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INTRODUCCION
El petróleo, producto de los cambios naturales en materias orgánicas a través de miles de años, se ha acumulado debajo de la superficie de la tierra en cantidades increíbles, ha sido descubierto y utilizado para satisfacer nuestras variadas necesidades de combustible. Por ser una mezcla de miles de sustancias orgánicas, ha probado su adaptación a nuestras necesidades cambiantes, se ha tratado a través de patrones cambiantes de procesado o refinado para la producción de una variedad de combustibles. La refinación ha sido avanzada con renuente impulsada por factores económicos. La mayor parte de las compañías se han dado cuenta que su propósito debe ser tomar la materia prima de muchos componentes y convertirlas, con la máxima ganancia, en materiales que llenen las necesidades de nuestro mercado complejo y constantemente cambiante. La explotación de arenas bituminosas representa perdidas económicas debido a todos los procesos que deben ser aplicados para separar el crudo pesado de la arena y otras partículas sólidas o semisólidas. Lo que se buscara con este proyecto es disminuir los gastos económicos y aumentar el porcentaje de recuperación del crudo pesado en este tipo de terrenos.
OBJETIVOS
Objetivo general Disminuir los costos económicos y aumentar el porcentaje de recuperación de crudo pesado en arenas bituminosas para su posterior refinación o conversión a productos comerciales. Objetivos específicos -Buscar nuevas tecnologías que sean viables para la separación de crudo pesado y extrapesado de las arenas bituminosas. -Separar las partículas sólidas y semisólidas del crudo pesado. -Disminuir la cantidad de procesos para separar el crudo pesado y extrapesado de partículas sólidas y semisólidas. -Obtener un crudo con la menor cantidad de impurezas posibles. -Aumentar la cantidad de crudos extraídos en los pozos.
Petróleo crudo : es una porción de petróleo con una viscosidad dinámica igual o menor a 10.000 milipascales por segundo a la temperatura del yacimiento y presión atmosférica, libre de gas. Hidrocarburo : son sustancias químicas compuestas exclusivamente de hidrogeno y carbono. Crudo liviano : crudo cuya gravedad API se encuentra entre 30 – 50 ºAPI. Crudo pesado : crudo cuya gravedad API se encuentra entre 14 – 22 ºAPI. Gravedad API : es una escala arbitraria que expresa la gravedad o la densidad de los productos de petróleo liquido. La escala que mide esta calibrada en términos de grado API. Materia prima : conjunto de materiales para producir un determinado producto. Refinación : proceso mediante el cual se eliminan las impurezas de una sustancia o mediante la cual se extrae una sustancia de una mezcla. Viscosidad FANN : es la viscosidad que se mide con el viscosímetro de FANN, esta medida de dicho instrumento puede ser utilizada tanto en cálculos de ingeniería como para determinar tratamientos de lodos. Índice de refracción : es el cociente de la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio se mide con el refractómetro. Asfáltenos : son hidrocarburos aromáticos de mayor peso específico, en los cuales generalmente se encuentran moléculas muy estables con metales como vanadio y níquel. La separación de las asfáltenos de las corrientes de productos en una refinería es un método de desmineralización indirecta.
