estudo da hidrodinÂmica de um novo separador …estudo da hidrodinÂmica de um novo separador...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

ESTUDO DA HIDRODINÂMICA DE UM NOVO

SEPARADOR LÍQUIDO-LÍQUIDO: APLICAÇÃO AO

SISTEMA ÓLEO-BRUTO/ÁGUA PRODUZIDA.

Norberto Araújo de Moraes

Orientador: Prof. Dr. João Bosco de Araújo Paulo

NATAL / RN

DEZEMBRO/2005

II

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

ESTUDO DA HIDRODINÂMICA DE UM NOVO

SEPARADOR LÍQUIDO-LÍQUIDO: APLICAÇÃO AO

SISTEMA ÓLEO-BRUTO/ÁGUA PRODUZIDA.

Dissertação apresentada ao Programa de Pós

Graduação em Engenharia Química Universidade

Federal do Rio Grande do Norte – UFRN em

cumprimento às exigências para obtenção do título

de Mestre em Engenharia Química.

Norberto Araújo de Moraes

NATAL/RN, 15 de DEZEMBRO de 2005.

III

MORAES, Norberto Araújo de – Estudo da Hidrodinâmica de um Novo Separador

Líquido-Líquido: Aplicação ao Sistema Óleo-Bruto/Água Produzida. Dissertação de

Mestrado, UFRN, Programa de Pós Graduação em Engenharia Química. Áreas de

Concentração: Processos de Separação e Meio Ambiente.

Orientador: Prof. Dr. João Bosco de Araújo Paulo.

RESUMO: Este trabalho objetiva utilizar uma diferente condição hidrodinâmica aplicada a

um novo design de misturador-decantador aplicado ao tratamento de águas produzidas da

indústria do petróleo, que vem sendo denominado de MDIF (Misturador-Decantador à

Inversão de Fases). A utilização do regime hidrodinâmico de “Leito Denso” é possível devido

a disposição vertical do aparelho e ao princípio de inversão de fases que rege o MDIF,

proporcionando a geração de uma cascata de gotas, na região de leito orgânico, que

funcionam como micro-decantadores, possibilitando assim a formação de um leito de gotas

não-coalescidas, denominado de Leito Denso. A utilização desta nova condição

hidrodinâmica permite o aumento do tempo de residência da gota transportadora de óleo, na

região de leito orgânico, e o trata um maior volume de água produzida, visto que para se

atingir esta condição é necessário se operar a altas vazões (58,6 m3/m2h). A partir dos

resultados obtidos, a condição de regime de leito denso mostra-se como a melhor condição a

ser utilizada quando se opera o misturador-decantador à inversão de fases com vazões

específicas acima de 58,6 m3.m-2.h-1. Os resultados utilizando o regime de leito denso

mostram que elevando-se a altura do leito de gotas não-coalescidas e/ou diminuindo a razão

volumétrica orgânico/aquoso aumenta a eficiência de separação do aparelho.

Palavras Chaves: Processo de Separação; Engenharia Ambiental; Misturador-Decantador;

Leito Denso; Água Produzida.

BANCA EXAMINADORA E DATA: 15 de dezembro de 2005.

Presidente: - Prof. Dr. João Bosco de Araújo Paulo – UFRN

Membros: - Prof. Dr. Aureo Octavio Del Vecchio Machado – UFPE

- Prof. Dr. Jorge Eduardo da Silva Ourique – UFRN

- Prof. Drª. Vanja Maria de França Bezerra – UFRN

IV

MORAES, Norberto Araújo de – Study of the hydrodynamics of a new separator for liquid-

liquid systems: application to the system crude oil/waste water. Program of Master Degree of

Chemical Engineering – UFRN – Natal/RN – Brazil.

ABSTRACT: This work aims to use a different hydrodynamic condition applied to a new

design of mixer-settler on treating wastewater produced by petroleum industry, called MDIF

(Misturador-Decantador à Inversão de Fases/ Mixer-Settler based on Phase Inversion –

MSPI). The use of this different hydrodynamic behaviour is possible due to vertical

disposition of the device and the principle of Phase Inversion that controls the MDIF,

providing the generation (creation) of a cascade of drops, into an organic layer, that works as

micro-decanters, thus making possible the formation of a bed of non-coalesced drops, called

“Bed Formation”. The use of this new hydrodynamics condition allows to increase the

residence time of the oil carrier drops, into an organic layer, and the device can treat a greater

volume of wastewater. In view of to get this condition it is necessary to operate at high

throughput (58,6 m3.m-2.h-1). By results, the condition of Bed Formation is the best one to be

used when MSPI operates with throughput up to 58,6 m3.m-2.h-1. The results using the

condition of Bed Formation show that increasing the height of the bed of non-coalesced drops

and/or decreasing the volumetric ratio (O/A) an increase of the separation efficiency is

detected.

Keywords: Separation Process; Environmental Engineering; Mixer-Settler; Bed Formation;

Treatement of Industrial Waste Waters.

V

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho à meus familiares,

em especial aos meus irmãos BERNARDO e NIEDJA,

a minha querida mãe, MARIA DE FÁTIMA, e em

memória do meu pai, BERNARDINO, pelo amor,

compreensão e incentivo. Amo todos Vocês.

VI

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. João Bosco de Araújo Paulo que me orientou por toda a vida

acadêmica.

Aos amigos Wilaci Eutrópio, Gustavo Medeiros, Leonardo Dantas, Rogério Pitanga

e Gildson Bastos, que integram a base de pesquisa e ajudaram ao desenvolvimento deste

trabalho.

Aos amigos Douglas Silva, Renan Nóbrega, Yuri Corsino, Ubiratan Nazaré e Anita

Lima pelo apoio e incentivo.

Em especial a Dulcinéia Santana e Ronaldo Campelo pela amizade e esclarecimentos

das dúvidas pertinentes.

E a todas as pessoas que fazem parte desta família, que é o curso de Engenharia

Química de UFRN.

VII

ÍNDICE

1. Introdução Geral ............................................................................................. 2

1.1. Introdução........................................................................................................................2

1.2. Objetivos..........................................................................................................................3

1.3. Justificativa......................................................................................................................4

2. Aspectos Teóricos ............................................................................................ 6

2.1. Petróleo............................................................................................................................6

2.2. Água de produção............................................................................................................7

2.3. Aguarrás...........................................................................................................................8

2.4. Misturadores-decantadores..............................................................................................8

2.5. Misturador-decantador à inversão de fases - MDIF ........................................................9

2.5.1. Condições de regime hidrodinâmico ......................................................................12

2.6. Coalescência de gotas....................................................................................................15

3. Estado da arte ................................................................................................ 19

4. Materiais e Metodologia Experimental....................................................... 25

4.1 Equipamentos e materiais...............................................................................................25

4.2 Sistema estudado ............................................................................................................26

4.2.1. O orgânico utilizado ...............................................................................................27

4.3. Procedimento experimental ...........................................................................................29

4.3.1. Preparação da dispersão óleo/água produzida no tanque do aquoso para

alimentação do aparelho ...................................................................................................29

4.3.2. Cálculo do tempo de operação do MDIF................................................................30

4.3.3. Modo de operação com o MDIF.............................................................................31

4.3.4. Determinação da concentração de óleo e graxa......................................................34

4.3.4.1. Método analítico ..............................................................................................34

4.3.4.2. Procedimento experimental .............................................................................35

5. Resultados e Discussões ................................................................................ 38

5.1. Análise das eficiências de separação do MDIF .............................................................38

5.1.1 Comparação entre os regimes hidrodinâmicos: leito denso e leito relaxado...........41

5.1.2 Influência da altura do leito de gotas não-coalescidas (leito denso) sobre a

eficiência de separação .....................................................................................................43

5.1.3 Influência da vazão sobre a eficiência de separação ...............................................49

5.1.4. Influência das razões O/A sobre a eficiência de separação ....................................52

VIII

5.1.5 Influência da concentração de óleo na alimentação do MDIF sobre a eficiência de

separação ..........................................................................................................................54

5.2. Determinação das propriedades físico-químicas das aguarrás ......................................56

5.3. Análise geral dos resultados ..........................................................................................59

6. Conclusões...................................................................................................... 67

6.1. Conclusões.....................................................................................................................67

6.2. Sugestões para trabalhos futuros ...................................................................................68

7. Referências Bibliográficas ............................................................................ 70

ANEXOS ............................................................................................................ 77

ANEXO I – Propriedades físico-químicas dos fluidos orgânicos ........................................77

ANEXO II – Curvas de calibração para vazão das bombas .................................................82

ANEXO III – Curva de calibração do espectrofotômetro ....................................................85

ANEXO IV – Ficha de informação de segurança de produto químico – FISPQ ........... Erro!

