intensivo. Generalmente, utiliza procesos continuos, en plantas que trabajan día y noche y que tienen que operar por arriba del 70% de su capacidad para ser rentables. Además, el costo de producción unitario se reduce al incrementar la capacidad de las plantas, hasta el límite que la tecno logía permita. La escala económica, para que un país desarrolle racionalmente esta industria, depende del tamaño de los mercados, que pueden no sólo ser los del propio país, sino que cada vez más incluye a los mercados regionales e internacionales. Por esa razón, en el diseño de los negocios petroquímicos se requiere un cuidadoso planeamiento en la selección de las tecnologías y de las materias primas. Los resultados económicos mejoran sustancialmente con el grado de integración y el aprovechamiento de co-productos y sub-productos. Otra de las características de la industria petroquímica es que las tecnologías son muy dinámicas y constantemente son mejoradas o reemplazadas, lo que hace imprescindible que las empresas se mantengan actualizadas tecnológicamente para competir, no sólo localmente sino también en el exterior.
Gran velocidad de expansión Las empresas petroquímicas, por medio de mejoras tecnológicas continuas, reducen los costos de sus productos, disminuyen sus precios y por consiguiente los mercados tienden a evolucionar, en general, con mayor rapidez que la propia economía del país. Una vez que una planta petroquímica ha sido instalada, su ritmo inicial de crecimiento es generalmente mayor que el de la economía global. Esta expansión se debe en gran parte a los materiales plásticos. Estos han sustituido a los materiales tradicionales y permiten la fabricación de nuevos artículos, gracias a sus excelentes propiedades y a su constante reducción de precio. Tabla.- Productos petroquímicos de la vida co tidiana.
Los
productos petroquímicos básicos: olefinas, aromáticos y gas de síntesis El tamaño del mercado y el grado de industrialización de un país determinan el costo de producción y la competitividad de los productos petroquímicos. Las modernas tecnologías disponibles para los procesos petroquímicos hacen posible importantes reducciones de costo. Esta ventaja se acentúa si el mercado permite integrar los productos petroquímicos básicos, intermedios y finales, concepto que se refuerza cuando la industria petroquímica está integrada con la refinación de petróleo o con el procesamiento de gas natural. Gran parte del volumen de productos petroquímicos obtenidos en el mundo está vinculado estrechamente con estos conceptos. Los llamados productos básicos, verdaderos pilares de la petroquímica, pueden agruparse en tres familias: las olefinas (etileno, propileno, butilenos, butadieno), los
aromáticos (benceno, tolueno, xilenos) y los derivados de gas de síntesis (amoníaco, metanol). De ellos derivan los productos intermedios y finales.
Fig.- C3H8 La
petroquímica moderna
La industria petroquímica comprende un vasto número de productos: más del 90% de los productos químicos orgánicos consumidos actualmente en el mundo reconocen su origen petroquímico. Todos ellos, en definitiva, se obtienen en etapas sucesivas, a partir de fracciones o cortes derivados del petróleo y/o del gas natural. Ambos, el petróleo y el gas natural, son mezclas de hidrocarburos. El gas natural sólo contiene hidrocarburos livianos: su principal componente es el metano, el más simple de todos los hidrocarburos, que tiene un solo átomo de carbono. Además, el gas natural contiene etano, propano y butanos. Estos dos últimos componen una fracción que se llama ³gas licuado de petróleo o LPG. Finalmente, en menor proporción, contiene hidrocarburos de cinco, seis y siete átomos de carbono, que forman una nafta liviana denominada ³gasolina natural . El petróleo, en cambio, contiene una enorme variedad de hidrocarburos, que van desde los mismos del gas natural hasta moléculas mucho más complejas, en forma de cadenas ± ramificadas o lineales ± o con anillos, cada uno con una gran cantidad de átomos de carbono.