Sólidos : estado de la materia en el cual las partículas ocupan posiciones fijas dándole a la sustancia una forma definida. Las partículas se mantienen en sus posiciones por medio de enlaces. Las posiciones de las partículas dependen de tres tipos de atracción: iónico, covalente e intermolecular. Puesto que estos enlaces actúan sobre distancias cortas, las partículas en los sólidos se encuentran compactadas. La fuerza de estos tres tipos de enlace es diferente y a esto se deben las diferencias en propiedades mecánicas de los diferentes sólidos. Sedimento : partícula contaminante de 5 μm y tamaños menores. Punto de inflamación : es la temperatura mínima a la cual un aceite empieza a emitir vapores inflamables, entre más bajo este punto, mas volátil será el aceite y tendrá tendencia a la inflamación. Punto de combustión : temperatura a la cual los vapores emitidos por el aceite se inflaman y permanece ardiendo al menos 5 seg. al acercársele una llama. El punto de combustión suele estar entre 30 y 60 ºC por encima del punto de inflamación. Polímero: compuesto en el cual hay moléculas muy grandes formadas por unidades moleculares que se repiten (monómeros). Los polímeros por lo general, no tienen masa molecular relativa definida, y hay variaciones en la longitud de las diferentes cadenas. Pueden ser sustancias naturales (por ejemplo polisacáridos y proteínas) o materiales sintéticos ( por ejemplo nylon o polietileno ). Polimerización : proceso por el cual uno o mas compuestos reaccionan para formar un polímero. La homopolimerizacion es la polimerización de un monómero, por ejemplo, la formación de polietileno. La copolimerizacion incluye dos o mas monómeros diferentes como en el nylon. La polimerización de adición ocurre cuando los monómeros se polimerizan por reacciones aditivas sin que se forme otra sustancia. La polimerización de condensación incluye la eliminación de pequeñas moléculas en la formación del polímero.
presión en piedras calizas, dolomitas, areniscas y rocas similares. La concentración de materia orgánica en los depósitos originales puede no haber sido muy alta, pero los gases y líquidos del petróleo emigraron para recolectarse en lugares que favorecen su retención, por ejemplo, areniscas porosas selladas. A través del tiempo, los carbohidratos y proteínas probablemente fueron destruidos por acción bacteriana, quedando aceites grasos que eran más resistentes a la destrucción por bacterias o productos químicos. Antes, la perforación en busca de petróleo era un asunto azaroso y solamente uno de cada 100 pozos se encontraba petróleo. A este tipo de pozo se le llama pozo de explotación. La labor geofísica y sísmica se ha vuelto altamente refinada, y cuando se combina con computadoras de alta velocidad para evaluar la gran cantidad de información que se emplea en la localización de sitios, la oportunidad de tener buen éxito en la perforación ha aumentado enormemente. Actualmente, la relación de éxitos es aun más grande. Se han hecho ahora descubrimientos en ares previamente explotadas y rechazadas debido a la difícil geología, como las zonas de montañas rocallosas, y la cantidad de éxitos continua en aumento. Los geólogos reconocieron ya desde hace tiempo que el petróleo se acumula y forma yacimientos que quedan atrapados en la parte alta de los pliegues anticlinales de rocas sedimentarias. El acopio gradual de datos de muestras de núcleo de perforaciones precedentes ha guiado los procedimientos de prueba. En sitios seleccionados científicamente se han perforado pozos con una profundidad mayor a 8500 mts para llegar al gas o al petróleo. Los registros geofísicos sismografitos pueden determinar la presencia de domos y depósitos a una profundidad considerable debajo de la superficie de la tierra. La parte alta del arco de un anticlinal o domo se encuentra comprimida y tiene mayor densidad que las rocas circunvecinas. La estimación de las reservas de minerales esenciales como el petróleo no es exacta pero es de vital importancia en las predicciones de tendencias futuras y en la plantación. Para que dichas estadísticas sean mas confiables se acostumbra emplear el término reservas comprobadas para hacer referencia a minerales que se sabe existen en campos bien definidos y que son recuperables por los métodos actuales de producción. No todo el petróleo subterráneo es recuperable, y la recuperación de crudo pesado rara vez excede del