Indicador não definido.

IX

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Partes que compõem o MDIF. ..................................................................................11

Figura 2. Princípio de funcionamento do misturador-decantador à inversão de fases. ............12

Figura 3. Regime de leito denso ...............................................................................................14

Figura 4. Comparação entre os dois regimes hidrodinâmicos: (a) regime de leito relaxado; e

(b) regime de leito denso. .................................................................................................15

Figura 5. Esquema das zonas existentes no Leito denso. .........................................................16

Figura 6. Equipamentos utilizados na operação do misturador-decantador à inversão de fases.

..........................................................................................................................................26

Figura 7. Amostras de aguarrás utilizadas no MDIF: (1) aguarrás especificada e (2) aguarrás

não especificada................................................................................................................28

Figura 8. Esquema de operação com o MDIF. .........................................................................32

Figura 9. Comparação entre os regimes hidrodinâmicos na faixa de baixa concentração de

óleo na alimentação à vazão e razão O/A constantes. ......................................................41

Figura 10. Comparação entre os regimes hidrodinâmicos na faixa de alta concentração de óleo

na alimentação à vazão e razão O/A constantes. ..............................................................42

Figura 11. Influência da altura do leito denso (HLD) sobre a eficiência de separação do MDIF

a baixas concentrações, vazão=58,6 m3/m2.h1 e O/A=1/10..............................................44


a altas concentrações, vazão=65,2 m3/m2.h1 e O/A=1/10. ...............................................44


a baixas concentrações, vazão=62,7 m3/m2.h1 e O/A=1/6................................................45


a altas concentrações, vazão=58,6 m3/m2.h1 e O/A=1/6. .................................................46


a baixas concentrações, vazão=71,3 m3/m2.h1 e O/A=1/3................................................47


a altas concentrações, vazão=58,6 m3/m2.h1 e O/A=1/3. .................................................48

Figura 17. Influência da vazão específica sobre a eficiência de separação do MDIF a baixas

concentrações para uma mesma altura de leito denso. .....................................................50

X

Figura 18. Influência da vazão específica sobre a eficiência de separação do MDIF a baixas

concentrações para alturas de leito denso diferentes. .......................................................50

Figura 19. Influência da vazão específica sobre a eficiência de separação do MDIF a altas

concentrações. ..................................................................................................................51

Figura 20. Influência da razão O/A sobre a eficiência de separação do MDIF a baixas

concentrações, vazão=58,6 m3/m2.h1 e HLD 60.10-2 m....................................................53

Figura 21. Influência da razão O/A sobre a eficiência de separação do MDIF a altas

concentrações, vazão=58,6 m3/m2.h1 e duas alturas de leito denso..................................54

Figura 22. Influência da concentração de óleo na alimentação sobre a eficiência de separação

do MDIF a várias concentrações e vazão=58,6 m3/m2.h1. ...............................................55

Figura 23. Leito denso na altura de 34.10-2 m. .........................................................................60

Figura 24. Leito denso na altura de74.10-2 m...........................................................................60

Figura 25. Diferença de velocidade de sedimentação das gotas transportadoras no leito

relaxado e no leito denso. .................................................................................................61

Figura 26. Água arrastada pelo controlador de nível devido a se trabalhar com a vazão de 79,5

m3/m2.h1 para a razão O/A=1/2. .......................................................................................63

Figura 27. Volume de água arrastada para o vaso separador em que se operava com a razão

O/A de 1/2 e vazão=79,5 m3/m2.h1...................................................................................63

Figura 28. Pequenas formações de emulsão geradas durante o ensaio experimental...............64

Figura 29. Emulsão entrando na câmara de decantação e iniciando a quebra do leito denso. .65

Figura 30. Emulsão quebrando todo o leito denso formado na câmara de decantação............65

XI

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Propriedades físico-químicas da água de formação simulada e real. .......................27

Tabela 2. Características e propriedades físicas do petróleo. ..................................................27

Tabela 3. Laboratórios e métodos utilizados para determinação das propriedades físico-

químicas das duas aguarrás. .............................................................................................29

Tabela 4. Valores de diâmetros médios de gota transportadora para uma dada vazão. ...........33

Tabela 5. Resultados dos ensaios do MDIF. ............................................................................39

Tabela 6. Resultados de eficiência para as duas condições de regime hidrodinâmico a baixas

concentrações. ..................................................................................................................41

Tabela 7. Resultados de eficiência para as duas condições de regime hidrodinâmico a altas

concentrações. ..................................................................................................................42

Tabela 8. Resultados de eficiência de separação para diferentes alturas de leito de gotas (HLD)

a baixas concentrações e O/A=1/10. ................................................................................43

Tabela 9. Resultados de eficiência de separação para diferentes alturas de leito de gotas (HLD)

a altas concentrações e O/A=1/10. ...................................................................................44

Tabela 10. Resultados de eficiência de separação para diferentes alturas de leito de gotas

(HLD) a baixas concentrações e O/A=1/6. ........................................................................45


(HLD) a altas concentrações e O/A=1/6. ...........................................................................46




(HLD) a altas concentrações e O/A=1/3. ...........................................................................47



Tabela 15. Resultados de eficiência de separação para diferentes vazões a baixas

concentrações. ..................................................................................................................49

Tabela 16. Resultados de eficiência de separação para diferentes vazões a altas concentrações.

..........................................................................................................................................51

XII

Tabela 17. Resultados de eficiência de separação para diferentes razões O/A a baixas

concentrações. ..................................................................................................................52

Tabela 18. Resultados de eficiência de separação para diferentes razões O/A a altas

concentrações. ..................................................................................................................53

Tabela 19. Resultados de eficiência de separação para diferentes concentrações de óleo na

alimentação.......................................................................................................................55

Tabela 20. Resultados de eficiência de separação obtidos com a aguarrás não especificada. .56

Tabela 21. Resultados e condições operacionais em que se utilizaram a aguarrás do vaso e a

do processo para diferentes razões O/A e baixas concentrações......................................57

Tabela 22. Resultados das análises das propriedades físico-químicas para as aguarrás. .........58

Tabela 23. Resultados de Tensão interfacial água/aguarrás não especificada. ........................58

XIII

NOMENCLATURA

Letras LatinasAsep – área da interface orgânico-água (m2)

Ce – concentração de óleo na entrada do MDIF (Kg/m3)

Cs – concentração de óleo na saída do MDIF (Kg /m3)

Cod – concentração de óleo desejada (Kg/m3)

Coo – concentração do óleo no orgânico (Kg/m3)

Coa – concentração de óleo em água (Kg/m3)

D – diâmetro da gota transportadora (m)

E – eficiência de separação do MDIF (%)

fd – fator de diluição (1:100)

g – aceleração da gravidade (m/s2)

H – altura do leito orgânico (m)

HLD – altura do leito denso (m)

KLS – coeficiente de transferência de massa

MDIF – Misturador-Decantador à Inversão de fases

mo – massa de óleo (mg)

N – velocidade de agitação (rpm)

Ngt – número total de gotas transportadoras

O/A – razão volumétrica orgânico/aquoso

QA – vazão específica de alimentação da fase aquosa (m3/m2.h)

Qefet – vazão efetiva (m3/h)

Qesp – vazão específica total do sistema (m3/m2.h)

QO – vazão específica de alimentação da fase orgânica (m3/m2.h)

