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Evaluación del aceite de Anacardium occidentale como
inhibidor de floculación de asfaltenos
Evaluation of Anacardium occidentale oil as an asphaltene
flocculation inhibitor
Resumen
En la investigación se evaluó, a nivel de laboratorio, al aceite de cáscaras de la semilla de Anacardium occidentale (CNSL), como
inhibidor de oculación de asfaltenos. Se prepararon tres mezclas de CNSL en Diésel (40, 60 y 80% V/V) y se aplicaron cuatro dosis
(2, 4, 6 y 8 µL) a 10 mL de una muestra de petróleo del Campo El Furrial, Venezuela, así como, el Diésel y el aceite puros, para un
total de cinco productos evaluados a las cuatro dosis. Se midió como variable respuesta el Umbral de Floculación de los asfaltenos
(UF), como el volumen de n-heptano aplicado al petróleo hasta observar en un microscopio óptico la formación de agregados.
El diseño experimental fue factorial, con dos factores experimentales, Producto y Dosis y una variable respuesta UF, medida por
triplicado para cada combinación producto-dosis. Se aplicó ANOVA factorial y test LSD de Fisher con α = 0,05. Se obtuvo que el
umbral de oculación fue dependiente de los dos factores de forma signicativa (p < 0,05) y la presencia del CNLS en la mezcla
produce efecto inhibidor, con un máximo de eciencia de 43,6% para el producto al 80% CNLS a la dosis de 4 µL/10mL de petróleo.
Palabras clave: Precipitación, inhibidor de asfaltenos, oculación, Anacardium occidentale.
Abstract
In the investigation, Anacardium occidentale seed oil (CNSL) was evaluated at laboratory level as an asphaltene occulation
inhibitor. Three mixtures of CNSL in Diesel (40, 60 and 80% V/V) were prepared and four doses (2, 4, 6 and 8 µL) were applied to
10 mL of an oil sample from El Furrial Field, Venezuela, as well as, pure diesel and oil, for a total of ve products evaluated at the
four doses. The response variable measured was the Asphaltene Flocculation Threshold (UF), as the volume of n-heptane applied to
the oil until the formation of aggregates was observed under an optical microscope. The experimental design was factorial, with two
experimental factors, Product and Dose, and a UF response variable, measured in triplicate for each product-dose combination.
Factorial ANOVA and Fisher LSD test were applied with α = 0.05. It was obtained that the occulation threshold was signicantly
dependent on the two factors (p < 0.05) and the presence of CNLS in the mixture produces an inhibitory effect, with a maximum
efciency of 43.6% for the product at 80% CNLS at a dose of 4 µL/10mL of oil.
Keywords: Precipitation, asphaltene inhibitor, occulation, Anacardium occidentale.
Recibido: 10 de abril de 2020
Aceptado: 04 de Agosto de 2020
Dany, Arriojas-Tocuyo
1
; Tomás, Marín-Velásquez
2*
1
MBA en Gerencia de la Industria de los Hidrocarburos; Gerencia de Calidad del Dato; Petróleos de Venezuela, Punta de Mata-Venezuela;
arriojasd@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-8192-9641
2
Magíster en Gestión y Auditorías Ambientales; Docente de la Universidad de Oriente, Maturín- Venezuela; tmarin@protonmail.com;
https://orcid.org/0000-0002-3334-5895
*Autor para correspondencia: tmarin@protonmail.com
Revista Ciencia UNEMI
Vol. 13, N° 34, Septiembre-Diciembre 2020, pp. 59 - 71
ISSN 1390-4272 Impreso
ISSN 2528-7737 Electrónico
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I. INTRODUCCIÓN
El petróleo crudo es una mezcla de diversos
hidrocarburos simples y complejos, principalmente
saturados o paranas, aromáticos, resinas y asfaltenos
(Varjani, 2017). Los asfaltenos, representan, junto
con las ceras parafínicas, la fracción sólida dentro de
la composición del petróleo crudo y están formados
por una compleja mezcla de moléculas aromáticas
que están contenidos en la mayoría de los petróleos
crudos producidos en el mundo, así como también en
los residuos de su procesamiento y también en el del
carbón (Zuo, Qu & Shen, 2019).