50 %. En circunstancias favorables, hasta el 80 % de los crudos ligeros pueden llevarse a la superficie. Actualmente, el tamaño de las reservas utilizables dependen de las técnicas de recuperación que se empleen. Con los métodos actuales se podría haber extraído de 2 a 2, veces la cantidad de petróleo que antes se extraían mediante flujo natural y bombeo. La clave del problema es la utilización y conservación adecuada de la energía del depósito. El petróleo tiene generalmente agua debajo, a bastante presión, y gas arriba. Si se extrae el petróleo en un lugar adecuado a una velocidad lo suficientemente baja para conservar la presión, ello permite el ahorro de mucha energía de bombeo. La inundación con vapor es una técnica que se emplea mucho en algunos campos petroleros de crudos pesados. La adición de calor y/o materiales tensoactivos y polímeros ( inundación micelar ) también contribuyen a una mejor recuperación; estos tratamientos son costosos. La combustión subterránea de algo del petróleo para calentar el resto a fin de que pueda fluir más fácilmente, es un método bien establecido. El movimiento subterráneo del petróleo esta controlado por su viscosidad y su tensión superficial. El gas disuelto en el petróleo reduce ambas, otra razón para mantener la presión en los depósitos, ya que el aumento de la presión del gas significa que hay más gas disuelto y por tanto mejores propiedades de fluidez. La perforación submarina ha abierto muchos nuevos pozos y se esta volviendo cada vez mas importante como posibilidad de nuevas explotaciones después de que los campos petroleros actuales estén agotados. Durante años, muchas compañías veían la refinación como un mal necesario que se tenia que soportar para que ellos pudieran obtener ganancias de lo que se consideraban mas vital, la producción y venta de aceite crudo que ellos producían. En 1930 se podía vender solamente gasolina, queroseno, combustible para la calefacción, gasoil, y los residuos para obtener ganancias. Hoy el mercado es mucho mas complejo y las decisiones de mercadeo son más difíciles. La simple destilación del aceite crudo en fracciones era antes suficientes, pero estos productos sencillos ahora son casi invencibles. La calidad requiere ser mejorada, que se hagan mezclas, y un control de calidad persistente de los productos finales, aunque los crudos refinados varían mucho en el tipo y el contenido de destilado. Los procesos de refinación se han hecho extraordinariamente grandes y muy complicados. Todas las ramas de esta industria están tan interrelacionadas y técnicas que se requiere capacitación en
isomerización y procesos severos que se conocen como coquificación, y literalmente docenas de otros procesos planteados para alterar los puntos de ebullición y la geometría molecular. El petróleo en las arenas bituminosas solo esta mezclado con la arena, pero en los esquistos el petróleo esta combinado químicamente con el material rocoso formando un compuesto conocido como queroseno. El queroseno se resiste a liberar su aceite crudo, que contiene mayor porcentaje de nitrógeno y azufre que los crudos comunes. Se han sugerido muchos métodos de procesamiento y algunos de ellos han llegado al estado de plantas pilotos. Para evaluar adecuadamente la posible comercialización de los esquistos, los métodos de minería y procesamiento que se ponga en practica deben producir cuando menos de 5000 a 8000 mts^3 de crudo por día y estar en operación el tiempo suficiente para permitir la completa recuperación de la inversión ( de 20 a 30 años ). Dichas empresas cuestan varios miles de millones de dólares. Varios grupos han empezado y luego abandonaron los proyectos, pero al menos media docena de proyectos parecen que van a entrar en producción, iniciando la industria de petróleo a partir de los esquistos. Los aumentos del precio del petróleo por la OPEP hicieron que estas plantas se puedan considerar ahora económicamente posibles. El procesamiento en el lugar de origen y varios procesos nuevos de minería y destilación en retortas están en estudio. Los siguientes procesos merecen atención para este campo: 1._ Calentamiento de solido a sólido. 2._ Calentamiento de gas a solido con combustión de gas inerte. 3._ Calentamiento de gas a solido con generadores de calor externo. 4._ Destilación en retorta en el lugar de origen con calentamiento por combustión. 5._ Destilación por retorta en el lugar de origen con calentamiento de radiofrecuencia.
