Química Orgánica Industrial

1. Introducción.

La Química Orgánica es la parte de la Química que estudia los compuestos del carbono. No obstante hay compuestos de carbono que no son orgánicos. Entre estos están el CO₂, el CO, el ácido carbónico, los carbonatos y los hidrógenocarbonatos que son compuestos inorgánicos.

Los compuestos orgánicos según su origen se clasifican en naturales y sintéticos. Los de origen natural, a su vez, pueden ser: a) productos orgánicos extraídos de plantas y animales ó b) productos orgánicos naturales de yacimientos geológicos.

Este curso de Química Orgánica Industrial está dedicado tanto a los productos orgánicos naturales como a aquellos que se preparan en un laboratorio o en una factoría a causa de su utilidad. Los productos orgánicos tienen usos muy diversos, desde un perfume, utilizado para aumentar el atractivo de una persona, un explosivo para efectuar voladuras y construir túneles, una fibra para confeccionar tejidos más resistentes, ignífugos o inarrugables, un plástico que proporcione superficies no adhesivas y/o pueda utilizarse como componente de lubricantes sólidos o un aislante para las viviendas para reducir el consumo energético de calefacción y refrigeración. La importancia de los productos orgánicos industriales se basa en el valor de su utilización y no en su significado químico. Esto es evidente en los productos farmacéuticos, donde si un compuesto particular es la única curación conocida para una enfermedad mortal, su coste es relativamente poco importante. Por otra parte, un nuevo colorante, aunque proporcione tonos no disponibles previamente, no será importante si es tan costoso que los artículos teñidos con él son más caros que los mismos artículos teñidos con colores similares, aunque menos atractivos.

En la preparación de compuestos orgánicos industriales hay que considerar no sólo que los procesos sean viables desde un punto de vista cinético y termodinámico sino además la economía del proceso. Hay que considerar también factores medio ambientales; si un proceso es químicamente viable y económicamente atractivo pero se producen subproductos nocivos o de efectos adversos para las personas empleadas en su fabricación habrá que abandonar dicho proceso.

La Industria Química Orgánica utiliza varias fuentes de materias primas para preparar la gran variedad de productos orgánicos que hay en el mercado; petróleo, carbón, gas natural y materias obtenidas de plantas y animales (semillas oleaginosas, grasas, madera.). Actualmente la más importante es el petróleo.

 

2. Química Orgánica e Industria.

El sector químico es, hoy en día, el de mayor valor añadido en Europa, el que mayores recursos destina a la protección medioambiental y el que más invierte en Investigación, Desarrollo e Innovación (aproximadamente el 4% de sus ventas brutas). Del total de producción de la Industria Química más del 85% corresponde a la Industria Química Orgánica.

En España el sector químico genera el 10% del PIB, lo que significa un valor de producción cercano a los 32.000 millones de euros anuales, y más de 500.000 empleos. El sector químico es el segundo mayor exportador y su crecimiento actual duplica al de la economía española.

La industria química es, sin duda alguna, el sector que más ha contribuido a mejorar los niveles de calidad de vida del ser humano. Sin la Química y la industria que la desarrolla la esperanza de vida no superaría los 40 años, y no existirían ni medicamentos, ni agua potable, ni alimentos suficientes para la población mundial.

La Química en general y la Química Orgánica, en particular, influyen notablemente en la economía de todos los países, desarrollados o no, dado que los compuestos orgánicos están presentes en las necesidades básicas de los mismos, tales como la alimentación, vestido, alojamiento, medios de transporte, obtención de energía, y en los servicios de salud y seguridad entre otros. Ello ha motivado la aparición de una Industria Química Orgánica cada vez más potente, que debido a su naturaleza y a su dependencia con otras industrias contribuye enormemente en la productividad. Así, por ejemplo, los alimentos son compuestos orgánicos y el procesado, conservación y envasado dependen de procesos químicos. La ropa está hecha de fibras orgánicas sintéticas teñidas con colorantes orgánicos, el calzado requiere adhesivos que son polímeros de naturaleza orgánica. La vivienda depende de productos tales como plásticos, adhesivos, pinturas y productos para el procesado de la madera. El automóvil moderno no existiría sin los diversos materiales poliméricos utilizados en la fabricación del mismo. Las principales mejoras en la salud se han logrado gracias a los agentes quimioterapéuticos, y muchas enfermedades infecciosas se han erradicado gracias a los antibióticos. Los plaguicidas han multiplicado el rendimiento de las cosechas y actualmente son indispensables.