Fig.- C4H10
En el procesamiento de gas natural y en la refinación de petróleo, se obtienen fracciones caracterizadas, en general, por el número de átomos de carbono que poseen los hidrocarburos que las integran. El procesamiento de gas natural se realiza en cercanías de los yacimientos, como ocurre en Campo Durán, en Salta, Loma La Lata, en Neuquén, Cerro Redondo, en Santa Cruz y San Sebastián, en Tierra del Fuego. También en centros donde confluyen gasoductos de importancia y que disponen de ventajas logísticas, tal como sucede en Bahía Blanca. Los productos de una planta separadora de gas natural son: etano (opcional, si existe un consumo petroquímico), propano, butanos, gasolina natural y ³gas seco , que es prácticamente metano y se reinyecta en los gasoductos. Las refinerías de petróleo son más complejas que las plantas separadoras de gas natural, y por lo general están localizadas cerca de los mercados co nsumidores. Esto sucede con las principales refinerías del país tales como: YPF en La Plata y Luján de Cuyo, Shell en Dock Sud y Esso en Campana. Actualmente, las refinerías cuentan con unidades de conversión que maximizan la producción de los derivados más valiosos (combustibles livianos y medios) a expensas de los de menor demanda (combustibles pesados). Los productos principales obtenidos son: naftas para automotores (motonaftas), combustibles para aviones a reacción (querosén especial), gas-oil, fuel-oil, gas licuado (LPG), aceites lubricantes, solventes y asfaltos. Más del 90% de los productos que se obtienen, tanto en las plantas procesadoras de gas natural como en las refinerías de petróleo, se destinan a distintos mercados: domiciliario, comercial, industrial, automotor, transporte, us inas eléctricas. Menos del 10% de los derivados del gas natural y del petróleo se emplean como materias primas petroquímicas. Los principales insumos en términos mundiales son: nafta virgen, gas licuado (propano y butanos), etano y metano. El metano se emplea masivamente en los países que disponen de gas natural para la síntesis de amoníaco, fundamental para la producción de fertilizantes nitrogenados. También se utiliza metano para la producción de metanol. Tanto en la producción de amoníaco como en la de metanol, hay un proceso común, denominado steam-reforming de gas natural. La nafta virgen, que es el insumo más difundido y versátil, es un corte obtenido por destilación primaria del petróleo, de bajo rendimiento como combustible para automotores, pero excelente como materia prima para la producción de hidrocarburos aromáticos ± benceno, tolueno, xilenos ± por reforming catalítico, y para la producción de olefinas ± etileno, propileno, butilenos, butadieno ± por steam-cracking. Las restantes materias primas petroquímicas ± el etano y el gas licuado ± se emplean para la producción de o lefinas por steam-cracking según su disponibilidad y precio.
Una explicación muy simple de los procesos mencionados es la siguiente: Steam-crackin g: consiste en reacciones de ruptura térmica de moléculas de hidrocarburos en presencia de vapor de agua, para dar moléculas más pequeñas, con enlaces dobles entre átomos de carbono vecinos, de gran reactividad, como las olefinas. Reforming catalítico de nafta virgen: implica una serie de reacciones químicas de transformación de moléculas de hidrocarburos lineales o ramificados, con anillos o ciclos de seis átomos de carbono. Estas estructuras cíclicas,con enlaces carbono-carbono especiales, son típicas de los hidrocarburos aromáticos y les co nfieren una alta reactividad. Cabe indicar que un proceso similar es empleado en las refinerías de petróleo para obtener, a partir de naftas de baja calidad, motonaftas de alto índice de octano, es decir combustibles con menor tendencia al autoencendido o pistoneo, que son los requeridos por los motores con alta relación de co mpresión. Steam-reforming: consiste en una reacción de moléculas de hidrocarburos con vapor de agua, para dar hidrógeno, monóxido y dióxido de carbono; actualmente, por razones económicas, el metano proveniente del gas natural es la materia prima preferida en este proceso. De esta manera, se explica cómo la industria petroquímica, a través de las materias primas que requiere, se encuentra estrechamente vinculada con las industrias del petróleo y del gas natural. Estos conceptos configuran un factor determinante en el desarrollo de las empresas petroquímicas, e incluso, son un tema importante cuando se planean expansiones de refinerías de petróleo y/o instalación de nuevas plantas de separación de gas natural. Por eso ha surgido la tendencia a un manejo integrado de la industria petroquímica con la del petróleo y del gas, idea desarrollada plenamente en las ³refinerías petroquímicas .