Por otro lado, los asfaltenos son considerados
la fracción polidispersa más pesada y polarizable
del petróleo crudo (Vargas, Creek & Chapman,
2010). Los asfaltenos, por su complejidad, no
tienen una estructura molecular denida, por lo
que se clasican según la teoría de la solubilidad;
es decir, los asfaltenos son sustancias químicas
que son solubles en disolventes aromáticos como
el tolueno, el benceno o el xileno, pero insolubles
en disolventes parafínicos como el n-pentano o el
n-heptano (Kuanga at al., 2016). Estructuralmente
están constituidos por anillos poliaromáticos unidas
por cadenas alifáticas laterales.
Según describen Li et al. (2020 los asfáltenos
son compuestos sólidos, de apariencia na y su color
va de negro a marrón oscuro, con peso molecular
en el rango de entre mil a 50 mil UMA (Unidad de
Masa Atómica). Al ser componentes sólidos, que
forman parte de la composición del petróleo, se ha
denido su estado como de sólidos suspendidos
coloidalmente dentro de la fase líquida constituida
por hidrocarburos saturados y aromáticos,
estabilizados por una capa de resina (García-James,
Pino, Marín & Maharaj, 2012; Romero, Feitosa,
Ribeiro & Batista, 2018). Esta denominada teoría
coloidal, fue propuesta por Mansoori (1997) y supone
que la estabilidad de los asfaltenos depende de la
interacción entre las resinas, los asfaltenos y el resto
de los componentes del petróleo crudo.
El sistema coloidal formado por la unión de los
asfaltenos y las resinas (micelas) y los componentes
líquidos del petróleo crudo, se encuentra en un
estado de pseudo equilibrio termodinámico (Li et
al., 2020) por lo que cambios en las condiciones
de temperatura, presión, composición y régimen
de ujo causan la desestabilización del sistema,
propiciando la separación y agregación de las
partículas de asfaltenos, formando depósitos que
producen taponamiento de tuberías y equipos de
procesos (Soltani, Reisi & Norouzi, 2019).
Los depósitos de asfaltenos generan problemas
en todas las fases de la producción petrolera. Puede
causar daños en la formación en las regiones cercanas
a los pozos de petróleo por la obstrucción parcial
o total del espacio poroso (Kraiwattanawong et al.,
2009). Pueden obstruir el fondo del pozo y tuberías de
producción y equipos de supercie (Alimohammadi,
Zendehboudi & James, 2019). Durante el transporte
de petróleo crudo, la precipitación y la deposición
de asfaltenos pueden obstruir los oleoductos y
asentarse en los buques cisternas (Li, Chia, Guoa &
Sun, 2019). En las renerías, los asfaltenos pueden
depositarse en las columnas de destilación, ensuciar
los intercambiadores de calor y también causar la
desactivación de los catalizadores (Ghosh, Chaudhuri,
Kumar & Panja, 2016). Estos problemas conducen a
una pérdida signicativa de productividad y a un alto
costo para la remoción de los taponamientos.
La inhibición y estabilización de los asfaltenos
es fundamental para mantener la productividad
de los pozos petroleros que producen petróleos
inestables, es decir petróleos que tiene tendencia a
formar depósitos de asfaltenos (Ashoori, Shari,
Masoumi & Salehi, 2017). La técnica más utilizada
para estabilizar los asfaltenos, es la inhibición de la
formación de agregados mediante la aplicación de
productos químicos que intervienen en el proceso
de oculación de las partículas de asfaltenos y las
mantienen en suspensión (Paridar, Solaimany &
Karimi, 2018). Los productos químicos utilizados
están formulados a base de disolventes orgánicos
aromáticos y resinas sintéticas; la función es reforzar
la capa estabilizante natural y dispersar las partículas
evitando que se atraigan y formen agregados (Li et
al., 2020).
