introduccion a propiedades de hidrocarburos
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Gerencia General de Tecnología
PROPIEDADES DE LOS
HIDROCARBUROS Y
COMPORTAMIENTO DE
FASES Guido Yánez Quintana, PhD
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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)
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TEMA 1.
INTRODUCCIÓN
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¿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.
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Origen Orgánico: Hipótesis de
Engler
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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
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¿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.
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¿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)
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¿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.
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¿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.
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Fuente Preceptor
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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)
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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
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• 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
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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
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TIPOS DE ENLACES
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• 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
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• 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
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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
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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
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Te
mp
era
stu
ra
Número de carbonos
Punto de fusión
Punto de ebullición
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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)
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Isómeros estructurales
Alcanos
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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
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• Nomenclatura: ciclo-----ano
• Estructura cíclica (formando anillos)
• Fuente natural: petróleo de California
• Los cicloalcanos se convierten en aromáticos
mediante reformado catalítico
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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
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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.
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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
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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 “”
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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.
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HIDROCARBUROS AROMATICOS POLICICLICOS,
HAP´s
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DISTRIBUCION DE LOS HAP´S
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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.
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TEMA 2.
COMPOSICIÓN QUIMICA DEL
PETROLEO
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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)
}
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Producción mundial de petróleo
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Reservas a nivel mundial
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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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