QO/QA – razão das vazões de alimentação das fases aquosa e orgânica

tc – tempo de coalescência da gota transportadora (s)

td – tempo de decantação da gota transportada (s)

tf – tempo de formação da gota transportadora (s)

tLD – tempo de residência da gota no leito denso (s)

tR – tempo de residência (s)

XIV

tRtot – tempo de residência total (s)

tr – tempo de residência das fases fluidas no interior da coluna (h)

Va – volume de água no tanque do aquoso (m3)

Vamostra – volume de amostra da água coletada (m3)

Vc – volume de controle do MDIF (m3)

Vd – velocidade de decantação da gota transportada (cm/s)

Vdecantação – volume da câmara de decantação (m3)

Vmistura – volume da câmara de mistura (m3)

Vo – volume de óleo a ser adicionado no tanque do aquoso (cm3)

Vs – velocidade de sedimentação da gota transportadora gota (m/s)

Vseparação – volume da câmara de separação (m3)

Letras Gregas

L – porosidade do leito (m-3.m3)

o – densidade do óleo (g/cm3)

– diferença de densidade entre as fases

c – viscosidade da fase contínua (Kg/m.s)

d – viscosidade da fase dispersa (Kg/m.s)

– tensão interfacial (Kg/m.s2)

SiglasCONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente

DEQ – Departamento de Engenharia Química

DQ – Departamento de Química

ETE – Estação de Tratamento de Efluentes

ETO – Estação de Tratamento de Óleo

MDIF – Misturador-Decantador à Inversão de Fases

PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.

SAO – Separador Água/Óleo

SI – Sistema Internacional

XV

UPGN-I – Unidade de Processamento de Gás Natural I

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO GERAL

Capítulo 1. Introdução Geral.

Norberto Araújo de Moraes – 15 de Dezembro de 2005. 2

1. Introdução Geral

1.1. Introdução

Na sociedade industrial moderna, a poluição aumenta com crescimento da produção,

causando assim um maior dano ao meio-ambiente e a conscientização da sociedade quanto à

preservação ambiental tem crescido nos últimos tempos. Particularmente a água é apontada

como o principal problema a ser enfrentado no mundo nas próximas décadas. A poluição

devido às indústrias é expressiva e merece controle especial.

O tratamento dos efluentes líquidos provenientes da indústria petrolífera requer

dimensões e gastos energéticos apreciáveis tendo em vista as grandes vazões desses efluentes.

Faz-se necessário, então, a procura constante de novos meios de tratamento mais eficientes e

viáveis.

Diante da busca de novas tecnologias, um novo design de misturador-decantador que

possui ao mesmo tempo características comuns aos misturadores-decantadores convencionais

e às colunas de separação, tem sido proposto para o tratamento de águas de produção na

indústria do petróleo. O novo design proposto é baseado no princípio da inversão de fases que

resulta num equipamento mais compacto de disposição vertical capaz de tratar até três vezes

mais o volume tratado por um aparelho convencional (Hadjiev & Kyuchoukov, 1989).

O aparelho vem sendo denominado MDIF (Misturador-Decantador à Inversão de

Fases) e tem se mostrado eficaz no tratamento de águas contendo até 2600 mg/L de petróleo

na forma emulsionada (Fernandes Jr., 2002; Chiavenato e Paulo, 1999).

Fernandes Jr. (2002) e Chiavenato (1999), em seus estudos utilizando o MDIF,

realizaram o tratamento de água de produção real em que operavam na condição de regime

hidrodinâmico com leito relaxado, onde obtiveram bons resultados, e que a partir destes, o

MDIF encontra-se atualmente em escala semi-industrial (em escala de 100 vezes ao do

aparelho de laboratório) situado no Pólo Industrial de Guamaré/RN – PETROBRAS.

Buscando aprimorar cada vez mais o equipamento, este trabalho pretende utilizar

uma diferente condição de regime hidrodinâmico, que é o regime de gotas não-coalescidas,



denominada de “leito denso”. A utilização desta condição permite o aumento do tempo de

residência da gota d’água, denominada de “gota transportadora”, na câmara de decantação e o

tratamento de um maior volume de água de produção, visto que para se atingir esta condição é

necessário se operar a altas vazões volumétricas.

Esta é uma condição de operação ainda não utilizada no tratamento de águas

produzidas da indústria do petróleo. Desta forma, este trabalho busca antecipar soluções em

uma área de pesquisa cada vez mais estudada, ou seja, a engenharia ambiental.

1.2. Objetivos

O presente trabalho propõe operar o misturador-decantador à inversão de fases -

MDIF na condição hidrodinâmica de leito de gotas não-coalescidas denominado de leito

denso. A operação nesta condição busca obter resultados de eficiência próxima das condições

já operadas (regime de leito relaxado), procurando aperfeiçoar cada vez mais o aparelho às

condições reais da indústria.

Este estudo busca operar o MDIF em uma condição que ainda não foi utilizada em

um efluente da indústria do petróleo. Isso significa atingir as seguintes metas:

Aprender a operar o MDIF;

Adaptar alguns componentes ao aparelho em função da nova condição de

operação;

Determinar as condições hidrodinâmicas relativas às razões volumétricas

orgânico/aquoso (O/A) a serem utilizadas;

Determinar as condições hidrodinâmicas relativas às diferentes concentrações de

óleo em água na alimentação do aparelho;

Determinar as condições hidrodinâmicas relativas às diferentes vazões de

operação do aparelho;

Definir a altura de leito denso que proporciona uma melhor eficiência de

separação.



1.3. Justificativa

Pelo bom desempenho do MDIF apresentado em trabalhos anteriores, nas quais o

equipamento operava em regime hidrodinâmico de leito relaxado, este estudo vem contribuir

na compreensão da hidrodinâmica do aparelho. A condição hidrodinâmica a ser utilizada

neste trabalho é o regime de leito denso, onde esta condição de regime busca melhorar a

eficiência de separação petróleo/água no MDIF, através do aumento do tempo de residência

das gotas transportadoras no interior da câmara de decantação.

O aparelho, nesta condição hidrodinâmica, pode operar a grandes vazões efetivas e

vazões específicas da ordem de (79,5 m3/m2.h), podendo assim tratar uma maior quantidade

de água e manter altas eficiências de separação.

CAPÍTULO 2

ASPECTOS TEÓRICOS

Capítulo 2. Aspectos Teóricos.


2. Aspectos Teóricos

2.1. Petróleo

A definição morfológica vem do latim: petra = pedra e oleum = óleo (Thomas et al.,

2001). O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos resultantes de processos físico-químicos

sofridos pela matéria orgânica que se depositou juntamente com fragmentos de rochas durante

a formação de bacias sedimentares, há milhões de anos, podendo ser encontrado nos estados

sólido, líquido e gasoso, estando sempre agregado a uma certa quantidade de CO2, O2, N, H2S

e metais.

Segundo Barros Júnior (2001) o petróleo, no estado líquido, é chamado de “óleo cru”

ou simplesmente de “óleo”. Além de hidrocarbonetos líquidos, constam da sua composição,

gases dissolvidos e impurezas.

Os hidrocarbonetos são classificados e agrupados em séries, e as mais comumente

encontradas são: as parafinas ou alcanos (cadeias abertas saturadas, com fórmula CnH2n+2) que

possuem de 1 a 70 átomos de carbono, sendo o metano o constituinte mais simples; os

hidrocarbonetos insaturados (que são produzidos em refinarias) têm como constituinte mais

comum o alceno, caracterizado por possuir uma ligação dupla entre os átomos de carbono.

Quando ocorre uma tripla ligação é denominado de alcino. Sua fórmula é CnH2n; os

aromáticos são hidrocarbonetos cíclicos insaturados e sua fórmula depende do número de

anéis com seis átomos de carbono; os cíclicos-parafínicos ou ciclanos (conhecidos na

indústria de petróleo como naftênicos), denominados de cadeia saturada.