Las actividades recreativas también están influidas por la Química Orgánica. Así los esquís modernos se fabrican con fibra de vidrio y resinas epoxi y las botas son de poliuretano. Las cuerdas utilizadas actualmente por los montañeros son de Nylon y poliester a lo que deben su elevada resistencia.

La Química también ha sido responsable de la contaminación ambiental. La explosión acaecida en Flixborough (Gran Bretaña) en 1979 en una planta productora de Nylon 6 es un ejemplo de la importancia de los conocimientos químicos en ingeniería. La planta producía Nylon 6 a partir de ciclohexano, el cual en el proceso se oxida a ciclohexanona. Uno de los reactores del tren de oxidación se había retirado para reparar una fuga, y en su lugar se colocó un puente con una tubería en ángulo, con un diámetro que resultó inadecuado. Lamentablemente no se hizo un estudio de diseño adecuado y debido a la corrosión por nitratos se produjo una deformación con cavidades y resquebrajamiento del tubo de acero. A través de la grieta salió ciclohexano a una presión de 8,5 atm y 155 ºC que formó una nube, que se incendió destruyendo la planta y el vecindario circundante. La corrosión se debió a que el agua utilizada para refrigerar se había tratado con nitratos con objeto de diluir las pequeñas fugas de ciclohexano de la planta. Actualmente todas las factorías químicas están obligadas a realizar un estudio del impacto ambiental de forma adecuada para que las Industrias Químicas incidan de la forma menos contaminante y peligrosa sobre el medio y las personas.

Todos los datos expuestos ponen de manifiesto que, parece evidente, la Industria Química está destinada a ser el motor del progreso de la humanidad. Es este sector el que permitirá mantener el equilibrio entre las necesidades humanas y la protección del planeta y el que desarrollará los productos que mejoren de forma constante nuestra calidad de vida.

La Química también es responsable de la contaminación ambiental. Sucesos como la enfermedad de la Bahía de Minamata (Japón), en la que los residuos de mercurio, procedentes de una fábrica de plásticos, se convirtieron en dimetilmercurio (muy tóxico) por la acción de microorganismos del fondo del mar, y fueron absorbidos por los peces, y a través de ellos pasaron a la especie humana (50 muertes, 100 víctimas incapacitadas); la explosión producida en la India con isocianato de metilo en la factoría de la Unión Carbide; las numerosas víctimas producidas por el analgésico Thalidomida; los efectos de los clorofluorocarbonados en la capa de ozono. Todos ellos son ejemplos de las posibilidades negativas de los productos químicos, que no se pueden manejar alegremente. Es necesario estudiar el impacto ambiental de forma adecuada para que las Industrias Químicas incidan de la forma menos contaminante y peligrosa sobre el medio y las personas.

 

3. Estructura de la Industria Química Orgánica.

La Industria Química tuvo su origen en la segunda mitad del siglo XVIII y principios del XIX y consistió principalmente en productos inorgánicos basados en materias primas naturales, tales como el azufre y la sal común. En cuanto a los productos orgánicos inicialmente se utilizaron aquellos que se obtenían de la fermentación de productos agrícolas, a causa de la disponibilidad de tecnología y de materias primas adecuadas basadas en la agricultura. Entre los más conocidos se encuentran etanol, vinagre, ácido láctico, glicerina, acetona, y butanol entre otros. Sin embargo, los procesos de fermentación tienen una aplicabilidad limitada, utilizando generalmente sistemas acuosos y bajas concentraciones, lo que lleva a una purificación relativamente complicada del producto, lo que ha motivado su declive. No obstante en Brasil el etanol utilizado como combustible se obtiene por fermentación de la caña de azúcar.