Con toda la atención que ahora se esta dando al problema, parece seguro que una nueva industria esta por crearse en este aspecto, pero cuando y como será económicamente viable es imposible predecir. Consumos energéticos Durante muchos años, el costo de la energía para la refinación ha sido el costo más importante. La conservación de calor ha sido objeto de estudios concentrados, y debido al rápido aumento en el costo de la energía, este estudio se ha intensificado. Las grandes necesidades de la creciente industria petrolera ha conducido al estudio cuidadoso del flujo de fluidos, transmisión de calor, y las propiedades de las fracciones del petróleo. La industria ha generado muchos datos científicos y la mayor parte de ellos se han puesto ha disposición de la comunidad científica. El empleo en gran escala de instrumentos y sistemas de control fue empleado por primera vez en las refinerías que ahora utilizan mucho el control digital directo ( CDD), un sistema de computación diseñado para optimizar las variables. Las operaciones unitarias que se emplean en la refinación de petróleo son las mas simples y comunes, pero las interconexiones e interacciones pueden ser complejas. La mayor parte de las unidades principales se conocen como destiladoras. Una destiladora de crudo consta de intercambiadores de calor, un horno, una torre de destilación fraccionada, columnas para arrastre de vapor, condensadores, enfriadores y elementos auxiliares. Por lo general hay tanque para almacenamiento temporal de la unidad, con frecuencia hay grandes tanques de tratamiento, utilizados para mejorar el color y eliminar componentes indeseables, sobre todo el azufre; tanques para combinar y mezclar; tanques para recibir y almacenar petróleo crudo; un sistema de recuperación de vapor; sistema para control de incendios y derrames, y otros sistemas auxiliares. Para completar la refinería, generalmente se tiene una sala de calderas y un sistema de generación de energía eléctrica. Un cuarto de control con instrumentos para medir, registrar y controlar forma el corazón del sistema y permite realizar balances de materia y de calor. Una de las principales funciones de los
4._ Absorción : se emplea casi siempre para separar productos con alto punto de ebullición de gases. El gasoil se utiliza para absorber la gasolina natural de los gases húmedos. Los gases que se expelen de los tanques de almacenamiento de gas como resultado del calentamiento por el sol se envían también a una planta de absorción para fines de recuperación. El arrastre por vapor se utiliza generalmente para recuperar los hidrocarburos ligeros absorbido y restaurar la capacidad de absorción del gasoil. 5._ Adsorcion : se utiliza para recuperar materiales pesados de los gases. El carbón activado y las mallas moleculares pueden seleccionar los materiales recuperables mediante la forma molecular, así como el peso molecular; esto puede ser muy útil. Se puede ahorrar energía utilizando un proceso de adsorcion con variación de presión en donde el material se libera del absorbente al cambiar la presión del sistema. 6._ Filtración : la filtración se utiliza para recuperar la cera precipitada de destilados que la contienen. Si la torta fría se calienta lentamente, los aceites de bajo punto de fusión sales ( exudan) de la torta y así se purifican. La filtración en presencia de arcillas se conoce como filtración por contacto y se ha empleado mucho para la decoloración de las diferentes fracciones. 7._ Cristalización : antes de la filtración, las ceras se deben cristalizar para formar cristales de tamaño adecuado mediante enfriamiento y agitación. Las ceras indeseables en los aceites lubricantes se eliminan y se convierten en ceras microcristalinas comerciales. El p-xileno se puede cristalizar y separar de otros materiales C 8 por cristalización diferencial. En muchos casos esta operación es lenta y costosa. 8._ Extracción : la extracción es la recuperación de un componente disolviéndolo selectivamente en un liquido, procedimiento que es muy importante en la preparación de aceites lubricantes de alta calidad. Materiales de bajo índice de viscosidad (aquellos cuya viscosidad cambia rápidamente con la temperatura), ceras, cuerpos colorantes y compuestos de azufre se eliminan de esta manera. Una agitación adecuada debe ser seguida de una separación rápida y limpia de las dos capas liquidas. Si hay un disolvente adecuado, la