Dentre as suas características, pode-se dizer o petróleo no estado líquido é uma

substância oleosa, inflamável, menos densa que a água e com cheiro característico (Thomas et

al, 2001). Quanto mais profundo for o poço, onde se encontra o petróleo, mais fluido este

será. Os mais viscosos e densos apresentam cor preta. Os mais leves possuem cores

avermelhadas ou amareladas sob a luz transmitida. Sob a luz refletida é geralmente verde

devido ao fenômeno de fluorescência pela presença de hidrocarbonetos aromáticos (Leinz e

Amaral, 1975). Todas essas propriedades são decorrentes do campo onde o óleo é produzido.



2.2. Água de produção

O termo água de produção é dado a toda água produzida (carreada) junto com o óleo,

seja ela proveniente da formação geológica (água de formação) ou água de injeção.

A quantidade de água produzida associada com o óleo varia muito, podendo alcançar

valores da ordem de 50% em volume, até aos valores acima dos 90% à medida que se

caminha para a fase madura dos campos de produção (Thomas, 2001).

Segundo Lima (1996) as causas para a produção de água contidas no reservatório

são: a) poços perfurados próximos à interface óleo-água; b) poços produtores de óleo em

etapa posterior de produção, em que houve o avanço da frente d’água até a coluna produtora;

c) falha no revestimento do poço, ocasionada por uma sedimentação mal feita em um ponto

acima da zona produtora de óleo; d) recuperação secundária, onde a injeção d’água na forma

líquida ou vapor no reservatório visa manter ou aumentar a produção de óleo.

De acordo com Fernandes Jr. (2002) a água produzida pode estar presente na forma

livre (fase diferente do óleo) ou seja, não está intimamente associada ao óleo ou na forma

emulsionada, que é uma mistura íntima entre o óleo e a água, gerando gotículas muito

pequenas. O autor comenta que a água produzida é salina (salmoura) e contêm sólidos

dispersos (areia, argila, lodo, outros silicatos, gipsita) e teores de sais variando de 15.000

mg/L a 300.000mg/L. Ele também fala que a corrosão está associada aos cloretos e que a

incrustação está associada aos sulfatos e carbonatos. A solubilidade dos hidrocarbonetos na

água produzida aumenta com a temperatura e diminui com o aumento da salinidade (Lima,

1996).

A presença de grandes volumes de água de formação por ocasião da atividade

produtora de óleo é indesejada, ocasionando um maior custo de transporte, energia,

armazenamento, superdimensionamento de tubulações, problemas de refino e problemas de

corrosão e incrustação nos equipamentos e tubulações (Chapman apud Fernandes Jr., 2002).

Azevedo apud Bezerra (2004) considera a água produzida como o maior rejeito em

volume de todo o processo de exploração e produção do petróleo, configurando-se assim

como um grande problema operacional, gerencial e ambiental.



A água produzida em geral não é nociva ao meio ambiente marinho nos locais onde

ocorrem condições à diluição adequada (Resolução CONAMA n° 357 de 17/03/2005 – Art.

21 e 34). Os efeitos danosos causados ao meio ambiente são menores que os propagados,

porém há ressalvas para os efeitos de longo prazo, que ainda não são conhecidos (Lima,

1996).

2.3. Aguarrás

A aguarrás é um produto sintético obtido no refino do petróleo. Barros (1998)

considerou que a aguarrás é composta apenas de hidrocarbonetos. Admitiu também que os

hidrocarbonetos presentes estariam entre o octano e o dodecano. Para simplificar a

caracterização da aguarrás, assumiu que a aguarrás seria a mistura de dois destes

componentes. Em seu trabalho o peso molecular da aguarrás foi calculado como sendo (121

Kg/Kmol), estando entre o octano (114 Kg/Kmol) e o nonano (128 Kg/Kmol).

O anexo 4 mostra as características e algumas propriedades físico-químicas de

interesse da aguarrás.

2.4. Misturadores-decantadores

Os misturadores-decantadores são uma classe de equipamentos utilizados em

extrações do tipo líquido-líquido e variam desde um simples tanque com agitador, em que as

fases são misturadas e seguem para um compartimento horizontal ou vertical onde ocorre a

separação, até a sistemas complexos onde a mistura é realizada em regime de jato, correntes

simultâneas em bombas centrífugas ou mistura on-line por acessórios (Henley e Seader,

1981).

Segundo Hadjiev e Paulo (2005) os misturadores-decantadores possuem grande

importância na indústria em razão das vantagens que apresentam: fortes cargas operacionais,

fácil operação e manutenção relativamente simples. Este tipo de equipamento é muito

utilizado devido a sua alta eficiência (90 a 100% quando a mistura é completa), a sua grande

faixa de operação e a sua utilidade em uma variedade de formas e tamanhos.



O misturador-decantador é composto por duas zonas predominantes: uma câmara de

mistura, onde se promove a dispersão de uma fase na outra; e uma câmara de decantação,

local em que se realiza a separação das fases por gravidade (Chiavenato, 1999).

Segundo Foust et al. (1982) os misturadores-decantadores utilizam dispositivos

mecânicos para aumentar a dispersão das fases. Após a mistura íntima das fases, esta segue

para um tanque de decantação onde as fases são separadas pela ação da gravidade. Caso a

agitação seja muito forte, é possível se formar a emulsão, não podendo esta ser separada pela

decantação gravitacional.

A separação por gravidade não tem êxito quando dispersões líquido-líquido com

gotículas muito pequenas (na faixa de 10 - 100µm) têm que ser separadas. Uma forma de

solucionar esse problema é o uso do método de extração por solvente, onde a separação da

gotícula é melhorada pela injeção de solvente na dispersão inicial (Paulo, Fernandes Jr. e

Hadjiev, 2005). Para partículas de tamanho pequeno há um aumento na transferência de

massa, mas exigem um maior tempo de coalescência, conduzindo a um excessivo tamanho da

câmara de decantação (Fernandes Jr., 2002).

2.5. Misturador-decantador à inversão de fases - MDIF

Os equipamentos usuais na separação de fases em sistemas líquido-líquido são os

misturadores-decantadores e as colunas de separação. O ponto crítico destes equipamentos é o

grande espaço ocupado pela câmara de decantação necessário para se obter uma boa

eficiência de separação entre fases, o que tem incentivado a pesquisa de novos meios práticos

para diminuir o tempo de coalescência da fase dispersa na câmara de decantação. Este fator se

torna especialmente importante, quando existe limitação de espaço no layout da planta

industrial, por exemplo, uma plataforma marítima para exploração de petróleo.

Uma alternativa para resolver o problema é feita através do “Método de Separação à

Inversão de Fases”, que constitui a base do funcionamento deste novo design de misturador-

decantador. Segundo Chiavenato et al. (1999) a inversão de fase num sistema líquido-líquido,

em uma câmara de mistura agitada, ocorre quando a fase originalmente contínua passa a ser a



fase dispersa. O método visa diminuir o tempo de residência e reduzir a distância entre uma

gotícula da fase dispersa e a interface orgânico-aquoso (Hadjiev e Kuychoukov, 1989).

O aparelho denominado MDIF (misturador-decantador à inversão de fases) vem

sendo proposto para o tratamento de águas produzidas em campos produtores de petróleo. O

MDIF tem se mostrado eficaz no tratamento de águas contendo até 2600 mg/L de óleo na

forma emulsionada (Chiavenato et al., 2001). O efluente obtido na sua saída tem se

aproximado de 20 mg/L que é o teor máximo permitido pelos órgãos ambientais federais

(Resolução CONAMA n° 357 de 17/03/2005 – Art. 21 e 34).

Fernandes Jr. et al. (2004b) comentam que o misturador-decantador à inversão de

fases operando em condições de vazões específicas elevadas, ao contrário dos aparelhos

convencionais, apresenta melhor desempenho. Outra vantagem é a disposição vertical do

aparelho, representando um ganho ao economizar espaço no layout da planta de operação.

Como grande vantagem em relação aos contactores convencionais, Paulo et al (1994)

ressaltam o fato do MDIF poder tratar até duas vezes mais a quantidade de solução que um

aparelho horizontal de três vezes o seu volume, mantendo-se ou melhorando-se a eficiência de

separação e extração. O MDIF mantém ainda as características gerais dos misturadores-

decantadores convencionais: fortes cargas operacionais, facilidade de operação e manutenção

e partidas operacionais simples.