A principios del siglo XX se desarrollaron los procesos de fabricación para obtener productos orgánicos a partir del carbón; este período estuvo dominado por Alemania y otros países productores de carbón como Estados Unidos, Gran Bretaña y Francia; se establecieron industrias de alquitrán de hulla durante el período de 1914 a 1920. A partir de 1950 comenzó a desarrollarse la industria petroquímica en los Estados Unidos, basada en productos de la industria petrolífera. El crecimiento de la industria petroquímica después de la II Guerra Mundial, gracias a la abundancia de las fuentes, motivó que se desarrollará una industria basada en el petróleo, situación que continúa en la actualidad. Vivimos en un sistema socioeconómico basado en el petróleo y dependiente de él. Si bien hay que tener en cuenta que todos los productos orgánicos requeridos pueden sintetizarse a partir de carbón y agua.

El valor de producción de la I.Q.O. es superior al 85% del de toda la industria química. Los sectores de producción de la Industria Química Orgánica por orden de mayor a menor producción son los siguientes:

Industria Petroquímica Básica: proporciona, además de combustibles como la gasolina y el gasoleo, los productos básicos de la I. Q. O. que son: metano, etileno, propeno, butenos, benceno, tolueno y xilenos Todos ellos constituyen las materias prima básicas para la Industria de los productos intermediarios, que los transforman en una serie de productos secundarios que son utilizados por las industrias denominadas finalistas.

Industria de los plásticos, elastómeros, resinas y fibras sintéticas: Es el sector en el que se emplean con mayor profusión los intermedios petroquímicos y representa un consumo de la mitad de la totalidad de los productos químicos producidos. Abarca, cauchos, elastómeros, fibras sintéticas, adhesivos y los plásticos propiamente dichos.

Industria de los agentes tensoactivos: Este sector consume una grandes cantidades de materias primas petroquímicas y de grasas naturales. La mayor parte de los tensoactivos se dedican a detergentes. Otras aplicaciones de menor consumo son la preparación de emulsiones, separación de minerales por flotación y bactericidas entre otras.

Industria farmacéutica: El sector farmacéutico es el de mayor valor añadido y el que tiene mayor diversidad de productos (antibióticos, hormonas, enzimas, vitaminas, fungicidas, antiparasitarios, analgésicos, anestésicos y sulfamidas entre otros muchos).

Industria agroquímica (biocidas y pesticidas): Los productos agroquímicos logran salvar entre el 30 y el 50% de las cosechas, pero como contrapartida negativa, muchos son tóxicos, otros teratógenos y cancerígenos, por lo que algunos se han retirado del mercado. En la actualidad se han descubierto biocidas que impiden el desarrollo de todas especies vegetales y son al mismo tiempo biodegradables.

Industria de los colorantes y pigmentos: El sector de los colorantes está íntimamente relacionado con los polímeros, ya que a medida que aparecen nuevas fibras y plásticos se han tenido que desarrollar nuevos colorantes afines con ellos.

Industria de los disolventes: Los disolventes son esenciales en la fabricación de pinturas, barnices y en la aplicación de colorantes y pigmentos. Asimismo se usan como agentes de limpieza y removedores de diversos materiales poliméricos.

Los productos orgánicos con mayor volumen de producción son:

1. Etileno	5. Urea	9. Metanol
2. Propileno	6. Tolueno	10. Formaldehído
3. Benceno	7. Etilbenceno	11. Xileno
4. Dicloroetano	8. Estireno	12. Cloruro de vinilo

 

4. Materias primas: reservas y suministro de energía.

El carbón, el gas natural, y el petróleo, que con ayuda de la energía solar se han almacenado durante millones de años, tienen que proporcionarnos en nuestros días no sólo energía, sino también materias primas para cubrir nuestras necesidades.

