TECONOLOGIA DE MICRO-ONDAS
APLICADA A DESESTABILIZAÇÃO DE
EMULSÕES DE PETRÓLEO
Wilson Linhares dos Santos (UEM )wilson.linhares@yahoo.com.br
A produção do petróleo geralmente é acompanhada pela produção de água, sendo escoados pela coluna de produção, seguindo para a superfície através de dutos, válvulas, conexões e acessórios de tubulações até chegar às plantas de processamentoo primário. Todo este percurso acidentado em condições severas de temperatura e pressão que os fluidos produzidos devem atravessar promove uma mistura intensa entre os componentes, principalmente da água com óleo e contaminantes, resultando no aparecimento das emulsões, cuja estabilidade constitui um dos maiores problemas na separação primária do petróleo. As operações de quebra ou desestabilização de emulsões de petróleo são de elevada importância tanto nas plantas de processamento primário quanto nas refinarias, envolvendo etapas de tratamento térmico, químico ou eletrostático, cuja eficácia é baixa para petróleos pesados, sendo necessários tempos de processamento muito elevados e/ou a utilização de quantidades substanciais de produtos químicos. Uma alternativa reconhecida na literatura por sua eficácia e rapidez na separação de fases de emulsões estáveis se dá com a aplicação de micro-ondas. O objetivo do presente trabalho reside na investigação da desestabilização de três petróleos nacionais (leve, médio e pesado) em sistema pressurizado (20 bar) empregando radiação micro-ondas (reator Synthos 3000 da Anton Paar) em modo batelada. A partir de petróleo e água, foram preparadas emulsões estáveis (A/O) com diâmetro médio de gotas inferior a 12 μm e com teor de água de 45% em base mássica. As principais variáveis investigadas foram tempo de aquecimento (10, 15, 20 e 30 min), temperatura (90, 120, 150 e 180 °C) e potência de irradiação (200, 500, 1000 e 1400W). A influência da salinidade da fase aquosa também foi avaliada. Os resultados de processamento de emulsões dos três petróleos via micro-ondas mostram que é possível obter altas eficiências de separação (acima de 95%) empregando temperaturas de 150-180°C, potência de irradiação de 500-1000 W em tempos de batelada de 20-30 min, sem adição de produtos químicos desemulsificantes.
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1. Introdução
A produção do petróleo geralmente é acompanhada pela produção de água, sendo escoados pela coluna de produção, seguindo para a superfície através de dutos, válvulas, conexões e acessórios de tubulações até chegar às plantas de processamento primário. Todo este percurso acidentado em condições severas de temperatura e pressão que os fluidos produzidos devem atravessar promove uma mistura intensa entre os componentes, principalmente da água com óleo e contaminantes, resultando no aparecimento das emulsões (SMITH e ARNOLD, 1992). O processamento primário do petróleo, normalmente realizado no próprio campo produtor tem como finalidade a separação das três fases: óleo, água e gás. A etapa de separação da água é certamente a mais complexa e importante do processo, já que sua presença contribui para a ocorrência de corrosão, formação de hidratos e aumento da viscosidade do óleo podendo dificultar o escoamento, entre outros. A água presente no óleo pode estar sob a forma livre ou emulsionada com o óleo. A água emulsionada pode representar teores de até 60% da água total, devendo ser separada em separadores de produção e tratadores de óleo, de modo a atingir valores inferiores a 1%, porcentagem máxima aceita pelas refinarias. A estabilidade das emulsões de água em petróleo tem se configurado como um dos maiores problemas na separação primária do petróleo (SJÖBLOM et al., 2003).
As operações de quebra ou desestabilização de emulsões de petróleo são de elevada importância tanto nas plantas de processamento primário quanto nas refinarias, envolvendo etapas de tratamento térmico, químico ou eletrostático (COUTINHO, 2005), cuja eficácia é baixa para petróleos pesados, sendo necessários tempos de processamento muito elevados e/ou a utilização de quantidades substanciais de produtos químicos. Uma alternativa reconhecida na literatura por sua eficácia e rapidez na separação de fases de emulsões estáveis se dá com a aplicação de micro-ondas (FANG et al., 1988; FANG et al., 1989; XIA et al., 2004; ABDURAHMAN E ROSLI, 2006; FORTUNY et al., 2007). O objetivo do presente trabalho reside na investigação da desestabilização de três petróleos nacional (P1, P2 e P3) em sistema pressurizado (P=20 bar) empregando irradiação micro-ondas (reator Synthos 3000 da Anton Paar) em sistema batelada, em diferentes condições de temperatura, potência irradiada e tempo de aquecimento.
