Structural Study of Asphaltenes from Iranian Heavy Crude Oil

Étude structurale d’asphaltènes de pétrole brut lourd iranien

Department of Chemical Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), 424 Hafez Ave, Tehran - Iran
e-mail: leiladavarpanah@gmail.com - far@aut.ac.ir - alidermanaki@gmail.com

^⋆ Corresponding author

Abstract

In the present study, asphaltene precipitation from Iranian heavy crude oil (Persian Gulf off-shore) was performed using n-pentane (n-C₅) and n-heptane (n-C₇) as light alkane precipitants. Several analytical techniques, each following different principles, were then used to structurally characterize the precipitated asphaltenes. The yield of asphaltene obtained using n-pentane precipitant was higher than asphaltene precipitated with the use of n-heptane. The asphaltene removal affected the n-C₅ and n-C₇ maltene fractions at temperatures below 204°C, as shown by the data obtained through the simulated distillation technique. Viscosity of heavy oil is influenced by the asphaltene content and behavior. The viscosity dependence of the test heavy oil on the shear rate applied was determined and the flow was low at y. above 25 s^-1 . The reconstituted heavy oil samples were prepared by adding different amounts of asphaltenes to the maltenes (deasphalted heavy oil) and asphaltene effects were more pronounced at the low temperature of 25°C as compared with those at the higher temperatures. According to the power law model used in this study the flowability of the test heavy oil exhibited a pseudoplastic character. Structural results obtained from Fourier Transform InfraRed (FTIR) spectroscopy showed the presence of the different functional groups in the precipitated asphaltenes. For instance, the presence of different hydrocarbons (aliphatic, aromatic and alicyclic) based on their characteristics in the FTIR spectra was confirmed. Resins are effective dispersants, and removal of this fraction from the crude oil is disturbing to the colloidal nature of heavy oil; asphaltene flocculation and precipitation eventually occur. Appearance of pores in the Scanning Electron Microscopy (SEM) images was used as an indicator of the resin detachment. With the use of ¹H and ¹³C Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, two important structural parameters of the asphaltenes were determined. Namely, the aromaticity (fa) and the average number of carbon atoms per alkyl side chain (n_carbon), where f_a for n-C₅ asphaltenes was lower (0.39) than that obtained with n-C₇ solvent (0.49). Additionally, the n_carbon parameter values were 7.7 and 5.7 for n-C5 and n-C₇ asphaltenes, respectively. Structural recognition of the oil constituents is the prerequisite of different techniques usable for heavy oil upgrading.

Résumé

Dans la présente étude, la précipitation d’asphaltènes du pétrole brut lourd iranien (au large du golfe Persique) a été effectuée au moyen de n-pentane (n-C₅) et de n-heptane (n-C₇) comme alcanes légers précipitants. Plusieurs techniques analytiques, chacune utilisant différents principes, ont ensuite été utilisées pour caractériser la structure des asphaltènes précipités. Le rendement en asphaltènes obtenu par l’utilisation du précipitant n-pentane était plus élevé que pour les asphaltènes précipités à l’aide du n-heptane. L’extraction des asphaltènes a affecté les fractions de maltènes n-C₅ et n−C₇ à des températures inférieures à 204 °C, comme l’indiquent les données obtenues par la technique de distillation simulée. La viscosité du pétrole lourd est influencée par la teneur et le comportement des asphaltènes. La dépendance de la viscosité du pétrole lourd testé avec le taux de cisaillement appliqué a été déterminée et l’écoulement était faible à y. supérieur à 25 s^-1. Les échantillons de pétrole lourd reconstitués ont été préparés en ajoutant différentes quantités d’asphaltènes aux maltènes (pétrole lourd désasphalté) et les effets des asphaltènes ont été plus prononcés à la basse température de 25 °C, comparés à ceux obtenus à des températures plus élevées. Selon le modèle de loi de puissance utilisé dans cette étude, la fluidité du pétrole lourd testé a révélé un caractère pseudoplastique. Les résultats structuraux obtenus à partir de la spectroscopie InfraRouge à Transformée de Fourier (IRTF) ont montré la présence de différents groupes fonctionnels dans les asphaltènes précipités. Par exemple, la présence de différents hydrocarbures (aliphatique, aromatique et alicyclique), basée sur leurs caractéristiques dans le spectre IRTF, a été confirmée. Les résines sont des dispersants efficaces et le retrait de cette fraction du pétrole brut perturbe la nature colloïdale du pétrole lourd, la floculation et la précipitation des asphaltènes finissant par se produire. L’apparition de pores sur les images SEM (Scanning Electron Microscopy) a été utilisée comme indicateur du détachement de la résine. A l’aide de la spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ¹H et ¹³C, deux paramètres structuraux importants des asphaltènes ont été déterminés. A savoir, l’aromaticité (f_a) et le nombre moyen d’atomes de carbone par chaîne alkyle latérale (n_carbone), où f_a pour les asphaltènes n-C₅ était plus faible (0,39) que celui obtenu avec le solvant n-C₇ (0,49). En outre, les valeurs du paramètre n_carbone étaient respectivement de 7,7 et 5,7 pour les asphaltènes n-C₅ et n-C₇. L’identification structurale des composés du pétrole représente un prérequis pour les différentes techniques utilisables pour la transformation du pétrole lourd.