La accesibilidad y el precio de las fuentes de energía y de las materias primas han determinado siempre la base tecnológica y, por tanto, la expansión y desarrollo de la industria química. La crisis del petróleo ha hecho necesario plantear de nuevo esta relación y su importancia para la economía mundial.

En ningún sector de producción industrial es tan completa esta dependencia entre energía y materia prima como en la industria química, que se ve afectada por cualquier variación en la disponibilidad de las mismas, puesto que es la mayor consumidora de energía y de reservas fósiles naturales, imposibles de regenerar, las cuales se transforma en una amplia gama de productos de uso cotidiano con que nos beneficiamos. La demanda creciente y la limitada reserva de materias primas, apuntan hacia la urgencia de asegurar para el futuro el abastecimiento tanto de energía como de materias primas. Todos los esfuerzos a corto y medio plazo deben concentrarse en ampliar la flexibilidad de la provisión de materias primas para la industria y, satisfacer las crecientes demandas en el sector energético. A largo plazo el objetivo primordial es desvincular a las reservas fósiles del sector energético con objeto de asegurar el mayor tiempo posible tan imprescindible materia prima para la industria química.

5. Demanda presente y previsible de energía.

Las necesidades mundiales de energía se han triplicado en los últimos 35 años. En el año 2008 el consumo mundial de energía primaria correspondió a un consumo equivalente a 11294,9x10⁶ Tm de crudo. Esta cantidad corresponde a 135.539x10⁶ Mw-hr (1 Tm de crudo = 12000 kw-hr = 42x10⁶ kJ). Esto supone un incremento del 1,4 % con respecto al año 2007 (Tabla 1.1). La tendencia en los últimos años parece estar estabilizada en un incremento del 1,4% anual respecto del año anterior, si bien el incremento del 2002 al 2003 fue del 2,6% y del 2003 al 2004 del 4,3%. Esto se debe al fuerte incremento de países en vías de desarrollo como algunos de los incluidos en Asia del Pacífico y de Centro América. La demanda de energía de la Unión Europea ha aumentado desde 1986 a un ritmo del 1 al 2% anual, similar al de Norte América.

 

La participación de las diferentes fuentes de energía pone de manifiesto el elevado consumo de los recursos fósiles frente a otras alternativas tal y como se muestra en la Tabla 1.2 en la que no se han incluido las energías renovables. Las energías renovables no están incluidas en el gráfico porque todavía representan una pequeña parte de la energía global. La cantidad de electricidad generada a través de energías renovables (geotérmica, eólica y solar) supone aproximadamente un 1,5 % del total de la electricidad consumida. Según los diferentes países esta contribución puede alcanzar valores más o menos significativos. Por ejemplo en Dinamarca un 20%, en España un 11% y en Alemania un 7%.

 

La participación de las diferentes fuentes de energía en el gasto total se ha modificado considerablemente con el tiempo tal y como se observa en la Tabla 1.3. Aunque la participación global del carbón ha descendido, en algunos países como China y Polonia el consumo de carbón ha aumentado considerablemente.

 

Las razones que justifican la preferencia del petróleo y del gas natural frente a otras fuentes de energía son:

• Obtención económica
• Múltiples aplicaciones
• Costes de transporte y distribución relativamente baratos.

La elevación de los precios del petróleo lleva a considerar como posible fuente de energía al carbón y un aumento en la obtención de energía nuclear. No obstante una reestructuración del consumo de energía a corto plazo es imposible y el petróleo seguirá siendo la principal fuente de energía en los próximos años.

El consumo de energía mundial de los países desarrollados (OECD; Organization for Economical Cooperation and Development) se distribuye de la siguiente manera: 31% para transporte, 34% para uso industrial y 35% para uso doméstico y agrícola, y otros sectores. La industria química ocupa el segundo lugar en consumo de energía, con un gasto del 6% del total de energía, tras la industria siderúrgica.

