Hola comunidad de científica de Steemit y Steemians en general. En continuación a los estudios realizados en la industria petrolera, específicamente en el área del procesamiento de hidrocarburo, hoy estaremos tratando sobre la determinación del rango de destilación de combustibles y productos del petróleo.

OBJETIVO

Realizar la caracterización físico-química de un crudo y de sus derivados a través de pruebas de destilación mediante el método ASTM D 86-67.

_{Foto de torre destilación de crudo de una refinería [Imagen real del autor]}

Un hidrocarburo, al igual que otro compuesto líquido ebulle a cierta temperatura cuando la presión atmosférica se mantiene constante. Por lo tanto, si un producto del petróleo es calentado gradualmente los componentes de bajo punto de ebullición serán los primeros que se conviertan en vapor y luego los de alto punto de ebullición, hasta lograr una separación de componentes debido a la diferencia del punto de ebullición según el rango de temperatura correspondiente.

En el campo petrolero este proceso de separación de componentes por efecto de la temperatura se lleva a cabo en torres de destilación atmosféricas o al vacío, de hecho es uno de los primeros pasos que se le hace al petróleo en su refinación y lo que se logra es separar en fracciones de diferentes características para luego ser tratado específicamente.

_{Foto de torre destilación de atmosférico y al vacío de una refinería [Imagen real del autor]}

Fracciones del petróleo

El crudo se puede separar en fracciones o compuestos que hierven dentro de ciertos límites de temperatura. Estos límites se toman en base a los puntos de ebullición. En la parte superior de una columna de destilación se sitúan los componentes más livianos y en el fondo los más pesados. En la siguiente imagen podemos visualizar la distribución de los productos obtenidos.

_{Fracciones del petróleo [Imagen creada por el autor en PowerPoint]}

Fracción	Descripción
Fracción de gas	Es la fracción más liviana y la primera que se obtiene en el proceso de separación, sólo se necesita temperatura menores a 30º C para obtener los primeros cortes de etano, metano y propano.
Fracción de nafta	Se deja de obtener nafta cuando las fracciones hierven con una temperatura superior a 200º C. Este corte se utiliza como combustibles en motores de combustión interna de encendido por chispa (gasolina). Este producto está compuesto casi en su totalidad por hidrocarburos de 4 a 10 átomos de carbono.
Fracción de kerosén	Se obtiene a partir de una temperatura de 165º C. Este producto está constituido por hidrocarburos de con 9 a 17 átomos de carbono. Se encuentran parafinas así como también estructuras nafténicas y aromáticas a veces combinadas en una molécula.
Fracción de gasóleo	Es la fracción más pesada, se obtiene a partir de temperaturas que superan los 350ºC. En estas fracciones se encuentran hidrocarburos con 16 a 22 átomos de carbono. Estos cortes contienen más compuestos de azufre y nitrógeno que las fracciones más livianas.

Factor de caracterización de un crudo

Mediante el proceso de destilación se obtiene un parámetro denominado factor de caracterización de un crudo o factor de caracterización de Watson, denominado con la letra k, este es usado para evaluar el valor comercial del crudo y poder clasificarlo según su base, por lo tanto ayuda a determinar la naturaleza química de los hidrocarburos.

El factor de caracterización propuesto por Nelson, Watson y Murphy de la sociedad UOP (Universal Oil Products) se obtiene mediante la siguiente ecuación:

Donde:

Tb: es la temperatura media de ebullición expresada en grados Rankie.
GE: es la gravedad específica a una temperatura de 60º F.

Según el valor del factor de caracterización podemos clasificar los crudos de la siguiente manera:

_{Factor de caracterización del crudo [Imagen creada por el autor en PowerPoint]}

La determinación del intervalo de los puntos de ebullición del petróleo a escala de laboratorio tiene importancia vital en el control del proceso y cálculo de los rendimientos de cada fracción en la refinación del crudo. Es por ello que en el laboratorio, entre algunos de los métodos para la destilación de productos de petróleo se emplea el método ASTM 86-67 en conjunto con la IP 123.