Al ser los productos inhibidores y dispersantes de
asfaltenos formulados a partir de resinas sintéticas,
su costo de producción es alto y, aun cuando se
aplican en cantidades pequeñas (ppm o µL/L), su uso
continuo genera gastos importantes a la industria.
Adicionalmente, son difíciles de degradar y, al entrar
en contacto con el suelo o el agua, genera un problema
ambiental (Machałowski et al., 2020). Lo anterior ha
llevado al estudio productos alternativos de menor
61
Arriojas y Marín. Evaluación del aceite de Anacardium occidentale como inhibidor
costo y menos agresivos para el ambiente, no solo
para el tratamiento de los asfaltenos, sino para todas
las operaciones de tratamiento del petróleo.
Los aceites vegetales son estudiados como
sustitutos de las resinas sintéticas en el tratamiento
del petróleo, como el uso del aceite de coco para el
tratamiento de las emulsiones de agua en petróleo
(Saat, Chin & Wong, 2020) o como estabilizante
de asfaltenos (Marín, 2019). Otro aceite vegetal
utilizado como estabilizante de asfaltenos proviene
de la semilla de Jatropha curcas (Marín, Marcano &
Febres, 2016) demostró ser eciente y con potencial
para su uso a nivel de campo. Igualmente se evaluaron
ácidos grasos obtenidos de aceites vegetales, que
a pesar de su menor eciencia en comparación con
una resina sintética, demostró que causa un efecto
inhibidor positivo; adicional, se producen de forma
natural, son respetuosos con el ambiente y rentables,
sustitutivos adecuados de los productos comerciales
(Alrashidi, Afra & Nasr-El-Din, 2019). Otros aceites
vegetales que han sido estudiados y que ha mostrado
actividad inhibidora de la oculación y precipitación
de asfaltenos, se encuentran: aceite de nabo, aceite
de almendra amarga, aceite de sésamo, aceite de
manzanilla, aceite de jengibre, aceite de avellana,
aceite de oliva y el aceite de romero.
El Anacardium occidentale es un árbol originario,
de la América tropical, perteneciente a la familia
Anacardiaceae. El árbol tiene diversos usos como la
madera, el pseudo fruto comestible con un alto valor
nutricional de 47% de grasa, 21% de proteína y 22%
de carbohidratos, vitaminas y aminoácidos (Lafont,
Páez & Portacio, 2011), y su semilla tipo nuez de
forma arriñonada compuesto por proteína, bra y
grasa (Salehi et al., 2019).
De la cáscara que envuelve a la nuez (pericarpio) se
obtiene un aceite de color marrón oscuro denominado
CNSL (Cashew Nut Shell Liquid), principalmente
de compuestos fenólicos que combinan el carácter
arómatico con largas cadenas alifáticas, ácido
anacárdico, cardol y cardanol; este último es el más
abundante y está presente en cantidades que varían
desde el 68% hasta el 95% (Nunes et al., 2019).
Considerando las característica aromáticas
y resinosas del CNSL y los resultados positivos
observados en las investigaciones citadas, al utilizar
aceites vegetales, se decidió investigar a nivel de
laboratorio, su posible uso como componente activo
inhibidor de la oculación de asfaltenos, como una
alternativa rentable y ecoamigable, aplicado a un
petróleo crudo del oriente venezolano, debido a que
en esta zona se producen petróleos inestables, es
decir que tienen tendencia a generar precipitación de
asfaltenos, que generan taponamiento de.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Caracterización de las muestras de
petróleo crudo.