 

6. Disponibilidad de cada fuente de energía.

6.1. Petróleo

Las reservas de petróleo mundiales están estimadas en 235,8x10⁹ Tm. De ellas el 48,4 % se encuentran en Oriente Medio (15,9% en Arabia Saudí), un 8,4 % en Europa y Eurasia, un 7,8 % en África, un 19,7 % en Sur y Centro América, un 13,2 % en Norte América y un 2,5 % en Asia del Pacífico. En 1986 se consideraban unas reservas correspondientes a 119,7x10⁹ Tm. En estas cifras no están incluidas las reservas contenidas en las arenas y pizarras bituminosas. Para un aprovechamiento de las mismas se han desarrollado nuevos sistemas de extracción y procesos de pirólisis que ya son económicamente viables en Canadá y Australia.

Con estos datos se calcula que con el consumo actual las reservas seguras de petróleo durarán unos 57 años más. Con el suministro adicional de las arenas y pizarras bitumonosas las reservas durarían 100 años. Para aumentar el plazo de disponibilidad del petróleo es necesario un aprovechamiento más racional de los yacimientos, que con los métodos de extracción actuales sólo obtienen el 30%, el descubrimiento de nuevos yacimientos submarinos, así como una reestructuración del consumo de energía.

 

6.2. Gas Natural

Las reservas mundiales seguras y probables de gas natural son menores que las de petróleo y se estiman en 187,3x1012 m3. En 1986 las reservas estimadas eran de 107,67x1012 m3. De esta cantidad, el 43 % se encuentra en Oriente Próximo y Medio, el 31,2 % se encuentra en Europa y Eurasia, la Asia del Pacífico tiene un 8,2 %, África un 7,7 %, Norte América un 5,8 %, y Sur y Centro América un 4,1 8%. Con el ritmo actual de consumo las reservas pueden durar unos 56 años más.

El consumo de gas natural se ha incrementado debido a la facilidad de su transporte, ya sea a través de gasoductos, barcos especialmente diseñados que transportan metano líquido y a su transformación en metanol.

El consumo de gas natural fue de 3.314,4x10⁹ m3 en 2012. El incremento respecto del 2011 ha sido de un 2,2 %. El consumo más elevado corresponde a Europa-Eurasia con un 32,6 % del total.

6.3. Carbón

Las reservas de carbón son las más ampliamente repartidas por toda la geografía, aún cuando hay que considerar que las estimaciones de reservas de disponibilidad de carbón son apreciaciones geológicas, sin tener en cuenta su explotabilidad. Las reservas de carbón (antracita y lignito) se estiman en 860.938x10⁶ Tm. De esta cantidad un 30,9 % se encuentra en Asía del Pacífico, un 35,4 % en Europa/Eurasia, un 28,5 % en N. América, un 3,7 % en África y un 1,5 % en Sur y Centro América.

El consumo de carbón en 2012 ascendió a 3.730,1x10⁹ Tm lo que supone un incremento del 2,5 % con respecto al año anterior debido al fuerte incremento en Asía del Pacífico que asciende al 5,6 %. El principal consumidor es este último con un 69,9 % del total.

Con las enormes reservas de lignito y hulla se pueden cubrir las necesidades energéticas del mundo al menos durante 5000 años.

6.4. Combustibles nucleares

La energía nuclear es, por su estado actual de desarrollo, la única solución realista para el problema de suministro de energía para las próximas décadas. Su viabilidad económica está bien comprobada. Las centrales nucleares han contribuido a asegurar el suministro de electricidad, a contener los costes de generación eléctrica y a evitar la emisión anual de 50 millones de toneladas de dióxido de carbono. Respecto a este último punto, hay que recordar que el incremento de las emisiones de CO2 en nuestro país triplica el máximo permitido por la Unión Europea dentro del marco del Protocolo de Kioto.