Materiales y equipos

• Equipo de destilación (balón de 500 ml y tubo de 3 vías)
• Baño de enfriamiento
• Mechero o manta de calentamiento
• cilindro graduado de 5, 10 y 10 ml
• Termómetro
• Muestra de crudo
• Hielo

Pasos a seguir para la realización de la prueba de destilación a través del método ASTM D 86-67

Primero se debe llenar el baño de enfriamiento con suficiente hielo y agua hasta cubrir el tubo condensador. Luego al balón de destilación se añade 100 ml de la muestra de crudo y se cierra el balón con el corcho y el termómetro insertado en él, tomando en cuenta que el bulbo del termómetro debe estar a nivel con el interior del tubo de vapores.

Luego se conecta el condensador al tubo de vapores y se coloca el cilindro graduado en posición para recibir el líquido destilado.

_{Equipo de destilación del laboratorio [Foto real]}

Se empieza a aplicar calor al balón de destilación controlando que la primera gota de destilado no salga antes de los 5 minutos. Se toma la lectura del termómetro cuando aparezca la primera gota y a esto se le denominará "punto inicial de ebullición".

A partir de entonces se regula en calentamiento de modo que se obtenga un volumen de destilado de 5 ml por minuto. La lectura del termómetro se registra cada vez que se recogen 10 ml del destilado.

La máxima temperatura observada en el termómetro, cuando ya no haya más gotas de destilado, es reportada como "punto final de ebullición".

El volumen total del destilado recogido en el cilindro graduado es el "porcentaje recuperado" y el material que queda en el balón de destilación es el "residuo de destilación". La diferencia entre el volumen de la muestra inicial que era de 100 ml y la suma del porcentaje recuperado más el residuo de destilación será reportado como las "pérdidas de destilación".

Cálculo del % de las pérdidas de destilación

Corrección del volumen por pérdidas

VCPI: Volumen corregido por pérdidas inicial
VCP: Volumen corregido por pérdidas
Vol. leído: el volumen leído es el rango de volumen tomando para la prueba, se toma en un período de 5 ml.

Cálculo de la temperatura media de ebullición

Esta en la temperatura empleado en la ecuación del factor de caracterización del crudo, se debe tomar en cuenta que el resultado de temperatura obtenido en la ecuación es en ºC, se debe convertir luego en Rankie para ser introducida en la ecuación de K.

VABP: Temperatura de ebullición media, ºC.
MeABP: Temperatura de ebullición media corregida
f: Factor de corrección igual a -2.5.

Corrección por temperaturas ≥ 275ºF (135ºC)

Cálculo de la pendiente

Los valores de VCP y Temperatura al 90% y al 10% se obtienen de la línea ajustada de la gráfica T vs VCP.

TABLA DE DATOS Y RESULTADOS

Tabla 1. Lectura de los volúmenes y temperaturas tomadas durante el proceso de destilación de una muestra de crudo

Tabla 2. Datos obtenidos del proceso de destilación de una muestra de crudo

Tabla 3. Determinación de la corrección del volumen por pérdida durante el proceso de destilación

Tabla 4. Determinación de la base del crudo

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La temperatura a la cual empezó a evaporar el primer compuesto volátil fue a 107.2ºF, esto se conoce como temperatura inicial de ebullición. Teóricamente este primer compuesto debió ser nafta, que tiene su punto de ebullición desde 84ºF hasta 204ºF.

Luego a la temperatura de 161,6ºF se alcanzó el punto final de ebullición, que es la máxima temperatura a la cual consigue ebullir el compuesto con menor volatilidad. A medida que se recolecta cada 5 ml del volumen destilado, se podía observar un aumento progresivo de la temperatura, provocando la evaporación de todos aquellos componentes que su punto de ebullición correspondían a esa temperatura. Para que esta evaporación ocurra debe haber un equilibrio termodinámico entre el líquido y la presión ejercida por las moléculas de la fase gaseosa, la cual se conoce como presión de vapor. En el caso de la muestra de crudo, como se trata de mezcla de diversos componentes, la ebullición se producirá cuando la presión total y la externa se igualen cuando es calentado el sistema, esto se explica mediante la Ley de Dalton, que expone que la presión total del sistema es igual a la suma de las presiones parciales de cada uno de los componentes de la mezcla.

