Caracterización de asfaltenos por descomposición térmica

Abstract

El petróleo es una de las fuentes de energía más ampliamente utilizadas a nivel mundial. En los últimos años las dificultades de operación a la hora de obtener petróleo son cada vez mayores, debido a la disminución de las reservas de fácil explotación, suponiendo un difícil reto para la industria petrolera por la necesidad del aprovechamiento de crudos cada vez más pesados. Los crudos pesados contienen elevadas cantidades de asfaltenos y ceras, cuya tendencia a precipitar ocasiona múltiples problemas en la extracción y procesamiento del petróleo. Los asfaltenos constituyen la fracción más pesada y polar del crudo de petróleo que, junto con los saturados, aromáticos y resinas, forman esa mezcla compleja de hidrocarburos de la que se compone. Los asfaltenos se definen como la fracción del petróleo soluble en tolueno e insoluble en disolventes parafínicos como n-heptano. A su vez, se caracterizan por ser un compuesto orgánico formado fundamentalmente por carbono e hidrógeno y por poseer una estructura con un relativamente alto contenido de heteroátomos como nitrógeno, azufre y oxígeno, además de metales en muy pequeñas cantidades, como níquel, hierro y vanadio. El contenido y la composición de los asfaltenos precipitados en un crudo depende principalmente, de las siguientes variables: tipo de disolvente empleado en la precipitación, relación disolvente/carga (R), tiempo de contacto, temperatura, presión y naturaleza del crudo. Tres de estas variables (tipo de disolvente, de crudo y R) se han ido modificando a lo largo de la experimentación para su estudio. Este trabajo de investigación tiene como objetivo principal desarrollar un método experimental que permita determinar la estabilidad de los asfaltenos mediante técnicas de descomposición térmica. Con el propósito de caracterización estructural de los asfaltenos se han utilizado diversas técnicas analíticas como son: espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), resonancia magnética nuclear de protón (RMNH+) y análisis elemental (HCNS). Con el fin de que los resultados conseguidos para los diferentes crudos usados en este proyecto pudieran ser comparados entre sí, se ha empleado un método normalizado (IP-143) para la precipitación de asfaltenos a partir de los crudos de petróleo empleado. Para garantizar la repetitividad de los resultados obtenidos, cada análisis se realiza por cuadruplicado, tal y como exige la norma. Una vez que los asfaltenos han sido precipitados, se ha realizado un estudio analítico por termogravimetría, cuyo objetivo ha sido la determinación de la variación de masa de una muestra sometida a un programa de temperatura controlada en atmósfera intervalo de temperatura a la que se produce la descomposición térmica de los afaltenos. Este análisis ha servido para fijar unas condiciones determinadas (350, 550 y 750ºC) en el tratamiento térmico en mufla, para obtener una cantidad de muestra suficiente para la posterior caracterización estructural. Como producto de la descomposición térmica se ha generado un residuo carbonoso de estructura esponjosa. A partir de los análisis de FT-IR realizados, se han calculado índices relacionados con la abundancia relativa de diferentes grupos funcionales presentes en las moléculas de asfaltenos. Los resultados obtenidos han mostrado que la estructura de los asfaltenos se pierde durante el tratamiento térmico, siendo más evidente esta variación a medida que se aumenta la temperatura debido a que las cadenas alifáticas han sido las que primero se rompen, mientras que los grupos aromáticos llegan a condensar cuando la temperatura se incrementa lo suficiente. Los resultados obtenidos mediante análisis elemental permiten el estudio del grado de aromaticidad (mediante la relación atómica H/C) y la polaridad (mediante el porcentaje de N y S) de las muestras asfalténicas, confirmando los resultados del FT-IR en cuanto a la variación de la aromaticidad de las muestras. En lo referente al contenido de heteroátomos de N y S, el porcentaje de nitrógeno aumenta ligeramente debido a su posición ligada a los anillos aromáticos de los asfaltenos, mientras que el azufre se mantiene bastante estable por su presencia tanto en los anillos como en las cadenas alifáticas que lo unen. Por lo tanto, la polaridad aumenta ligeramente al aumentar la temperatura del tratamiento. Por último, se ha utilizado la técnica RMNH+, siendo sus resultados poco concluyentes, debido al empleo del cloroformo deuterado como disolvente y a la mala resolución de los picos. Como conclusión, el tratamiento térmico de asfaltenos se ha comportado como una técnica adecuada para la determinación de su estabilidad. La máxima perdida de masa de los asfaltenos ha ocurrido en torno a 460ºC, siendo el intervalo general en el que se ha producido desde los 350ºC a 650ºC. Las técnicas de caracterización de FT-IR y HCNS han permitido determinar que el mecanismo que siguen los asfaltenos en su descomposición térmica es de tipo despolimerización. Los asfaltenos precipitados con los tres crudos siguen la misma tendencia, pero los del crudo C. son los más inestables en el seno del crudo, debido a su mayor aromaticidad y menor perdida de peso en el análisis de termogravimetría. Así mismo, los asfaltenos precipitados con n-C5 presentan una mayor perdida de masa ya que en esta precipitación no solo se arrastran asfaltenos, sino también algunos compuestos de naturaleza similar presentes en el crudo como resinas. En cuanto a la relación disolvente/crudo los asfaltenos precipitados a menores relaciones son mas inestables que los precipitados a relaciones superiores, ya que presentan menores pérdidas de peso debido a su mayor aromaticidad.