Las centrales nucleares españolas ayudan, además, a frenar nuestro déficit comercial al ahorrar unos 2.500 millones de euros en importaciones de combustibles fósiles. Hay que recordar que España es una isla energética y, como tal, importa el 80% de los productos energéticos que consume. Si a esto se une que en la segunda década de este siglo la población española se acercará a los 50 millones de habitantes, resultará imprescindible incrementar la producción de energía nuclear para satisfacer la demanda eléctrica y mantener la competitividad de la economía y el bienestar social, en cumplimiento de la estrategia de Lisboa, respetando el medio ambiente.

La generación eléctrica de origen nuclear en el año 2006 representa aproximadamente el 17% de la electricidad que se consume en todo el mundo. Actualmente, existen 435 reactores nucleares en funcionamiento en 31 países con una potencia neta total instalada de 367.988 MWe. Por otra parte, 25 más se encuentran en fase de construcción en 12 países, con una potencia prevista de más de 25.000 MWe. Los cinco países con mayor porcentaje de electricidad de origen nuclear en 2006 fueron: Francia (78,07%), Lituania (69,20%), Bélgica (58,10%), Eslovaquia (57,15%) y Suecia (48,01%). España cuenta con un total de 10 instalaciones nucleares ubicadas dentro de su territorio peninsular, entre las que se encuentran seis centrales - Almaraz I y II, Ascó I y II, Cofrentes, Sta. María de Garoña, Trillo I y Vandellós II - que forman un total de ocho grupos nucleares. Vandellós I se encuentra actualmente en proceso de desmantelamiento. España posee, además, una fábrica de combustible nuclear -Juzbado- y un centro de almacenamiento de residuos radiactivos de baja y media actividad -El Cabril-.

Las existencias de uranio y torio son grandes y están distribuidas por amplias zonas de la Tierra. Se cuenta con unas reservas de uranio de 4x10⁶6 Tm se dan como seguras; las reservas de torio ascienden a 2,2x10⁶ Tm

En la actualidad, operan dos tipos de reactores nucleares cuyas características y forma de operar es la siguiente:

Reactores de agua ligera: Los reactores convencionales de agua ligera utilizan U-235 como núcleo fisible. El uranio natural contiene un 99,3% de 92U238, un 0,7% de 92U235 y trazas de 92U233. El combustible del reactor nuclear es uranio, casi siempre en forma de su óxido, U3O8. Dado que la concentración de U-235, en el uranio natural, es muy baja es necesario enriquecer el uranio natural hasta que contenga de un 3 a un 4% de U-235. El proceso de fisión se lleva a cabo por bombardeo con neutrones lentos.

 

El proceso de fisión es muy exotérmico, los neutrones generados (2,4 1n0 por término medio) alcanzan altas velocidades, y para que el proceso sea eficaz hay que disminuir su velocidad antes de utilizarlos para la desintegración nuclear. Para ello se utilizan sustancias que reducen la energía cinética de estos neutrones, y que se denominan moderadores. La disminución de velocidad se debe a la colisión de los neutrones con las moléculas de agua, antes de alcanzar los núcleos de U235 Un buen moderador debe satisfacer varios requisitos:

• no ha de ser tóxico ni costoso,
• debe resistir la conversión a una sustancia radioactiva por el bombardeo de neutrones, y
• debe ser fluido para que también sirva como refrigerante. El agua es la sustancia que más se acerca a estos requisitos. Los reactores nucleares que utilizan agua como moderador se llaman reactores de agua ligera. Trabajan a presiones de unas 160 atm.

El factor que limita la velocidad de la reacción es el número de neutrones presentes, y se puede controlar bajando barras de Cd o de B entre los elementos combustibles. Estas barras capturan los neutrones de acuerdo con las ecuaciones siguientes:

 

Sin las barras de control el calor generado fundiría el centro del reactor y el material radiactivo se escaparía al medio ambiente. Se introducen las barras necesarias para que se produzca un neutrón por fisión.