Luego de haber recolectado 25 ml de muestra destilada, comienza a observarse una declinación en la temperatura, este fenómeno ocurre por la descomposición térmica del crudo, los componentes más livianos son los que inicialmente se evaporan, luego a medida que aumenta la temperatura comienza a ebullir los componentes más pesadas, sin embargo, existen fracciones livianas de hidrocarburo que son entrampadas por los componentes más pesados, entonces al momento de alcanzar la temperatura de ebullición de estos componentes, los livianos que se encontraban dentro empiezan a liberarse para su posterior destilación, que obviamente corresponde a una temperatura de ebullición más baja. Por lo tanto, una vez liberadas, el sistema se adaptará a la temperatura de ebullición de dichos componentes, existiendo así una disminución de temperatura.

_{Volumen destilado corregido por pérdidas vs Temperatura de ebullición [Gráfica creada por el autor en Excel]}

Finalmente, luego de determinar los valores pertinentes del proceso de destilación se procede a realizar correcciones en cuanto a los volúmenes recuperados, y temperaturas leídas. Con ello se pudo determinar que el factor de caracterización de la muestra de crudo es de 9.98, lo cual indica que es un crudo de base asfáltica.

CONCLUSIONES

1. Mediante el proceso de destilación se logra separar los diferentes componentes hidrocarburos con base en las diferencias entre sus puntos de ebullición.

2. El crudo analizado es de base asfáltica según su factor de caracterización.

3. Los crudos de base asfáltica tienen puntos de ebullición inicial altos.

4. El tiempo de destilación es directamente proporcional a la cantidad de compuestos separados en la mezcla de hidrocarburos, por lo tanto, los primeros compuestos que se destilan son los de menor punto de ebullición, compuestos livianos.

IMPORTANCIA PARA LA INDUSTRIA

La economía actualmente gira en torno a la exploración, explotación y refinación de hidrocarburos. Al tratarse éste de un recurso no renovable y debido a su gran importancia, se ha hecho fundamental que este recurso se aproveche lo mejor posible, y por tal motivo se ha hecho indispensable la obtención de sus derivados que le brindan mayor rentabilidad y diversidad uso según la necesidad de la humanidad. Es por esto que la destilación como proceso que permite la separación en cortes del crudo, es de suma importancia. Y por ende es inminente que en una refinería este proceso sea uno de los primeros por los que pasa el crudo. Cabe destacar que gracias a la destilación se puede conocer la cantidad y calidad de los productos que se pueden obtener del crudo.

REFERENCIAS

1. MARFISI, S.y MENESES, N. (1999). Manual de Practicas del Laboratorio Propiedades de los Hidrocarburos. Departamento de Ingeniería de Petróleo.

2. ROJAS, O. (1999). Introducción a la reología. [Documento en línea]. Disponible: http://www.firp.ula.ve/archivos/cuadernos/S520B.pdf.

3. ACOSTA, R. (2000). Propiedades de los Hidrocarburos. Ingeniería de Petróleo. Guía teórico/practica.

4. NORMA VENEZOLANA COVENIN 1534:1996. Petróleo crudo y sus derivados. Definiciones. [Documento en línea]. Disponible:http://www.sencamer.gob.ve/ sencamer/normas/1534-96.pdf .

5. BARBERIL, E.(1976). El Pozo Ilustrado. Monte Ávila Editores.

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Todas las imágenes empleadas en este post son propias del autor @ennyta. Las fotos fueron tomadas con teléfono celular Huawei CM980 y las imágenes fueron realizadas a través de Microsoft PowerPoint 2010.