La muestra de petróleo crudo utilizada se obtuvo
de un pozo productor del Campo El Furrial, ubicado
en la población del mismo nombre en el Estado
Monagas, Venezuela. La misma fue proporcionada
por personal de operaciones de Petróleos de
Venezuela (PDVSA), en envase plástico de un galón
de capacidad y almacenada refrigerada a 4°C en el
Laboratorio de Procesamiento de Hidrocarburos
de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas
de la Universidad de Oriente, Núcleo de Monagas,
Venezuela, en donde además se realizaron todos
los ensayos correspondientes. Dicha muestra fue
caracterizada para obtener propiedades básicas como
Gravedad API según norma estándar ASTM D287
(2012), Viscosidad dinámica por la norma ASTM
D2196 (2018), porcentaje de agua y sedimentos según
norma ASTM D4007 (2016) y composición SARA
aplicando el procedimiento descrito en la norma
ASTM D2007 (2011). A partir de los resultados el
análisis SARA, se determinó el índice de estabilidad
coloidal mediante la ecuación 1, descrita por Ghosh,
Chaudhuri, Kumar y Panja (2016)
También se determinó su umbral de oculación
de asfaltenos (UF) mediante el principio de
titulación con n-heptano (Oliensis Spot Test
Number) modicado mediante microscopía óptica
(Abrahamsen, 2012; Kraiwattanawong et al., 2009;
Marín, 2019).
En el procedimiento para determinar el UF se
aplica n-heptano en proporciones sucesivas de 0,5 mL
a una muestra de 10 mL de petróleo crudo sometido
a agitación y temperatura constante de 25 °C. Luego
de agitar por 5 min, por cada aplicación se extrajo
una alícuota del petróleo crudo y se observó en un
microscopio óptico con ocular 10X para constatar la
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formación de los óculos de asfaltenos, anotándose
el volumen total de n-heptano (mL) utilizado como
el UF de los asfaltenos, en caso de no observarse
óculos, se repite el proceso desde la adición de 0,5
mL más de n-heptano. El esquema se muestra en la
Figura 1.
Figura 1. Esquema del ensayo para determinar UF. Fuente: Arriojas y Marín (2020)
Obtención del aceite de cáscaras de A.
occidentale (CNSL)
Las cáscaras de A. occidentale fueron obtenidas
de frutos recolectados en la población de El Furrial
y poblaciones vecinas (Musipán y Punta de Mata).
Se escogieron cáscaras de pseudo frutos maduros y
se separaron manualmente de la nuez, se trituraron
igualmente de forma manual y se secaron en estufa de
laboratorio a una temperatura de 80 °C para eliminar
el exceso de humedad.
Para la extracción del aceite se utilizó un equipo
Sohxlet de 500 mL de capacidad y se utilizó como
disolvente n-hexano grado analítico. La extracción se
realizó con una proporción de 300 mL de disolvente
por 30 g de cáscara triturada y seca. El proceso se
realizó durante cuatro horas. El extracto se concentró
en un rotoevaporador y se almacenó en frascos de
vidrio a condiciones de laboratorio (25 °C)
Preparación de productos a evaluar
Se prepararon tres productos con tres
concentraciones de CNSL como componente activo
y combustible Diésel como disolvente (40, 60 y 80%
CNSL), para evaluar el efecto de la concentración del
aceite sobre el UF de asfaltenos. Las mezclas fueron
aplicadas al petróleo crudo en cuatro dosis (2, 4, 6 y 8
µL por 10 mL de petróleo). Adicionalmente se aplicó
Diésel puro y NCSL puro en las mismas dosis. Luego
de aplicar el producto al petróleo crudo, se procedió
a determinar el UF de los asfaltenos y se comparó
con el UF original, con lo que se obtuvo la Actividad
Inhibidora Relativa Porcentual (ARP) mediante la
ecuación 2.
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Arriojas y Marín. Evaluación del aceite de Anacardium occidentale como inhibidor
Fuente: elaboración propia
Fuente: elaboración propia
Cada valor de UF se obtuvo por triplicado, lo que
representó un total de 60 ensayos.
Tratamiento estadístico de los resultados
Los resultados fueron sometidos a una prueba
de normalidad de Kolmogorov-Smirnov, para
establecer si se aplicaba estadística paramétrica o
no paramétrica. El resultado de esta prueba arrojó
un valor de signicancia p = 0,2149 el cual al ser
mayor que α = 0,05 indicó que no se puede rechazar
la hipótesis de que UF proviene de una distribución
normal con 95% de conanza.
