Trujillo.maria.propiedades Fisico Quimica de Los Petroleos Aromaticos, Asfaltenos y Parafinicos

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    Refinacin. Conocimiento general de los hidrocarburos, origen, qumica y propiedades. Composicin Qumica de

    los Tipos de Hidrocarburos. Escuela Politcnica Nacional. Ing. Petrleos. Sexto Semestre. Mara Alfonsina Trujillo. 25

    de octubre de 2015

    REFIN CIN

    Mara lfonsina Trujillo

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    de octubre de 2015

    CONOCIMIENTOS GENERAL DE LOS

    HIDROCARBUROS: PROPIEDADES FSICAS Y

    QUMICAS DE LOS PETRLEOS AROMTICOS,

    ASFALTNICOS, NAFTNICOS Y PARAFNICOS

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    Los hidrocarburos encontrados en reservorios naturales son mezclas de

    compuestos orgnicos, con una diversidad de composiciones qumicas. Para

    dilucidar la naturaleza compleja del petrleo crudo y sus derivados, se han

    tenido que poner a punto procedimientos que permiten estudiar la

    composicin y caractersticas tanto fsicas como qumicas. De todas las series

    en las que los hidrocarburos pueden agruparse, hay cuatro de particular

    importancia en la qumica del petrleo: las parafinas, los naftenos, los

    aromticos, y las resinas y asfaltenos. Los crudos pueden clasificarse de

    acuerdo al enriquecimiento relativo de estos cuatro grupos de hidrocarburos

    y de las fracciones de las mismas cuando son sometidos a procesos de

    refinacin. Los resultados obtenidos a partir de diferentes estudios

    concluyeron que, un petrleo est constituido principalmente por

    hidrocarburos de la serie parafnica, con menos cantidades de la serie cclica

    naftnica y aromtica. Las resinas y los asfaltenos se han caracterizado por

    ser mezclas complejas de hidrocarburos, que incluyen en su composicin las

    tres series anteriores mencionadas y otros compuestos denominados

    impurezas. Estos son caracterizados por tener un peso molecular alto y

    presentar un comportamiento viscoelsticos, es decir, intermedio entre el

    slido de Hooke elstico) y el lquido de Newton viscoso).

    El presente documento tiene como finalidad la caracterizacin de estas

    cuatro series, a travs de la mencin de sus propiedades qumicas y fsicas,

    siendo esta la base para el estudio de la refinacin del petrleo. Para ello se

    ha investigado y condensando las caractersticas que diferencian a cada uno

    de estos grupos. La importancia del conocimiento de estas se da, debido a

    que por medio de ellas, se pueden caracterizar a los hidrocarburos

    provenientes del petrleo, siendo este el punto de partida para el estudio de

    la obtencin de sustancias derivadas del petrleo, a partir y tomando en

    cuenta su composicin original.

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    RESUMEN

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    3

    1.

    Introduccin

    Los hidrocarburos encontrados en

    reservorios naturales son mezclas de

    compuestos orgnicos con una gran diversidad

    de composiciones qumicas. Cada yacimiento de

    petrleo est constituido por una mezcla de

    miles de hidrocarburos diferentes, pues de los

    ms de 1.500 campos petrolferos conocidos, no

    se han encontrado an dos crudos exactamente

    iguales. Esto se ha demostrado mediante un

    anlisis qumico completo, en donde se

    comprob que un petrleo tpico puede

    contener miles de distintos compuestos

    pertenecientes a 18 series de hidrocarburos.

    Para dilucidar la naturaleza compleja delpetrleo crudo y sus derivados, se han tenido

    que poner a punto procedimientos que

    permiten determinar la composicin y las

    caractersticas fsico-qumicas de los diferentes

    productos, despus estudiar su comportamiento,

    primero por ensayos de simulacin en

    laboratorio, despus en el curso de su utilizacin

    real ulterior.

    2.

    Series Qumicas de hidrocarburos

    del petrleo.

