Introduccion a Propiedades de Hidrocarburos

Gerencia General de Tecnología

PROPIEDADES DE LOS

HIDROCARBUROS Y

COMPORTAMIENTO DE

FASES Guido Yánez Quintana, PhD


CONTENIDO DEL CURSO

1. Introducción

2. Composición química del petróleo

3. Propiedades físico químicas de los hidrocarburos

4. Comportamiento cualitativo de las interfases roca-

petroleo-agua-gas

5. Sistemas coloidales. Emulsiones

6. Tratamiento químico del petróleo (demulsificación,

tratamiento antiescala, antiparafínicos, antifricción)

7. Riesgos ambientales de la explotación del petróleo

8. Prácticas: Pruebas de laboratorio y de campo del

tratamiento del petroleo (al fin del curso)


TEMA 1.

INTRODUCCIÓN


¿Cómo se originó petróleo?

Origen Orgánico: Hipótesis de Engler

Petróleo y gas natural se habrían formado hace millones de años, por la acumulación de restos animales y vegetales que se fueron acumulando en el fondo del océano. Factores:

- Ausencia de aire. - Restos de plantas y animales (sobre todo, plancton marino) - Gran presión de las capas de tierra. - Altas temperaturas. - Acción de bacterias anaerobicas Las bacterias presentes habrían descompuesto esta materia muy lentamente, por la escasa cantidad de oxígeno presente en esas profundidades. Con el paso de tiempo, se incremento la capa de fango y sedimento sobre esta materia orgánica, aumentando la presión sobre ella.

Origen volcánico:

Se habría formado a partir de la actividad volcánica hace

milones de años.

Origen químico:

El petróleo y el gas natural serían producto de la mezcla

y reacción de una o varias sustancias minerales con el

agua del mar.


Origen Orgánico: Hipótesis de

Engler


HIPÓTESIS CÓSMICA. Sokalov, Rusia, 1892

• Hipótesis inorgánica

• El metano se formó a

partir de la caída de los

meteoritos durante la

formación de la tierra

• En los meteoritos se han

encontrado mas de 40

tipos de HC, similares al

keroseno

• La atmósfera de otros

planetas tienen metano


¿Qué es el petróleo crudo?

• Es un recurso natural no renovable

y actualmente también es la principal

fuente de energía en los países

desarrollados. El petróleo líquido

puede presentarse asociado a capas

de gas natural, en yacimientos que

han estado enterrados durante

millones de años, cubiertos por los

estratos superiores de la corteza

terrestre.


¿Qué es el petróleo crudo?

El petróleo crudo es una mezcla compleja de

químicos orgánicos, hidrocarburos en su

mayoría.

Los hidrocarburos son compuestos

orgánicos formados como dice su nombre

por hidrógeno y carbono (H y C)

http://images.google.cl/imgres?imgurl=http://laterminalrosario.files.wordpress.com/2008/06/a-fin-de-petroleo-thumb.jpg&imgrefurl=http://laterminalrosario.wordpress.com/2008/06/03/las-ltimas-gotas-de-petrleoel-fin-del-mundo/&usg=__9WC8myoYFAPDIezwOVGrx9bg4MQ=&h=310&w=310&sz=14&hl=es&start=25&tbnid=a94flvMSqwQtXM:&tbnh=117&tbnw=117&prev=/images?q=PETR%C3%93LEO&gbv=2&ndsp=18&hl=es&sa=N&start=18


¿Dónde se encuentra?

- El petróleo, junto con el gas natural, se encuentra en los intersticios de rocas porosas (caliza o areniscas), en los estratos superiores de la corteza terrestre, aprisionados por rocas no porosas. Las aguas comprimen al petróleo que queda sobre ellas por su menor densidad.


¿Qué es el gas natural?

• El gas natural es una fuente de energía no

renovable formada por una mezcla de gases que

se encuentra frecuentemente en yacimientos

fósiles, no-asociado (solo), disuelto o asociado

con (acompañando al) petróleo o en depósitos de

carbón

• Aunque su composición varía en función del

yacimiento del que se extrae, está compuesto

principalmente por metano en cantidades que

comúnmente pueden superar el 90 ó 95% (p. ej., el

gas no-asociado del pozo West Sole en el Mar del

Norte), y suele contener otros gases como

nitrógeno, CO2, H2S, helio y mercaptanos.