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2. Materiais e métodos 2.1. Materiais
Petróleo: As investigações foram realizadas com base em três petróleos provenientes do litoral brasileiro, com características distintas em termos de viscosidade, acidez e densidade. Os petróleos utilizados foram denominados P1, P2 e P3. As amostras de petróleo foram caracterizadas no laboratório da PETROBRAS/CENPES. Os testes de estabilidade e a caracterização das propriedades das emulsões foram conduzidos no Núcleo de Estudos em Sistemas Coloidais (NUESC), sediado na Universidade Tiradentes (UNIT);
Óleo Mineral: Como diluente foi utilizado o Óleo Mineral 70 NF BB-190 que é um óleo incolor, utilizado para diluição do petróleo para determinação do tamanho de gotas, fornecido pela Empresa Iq Soluções e Química S.A., sediada no Estado de São Paulo;
Reagentes: Para preparação de solução para análise do teor de água, foram utilizados reagentes de Karl Fischer (5,00 mgH2O/mL), Álcool Metílico (99,8 % pureza) e Clorofórmio isento de piridina (99,8 % pureza) todos da marca VETEC.
2.2. Métodos
Síntese da emulsão: Para síntese das emulsões de petróleo (A/O), foi utilizado o homogeneizador da KINEMATICA modelo Polytron System PT 3100 D. Os procedimentos de síntese foram baseados no trabalho de Fortuny et al. (2007);
Determinação da distribuição do tamanho de gotas (DTG): Na caracterização da DTG utilizou-se o analisador de tamanho de partícula da Malvern modelo Mastersizer 2000, e de acordo com os procedimentos de Fortuny et al. (2007). A faixa de leitura do equipamento é de 0,02 µm a 2000 µm dependendo do material utilizado;
Titulação por Karl Fischer: Para a determinação do teor de água nas amostras utilizou-se o método de titulação com reagente de Karl Fischer baseado na norma ASTM D1744. Os ensaios foram realizados por titulador potenciométrico da Metrohm, modelo Titrino plus 870; Desestabilização de emulsões: Foram realizados ensaios de quebra de emulsões conduzidos em reator micro-ondas Synthos 3000 da Anton Paar, conforme mostra Figura 1. Em todos os ensaios foram empregados 4 frascos de quartzo localizados nas posições 1, 3, 5 e
4 7 do reator. Todos os frascos foram preenchidos com uma massa de emulsão de 20 gramas, sendo avaliado unicamente o efeito das micro-ondas na separação;
Figura 1 - Reator Micro-ondas Synthos 3000 da Anton Paar (a), frascos de quartzo (b).
a b
A Figura 2 ilustra o fluxograma experimental.
5 Procedimento experimental: As emulsões preparadas neste trabalho foram sintetizadas no Núcleo de Estudos em Sistema Coloidais do Instituto de Tecnologia e Pesquisa, utilizando os petróleos P1, P2 e P3, água destilada e salmoura (conc. 150 g/l de NaCl). Para cisalhamento e dispersão da fase dispersa (água destilada e salmoura) na fase continua (petróleo) utilizou-se o homogenizador Ultra-Turrax T-25. As emulsões sintetizadas possuíam teor de água de 45% e diâmetro de gota médio menor que 12 µm. O diâmetro de gota foi fixado em valores abaixo de 12 µm visando à geração de emulsões altamente estáveis. As emulsões sintetizadas com a DTG fixada apresentam uma estabilidade bastante elevada, garantindo a não separação de fases com a emulsão em repouso. A pressurização dos frascos foi fixada em 20 bar, o tempo de aquecimento variando entre 10, 15, 20 e 30 min, massa dos reatores em torno de 20 g, e a temperatura analisada em 90, 120, 150 e 180 °C. A formação de água livre no processo de quebra via micro-ondas foi observada sem adição de agentes desemulsificantes. A eficiência de separação (ES) é calculada conforme Equação 1.
(1) Onde: tAi - Teor água inicial; tAf - Teor água final.
3. Resultados e discussões 3.1. Efeito da temperatura
Para avaliação do efeito da temperatura sob tempo constante (15 minutos), observou-se que a eficiência de separação (ES) aumentava com a temperatura, atingindo valores acima de 90 % na temperatura de 180 °C, e que para temperaturas inferiores a 120 °C a eficiência de separação foi baixa para todos os petróleos, conforme mostra a Figura 3.
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3.2. Efeito do tempo de aquecimento
Para avaliar a ES com incremento do tempo de aquecimento, foram conduzidos experimentos a temperatura de 150 °C para minimizar o consumo de energia. Atingiu-se ES de 96 % para os três petróleos, com o tempo de 30 minutos, conforme mostra a Figura 4.