O aparelho é constituído de quatro partes, mostrada na Figura 1: (a) câmara de

mistura (onde ocorre a maior parte da transferência das gotículas de óleo contidas na água de

produção); (b) prato perfurado (onde são geradas as gotas transportadoras); (c) câmara de

decantação (região do leito orgânico); e (d) câmara de separação (região da principal interface

orgânico-aquoso).



Figura 1. Partes que compõem o MDIF.

(fonte: Chiavenato, 1999).

Paulo et al. (1994) descrevem o funcionamento do misturador-decantador à inversão

de fases, como pode ser visto pela Figura 2.

Na câmara de mistura (1), a água contaminada com óleo (aquoso) é misturada ao

líquido extratante aguarrás (orgânico) através de um agitador mecânico convencional. O

aquoso é introduzido primeiramente (meio contínuo) de tal forma que o orgânico adicionado

posteriormente em uma razão volumétrica menor, torna-se o meio disperso. A agitação

promove uma melhor dispersão entre os líquidos. Em seguida, a mistura é forçada a passar

pelo prato perfurado (2) onde são geradas as gotas transportadoras (3). A gota transportadora

gerada entra na câmara de decantação (4), previamente preenchida pelo orgânico, tornando-

se agora o meio disperso. Desta forma, a gotícula de óleo contida no interior da gota

transportadora, deve vencer somente esta interface para alcançar a fase orgânica (aguarrás).

Câmara de Separação

Câmara de Decantação

Prato Distribuidor

Câmara de Mistura



Por gravidade a gota transportadora percorre todo o leito orgânico na câmara de decantação

até chegar na câmara de separação (5), onde se encontra a interface principal entre as fases

(6), chegando aí praticamente isenta de óleo..

Figura 2. Princípio de funcionamento do misturador-decantador à inversão de fases.

(fonte: Paulo et al., 1994).

2.5.1. Condições de regime hidrodinâmico

O aparelho MDIF permite a operação em dois regimes hidrodinâmicos na câmara de

decantação: (a) o regime com leito relaxado e (b) o regime de gotas não-coalescidas ou leito

denso.

O princípio que rege estes dois regimes é o tempo em que as gotas transportadoras

permanecem no leito orgânico durante o seu percurso pela câmara de decantação até atingir a

interface principal orgânico-aquoso, na câmara de separação. Este tempo é conhecido como

tempo de residência (tR), sendo determinada pela Equação (1):



S

RV

Ht

onde H é a altura do leito orgânico (m) e Vs é a velocidade de sedimentação da gota

transportadora (m/s). As gotas transportadas (menos densas) tendem a ascender dentro das

gotas transportadoras (mais densas) se concentrando assim na parte superior e coalescendo no

leito orgânico, sua homofase. É importante perceber que cada gota transportadora funciona

como um “micro-decantador”. Desta forma, a gotícula de óleo contida no interior da gota

transportadora, deve percorrer somente o diâmetro desta para alcançar a fase orgânica

(aguarrás). Uma coalescência tipo gotícula-gotícula de óleo pode acontecer dentro da gota

transportadora resultando em um aumento na velocidade de ascensão, e então, reduzindo o

tempo de coalescência (Paulo et al., 1996).

Chiavenato (1999) e Fernandes Jr. (2002) em seus trabalhos realizaram o tratamento

da água de produção utilizando o MDIF e obtiveram boas eficiências de separação operando

com o regime de leito relaxado. Este regime de leito está associado à formação de gotas

transportadoras relativamente distantes umas das outras.

Esse modo de operação sempre é possível para baixas vazões efetivas (Qefet). É o

caso quando o tempo de formação da gota transportadora (tf) for menor ou igual ao tempo de

coalescência (tc) tf tc na interface principal orgânico-água na câmara de decantação. Neste

caso o número de gotas transportadoras no leito orgânico permanece relativamente pequeno.

Para um tempo de residência tR o número total de gotas transportadoras (Ngt) no leito orgânico

pode ser determinada pela Equação (2) (Paulo, Fernandes Jr. e Hadjiev, 2005):

R

efet

gt tD

QN

sendo D é o diâmetro da gota transportadora.

Uma possibilidade de aumentar o tempo de residência da gota transportadora no leito

orgânico é dada pela presença de um leito de gotas não-coalescidas denominado de Leito

(1)

(2)



Denso. Segundo Ritcey e Ashbrook (1979) estes leitos são muito úteis no caso de separações

de dispersões finas porque permitem um maior tempo de residência na câmara de decantação.

O regime de operação com leito denso, mostrado na Figura 3, é sempre possível

quando tf < tc. Aumentando-se a vazão específica é possível aumentar a altura desse leito de

gotas e respectivamente a eficiência do aparelho (Hadjiev e Aurelle, 1995). Nesse caso o

tempo de residência total (tRtot) da gota transportadora na fase orgânica é dada pela Equação

(3):

LDRRtot ttt

onde, tR corresponde ao tempo de residência da gota antes da formação do leito denso e o tLD

é o tempo de residência da gota no leito denso, como pode ser visto na Equação (4):

efet

Sep

LLDLDQ

AHt )1(

HLD (m) é a altura do leito denso, L (m3/m3) a porosidade do leito, Asep (m2) é a área da

interface orgânico-água e Qtot (m3/m2.h) é a vazão volumétrica total do sistema.

Figura 3. Regime de leito denso

(Fonte: Hadjiev e Aurelle, 1995).

(3)

(4)



A Figura 4 mostra uma comparação entre os dois regimes hidrodinâmicos.

Figura 4. Comparação entre os dois regimes hidrodinâmicos: (a) regime de leito relaxado; e (b) regime de leito denso.

2.6. Coalescência de gotas

Allak e Jefreys (1974), observaram que a condição de regime de leito denso consiste

em três zonas distintas de coalescência de gotas, mostrada na Figura 5:

(a) (b)

tf tc tf < tc



Figura 5. Esquema das zonas existentes no Leito denso.

(fonte: Santana, Paulo e Lima, 2005).

1. a zona de floculação, compreendendo o leito empacotado menos denso de gotas

esféricas sem muita coalescência entre as gotas;

2. a principal zona de gotas densamente empacotadas, onde têm-se uma

considerável coalescência entre gotas com bordas de plateau e gotas

dodecaédricas pentagonais formando a rede de drenagem para a fase contínua;

3. a zona coalescente da interface, com uma ou duas camadas de gotas com forma

dodecaédrica abaixo da interface coalescente principal.

Laddha e Degaleesan (1983) citam Smith e Davies (1970), os quais investigaram o

aumento gradual do leito denso de gotas sob a interface principal antes de coalescerem com

esta interface e, sugerem calcular a altura do leito denso (HLD) pela Equação (5):

13,138,1210,1

310.1,15c

dcdLD gDx

D

H

sendo,

d = viscosidade da fase dispersa (Kg.m-1.s-1); g = aceleração da gravidade (m.s-2);

c = viscosidade da fase contínua (Kg.m-1.s-1); = tensão interfacial (Kg.m-1.s-2);

D = diâmetro da gota transportadora (m);

= diferença de densidade entre as fases.

(5)

Fase orgânica

Fase aquosa

(1)

(2)

(3)HLD



A freqüência de coalescência entre gotas na zona 2 ( ), dada pela Equação (6), está

relacionada ao grupo ( d. c/ ), a altura total do leito denso (HLD), e ao tamanho médio das

gotas D:

19,0054,0

.559,01

LDcd H

D

onde: é a freqüência de coalescência expressa como uma fração do número total de gotas de

tamanho médio que coalescem em um plano de leito denso de altura HLD.

Segundo Laddha e Degaleesan (1983), a coalescência de gotas em uma interface é

controlada principalmente pelos fatores abaixo relacionados, aos quais afetam a espessura do

filme e o processo de ruptura: tamanho da gota; distância da queda da gota para a interface;

curvatura da gota na interface; relação de viscosidade das fases; efeitos de tensão interfacial;

efeitos de temperatura; efeitos elétricos e vibracionais; presença de dupla camada elétrica;

efeitos de transferência de soluto.