    De todas las series en la que pueden

    agruparse los hidrocarburos, hay cuatro de

    particular importancia en la qumica del

    petrleo: parafinas, naftenos, aromticos, y

    asfltenos.

    Fig.- Las cuatro series qumicas de hidrocarburos del petrleo(Magdalena Paris de Ferrer, 2009)

    El petrleo de la formacin est constituido

    principalmente por hidrocarburos de la serie

    parafnica (CnH2n+2), con menores cantidades de

    la serie cclica naftnica (CnH2n), aromtica

    (CnH2n-6) y asfaltos.

    Los crudos petrolferos pueden clasificarse de

    acuerdo con el enriquecimiento relativo de esto

    cuatro grupos de hidrocarburos y de las

    fracciones que se obtienen cuando son

    sometidos a procesos de refinacin a ciertas

    temperaturas.

    RECURSOS

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    3.

    Diagrama Ternario de Tissot y

    Welte

    Los autores Tissot y Welte despus de

    analizar crudos petrolferos, construyeron un

    diagrama triangular en cuyos ejes agrupan las

    parafinas, los naftenos y la combinacin de los

    aromticos con impurezas de los asfaltos

    denominadas NSO, y lo dividen en zonas que

    identifican deis clases diferentes de petrleo

    crudo:

    Los petrleos parafnicos: ricos en

    parafinas.

    Los petrleos parafnicos-naftnicos:contienen la misma cantidad de

    parafinas y naftenos y que en conjunto

    representan el 50% del crudo.

    Los petrleos aromticos intermedios

    que alcanzan un total inferior al 50%, en

    los cuales la composicin est dominada

    por los compuestos aromticos, resinas y

    asfaltenos y que se caracterizan por tener

    cantidades menores o iguales de

    parafinas y naftenos.

    Aquellos crudos petrolferos que pueden ser

    convertidos en alquitrn o petrleo pesado por

    la accin de las bacterias o al ser lavados con

    aguas metericas[1] de la superficie caen dentro

    de las dos siguientes clases, ambos enriquecidos

    con aromticos:

    Aromticos-asflticos

    Aromticos-naftnicos: tienen cantidades

    de parafinas muy bajas.

    Fig.- Diagrama ternario deTissot & Welte mostrando lacomposicin de seis clases decrudos petrolferos (Magdalena

    Paris de Ferrer, 2009)

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    4.

    Propiedades fsicas y qumicas de

    los petrleos aromticos,

    asfaltnicos, naftnicos y

    parafnicos

    4.1 Hidrocarburos Parafnicos o Alcanos

    4.1.1 Estado natural

    Son muy abundantes en la naturaleza. El

    primer trmico de la serie, metano, se desprende

    en los pantanos como productos de

    degradacin de sustancias orgnicas por accin

    de bacterias, por lo que se les denomina gas de

    los pantanos; tambin se desprende de las

    minas de carbn. Los dems alcanos se hallan

    contenidos en el gas natural y el petrleo, del

    que puede obtenerse una multitud de

    hidrocarburos saturados por destilacin

    fraccionada. El propano y el butano son

    constituyentes del gas natural y del de los pozos

    petrolferos, de los cuales se pueden separar por

    destilacin fraccionada [2]. El petrleo crudo,

    despus de separar el agua y la arena que

    contiene, se fracciona mediante destilacin,

    dando cuatro productos principales:

    Gasolina (C6C11)

    Queroseno (C12-C16)

    Gas-oil (C13- C18) Aceite lubricante (C16-C20)

    Fig.- Gas licuado de petrleo en su forma comercial. En la

    prctica el propano y butano estn presentes en el petrleo

    crudo y el gas, se puede decir que los GLP son una mezcla de

    propano y butanos natural, aunque una parte se obtiene

    durante el refinado de petrleo, sobre todo como subproducto

    de la destilacin fraccionada cataltica.