Diseño experimental
Se estableció un diseño experimental factorial,
con dos factores (Producto y Dosis) y una variable
respuesta (UF). El diseño seleccionado tiene
60 ejecuciones, con 1 una muestra tomada en
cada ejecución. El modelo fue de Interacciones
de 2 factores con 22 coecientes. Los factores
experimentales se describen en la Tabla 1.
Tabla 1. Descripción de los factores experimentales
Tabla 2. Propiedades de la muestra de petróleo crudo
Factor Nomenclatura Nivel
Producto
P0 0% CNSL
P1 40% CNSL
P2 60% CNSL
P3 80% CNSL
P4 100% CNSL
Dosis
D2 2 µL de producto
D4 4 µL de producto
D6 6 µL de producto
D8 8 µL de producto
Propiedad Valor Unidad
Gravedad API
27,4 °API
Viscosidad a 25°C
17,7 cP
%AyS
0,1 %
%Saturados
50,5 %
%Aromáticos
21,2 %
%Resinas
5,1 %
%Asfaltenos
3,1 %
%Volátiles
20,1 %
UF
7,8±0,3 mLC7
De acuerdo a lo anterior se aplicó la prueba de
varianza ANOVA con análisis múltiple de rangos
basado en la Diferencia Mínima Signicativa de
Fisher (LSD) con signicancia α = 0,05. Para el
análisis del diseño experimental, se utilizó el paquete
estadístico Statgraphics Centurion XVII.
III. RESULTADOS
Las propiedades obtenidas al caracterizar la
muestra de petróleo crudo utilizada se muestran en
la Tabla 2.
De acuerdo a las características obtenidas, el
petróleo se clasica como mediano o medio (API entre
22 y 32). El porcentaje de agua y sedimentos (%AyS)
de 0,1 indica que el petróleo contiene poca agua, es
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decir es un petróleo seco o limpio. En cuanto a la
composición SARA, se observa una mayor cantidad
de compuestos saturados y aromáticos (71,7%),
El valor de CII calculado a través de la ecuación
1 dio como resultado 2,03 valor que se interpreta
como de un petróleo crudo inestable (CII 0,9)
es decir tiene tendencia producir precipitación de
asfaltenos (Ghosh et al., 2016). El UF indica que se
necesitan 7,8 ± 0,3 mL de n-heptano para iniciar la
formación de agregados por cada 10 mL de petróleo
crudo (0,75 a 0,81 mL/mL). Este valor de UF original
es la referencia para determinar si los tratamientos
mejoran la estabilidad, produciendo un aumento de
éste.
En la Tabla 3 se muestran los resultados de UF
obtenidos al aplicar los tratamientos al petróleo
crudo.
En la tabla 3 se observa una tendencia a aumentar
el UF de la muestra de petróleo crudo luego de la
aplicación de los tratamientos. En el caso del P0,
que fue la aplicación de Diésel puro, los valores de
UF se mantuvieron iguales a los del petróleo original
(7,8 mL n-heptano) y se observó que en la dosis de
Fuente: elaboración propia
Tabla 3. Umbrales de Floculación obtenidos al aplicar los tratamientos en mL de n-heptano.
Producto Dosis µL UF promedio DE
PO
2 7,8 0,3
4 7,8 0,3
6 7,3 0,3
8 7,8 0,3
P1
2 8,7 0,3
4 8,7 0,3
6 8,3 0,3
8 8,0 0,5
P2
2 7,8 0,3
4 8,5 0,5
6 9,8 0,3
8 9,7 0,6
P3
2 9,7 0,6
4 11,2 0,3
6 9,5 0,9
8 8,7 0,6
P4
2 9,2 0,3
4 9,7 0,6
6 10,3 0,6
8 10,5 0,5
6 µL este valor fue incluso menor al obtenerse 7,3
mL de n-heptano en promedio. Los tratamientos
con los mayores valores de UF fueron P3 y P4,
que representan 80% de CNSL en Diésel y 100%
CNSL. En la Figura 2, se muestran microfotografías
obtenidas de los agregados de asfaltenos.