Instituto Americano de Geociencias

Introducción

El petróleo crudo y el gas natural son mezclas químicas complejas que generalmente no son aptas para su uso directo. El refinado del petróleo y el procesamiento del gas convierten estas mezclas en una amplia gama de combustibles y otros productos, al tiempo que eliminan los componentes de bajo valor y contaminantes.

La refinación y el procesamiento tienen impactos ambientales tanto positivos como negativos: aunque eliminan contaminantes nocivos y producen combustibles de combustión más limpia, las operaciones en las refinerías y plantas de procesamiento pueden liberar contaminantes nocivos en el medio ambiente, afectando a la calidad del aire y el agua locales.

Durante la destilación del petróleo crudo, los diferentes tipos de combustible se condensan y se extraen a diferentes temperaturas. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons users Psarianos and Theresa Knott.1

Refinación del petróleo

El petróleo crudo es una mezcla de muchas moléculas de hidrocarburos diferentes de distintos tamaños. Las moléculas más pequeñas se vaporizan a temperaturas más bajas, por lo que el petróleo crudo puede destilarse para separar los diferentes hidrocarburos. En el proceso de destilación, el petróleo crudo se vaporiza y el vapor caliente asciende por una columna, enfriándose a medida que sube. Los diferentes hidrocarburos se vaporizan a diferentes temperaturas, por lo que se condensan en forma líquida en diferentes puntos de la columna, separando el crudo en diferentes componentes que pueden ser procesados posteriormente para optimizarlos para su uso final.

La gasolina y el gasóleo son los productos más lucrativos que se extraen del crudo, por lo que las refinerías utilizan una serie de técnicas para maximizar la producción de estos combustibles. Esto puede incluir el craqueo (descomponer las moléculas más grandes en moléculas más pequeñas2), el hidrotratamiento (sustituir las impurezas, como el azufre, por hidrógeno para mejorar la calidad del combustible3), el reformado (convertir las moléculas más pequeñas en gasolina2), la alquilación (utilizar un ácido para producir gasolina de alto octanaje a partir de moléculas más pequeñas4), y la mezcla (mezclar diferentes líquidos para obtener productos uniformes que cumplan las normas reglamentarias5). Durante la etapa de mezcla, el etanol de las plantas industriales de etanol también se mezcla con la gasolina para aumentar su contenido de octano, reducir las emisiones de monóxido de carbono y cumplir con los requisitos de la Norma de Combustibles Renovables.6

Productos del Refinamiento del Petróleo

Los diferentes petróleos crudos tienen diferentes composiciones, que contienen diferentes mezclas de hidrocarburos y cantidades variables de azufre y otras impurezas. Las proporciones de los diferentes productos refinados varían con los cambios en los tipos de petróleo que se refinan, la demanda de los diferentes productos y las regulaciones que influyen en esta demanda. Aproximadamente el 80-85% de todo el petróleo crudo termina como gasolina, diésel o combustible para aviones. El resto se utiliza para producir gases licuados del petróleo, materias primas petroquímicas y una variedad de otros productos.7 En 2016, 141 refinerías estadounidenses produjeron una media diaria de 9,3 millones de barriles de gasolina, 3,7 millones de barriles de diésel de bajo azufre y 1,6 millones de barriles de combustible para aviones.8

Refinerías de petróleo (cuadrados abiertos) y plantas de procesamiento de gas (azul) en Estados Unidos en febrero de 2018. No se muestra: dos refinerías en Hawái y cinco en Alaska. Crédito de la imagen: U.S. Energy Information Administration.17

Procesamiento de gas natural

En 2017, Estados Unidos produjo 33 billones de pies cúbicos de gas natural.9 Una pequeña fracción se utilizó en operaciones de campo, se reinyectó en depósitos subterráneos, se ventiló o se quemó; el resto se procesó en 550 plantas de procesamiento de gas para producir 27 billones de pies cúbicos de gas natural de calidad para gasoductos.10,11 El gas de calidad para gasoductos debe cumplir unas estrictas normas de contenido energético y pureza12 para su uso residencial, comercial e industrial, incluidas las centrales eléctricas de gas natural.