    El residuo de la destilacin puede fraccionarse,

    por destilacin al vaco [3] obtenindose aceites

    lubricantes ligeros, medios y pesados:

    Ceras de parafina (C20-C30)

    Betn asfltico (C30-C40).

    La destilacin trmica de estos compuestos sellama pirlisis, la cual, cuando se aplica a los

    hidrocarburos se llama craqueo o cracking [4].

    Cuando el petrleo se somete al craqueo, los

    productos resultantes principalmente dependen

    de la naturaleza del petrleo, de la presin a la

    que se realiza el craqueo y la presencia de

    catalizadores, como slice-almina, slice-almina-

    xido de torio.

    RESOLUCIN

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    Los productos ms importantes de todos los que

    se producen contienen hasta cuatro tomos de

    carbono: metano, etano, etileno, propano,

    propileno, butano, butileno e isobutano. Todos

    ellos han encontrado una amplia participacin

    como materiales de partida para la preparacinde muchos productos qumicos.

    4.1.2 Propiedades fsicas

    Los cuatro primeros trminos de los

    alcanos son gaseosos, del 5 al 16 son

    lquidos y los dems slidos.

    Se caracterizan por ser incoloros e

    inodoros. Son fcilmente combustibles y arden con

    llama tanto ms luminosa cuanto mayor

    es el nmero de tomos de carbono que

    concretamente tiene la molcula en

    cuestin.

    La densidad es inferior a la del agua y

    tiende a un valor lmite en toda la serie.

    Elevado ndice de viscosidad (80-90)

    4.1.3 Propiedades Qumicas

    Se caracterizan por ser poco reactivos, es

    decir, por poseer una reducida tendencia

    a combinarse con otras sustancias o

    consigo mismas. Por esta razn llevan su

    nombre de parafinas (poca afinidad).

    En condiciones ordinarias, de presin y

    temperatura, las parafinas son inertes

    frente a reactivos como los cidos, lcalis,

    agentes oxidantes, agentes reductores,

    etc.

    Son insolubles en agua, miscibles entre s,

    y fcilmente solubles en disolventes

    orgnicos, tales como ter, sulfuro de

    carbono, benceno, etc.

    Su volatilidad disminuye al aumentar el

    peso molecular. Baja volatilidad (alto

    punto de inflamacin).

    Bajo poder disolvente (elevado punto de

    anilina, 90C-100C)

    4.2 Hidrocarburos naftnicos

    Entre los compuestos que contienen anillos

    formados exclusivamente por tomos de

    carbono e hidrgeno, hay uno que se parece en

    muchos aspectos a los compuestos alifticos[5],por los que se les denomina alicclicos,

    contraccin de alifticos cclicos.

    Se nombran anteponiendo el prefijo ciclo- al

    nombre del hidrocarburo a cclico de igual

    nmero de tomos de carbono. Si son saturados

    son denominados cicloalcanos, ciclanos o

    naftenos.

    4.2.1 Propiedades fsicas

    Densidad relativamente elevada

    Bajo ndice de viscosidad (sobre 40).

    Bajo punto de congelacin natural.

    Mayor volatilidad que los parafnicos

    (bajo punto de inflamacin).

    4.2.2

    Propiedades Qumicas

    Poseen entre 70% a 80% de

    hidrocarburos naftnicos, es decir,

    saturados con cadenas cclicas o poli

    cclicas muy complejas. Los productos

    obtenidos a partir de estos hidrocarburos

    se caracterizan por su bajo punto de

    fluidez.

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    Los naftenos o cicloanos de hasta seis

    tomos de carbono se pueden obtener

    tratando los derivados dihalogenados de

    los alcanos en los carbones terminados

    con sodio o zinc.

    Los naftenos ms estables son el

    ciclohexano y el ciclopentano, que son

    los ms abundantes en la naturaleza

    como constituyentes de petrleos.

    Poder disolvente elevado (buena

    miscibilidad con crudos parafnicos).

    4.3Hidrocarburos aromticos

    Fig.- El alquilbenceno lineal, es la materia prima ms comn en la

    elaboracin de detergentes.

