ASPHALTÈNES

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ASPHALTÈNES

La fraction lourde des pétroles bruts est constituée par les asphaltènes et les résines qui forment une partie importante des résidus de distillation du pétrole en raffinage. Ce sont des composés contenant C, H, S, O et N à la différence des hydrocarbures qui ne contiennent que C et H. Ils sont généralement définis par leur procédure de séparation: les asphaltènes sont précipités par un fort excès d’un alcane de C5 à C7; les résines sont ensuite précipitées par le propane. La teneur globale en produits lourds varie selon la nature de l’huile brute de moins de 10 p. 100 dans les pétroles paraffiniques jusqu’à 70 p. 100 dans les pétroles très lourds et asphaltes. Les asphaltènes eux-mêmes varient de 0 à 50 p. 100.

La structure des asphaltènes et résines doit être envisagée à deux échelles: la microstructure correspondant à des masses moléculaires de 500 à 10 000 environ et la macrostructure qui peut résulter d’une association de ces entités entre elles et dépend du milieu dans lequel les asphaltènes sont présents. Dans le schéma classique de Yen, l’unité de base est un feuillet polyaromatique supportant des groupements fonctionnels et des chaînes aliphatiques. Les feuillets sont empilés pour former des particules (constituées par exemple de 3 à 5 feuillets), par une association où les liaisons 神— 神 entre feuillets aromatiques, ainsi que les liaisons hétéroatomiques (soufre) semblent jouer un rôle important. Les résines, dont la masse moléculaire est plus faible que celle des asphaltènes, pourraient être constituées d’un seul feuillet. La macrostructure fait intervenir l’environnement des asphaltènes. Dans une huile normale, on considère que les particules d’asphaltènes sont entourées de résines qui, à leur tour, baignent dans un environnement d’hydrocarbures surtout aromatiques, assurant ainsi une transition vers la masse du pétrole, où les hydrocarbures saturés sont généralement prédominants. Dans les huiles lourdes, où la concentration d’asphaltènes est trop élevée, des associations asphaltène-asphaltène formeraient des agrégats de poids moléculaire élevé (104 à 106) entraînant une forte viscosité.

La composition élémentaire des asphaltènes reflète le degré d’aromaticité et le nombre assez restreint de groupements fonctionnels. Elle varie assez peu, montrant une certaine unité de composition: le rapport atomique H/C est en général compris entre 1,1 et 1,3; le rapport O/C entre 0,01 et 0,03; le rapport S/C est plus variable, entre 0,002 et 0,04. Les asphaltènes et résines contiennent également la totalité des métaux présents dans les pétroles bruts, en particulier le vanadium et le nickel. Une partie de ces métaux a été identifiée dans des porphyrines (vanadyl ou nickel); il est possible que le reste soit situé dans des complexes également de type prophyrinique, mais intégrés dans un édifice asphalténique de masse moléculaire plus élevée. La mesure des masses moléculaires des asphaltènes se heurte au problème de la macrostructure de ces particules qui peut être différente selon qu’on considère les asphaltènes dans le pétrole brut, dans un solvant de qualité variable, ou à l’état précipité. Les résultats des mesures doivent donc être interprétés avec précaution.

Le rôle des asphaltènes dans la genèse du pétrole n’est pas totalement élucidé. La similitude de composition chimique entre les asphaltènes et le kérogène, tous deux présents dans les roches mères, suggère que sous l’action de l’enfouissement et de l’élévation de température qui en résulte le kérogène se fragmente — par rupture des liaisons les plus labiles — pour libérer des édifices comparables mais plus petits, les asphaltènes. À leur tour ceux-ci produisent des hydrocarbures par rupture progressive de liaisons chimiques et élimination des groupements fonctionnels restants. Les asphaltènes représentent alors des intermédiaires dans la formation des hydrocarbures à partir du kérogène. Dans la migration du pétrole de la roche mère vers les réservoirs, les produits lourds sont très défavorisés puisque résines et asphaltènes constituent couramment 50 p. 100 d’un pétrole dans sa roche mère et seulement 10-15 p. 100 des pétroles normaux, non dégradés dans les gisements.

Les asphaltènes, abondants dans les huiles lourdes, sont les principaux responsables des difficultés rencontrées dans l’exploitation et la valorisation de celles-ci. Au niveau de la mise en production des gisements, ils sont généralement à l’origine des viscosités élevées des huiles lourdes, qui nécessitent des méthodes spécifiques d’exploitation, ainsi que des anomalies de mouillabilité de la roche réservoir qui sont parfois observées. Dans les opérations de raffinage des huiles lourdes, ou de traitement des résidus de la distillation des pétroles classiques, les asphaltènes sont responsables de la viscosité élevée des résidus, ainsi que des dépôts de coke et de métaux sur les catalyseurs utilisés pour leur traitement. La présence de composés hétéroatomiques contenant du soufre et de l’azote est également un facteur d’empoisonnement des catalyseurs. L’utilisation de certains fuels lourds ou résiduels pose également des problèmes de viscosité et de miscibilité de ces fuels qui sont liés à la présence d’asphaltènes. Lors de la combustion de ces produits, ils interviennent dans la formation des imbrûlés solides. Enfin, dans le domaine de la protection de l’environnement, on constate que, lors d’un accident pétrolier en mer, asphaltènes et résines représentent la fraction majeure qui subsiste après quelques mois d’exposition aux agents naturels de dégradation.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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