Fuente Preceptor





COMPUESTOS ORGANICOS

Se conoce mas de 9 millones de compuestos

orgánicos y aproximadamente 500.000

compuestos inorgánicos

Antes se refería a los compuestos que

contienen carbono y presentes o son

producidos por los organismos vivos

Hoy se ampliado el concepto: se sintetizan

compuestos orgánicos a partir de inorgánicos

(cianato de potasio + cloruro de amonio = la

urea)


CARACTERISTICAS DE LAS MOLECULAS ORGANICAS

• Tetravalencia: s2p2 s px py pz

400 kJ/mol (enlaces muy fuertes, se desprenden 830 kJ/mol al formar 2 enlaces C–H)

• Las moléculas orgánicas poseen tres tipos de hibridaciones

sp3, alcanos, tetrahédrica, 109.5º sp2 , aquenos, trigonal planar, 120º sp , alquinos, lineal, 180º

hibridación


• Electronegatividad intermedia. Enlace covalente con metales . como con no metales

• Los carbonos forman enlaces estables con los átomos de H, O, S.

• Las cadenas de carbono pueden ser lineales, ramificadas y formando anillos.

• Los triples enlaces son mas fuertes que los dobles enlaces y mas fuertes que los enlaces simples.

• La longitud entre C-C es mayor que C=C y mayor que carbono-carbono triple enlace

CARACTERISITICAS DE LAS MOLECULAS ORGANICAS

Gerencia General de Tecnología 18

C C

C H

H H

H

H H H

H

H H

C C

H - C - C - C - C - C - H

H |

H |

H |

H |

H |

| H

| H

| H

| H

| H

La química del carbono o química orgánica, estudia todas aquellas sustancias en cuyas moléculas toma parte el carbonoLos átomos de carbono, tienen mucha facilidad para unirse entre sí y formar cadenas muy variadas. Todos sus átomos forman siempre cuatro enlaces covalentes

Cadena abierta lineal

Cadena abierta ramificada

Cadena cerrada: ciclo


TIPOS DE ENLACES


• El C y el H tienen electronegatividades similares, por lo tanto, el enlace C-H son no-polares.

• Los compuestos que poseen enlaces C-C y C-H son termodinámica y cinéticamente estables.

CARACTERISITICAS DE LAS MOLECULAS ORGANICAS


• Los hidrocarburos son no-polares y son solubles en solventes no-polares y muy poco solubles en agua.

• Los compuestos orgánicos solubles en agua poseen grupos funcionales tales como: -OH, -COOH, - CHO.

SOLUBILIDAD Y PROPIEDADES


Los hidrocarburos son los compuestos orgánicos más sencillos, y solo contienen átomos de carbono e hidrógeno

Alcanos Alquenos Alquinos

Alifáticos Aromáticos

H I D R O C A R B U R O S

Saturados Insaturados



PROPIEDADES DE LOS

HIDROCARBUROS

• Punto de fusión: Bajo, se incrementa al

aumentar su peso molecular.

• Solubilidad: Insolubles en agua la gran mayoría,

pero solubles en disolventes orgánicos.

Compuestos polares, de bajo peso molecular y

formadores de puentes de hidrógeno son solubles

en agua: sales orgánicas, alcoholes

• Densidad: pesan menos que el agua

• Inflamabilidad: son inflamables


Te

mp

era

stu

ra

Número de carbonos

Punto de fusión

Punto de ebullición


Alifáticos: cadenas abiertas

Alicíclicos: cadenas cerradas

Fórmulas estructurales y geométricas

Carbono (6): cuatro enlaces por efecto de la

hibridación sp3

Saturados con hidrógeno

Cadenas lineales (alcanos nornales) y

ramificadas (isoalcanos)





Isómeros estructurales

Alcanos


PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS

• C1-C4 (gases), C5-C16 (líquidos), <C17 (sólidos)

• Incoloros, indoros, insaboro

• Insolubles en agua

• Menos densos que el agua

• Combustión: CO2 y agua


• Nomenclatura: ciclo-----ano

• Estructura cíclica (formando anillos)

• Fuente natural: petróleo de California

• Los cicloalcanos se convierten en aromáticos

mediante reformado catalítico



Estructura: hibridación sp2

Enlace doble covalente, enlace pi

Propiedades similares a los alcanos: insolubles en agua,

solubles en líquidos no polares, menos densos del agua, al

aumentar el peso molecular aumenta el punto de ebullición

Fuente industrial: craqueo catalítico

Principales productos: etileno, propileno

Usos: políetileno, polipropileno, producción de etanol,

caucho, PVC, sarán, Teflón, orlón.terpenos, vitamina A,

betacarotenos




Estructura del triple enlace C-C: hibridación sp

Nomenclatura: …..ino

Propiedades físicas similares a los alcanos,

alquenos y cicloalcanos: insolubles en agua,

solubles en disolventes no polares, Pe. superior

al correspondiente alcano y alquenos.