Pesquisadores como Chiavenato (1999), Eow e Ghadiri (2003) e Paulo, Fernandes Jr.

e Hadjiev (2005) atribuem a forte coalescência na interface de separação orgânico/aquoso

como um dos fatores que reduz a eficiência de separação global do processo. Este fenômeno

ocorre principalmente na operação com leito relaxado quando uma gota transportadora com

alta velocidade atinge a interface de separação. O resultado pode ser a produção de gotículas

de tamanho muito menor que podem ser arrastadas na saída da corrente aquosa de água

tratada. Eow e Ghadiri (2003) afirmam que este fenômeno de geração de gotículas por ocasião

da drenagem do filme interfacial pode ocorrer quando a relação entre a viscosidade do líquido

mais viscoso e aquele menos viscoso é muito menor que 11.

(6)

CAPÍTULO 3

ESTADO DA ARTE

Capítulo 3. Estado da Arte.


3. Estado da arte

Em 1985 Hadjiev e Kuychoukov patentearam na Bulgária o princípio de

funcionamento do método de inversão de fases. Este método visa diminuir a distância entre

uma gota da fase dispersa e a interface de separação.

No ano de 1989, Hadjiev e Kuychoukov estudaram dispersões de querosene-água e

constataram que o fluxo total e o diâmetro da gota gerada influenciam na eficiência de

separação. E verificaram que o aumento da quantidade de orgânico na dispersão primária

aumenta a eficiência de separação. A eficiência de separação (E %) foi calculada utilizando a

Equação (7):

(%)100Ce

CsCeE

onde, Ce e Cs são as concentrações de óleo na entrada e saída do MDIF, g/L.

Segundo Aurelle et al. (1991) a velocidade das gotas movendo-se em direção a

interface e a distância que elas têm que percorrer para encontrar esta interface são dois

parâmetros que afetam a separação do decantador. Os autores propuseram um modelo teórico

para o cálculo do diâmetro de uma gota no método de inversão de fases. Determinam o tempo

de residência necessário (tR) que uma gota transportadora necessita no leito orgânico para que

se tenha uma maior eficiência de separação, conforme mostra a Equação (1): tR = H / VS ,

sendo H a altura do leito orgânico (m) e VS a velocidade de sedimentação da gota (cm/s).

Os autores também propuseram, através da Equação (8), o tempo de decantação

médio (td) que uma gota transportada necessita para que alcance a interface da gota

transportadora.

(7)

d

dV

Dt (8)



D é o diâmetro da gota transportadora e Vd a velocidade de decantação média da gota

transportada (cm/s).

Foi determinado que para tR=td a eficiência de separação é praticamente 100%.

Também verificaram que bons resultados experimentais podem ser atingidos quando tR>td,

onde esta condição assegura uma eficiência de separação muito próxima a teórica.

Em 1993 Paulo et al. estudaram a hidrodinâmica do misturador-decantador baseado

na inversão de fase utilizando emulsões de querosene em água, hexano em água e clorofórmio

em água, usando uma solução alcalina industrial contendo cobre e o LIX 54 como extratante.

Observou-se que a eficiência de separação aumenta com a razão de densidade entre a fase

contínua e a fase dispersa, com o decréscimo da viscosidade da fase contínua e com

concentrações maiores do orgânico na admissão do aparelho. Também foi observado que o

aumento do diâmetro da gota transportada formada também aumenta a eficiência de separação

e que para diâmetros acima de 100 m, a eficiência permanece praticamente constante. Os

autores concluíram que o aumento da vazão, ocasionando um menor diâmetro das gotas

transportadoras, resulta no aumento da eficiência de separação. Contudo, uma alta velocidade

de agitação na câmara de mistura, reduz o diâmetro das gotas transportadas, resultando na

diminuição da eficiência de separação.

Em 1994 Paulo et al. utilizaram o MDIF na pesquisa da extração de cobre com LIX

984 como extratante. O interesse do estudo era avaliar o desempenho do equipamento com

relação a vazões especificas e razões volumétrica de fases orgânico/aquoso (O/A) mais

elevadas. Os autores obtiveram ótimas condições de desempenho a uma vazão especifica de

40m3/m2.h, conseguindo tratar até duas vezes mais a quantidade de solução tratada por um

aparelho convencional de três vezes o seu volume.

Em 1995 Hadjiev e Aurelle estudaram o MDIF com e sem formação de leito denso.

Produziram emulsões O/A para os pares TIOA/água, querosene/água e ciclohexano/água, com

diâmetro médio das gotas transportadas na faixa de 20 a 100 m. Foi verificado que

aumentando a taxa de fluxo total, elevando-se a altura do leito orgânico ou a altura do leito de

gotas não-coalescidas aumentava-se a eficiência de separação.



Em 1996 Paulo, Hadjiev e Gourdon utilizaram LIX 984 (como extratante) em

querosene na extração do cobre, avaliaram o pH de equilíbrio e as concentrações do

extratante. Os autores compararam o modelo químico de reação proposto pelo fabricante com

outro obtido através de um método numérico alternativo.

Em 1998 Paulo, Canselier e Gourdon caracterizaram emulsões de óleo/água através

de uma técnica de medida e distribuição de gotas no misturador-decantador à inversão de

fases. A técnica que combina a estabilização de gotas com difração à laser, se mostrou viável

para uma larga faixa de tamanhos de gotas (8,6 à 564 m).

Em 1999 Chiavenato, utilizando o primeiro protótipo do misturador-decantador à

inversão de fases montado no Brasil, separou o óleo na forma emulsionada da água de

formação produzida, usando a aguarrás (mistura de hidrocarbonetos) como extratante. Foram

utilizadas amostras reais da indústria do petróleo. Os resultados apresentaram uma tendência

geral de aumento na eficiência de separação com o aumento da vazão efetiva total. Foi

concluído que eficiência de separação é maior para vazões específicas mais elevadas e com

concentrações de óleo na alimentação maior que 766mg/L. Obteve-se uma eficiência de

separação de 99,6% para uma concentração de óleo na alimentação de 4.609 mg/L, tendo

reconhecimento nacional ao obter o 2º lugar (menção honrosa) no prêmio OPP-ABEQ/1999.

Em 2001 Nazaré et al. realizaram um estudo hidrodinâmico e de transferência de

massa no MDIF para o sistema: água + óleo + fase orgânica (aguarrás). Os parâmetros

estudados na influência da hidrodinâmica e conseqüentemente no coeficiente de transferência

de massa (KLS) foram: a velocidade de agitação (N) e a razão das vazões de alimentação das

fases aquosa e orgânica (QO/QA). A partir dos resultados obtidos, conclui-se que a eficiência

de extração bem como o KLS independem da velocidade de agitação dentro do domínio

estudado (285 – 700 rpm). O aumento do percentual da fase orgânica foi significativo, pois o

seu aumento eleva consideravelmente o percentual de óleo extraído bem como o KLS com

conseqüente aumento da velocidade de transferência do óleo através da fase orgânica. O

percentual máximo de extração do óleo obtido é em torno de 93,5% e o valor máximo

encontrado para o KLS é de 7 x 10-8 m3/s, correspondente a uma razão QO/QA igual a 1/2. Os

efeitos das variáveis estudadas sobre o KLS estão representados na Equação (9):



KLS = 13,4917x10-6 N. QO/QA0,9433

Em 2002 Fernandes Jr. fez um planejamento experimental aplicado ao MDIF, em

que buscava localizar uma região ótima de operação do aparelho, a partir de um número

otimizado de experimentos, tomando como base cinco variáveis operacionais pré-

determinadas, e desta forma, verificando a influência de cada uma delas na eficiência de

separação do equipamento. Os resultados obtidos pelo autor, além de comprovar os trabalhos

anteriores, estabeleceu um modelo probabilístico extremamente útil para predição da

eficiência de separação numa ampla faixa de operação do equipamento. Além disso, pôde

comprovar a importância individual de cada variável estudada, destacando a importância do

teor de óleo na alimentação e a altura do leito orgânico.