    En los primeros tiempos del desarrollo de la

    qumica se conocieron un gran nmero deproductos de origen natural, principalmente

    vegetal, tales como la esencia de comino,

    blsamo de tol, benju, vainilla que tenan

    como caracterstica comn un olor agradable;

    por esta razn se agruparon y denominaron

    arbitrariamente aromticos. Despus se

    descubri:

    Que estaban constituidos es su parte

    principal por combinaciones que, en

    cierto modo, tienen un carcter qumico

    anlogo,

    Que el porcentaje de carbono es superior

    al de las combinaciones de la serie

    aliftica.

    La investigacin ms detallada de los

    compuestos aromticos demostr que esta

    agrupacin est bien fundamentada, ya que se

    pueden considerar como derivados de un

    mismo hidrocarburo, C6H6, benceno.

    4.3.1 Propiedades del benceno e

    hidrocarburos bencnicos

    La sustancia fundamental de la serie

    aromtica es el benceno, cuya frmula es C6H6.

    Los seis tomos de carbono estn unidos

    formando una cadena cerrada en un mismo

    plano, y los seis tomos de hidrgeno ocupan

    en la molcula posiciones totalmente

    equivalentes.

    Se obtiene en las destilacin seca de la hulla. Los

    hidrocarburos bencnicos monosustituidos

    pueden considerarse derivados del benceno

    reemplazando un tomo de hidrgeno por un

    radical alqulico.

    4.3.1.1Propiedades qumicas

    Tienen entre un 70% y 80% de

    hidrocarburos aromticos no saturados

    con una o varias cadenas laterales. Estos

    hidrocarburos son muy susceptibles a la

    oxidacin con formacin de cidos

    orgnicos.

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    Presenta menor reactividad de los

    alquenos y alquinos pero mayor que lo

    sacan las reacciones ms importantes y

    caractersticas son las de sustitucin.

    Es inflamable y sus factores forman

    mezclas explosivas con el aire. Fcilmente

    oxidables.

    Provocan formacin de productos

    resinosos.

    Es soluble en el agua es soluble

    fcilmente en disolventes orgnicos

    como alcohol, acetona, ter, etc. Siendo

    a su vez un buen disolvente de

    sustancias no inicas, como grasas,

    resinas y caucho.

    4.3.1.2Propiedades fsicas

    El benceno es un lquido incoloro de

    caracterstico algo menos denso que el

    agua que hierve a 82,5C.

    Densidad muy elevada e ndice de

    viscosidad muy bajo.

    Se emulsionan fcilmente con el agua.

    Tienen un punto de anilina bajo.

    4.4Hidrocarburos asfaltenos y resinas

    La palabra ASFALTENO fue utilizada porprimera vez en Francia (Boussingault, 1837)

    para indicar la semejanza de un compuesto

    recuperado del petrleo con el asfalto natural.

    Los asfltenos son fracciones que estn

    presentes en: Carbones, Asfalto, Bitumen y

    naturalmente en crudo (de color negro).

    Fig.- Composicin qumica promedio del asfalto

    4.4.1

    Propiedades Fsicas

    La consistencia de un asfalto es el grado

    de fluidez que tiene el mismo a una determinada

    temperatura. La viscosidad es la resistencia del

    material a fluir. La susceptibilidad trmica es

    baja. Los asfaltos se conocen como materiales

    viscoelsticos porque exhibe caractersticas

    viscosas y elsticas simultneamente, es decir

    que es un material de comportamiento

    intermedio entre el slido de Hooke (elstico) y

    el lquido de Newton (viscoso). A temperaturas

    elevadas (>100 C), el cemento asfltico se

    comporta como un fluido viscoso (muestra la

    consistencia de un lubricante utilizado como

    aceite para motores), mientras que a bajas

    temperaturas (< 0 C) se comporta casi como unslido elstico (como una banda de goma)

    La viscosidad de los asfaltos sigue algunas

    tendencias: aumenta con el incremento de la

    presin o densidad y depende de la estructura

    molecular de sus componentes.