Antes de ser procesado, el gas natural está formado principalmente por metano, con proporciones variables de otros hidrocarburos, dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre, nitrógeno, vapor de agua y helio.13 El procesamiento del gas elimina algunos de los componentes no metánicos del gas natural para:

• Mejorar la combustión y reducir la corrosión eliminando el agua
• Prevenir la formación de ácidos perjudiciales eliminando los gases nocivos o corrosivos -especialmente el azufre y el CO2- que, de otro modo, podrían reaccionar con pequeñas cantidades de agua para formar ácidos
• Estandarizar el contenido energético del gas para garantizar una combustión uniforme en hornos y otros equipos, especialmente eliminando los gases no combustibles como el CO2 y el nitrógeno
• Extraer valiosos gases menores para otros usos (e.g., otros hidrocarburos y helio)

Los hidrocarburos no metánicos extraídos durante el procesamiento del gas se denominan colectivamente «líquidos de gas natural» (LGN) porque forman líquidos más fácilmente que el metano a alta presión o baja temperatura. De los LGN, los más comunes son el etano, el propano y el butano. El etano y el propano se procesan en grandes cantidades para fabricar materias primas para plásticos (véase «Productos no combustibles del petróleo y el gas» en esta serie), mientras que el propano y el butano se comprimen en líquidos para proporcionar una fuente de energía densa de gas combustible para usos fuera de la red.

Los principales métodos utilizados para eliminar los componentes no metánicos del gas natural son los absorbentes y la refrigeración. Pueden utilizarse diversos absorbentes, como aceites especiales (para los LGN), glicol (para el agua), aminas (para el azufre y el CO214) y zeolita o absorción de aceite (para el nitrógeno15). El enfriamiento del gas natural a diferentes temperaturas permite eliminar diferentes componentes a medida que se condensan en líquidos. Este es el método más común para la eliminación del nitrógeno: el gas natural se enfría hasta que el metano se licua, lo que permite ventilar el nitrógeno gaseoso.16 Los LGN pueden eliminarse en una única mezcla que luego se calienta a diferentes temperaturas para aislar cada LGN por separado.18 Tras el procesamiento, el gas se considera «seco» y está listo para ser enviado a través de oleoductos a los usuarios finales.

Refinado, procesamiento y medio ambiente

El refinado y el procesamiento reducen el impacto medioambiental de los combustibles derivados del petróleo y del gas al eliminar los contaminantes nocivos y mejorar su fiabilidad durante la combustión. Sin embargo, las refinerías y las plantas de procesamiento tienen sus propios impactos ambientales, con los correspondientes procedimientos para minimizarlos. Se puede encontrar más información al respecto en otras partes de esta serie: «Mitigación y regulación de las emisiones de metano» y «Impactos del petróleo y el gas en la calidad del aire»

El dióxido de carbono (CO2) se encuentra en proporciones variables en el gas natural y se elimina en las plantas de procesamiento para mejorar la calidad del gas. La mayor parte de este CO2 se expulsa a la atmósfera, lo que representa aproximadamente el 0,4% del total de las emisiones de gases de efecto invernadero de Estados Unidos (a modo de comparación, se calcula que las fugas de metano de la cadena de producción y distribución de gas natural representan aproximadamente el 3% de las emisiones de Estados Unidos).19 Un pequeño número de plantas de procesamiento de gas capturan el CO2 eliminado del gas natural durante el procesamiento; este CO2 capturado se inyecta en los yacimientos petrolíferos para mejorar la recuperación de petróleo.20