mezcla se separa en dos capas, una llamada extracto , generalmente rica en disolventes, que contienen impurezas; la otra, llamada el refinado, debe contener el compuesto deseable y muy pocos disolventes. Un proceso ha sido introducido recientemente para extraer asfalto de los residuos como por ejemplo, pentano, permitiendo que dichos residuos se utilicen como alimentación de los craqueadotes catalíticos. Procesos de conversión Alrededor del 70 % de los crudos procesados se sujetan a un proceso de conversión, en los que tienen lugar mecanismos tanto de ion carbonio como de radical libre. La presencia de catalizadores, la temperatura, y la presión determinan que tipo predomina. Los siguientes son ejemplos de las reacciones básicas más importantes que tienen lugar: 1._ Craqueo, desintegración : la descomposición de las grandes moléculas de hidrocarburos en moléculas más pequeñas se logra mediante la acción del calor o mediante catalizadores. Los catalizadores zeoliticos son comunes; también se emplean otros tipos. 2._ Polimerización : es el enlace de moléculas similares; la unión de olefinas ligeras. 3._ Alquilacion : es la unión de una olefina con un hidrocarburo aromático o parafínico. 4._ Hidrogenación : es la adición de hidrogeno a una olefina. 5._ Desintegración con hidrogeno. 6._ Isomerización : es la alteración del arreglo de los átomos en una molécula sin cambiar el número de átomos.
Gran variedad de reformadores con lechos fijos y desintegradotes de lecho fluido se conocen por nombres como Isocracking, Ultracracking, Unicracking, Selectoforming, Ultracat, etc. El incremento del interés en productos obtenidos de los hidrocarburos mas pesados del “ fondo del barril” confiere importancia a la desintegración por hidrogeno y al tratamiento con hidrogeno. La desintegración con hidrogeno es un proceso enérgico en presencia de hidrogeno que emplea tanto lechos fijos como fluidos. Los gasoil ligeros y pesados se alteran para dar lugar a productos ligeros destilables de buena calidad, sin azufre, sin metales y estabilizados. El tratamiento con hidrogeno es un proceso suave en presencia de hidrogeno que elimina azufre, mejora el color, reduce la contaminación metálica que es destructiva para los catalizadores de desintegración, mejora la estabilidad en el almacenamiento, satura las olefinas o se puede operar selectivamente para saturar solo las diolefinas. El mejoramiento de los productos especificados es particularmente notable. Reformado Esta palabra significa justamente lo que el nombre indica, es decir, la formación de nuevas moléculas de tamaños similares a las originales. Debido a que el octanaje de las gasolinas de primera destilación, naftas y gasolinas naturales es bajo, estas fracciones se someten a un tratamiento catalítico a elevadas temperaturas, frecuentemente en presencia de hidrogeno, planeada para conservar su tamaño molecular, pero convirtiéndolas en compuestos de cadenas ramificada y aromática con altos valores antidetonantes. Este proceso costoso se ha vuelto esencial desde que la Environmental Protection Agency adopto los reglamentos para reducir el plomo. Sin plomo, no es posible obtener suficiente combustible de alto octanaje para motores sin que se reforme, proceso que es una combinación de isomerización y desintegración. Reformado catalítico : incluye la conversión de otros hidrocarburos en compuestos aromáticos. Debido al alto octanaje de los compuestos aromático y a que el proceso ha probado ser práctico, el reformado catalítico ahora ha desplazado casi por completo al