Los reactores nucleares tienen sistemas de enfriamiento muy elaborados. Absorben el calor que se desprende en la reacción nuclear y lo transfieren fuera del centro del reactor, donde se utiliza para generar suficiente vapor para hacer funcionar un generador de electricidad. En este aspecto, una planta de energía nuclear es semejante a una planta de energía convencional que quema combustibles fósiles. En ambos casos se necesitan grandes cantidades de agua de enfriamiento para condensar el vapor que se vuelve a utilizar. Por ello, la mayoría de las plantas de energía nuclear se construyen cerca de un río o de un lago.

 

Reactores de agua pesada: Otros tipos de reactores nucleares utilizan D₂O como moderadores en lugar de H₂O. El deuterio absorbe los neutrones con menos eficiencia que el hidrógeno. Por ello el reactor es más eficiente y no requiere uranio enriquecido. El hecho de que el deuterio sea un moderador menos eficiente, tiene un impacto negativo en la operación del reactor porque se fugan más neutrones, aunque esta desventaja no es tan importante.

Con el reactor de agua pesada no es necesario construir costosas instalaciones para enriquecer uranio. Sin embargo, el D₂O se debe preparar por destilación fraccionada o por electrolisis de agua común, y puede resultar muy costoso si se considera la cantidad de agua que utiliza un reactor nuclear. En los países donde abunda la energía hidroeléctrica, el costo de producción de D₂O por electrolisis resulta razonablemente bajo. En la actualidad, Canadá es el único país que utiliza reactores nucleares de agua pesada con éxito. El hecho de que no se requiera uranio enriquecido en reactores de este tipo, permite al país disfrutar los beneficios de la energía nuclear sin comprometerse en las actividades que están íntimamente ligadas con la tecnología bélica.

Las previsiones necesarias para el empleo de la energía nuclear son:

1. Abastecimiento de Uranio natural
2. Centrales nucleares térmicamente seguras
3. Eliminación de los productos radiactivos residuales y el reciclado de los combustibles nucleares no aprovechados y de los incubados.

Igual que en todas las instalaciones industriales, en una central nuclear se generan residuos que deben ser tratados para que no supongan ningún peligro a la población. Los residuos radiactivos se clasifican atendiendo, por un lado, a sus características físicas y químicas en gases, líquidos y sólidos y, por otro, a su actividad. Así, existen residuos de alta actividad, formados por los elementos de combustible gastado; de media actividad, radionucleidos producidos en el proceso de fisión; y de baja actividad, fundamentalmente ropas, herramientas y otros utensilios contaminados en el mantenimiento de la central. En todo caso es importante tener en cuenta que el volumen de residuos generado por las centrales nucleares es muy inferior a de los residuos tóxicos y peligrosos producidos por otras instalaciones industriales y hospitalarias (Tabla 1.5). Los residuos de media actividad se generan por radionucleidos liberados en el proceso de fisión en cantidades pequeñas, muy inferiores a las consideradas peligrosas para la seguridad y la protección de las personas. Estos subproductos son tratados para separar los elementos radiactivos que contienen y los residuos resultantes se solidifican dentro de bidones de acero utilizando cemento, alquitrán o resinas. Por lo que se refiere a los residuos de baja actividad radiactiva (ropas y herramientas que se utilizan en la “zona controlada” de la instalación) se prensan y se mezclan con hormigón de manera que formen un bloque sólido, y son también introducidos en bidones de acero. Todos estos bidones son trasladados al Centro de Almacenamiento de El Cabril, en la provincia de Córdoba, gestionado por ENRESA. Allí se depositan los residuos radiactivos de todas las centrales nucleares españolas, así como los residuos generados por la medicina, la investigación, la industria y otros diversos campos que utilizan materiales radiactivos en sus procesos.

El combustible gastado, o residuos de alta actividad, se extrae del reactor y se almacena temporalmente en una piscina de agua situada dentro de la central y construida de hormigón con paredes de acero inoxidable, creando así una barrera a las radiaciones sin peligro de escape.

