Insights of asphaltene aggregation mechanism from molecular dynamics simulation

Visualización del mecanismo de agregación de asfaltenos usando simulación de dinámica molecular

Asphaltene aggregation process was studied using molecular dynamics techniques. Four different structures were used. The first three molecules have a continental structure, with condensed aromatic cores, while the forth has an archipelago structure, with small groups of aromatic rings connected with saturated chains. The molecules were constructed in an atomistic framework, in which atoms are described individually. Interaction forces were calculated at 300 K and 200 atm; Van der Waals and electrostatic interactions were evaluated separately. For all four molecules the solubility parameter was calculated. It was found that Van der Waals interactions due to the presence of aromatic rings and electrostatic forces caused by the presence of heteroatoms such as oxygen, nitrogen and sulfur, are equally relevant in the aggregation of asphaltene molecules. For all molecules it was found asphaltene systems are more stable in aggregation state than in monomeric state. For continental structures, the presence of long ramifications obstructs the formation of asphaltene aggregates. For archipelago structures, the flexibility of the molecules enables the aggregation with other structures. The presence of heteroatoms creates a repulsive force that hinders the aggregation process. The molecular volume and the cohesive energy are also sensitive to the geometric configuration and the composition of the species, which affects the solubility parameter.

Se estudió el proceso de agregación de asfaltenos utilizando técnicas de dinámica molecular. Se utilizaron cuatro estructuras diferentes. Las primeras tres moléculas tienen una estructura continental, con núcleos aromáticos condensador, mientras que la cuarta posee una estructura tipo archipiélago, con pequeños grupos de anillos aromáticos conectados con cadenas saturadas. Las moléculas fueron construidas de manera atomística, en la cual cada átomo se describe individualmente. Se calcularon las fuerzas de interacción a 300 K y 200 atm; las fuerzas de Van der Waals y las interacciones electrostáticas fueron evaluadas separadamente. Se calculó el parámetro de solubilidad para las cuatro moléculas. Se encontró que las interacciones de Van der Waals asociadas a los anillos aromáticos y las fuerzas electrostáticas ocasionadas principalmente por la presencia de heteroátomos como oxígeno, azufre y nitrógeno, son igualmente relevantes en la agregación de moléculas de asfalteno. Para todas las moléculas se encontró que los sistemas de asfaltenos tienen menor energía en estado de agregación que en estado monomérico. Para las estructuras continentales, la presencia de largas cadenas obstruye el proceso de formación de agregados. Para las estructuras tipo archipiélago, la flexibilidad de las moléculas facilita la agregación con otras estructuras. La presencia de heteroátomos ocasiona una fuerza repulsiva que dificulta la agregación. El volumen molecular y la energía de cohesión también son sensibles a la configuración geométrica y la composición de las especies, lo cual afecta el parámetro de solubilidad.