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    Fig. Composicin qumica del asfalto y ejemplo de un crudo iran

    Para explicar el comportamiento viscoso de los

    productos asflticos lquidos, stos deben

    considerarse como una solucin coloidal, donde

    un grupo de molculas ms pesadas y polares

    (asfaltenos) estn rodeadas de molculas polares

    ms ligeras (resinas), formando micelas [6]

    inversas, sin que existan una separacin entre

    aquellas, sino una transicin.

    4.4.2 Propiedades qumicas

    La composicin especfica de un asfalto

    en particular depender de la procedencia del

    petrleo crudo del cual procede. Estos son una

    mezcla compleja de hidrocarburos, por lo que

    del 90 al 95% del peso de los mismos est

    compuesto por carbono e hidrgeno. Los

    componentes de dicha mezcla se agrupan en

    cuatro fracciones:

    Carbonoides[7] y carbenos[8]: cantidades

    hasta el 2%;

    Asfaltenos y maltenos: fracciones

    principales.

    Los denominados maltenos tienen pesos

    moleculares de 700 a 4000. Los aceites

    naftnicos pueden subdividirse en tres

    partes: parafinas y naftenos con pesos de

    600 a 1000; resinas de 1000 a 2000;

    hidrocarburos aromticos de 2000 a

    4000.

    Los asfaltenos o fraccin pesada y de alta

    polaridad, cuyo peso molecular oscila de

    2000 a 7000, es una mezcla que

    contiene compuestos aromticos de

    poso molecular entre 2000 a 5000,

    hidrocarburos saturados, compuestos

    rgano-metlicos con nquel, vanadio, o

    hierro y heterocclicos con tomos de

    azufre, oxgeno y nitrgeno

    (considerados impurezas). Adems de

    estos, contienen hidrocarburos

    aromticos condensados como el

    naftaleno, antraceno, benzantraceno,

    naftaceno, pentafeno, etc.

    Las resinas y los asfaltos son los

    componentes principales y ms pesados

    del petrleo crudo en su forma de brea o

    asfalto.

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    Fig. Diagrama de flujo del tratamiento de los asfaltos de petrleo.

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    de octubre de 2015 GL

    OS

    ARI

    O

    [1] Aguas metericas: agua que cae proveniente

    de fenmenos meteorolgicos, tales como lalluvia, la nieve y el granizo, es llamada agua

    meterica. Esta proviene de la condensacin y

    solidificacin del vapor de agua que contiene la

    atmsfera, como resultado de la evaporacin de

    grandes masas de agua terrestres y marinas.

    [2] Destilacin fraccionada: La destilacin

    fraccionada es un proceso fsico utilizado en

    qumica para separar mezclas (generalmente

    homogneas) de lquidos mediante el calor, y

    con un amplio intercambio calorfico y mstico

    entre vapores y lquidos.

    [3] Destilacin al vaco: La destilacin al vaco

    consiste en generar un vaco parcial por dentro

    del sistema de destilacin para destilar

    sustancias por debajo de su punto de ebullicinnormal. Lo importante en esta destilacin es que

    al crear un vaco en el sistema se puede reducir

    el punto de ebullicin de la sustancia casi a la

    mitad.

    [4] Craqueo o cracking: Es un proceso qumico

    por el cual se quiebran molculas de un

    compuesto produciendo as compuestos ms

    simples.

    [5] Compuestos alifticos: Se denominan

    tambin acclicos debido a que los primeros

    compuestos de este tipo que se estudiaron

    fueron los cidos grasos; de aqu que a la serie

    acclica se le llame tambin serie grasa, aunque

    este nombre tiende a desaparecer.