1 File:Crude Oil Distillation-en. Wikimedia Commons usuarios Psarianos & Theresa Knott. Reproducido según una licencia CC BY-SA 3.0.
2 Centro de Colaboración Educativa de la Industria, Universidad de York (2014). Cracking y procesos de refinería relacionados. The Essential Chemical Industry – online.
3 Kokayeff, P. et al. (2014). El hidrotratamiento en el procesamiento del petróleo. En: Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (eds). Handbook of Petroleum Processing (Manual de procesamiento del petróleo). Springer, Cham.
4 U.S. Energy Information Administration (2013). La alquilación es una fuente importante para el octanaje de la gasolina. Today in Energy, 13 de febrero de 2013.
5 Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos – Normas de la gasolina: Gasoline Reid Vapor Pressure.
6 U.S. Energy Information Administration – Biofuels: Ethanol and Biodiesel Explained – Use of Ethanol.
7 U.S. Energy Information Administration – Oil: Crude and Petroleum Products Explained – Refining Crude Oil.
8 U.S. Energy Information Administration – Petroleum & Other Liquids: U.S. Product Supplied, Total Crude Oil and Petroleum Products.
9 U.S. Energy Information Administration – U.S. Natural Gas Gross Withdrawals.
10 U.S. Energy Information Administration – Natural Gas Annual Respondent Query System, EIA-757: Natural Gas Processing Capacity by Plant, Data through 2014.
11 Administración de Información Energética de los Estados Unidos – Producción de gas natural seco de los Estados Unidos.
12 Junta de Normas Energéticas de América del Norte.
13 Facultad de Ciencias de la Tierra y Minerales de Penn State, Instituto de Educación Electrónica – Procesamiento del petróleo: Natural Gas Composition and Specifications.
14 Rufford, T.E. et al. (2012). La eliminación de CO2 y N2 del gas natural: Una revisión de las tecnologías de proceso convencionales y emergentes. J. Pet. Sci. Eng., 94-95, 123-154.
15 Sistemas Sep-Pro – Unidades de rechazo de nitrógeno.
16 U.S. Energy Information Administration (2006). Natural Gas Processing: The Crucial Link between Natural Gas Production and Its Transportation to Market.
17 U.S. Energy Information Administration – U.S. Energy Mapping System.
18 U.S. Department of Energy (2017). Natural Gas Liquids Primer, with a Focus on the Appalachian Region.
19 Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (2017). Inventario de emisiones y sumideros de gases de efecto invernadero de Estados Unidos: 1990-2015.
20 Instituto Global CCS – Base de datos de proyectos: Instalaciones de CAC a gran escala.

El petróleo y el medio ambiente

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Otras partes de esta serie:
1. El petróleo y el medio ambiente: una introducción
2. El agua en la industria del petróleo y el gas
3. Sismicidad inducida por las operaciones de petróleo y gas
4. Fuentes de agua para la fracturación hidráulica
5. Uso del agua producida
6. Protección de las aguas subterráneas en la producción de petróleo y gas
7. Pozos abandonados
8. ¿Qué determina la ubicación de un pozo?
9. El uso del suelo en la industria del petróleo y el gas
10. El yacimiento de gas de Pinedale, Wyoming
11. El petróleo pesado
12. El petróleo y el gas en el Ártico estadounidense
13. Petróleo y gas en alta mar
14. Derrames en yacimientos de petróleo y gas natural
15. Transporte de petróleo, gas y productos refinados
16. Refinación del petróleo y procesamiento del gas
17. Productos no combustibles del petróleo y el gas
18. Impactos del petróleo y el gas en la calidad del aire
19. Emisiones de metano en la industria del petróleo y el gas
20. Mitigación y regulación de las emisiones de metano
21. Regulación de las operaciones de petróleo y gas
22. Salud y seguridad en la extracción de petróleo y gas
23. Datos del subsuelo en la industria del petróleo y el gas
24. Los geocientíficos del petróleo y el medio ambiente
Glosario de términos

Fecha de actualización: 2018-06-01
El petróleo y el medio ambiente, parte 16/24
Escrito por E. Allison y B. Mandler para AGI, 2018