reformado térmico. Se emplean catalizadores como platino sobre alumina o sílice-alumina y cromo en alumina. La compañía The Universal Oil Products mostró que estos catalizadores de alto costo se pueden utilizar si se reducen las perdidas de catalizador. Los catalizadores de renio también se están empleando. Coquificación Los aceites ligeros se pueden producir a partir de los aceites muy pesados mediante un proceso de desintegración térmica. La alimentación es generalmente un residuo de destilación al vacío y se forma una cantidad considerable de coque. Los procesos de coquificación fluida se utilizan para residuos de escaso valor, evitando la contaminación de los catalizadores por los asfaltos, que de otra manera harían la desintegración catalítica fluida muy difícil. Otro proceso conocido como Flexicoking utiliza el coque para convertirlo en gas combustible limpio mediante gasificación con vapor, aire y oxigeno. Hay otros procesos de desintegración térmica que se utiliza para reducir la viscosidad de aceites combustibles pesados. Oxidación. La conversión por oxidación cuando se aplica al petróleo da mas problemas que productos útiles, ya que se forman gomas y resinas que interfieren con el empleo de las gasolinas, especialmente aquellos que contienen compuestos no saturados. Sin embargo, se han obtenido algunos productos útiles del petróleo mediante oxidación, por ejemplo, formaldehído mediante oxidación restringida del metanol y por oxidación restringida del gas natural. Se esta dirigiendo mucha investigación hacia la fabricación de ácidos grasos y a productos alimenticios a partir de parafinas. El asfalto oxidando se obtiene mediante oxigenación por aire. El gas de síntesis se hace por oxidación parcial de hidrocarburos, y de este gas se obtiene una gran variedad de productos, entre ellos el amoniaco, metanol y oxo-alcoholes. Polimerización. Los procesos de polimerización convierten los hidrocarburos gaseosos, subproducto de la desintegración, en hidrocarburos líquidos adecuados para su empleo como combustible para motores de alto octanaje y aviación así como para
Además, hay alquilacion cuando se combina una olefina o un haluro alquilico con un hidrocarburo aromático. Isomerización. Este proceso de conversión es de la mayor importancia para proporcionar el isobutano que se necesita para obtener alquilato como base de gasolina para avión. Tratamiento químico Generalmente se requiere algún tipo de tratamiento químico para eliminar o alterar las impurezas de los productos derivados del petróleo para obtener material aceptable para la venta. Según el tratamiento particular que se emplea, se logran uno o más de los siguientes propósitos: 1._ Mejoría del color. 2._ Mejoría del olor. 3._ Eliminación de compuestos de azufre. 4._ Eliminación de gomas, resinas y materiales asfálticos. 5._ Mejoría de la estabilidad a la luz y al aire. 6._ Mejor aceptación de los aditivos. De estos la eliminación de azufre y la mejoría de la estabilidad son los factores que generalmente gobiernan los procesos que se han de emplear. Con el descubrimiento de que el empleo de los convertidores catalíticos es la causa de la emisión de vapores de acido sulfúrico por los tubos de escape de los automóviles, se ha generado presión para eliminar o reducir el azufre en los combustibles para motor. El azufre se puede reducir mediante:
1._ Hidrogenación (que también elimina metales y nitrógeno ). 2._ Tratamiento con sosa cáustica. 3._ Tratamiento con sosa cáustica mas un catalizador ( Merox). 4._ Tratamiento con etanolaminas. Hay varios procesos disponibles para la alteración del azufre objetable y la consecuente mejoría del olor. El tratamiento doctor fue el método originado para darle tratamiento al aceite para reducir el olor, y utilizo plumbito de sodio para convertir los mercaptanos en disulfuros menos objetables. Ahora hay cierto número de procesos que tienen como meta eliminar compuestos que contienen azufre. El tratamiento con hidrogeno reduce el azufre en las fracciones pesadas y los residuos. El hidrogeno o líquidos que ceden hidrogeno con un catalizador se utilizan para tratar los destilados ligeros, eliminando nitrógeno, azufre y también algunos contaminantes metálicos. La extracción con soluciones cáusticas o patentada (generalmente regenerables con oxigeno se emplea con frecuencia para los destilados ligeros. Es ahora prácticamente común añadir antioxidantes para prevenir la formación de gomas, en vez de tratar de eliminarlos químicamente. Entre los antiengomantes que se utilizan se encuentran el α-naftol, catecoles sustituidos, cresoles, benzil-p-aminofenol y ciertas fracciones de los alquitranes de madera y hulla.