    [6] Micelas: Se denomina micela al conjunto de

    molculas que constituye una de las fases de los

    coloides. La funcin de las micelas es

    fundamental en algunos procesos biolgicos y

    qumicos. Gracias a sus funciones se las utiliza ennumerosas aplicaciones. Primero vamos a

    explicar cmo est formada una micela. Las

    micelas tienen una parte hidrofbica, que est

    en el interior y otra hidroflica en su exterior. La

    gran ventaja est en que pueden transportar

    molculas insolubles en un medio acuoso. Sin las

    micelas ninguna sustancia insoluble en agua

    podra transportarse a travs de un solvente

    polar como el agua. Las micelas son los

    transportadores ideales ya que tienen la capa

    externa hidroflica y el interior hidrofbico. Esta

    dualidad convierte a las micelas en estructuras

    anfipticas. El nombre anfiptica o anfiptico

    hace referencia a tener la parte hidrfila e

    hidrfoba a la vez.

    [7] Carbonoides: El grupo 14 de la tabla

    peridica de los elementos (antiguo grupo IV A),

    tambin conocido como grupo del carbono o de

    los carbonoideos, est formado por los

    siguientes elementos: carbono (C), silicio (Si),

    germanio (Ge), estao (Sn) y plomo (Pb).

    [8] Carbenos: Los carbenos son compuestos

    derivados del carbono divalente, con frmula

    general (R2 C). Se trata de una de las especies

    intermedias ms reactivas en la qumica

    orgnica. Tambin se encuentran especies

    inorgnicas con un gran parecido a los

    carbenos. El carbeno ms sencillo y comn es el

    metileno (CH2). En un carbeno, alrededor del

    tomo de carbono hay un sexteto (6 electrones)

    y no un octeto.

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    los Tipos de Hidrocarburos. Escuela Politcnica Nacional. Ing. Petrleos. Sexto Semestre. Mara Alfonsina Trujillo. 25

    de octubre de 2015C

    ON

    CLU

    SIO

    NES La clasificacin de los hidrocarburos de

    petrleo ms generalizada se basa en

    cuatros series qumicas: la naftnica,

    parafnica, aromtica y resinas y

    asfaltenos. Cada una de ellas agrupa apetrleos que comparten propiedades

    fsicas y qumicas.

    Dependiendo del nmero de tomos de

    carbono y de la estructura de los

    hidrocarburos que integran el petrleo,

    se tienen diferentes propiedades que los

    caracterizan y determinan su

    comportamiento como combustibles,

    lubricantes, ceras o solventes.

    El petrleo de la formacin est

    constituido principalmente por

    hidrocarburos de la serie parafnica.

    Los hidrocarburos aromticos,

    bsicamente son cadenas no polares,

    donde predominan los anillos

    insaturados. Este tiene una alta

    capacidad para disolver compuestos de

    alto peso molecular

    Los naftenos son grupos de

    hidrocarburos de anillo saturado. Estn

    dispuestos en anillos cerrados, (cclicos),

    que se encuentran en todas lasfracciones del crudo menos en las ms

    ligeras. Los naftenos predominantes son

    aquellos que solo tienen un solo anillo

    con 5 y seis tomos de carbn;

    Ciclopentano y Ciclohexano,

    respectivamente.

    Es importante destacar que las resinas y

    los asfaltenos se han caracterizado por

    ser mezclas complejas de hidrocarburos,

    que incluyen en su composicin

    parafinas, naftenos, compuestosaromticos y otros compuestos

    denominados impurezas.

    Las resinas y los asfaltenos se

    caracterizan por tener un peso molecular

    alto y presentar un comportamiento

    viscoelsticos, es decir, intermedio entre

    el slido de Hooke (elstico) y el lquido

    de Newton (viscoso).

    La importancia del conocimiento de las

    propiedades fsicas y qumicas de los

    hidrocarburos de petrleo, radica en que

    por medio de ellas, se pueden

    caracterizarlos, siendo este el punto de

    partida para el estudio de la obtencin

    de sustancias derivadas del petrleo(refinacin), a partir y tomando en

    cuenta su composicin original.

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