Aplicaciones: acetileno, fungicidas, reguladores

del crecimiento de las plantas, inhibidores de la

corrosión de los metales.


Sustancias similares al benceno en su

comportamiento químico.

El anillo bencénico: estructura atómica plana,

simétrica y resonante. A ello se debe su

estabilidad

Hibricación sp2.

Carácter aromático: anillo bencénico, insaturados

Nomenclatura: Base benceno: metil benceno,

etilbenceno, propilbenceno, etc


HIDROCARBUROS AROMÁTICOS: EL BENCENO

C C

C C

C

C H

H

H

H

H

H

El círculo central representa tres enlaces dobles entre átomos de carbono, es decir, 6 electrones, que no se encuentran localizados en posiciones fijas

Molécula de benceno (C6H6)

Hibridación sp2 del benceno. Nube electrónica “”

Nube “” común

Esqueleto “”


PROPIEDADES FISICAS: No polares e insolubles

en agua

FUENTE NATURAL: El petróleo, la hulla

FUENTE INDUSTRIAL: Reformado catalítico,

craqueo y platforming.

APLICACIONES: Solventes, naftalina, colorantes,

detergentes, materia prima para síntesis orgánica

de colorantes, fármacos.


HIDROCARBUROS AROMATICOS POLICICLICOS,

HAP´s


DISTRIBUCION DE LOS HAP´S



ASFALTENOS

Los asfaltenos del petróleo son hidrocarburos que presentan una estructura molecular extremadamente compleja, los cuales están conformados por diferentes proporciones de nitrógeno, azufre y oxígeno.

Estos compuestos ocasionan diversos problemas como el bloqueo de tuberías de extracción y transporte de crudo, reducción de su aprovechamiento económico y contaminación de los ecosistemas.


TEMA 2.

COMPOSICIÓN QUIMICA DEL

PETROLEO


Composición elemental del petróleo

ELEMENTOS

Carbono 83 – 87

Hidrógeno 12 – 14

Azufre 0 – 4

Nitrógeno 0,2

Metales (V, Ni, Fe, Mo, Co, Cr, 0.02 – 0.03

Cu. Mn, Pb, Ga, Ag, Ti, Na, K, Ba)

PORCENTAJE, % masa


COMPOSICIÓN QUIMICA DEL PETROLEO

• Alcanos (parafinas)

• Cicloalcanos (naftenos)

• Compuestos aromáticos (derivados del

benceno)