Moraes et al. (2002) realizaram um estudo com extratantes através do método de

Espectrofotometria, para avaliar a eficiência de separação entre as fases óleo bruto e água do

Misturador-Decantador à Inversão de Fases - MDIF aplicado ao tratamento de águas de

produção. O método atualmente empregado baseava-se no padrão espectrofotométrico

utilizado pela Petrobrás, que empregava o clorofórmio como extratante, para “Determinação

do Teor de Óleos e Graxas Por Espectrofotometria de Absorção Molecular”. Os extratantes

utilizados na comparação do estudo foram: hexano e aguarrás. Os autores concluíram que, em

comparação ao método padrão por clorofórmio, o método que apresentou os melhores

resultados foi o método de espectrofotometria com hexano, mostrando-se ser um método

aplicável e também mais viável economicamente, à medida que o preço é mais baixo e

apresentar uma menor toxidez com relação ao clorofórmio.

Em 2004 Hadjiev, Limousy e Sabiri estudaram o MDIF na condição de baixa

velocidade nos bocais do prato perfurado. Produziram emulsões O/A para os pares

querosene/água, heptano/água e clorofórmio/água. Observou-se, já comprovado em trabalhos

anteriores, que o aumento do leito orgânico aumenta a eficiência de separação. Em um dos

resultados obtidos, foi verificado que a eficiência de separação diminui com o aumento do

diâmetro da gota transportadora e aumenta com o aumento do diâmetro da gota transportada.

Fernandes Jr. et al (2004a) utilizaram variáveis de processo como velocidade de

agitação, razão volumétrica orgânico/aquoso (O/A) e vazão efetiva para caracterizar o

(9)



tamanho e a distribuição das gotas na câmara de decantação do Misturador-Decantador à

Inversão de Fases – MDIF. O software utilizado na analise das gotas geradas foi o Hidromess

1.40, que avalia os diferentes índices de refração entre duas fases líquidas presentes, ao passar

por um capilar introduzido na câmara de decantação. Os autores verificaram que a velocidade

de agitação e a razão volumétrica orgânico/aquoso têm pouca significância para o aumento ou

diminuição do diâmetro médio das gotas transportadoras de óleo quando medidos a uma

determinada vazão. Porém, constataram que a vazão efetiva mostra-se com grande influência

no tamanho e distribuição das gotas transportadoras geradas.

CAPÍTULO 4

MATERIAIS E METODOLOGIA

EXPERIMENTAL

Capítulo 4. Materiais e Metodologia Experimental.


4. Materiais e Metodologia Experimental

Neste capítulo são apresentados os equipamentos e materiais, sistema estudado,

método analítico e o modo de operação do MDIF.

O desenvolvimento deste trabalho teve o apoio de UN-RNCE-PETROBRAS no

fornecimento de amostras de petróleo e aguarrás. Todas as amostras são provenientes do Pólo

Industrial de Guamaré/RN.

4.1 Equipamentos e materiais

Os equipamentos utilizados na realização do trabalho foram a unidade de laboratório

do MDIF, localizada no laboratório de Tecnologia dos Materiais do curso de Engenharia

Química da UFRN, e materiais básicos que auxiliam os ensaios experimentais. Abaixo são

apresentados os equipamentos utilizados:

1. Uma unidade do MDIF composto das seguintes partes: câmara de mistura, prato

perfurado, câmara de decantação e câmara de separação;

2. Duas bombas de cavidade progressiva, da Netzsch, utilizadas na admissão da fase

orgânica e da fase aquosa respectivamente;

3. Uma caixa de 200 L, para armazenar a dispersão;

4. Um agitador mecânico usado para homogeneizar a dispersão na caixa de entrada;

5. Dois tambores de 50 L, para armazenar a água tratada;

6. Um vaso separador de arraste, em vidro, para armazenar a fase orgânica;

7. Um espectrofotômetro, modelo 600 S da FEMTO;

8. Capela;

9. Frascos de 1000 mL para coleta das amostras de água;

10. NaSO4 P.A. anidro, H2SO4 P.A., Hexano P.A.;

11. Vidrarias de laboratório diversas.

A Figura 6 apresenta os equipamentos necessários para operacionar o MDIF durante

os ensaios experimentais.



Figura 6. Equipamentos utilizados na operação do misturador-decantador à inversão de fases.

4.2 Sistema estudado

O sistema estudado neste trabalho foi uma água contaminada com petróleo

denominada de “água residual, água de formação ou água de produção”. Trata-se de

dispersões e/ou emulsões do tipo petróleo/água.

Neste estudo foi utilizada uma amostra de água, na qual esta simulava uma água de

produção real. Esta amostra simulada era constituída de petróleo disperso em água do mar,

simulando uma água proveniente de uma plataforma marítima.

A Tabela 1 apresenta as principais propriedades físico-químicas da água de produção

simulada.



Tabela 1. Propriedades físico-químicas da água de formação simulada e real.

PropriedadesÁgua de Produção

Simulada

Densidade (103 Kg m-3) 1,0274

Viscosidade (10-3 Kg.m-1 s-1) 0,9837

Tensão superficial (N m-1) 73,1912

Tensão interfacial água/aguarrás (N m-1) 23,7966

pH 8,09

Turbidez (NUT) 6,75

Salinidade (mg de Cl-/L) 44.870,42

Condutividade (mS cm-1) 60,5

Nas situações em que foram necessário aumentar a concentração de óleo na água de

produção simulada, foi acrescido petróleo nas amostras para a formulação da concentração

desejada. A amostra de petróleo foi coletada na estação de tratamento de óleo – ETO

PETROBRAS. A Tabela 2 mostra algumas características e propriedades físicas do petróleo.

Tabela 2. Características e propriedades físicas do petróleo.

Características e propriedades Petróleo

Cor Preta

Densidade (103 Kg m-3) 0,8709

Viscosidade (Kg.m-1 s-1) 1,000

4.2.1. O orgânico utilizado

A fase orgânica que vem sendo utilizada na extração do petróleo da água de

produção no MDIF é a aguarrás (mistura de hidrocarbonetos). Esta foi proveniente da



Unidade de Processamento de Gás Natural I (UPGN-I) do Pólo Industrial de Guamaré/RN –

PETROBRAS.

A aguarrás usada nas extrações possui coloração amarelo claro, sendo um produto

especificado da PETROBRAS. A escolha desta aguarrás é devido a esta ser um produto

especificado e também ser a mesma aguarrás que será utilizada pelo MDIF semi-industrial.

Posteriormente foi realizado um teste exploratório, utilizando o regime de leito denso, com

uma aguarrás não especificada, proveniente do processo da UPGN-I, de coloração laranja.

Esta última é resultante de processos de lavagem das linhas e torres de destilação da UPGN-I.

Assim sendo, as propriedades físico-químicas deste produto não são constantes em função dos

vários contaminantes que podem estar presentes na sua composição.

A Figura 7 mostra as duas amostras de aguarrás utilizadas neste estudo.

Figura 7. Amostras de aguarrás utilizadas no MDIF: (1) aguarrás especificada e (2) aguarrás não especificada.

A Tabela 3 apresenta os métodos de análises utilizados para a determinação das

propriedades físico-químicas das aguarrás e os respectivos laboratórios onde as análises foram

realizadas. Os vários métodos de determinação das propriedades físico-químicas estão

descritos no anexo 1.

(1) (2)



Tabela 3. Laboratórios e métodos utilizados para determinação das propriedades físico-químicas das duas aguarrás.