Tabla 1.5.- Emisión de elementos contaminantes generados por el uso de combustibles sólidos.

 

7. Productos químicos que se obtienen por destilación del petróleo.

La primera operación que se realiza en una refinería de petróleo es la destilación fraccionada del crudo mediante la cual se obtienen diversas fracciones por orden creciente en sus temperaturas de ebullición.

 

La fracción más volátil (Tb ≤ 20 ºC) contiene fundamentalmente metano y homólogos superiores asemejándose en composición al gas natural. El metano puede separarse de los alcanos superiores, propano y butanos. Estos productos pueden utilizarse como combustible o como productos petroquímicos básicos para la IQO.

La segunda y tercera fracción reciben el nombre de nafta ligera (C5-C8; Tb= 20-150 ºC) y nafta pesada (C8-C11; Tb= 150-200 ºC) y son de enorme importancia para la IQO. La nafta destila entre 20 y 200 ºC y contienen hidrocarburos de 5 a 11 átomos de carbono. La nafta contiene hidrocarburos alifáticos, cíclicos y pequeñas cantidades de compuestos polinucleares. Mediante procesos de craqueo al vapor la nafta se transforma en alquenos de bajo peso molecular (este proceso se realiza en Europa principalmente). Su conversión a benceno, tolueno y xilenos se realiza mediante el reformado catalítico. En los Estados Unidos esta es su principal aplicación química.

La cuarta fracción es el queroseno (C10-C16) (Tb = 175-275 ºC) que se utiliza como combustible para tractores, aviones de propulsión a chorro y calefacción doméstica además de su uso como disolvente. La quinta fracción es el gasoleo (C15-C22) (Tb = 250-350 ºC) útil para combustibles diesel y para uso doméstico. Tanto el queroseno como el gasoleo se someten a procesos de craqueo catalítico para obtener gasolinas de mayor demanda en el mercado.

 

El aceite residual que destila a más de 350 ºC contiene hidrocarburos de más de C20 (aceites residuales, asfalto y alquitranes). Con esta fracción se lleva a cabo una segunda destilación a vacío, (P < 1 atm). Se obtienen los productos mostrados en el esquema.

 

Mediante los procesos de craqueo al vapor se obtienen algunos de los productos principales que constituyen el fundamento de la Química Orgánica Industrial. Estos compuestos son: etileno, propeno, butenos. Por otra parte, del reformado catalítico se obtiene la llamada fracción BTX, benceno, tolueno y xilenos. Estos productos junto con el metano constituyen los productos básicos de la IQO.

 

8. Productos químicos que se obtienen del gas natural

Hasta ahora hemos descrito seis productos básicos de la Industria Química Orgánica que se obtienen del petróleo; a ellos hay que añadir el metano. La principal fuente de metano es el gas natural. Del metano se obtienen fundamentalmente acetileno y gas de síntesis.

En la preparación de acetileno desde gas metano una mezcla 1:2 de oxígeno y metano se calientan por separado en un horno a 500 °C. A continuación se mezclan y tiene lugar la transformación parcial del metano en acetileno.

 

En cuanto al gas de síntesis es una mezcla de gases en la que predominan CO e hidrógeno en proporciones variables y que son adecuadas para sintetizar determinados productos químicos. El gas de síntesis se puede obtener del carbón, del gas natural y del petróleo, de ahí que para algunas mezclas de CO/H2 se usen denominaciones que recuerdan su procedencia o su aplicación, tales como:

• "gas de agua" (CO + H₂) obtenido de vapor de agua y carbón,
• "gas de disociación" (CO + 3H₂) por disociación de metano con agua o,
• "gas de síntesis para metanol" (CO + 2H₂), para obtención de metanol.

 

En la industria orgánica, la mayor parte del gas de síntesis se consume como materia prima para la síntesis de metanol, fosgeno (Cl₂CO) y para procesos de carbonilación de alquenos (proceso "oxo" para introducir un grupo formilo).