Figura 4 – Efeito do tempo de aquecimento
3.3. Efeito da potência irradiada
Para os experimentos conduzidos com potência irradiada e variando o tempo de 10, 20 e 30 min, a ES para irradiação de 500 W atingiu 98, 96 e 90 % e para irradiação de 1000 W atingiu 99, 99 e 96 %, com o tempo de 30 min, respectivamente para os petróleos P1, P2 e P3, conforme mostra a Figura 5.
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3.4. Efeito da salinidade
Observa-se para as investigações feitas com os petróleos P1 e P2 que ambos tiveram o mesmo comportamento, ou seja, com a fase dispersa com salmoura os resultados da eficiência foram menores se comparados com os experimentos onde a fase dispersa foi água destilada. Segundo Fortuny et al. (2007), a presença de salinidade na água leva a uma redução na energia de micro-ondas necessária para elevar a temperatura até o set-point, resultando em um aquecimento mais eficiente e sob menor potência, conforme mostra a Figura 6.
Figura 6 – Efeito da salinidade (a) P1 e (b) P2
a
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4. Conclusões
Com base nos testes de desestabilização de emulsões via micro-ondas, é possível estabelecer algumas conclusões. Temperaturas de processamento via micro-ondas entre 150-180°C com tempos de batelada de 20-30 min são suficientes para obtenção de eficiências de separação elevadas (acima de 95%) para emulsões dos 3 petróleos contendo 45% de água e diâmetros médio de gota entre 8-12µm. Nos testes sob temperatura controlada, a presença de sal na emulsão reduz a demanda de energia micro-ondas para alcance da temperatura desejada, com consequente perda de eficiência de separação, forçando assim a adoção de tempos de batelada (ou residência) adicionais. Um caminho viável em fase de estudos é efetuar testes com controle de potência (temperatura livre até o limite desejado), de modo a garantir que a energia entregue pelo equipamento será elevada, independente da presença de sais. Há que se ressaltar que os sais também interferem na organização de tensoativos naturais do petróleo na interface A/O. Por fim, os altos valores de eficiência de separação (ES) obtidos ratificam que a desestabilização de emulsões A/O via micro-ondas é uma tecnologia promissora para a indústria petrolífera. Torna-se importante aperfeiçoar esta técnica e os equipamentos para condução do processo em fluxo contínuo.
REFERÊNCIAS
ABDURAHMAN, H. Nour; ROSLI, Mohd Yunus. A continuous microwave heating of water-in-oil emulsions: An experimental study. J. of Applied Sci., v. 6, p. 1868-1872, 2006. COUTINHO, Raquel Campos Cauby., Estudo da Estabilidade de Emulsões de Água em Petróleo, Dissertação de Mestrado, UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, 2005.
FANG, C. S.; CHANG, Bruce K. L.; LAI, Peter M. C.; KLAILA, W. J. Microwave demulsification. Chem. Eng. Communications, v. 73, p. 227-239;1988.
FANG, C. S.; LAI, Peter M. C.; CHANG, Bruce K. L.; KLAILA, W. J. Oil recovery and wasre reduction by microwave radiation. Environmental Progress & Sustainable Energy, v. 8, p. 235-238, 1989.
FORTUNY, Montserrat; OLIVEIRA, Cézar Bündchen Záccaro; MELO, Rosana Lopes Fialho; NELE, Marcio; COUTINHO, Raquel Campos Cauby; SANTOS, Alexandre Ferreira. Effect of salinity, temperature, water content, and pH on the microwave demulsificatiom of crude oil emulsions. Energy & Fuels, v. 21, p. 1358-1364, 2007.
SJÖBLOM, Johan; ASKE, Narve; AUFLEM, Inge Harald; BRANDAL, Øystein; HAVRE, Trond Erik; SAETHER, Øystein; WESTVIK, Arild; JOHNSEN, Einar Eng., KALLEVIK, Harald. Our current understanding of water-in-crude oil emulsions. Recent characterization techniques and high pressure performance, Adv. Colloid Interf. Sci., v.100-102, 399-473, 2003.
SMITH, H.Veernon; ARNOLD, Kenneth E. Crude Oil Emulsions. In: Petroleum Engineering Handbook, Ed. H.B. Bradley, 3rd Ed., Society of Petroleum Engineers: Richardson, Cap. 19, 1992.
XIA, Lixin; LU, Shiwei; CAO, Guoying. Stability and demulsification of emulsions stabilized by asphaltenes or resins. J. Colloid Interface Sci., v. 271, p. 504-506, 2004.