• Hidrocarburos aromáticos policíclicos

• Componentes minerales

• Compuestos heteroatómicos

– Compuestos oxigenados

– Compuestos azufrados

– Compuestos nitrogenados

• Asfaltenos

• Resinas


MuchosMuchosCarbCarbóón de Petrn de Petróóleoleo

MuchosMuchosAsfaltoAsfalto

p.f. 50 p.f. 50 -- 6060C C 3030 -- C C

5050Cera microcristalinaCera microcristalina

p.f. 50 p.f. 50 -- 6060C C 20 20 -- C C

3030Parafina sParafina sóólidalida

C C 1818 -- C C

2222Petrolato o vaselinaPetrolato o vaselina

C C 16 16 -- C C

2020Aceites lubricantesAceites lubricantes

280 280 -- 380380C C 1515 -- C C

1818Aceite combustibleAceite combustible

200 200 -- 300300C C 12 12 -- C C

1616QuerosenoQueroseno

100 100 -- 200200C C 88 -- CC 1111CC NaftasNaftas

60 60 -- 100100C C 6 6 -- C C

88BB LigroLigroíínana

30 30 -- 6060C C 55 -- CC 66AA Eter de petrEter de petróóleoleo

20 20 -- 200200C C 55 -- C C

1010GasolinaGasolina

CC 33 -- C C 44CC Propano y ButanoPropano y Butano

CC 22 -- CC 44BB OlefinasOlefinas

GasGasCC 11 -- C C 22AA Metano y EtanoMetano y Etano

a a -- 2020C C 1 1 --CC 55Gas ligeroGas ligero

Intervalo de Intervalo de

ebulliciebullicióónn

Atomos de Atomos de

CC

FRACCION FRACCION

INICIALINICIAL

SUBFRACCIONESSUBFRACCIONES

MuchosMuchosCarbCarbóón de Petrn de Petróóleoleo

MuchosMuchosAsfaltoAsfalto

p.f. 50 p.f. 50 -- 6060C C 3030 -- C C

5050Cera microcristalinaCera microcristalina

p.f. 50 p.f. 50 -- 6060C C 20 20 -- C C

3030Parafina sParafina sóólidalida

C C 1818 -- C C

2222Petrolato o vaselinaPetrolato o vaselina

C C 16 16 -- C C

2020Aceites lubricantesAceites lubricantes

280 280 -- 380380C C 1515 -- C C

1818Aceite combustibleAceite combustible

200 200 -- 300300C C 12 12 -- C C

1616QuerosenoQueroseno

100 100 -- 200200C C 88 -- CC 1111CC NaftasNaftas

60 60 -- 100100C C 6 6 -- C C

88BB LigroLigroíínana

30 30 -- 6060C C 55 -- CC 66AA Eter de petrEter de petróóleoleo

20 20 -- 200200C C 55 -- C C

1010GasolinaGasolina

CC 33 -- C C 44CC Propano y ButanoPropano y Butano

CC 22 -- CC 44BB OlefinasOlefinas

GasGasCC 11 -- C C 22AA Metano y EtanoMetano y Etano

a a -- 2020C C 1 1 --CC 55Gas ligeroGas ligero

Intervalo de Intervalo de

ebulliciebullicióónn

Atomos de Atomos de

CC

FRACCION FRACCION

INICIALINICIAL

SUBFRACCIONESSUBFRACCIONES

PETROLEO

Es una sustancia

compleja y de

composición química

variable.

Está compuesto,

principalmente, por una

mezcla de

hidrocarburos y algunos

compuestos orgánicos

de oxígeno, azufre y

nitrógeno

Los distintos

compuestos se separan

mediante destilación

fraccionada




Productos del crudo

3 - 4

5 - 10

12 - 18

18 - 24

24 - 40

24 - ~300

~40 - ~300

Número de Carbonos

Productos ligeros

Productos pesados

Crudo GLP

Gasolinas

Querosenos

Gasóleos

Lubricantes

Fuél óleo pesado

Betún


Propiedades de los productos

3 - 4 5 - 10

12 - 18

18 - 24

24 - 40

24 - ~300

~40 - ~300

Número de Carbonos Punto de ebullición (°C)

-10 - 15

15 - 150

150 - 260

230 - 370

370 - 525

370 -

525 -

GLP

Gasolina

Queroseno

Gasóleos

Lubricantes

Fuel óleo pesado

Betún


Fracción Composición Int. De Punto

de Ebullición

Usos

Gas natural C1 – C4 161a20ºC Combustible

Éter de

petróleo

C5 – C6 30 a 60 ºC Disolvente

Ligroína C7 20 a 135 ºC Disolvente

Gasolina C6 – C12 30 a 180 ºC Comb. Motores

Querosene C11 – C16 170 a 290 ºC Comb.mot.,dom.

Combustóleo C14 – C18 260 a 350 ºC Calef., calderas

Aceite

lubricante

C15 – C24 300 a 370 ºC Lubricantes

Asfalto C22 - 350 y más Construcción



Variedad de crudos

0

20

40

60

80

100

120

Vit

tori

o

Ba

ch

aq

ue

ro

Sa

fan

iya

Ku

wa

it

Ira

n L

T

Qa

tar

Gip

ps

lan

d

Gas y Gasolina

Queroseno

Gasóleo

Destilado de vacío

Betún (pen 200)


Destilación atmosférica

Queroseno

Gasóleo

Residuo atmosférico

Gas

Gasolina 125 °C 150 °C

165 °C

250°C 300 °C

280 °C

Crudo Pre-calentado

Condensador de agua


Destilación de vacío

Destilados de vacío

Residuo de vacío (Base para betunes)

46 °C

110 °C

185 °C

260°C 340 °C

Residuo atmosférico precalentado

Condensador de agua

385 °C

Vacío

350 °C (525 °C)

}


Producción mundial de petróleo


Reservas a nivel mundial


PRODUCCIÓN DE PETROLEO EN ECUADOR

0

20

40

60

80

100

120

140

2008 2009 2010 2011

Producción total, millones barriles Petroecuador Privada

Produccion petrolera 2008 2009 2010 2011

Producción total, millones

barriles 124 120 117 121

Petroecuador 64 69 69 87

Privada 59 51 47 34

Precio promedio , USD 97 43 70 96



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