Propriedades Método Laboratório

Densidade Picnômetro Tecnologia dos Materiais

DEQ/UFRN

ViscosidadeViscosímetro capilar Tipo

Ubbelohde

Tecnologia dos Materiais

DEQ/UFRN

Tensão superficial Anel de Du Noüy Pesquisa em Petróleo/DQ/UFRN

Tensão interfacial

água/aguarrásAnel de Du Noüy

Pesquisa em Petróleo/DQ/UFRN

4.3. Procedimento experimental

4.3.1. Preparação da dispersão óleo/água produzida no tanque do aquoso

para alimentação do aparelho

No tanque do aquoso é adicionado o volume de água do mar necessário para simular

as amostras de água de produção. Para preparar a dispersão óleo/água realiza-se a agitação no

tanque do aquoso, por intermédio de um motor operando a 250 rpm. Nas formulações de

concentração das amostras simuladas, é calculado o volume de óleo a ser adicionado no

tanque do aquoso, utilizando as Equações (10) e (11):

a

odo

V

Cm

310o

oo

mV

(10)

(11)



sendo,

mo = massa de óleo (mg);

Cod = concentração de óleo desejada (mg/L);

Va = volume de água no tanque do aquoso (L);

Vo = volume de óleo a ser adicionado no tanque do aquoso (mL);

o = densidade do óleo (mg/L);

103 = fator de conversão (mg para g).

4.3.2. Cálculo do tempo de operação do MDIF

Para iniciar a operação do MDIF, é necessário se conhecer a razão orgânico/aquoso

(O/A), a concentração do óleo na água, a vazão efetiva, a altura do leito orgânico e a

velocidade de agitação da câmara de mistura. De posse destes dados, calcula-se o tempo de

residência (tr) das fases envolvidas e do tempo de operação (to), para tal é considerado o

escoamento no interior da coluna como do tipo pistão. Utiliza-se as Equações (12), (13) e (14)

para o cálculo do tempo de residência (Fernandes Jr., 2002).

efet

cr

Q

Vt

para:

tr = tempo de residência das fases fluidas no interior da coluna (h);

Vc = volume de controle do MDIF (m3):

Vc = Vmistura + Vdecantação + Vseparação = 3,73L para coluna de 1,00 m.

e:

Vmistura= volume da câmara de mistura;

Vdecantação= volume da câmara de decantação;

Vseparação= volume da câmara de separação.

(12)

(13)



Onde, Qefet = vazão efetiva (m3/h) é dada por:

Qefet = vazão do orgânico + vazão do aquoso

Para calcular o tempo de residência no interior da coluna, considerando um

escoamento tipo pistão, é recomendado utilizar a Equação (15) (Trambouze, van Landeghem

e Wauquier, 1984).

to = 7 tr

sendo to o tempo de operação para que o sistema atinja o regime estacionário (h). Com os

dados dos tempos calculados, inicia-se procedimento de operação do MDIF.

4.3.3. Modo de operação com o MDIF

Fernandes Jr. (2002), em seu estudo, descreve o modo de operação do MDIF em que

trabalha com o regime hidrodinâmico de leito relaxado. Este trabalho seguiu o mesmo modo

operacional realizado por ele, porém operando na condição de regime hidrodinâmico de leito

denso. O protótipo do MDIF está localizado no laboratório de Tecnologia dos Materiais do

curso de Engenharia Química da UFRN.

A Figura 8 mostra o esquema de operação do MDIF apresentando todos os materiais

e equipamentos utilizados durante a realização dos ensaios experimentais, dando um enfoque

dos fluxos do aquoso e do orgânico. Podendo ser visto no anexo 2 as curvas de calibração das

bombas.

A água emulsionada armazenada no tanque do aquoso é mantida sob agitação

constante a fim de manter o petróleo disperso. Inicialmente, preenche-se a câmara de

decantação com a aguarrás. Em seguida, a água emulsionada é bombeada do tanque do

aquoso até entrar na câmara de mistura do MDIF, na parte superior da coluna, sendo a

(14)

(15)



primeira a ser admitida na câmara de mistura, tornando-se assim o meio contínuo nesta

câmara.

É então acionado o agitador mecânico para imediatamente ser bombeada a aguarrás,

que está no vaso separador, para a câmara de mistura de forma que as duas fases são

admitidas em fluxo co-corrente. Na câmara de mistura a água de produção, em maior

proporção, é a fase contínua do sistema. A agitação do sistema (água de produção/aguarrás) é

realizada com o intuito de transferir o petróleo da fase aquosa para a aguarrás. A dispersão

solvente carregado em petróleo/água transborda e atinge o leito orgânico puro sobre o prato

perfurado. A dispersão petróleo/água passa pelo prato perfurado alcançando assim a câmara

de decantação, que está totalmente preenchida do orgânico, gerando então uma cascata de

gotas de água denominadas de “gotas transportadoras”, contendo no seu interior gotículas de

solvente carregado em petróleo e chamadas de “gotas transportadas”. O sistema possui no

interior da câmara de decantação o solvente orgânico como fase contínua e as gotas

transportadoras de água como fase dispersa. Deste modo, ocorre uma inversão de fases em

relação às fases admitidas na câmara de mistura.

Figura 8. Esquema de operação com o MDIF.



O diâmetro médio das gotas transportadoras (D), geradas pelo prato perfurado,

dependerá da vazão de admissão do MDIF que será utilizada nos ensaios experimentais

(Medeiros, Moraes e Paulo, 2005; Paulo et al., 2003), podendo ser visto pela Tabela 4.

Tabela 4. Valores de diâmetros médios de gota transportadora para uma dada vazão.

(Fonte: Medeiros, Moraes e Paulo, 2005).

Ensaios

Nºs

Vazão

m3/m2.h1

D

(10-3 m)

120 –122

134 -136

151 - 153

45,8 2,88

123 - 127

154 - 156 50,9 2,85

157 - 159 56,0 2,83

128 - 133

160 - 162 61,0 2,80

137 - 150

163 - 165 71,3 2,76

As gotas transportadoras ao percorrerem a câmara de decantação e vão liberando as

gotas transportadas até atingir a interface orgânico/aquoso na câmara de separação, na base do

MDIF, onde coalescem. As gotas transportadoras, ao chegarem à câmara de decantação,

contêm no seu interior poucas ou nenhuma gota transportada. A água tratada sai pela base da

câmara de separação e segue para o tanque de água tratada.

O orgânico carregado em petróleo sai pelo topo da câmara de decantação do MDIF,

acumulando-se no vaso separador de água de arraste. Neste vaso, o orgânico é separado do

aquoso e bombeado novamente para a câmara de mistura, operando em circuito fechado até

sua completa saturação (aproximadamente 17% em volume, de acordo com Chiavenato

(1999)).

As amostras a serem analisadas são coletadas em dois pontos distintos. Na saída do

tanque do aquoso é feita a coleta da amostra de água emulsionada (ponto de coleta 1) e a



amostra de água tratada é coletada na saída da base da câmara de separação (ponto de coleta

2). As amostras de água tratada são coletadas após se ter atingido o tempo de operação do

sistema (to) e as amostras de água emulsionada só são coletadas após o termino do ensaio da

coluna.

4.3.4. Determinação da concentração de óleo e graxa

4.3.4.1. Método analítico

O método a ser utilizado para a determinação de óleo e graxa é o Método de

espectrofotometria. Segundo Jeffery et al. (1989) a espectrofotometria é um dos métodos mais

utilizados dentre as análises quantitativas, para se determinar concentrações de substâncias em

soluções. Os resultados utilizando este método são consistentes, possuindo uma técnica

simples e rápida (Evangelho et al., 2002).

A concentração de óleo presente na fase aquosa é determinada através de análise de

absorbância utilizando o Espectrofotômetro de UV – Visível, modelo 600 S da FEMTO.

Primeiramente, levanta-se uma curva de calibração de absorbância em função da

concentração utilizando padrões concentrações conhecidos de óleo em hexano (anexo 3), que

é o solvente utilizado nas extrações (Moraes et al., 2001; Medeiros et al., 2004). Estas

concentrações variaram de 15 a 500 ppm.

O comprimento de onda utilizado na determinação dos valores de absorbâncias é de

340 nm. Este comprimento de onda foi escolhido após ter sido realizada a varredura no

espectrofotômetro, que resultou no maior valor de absorbância obtido (pico significativo).

Este valor do comprimento de onda se situa na região de sensibilidade máxima para a

investigação da concentração e por ser um ponto de virada, proporciona a menor alteração do

valor de absorbância para qualquer pequena variação do comprimento de onda (Jeffery et al,

1989; Kobal e Sartorio, 1982).



4.3.4.2. Procedimento experimental

A técnica de determinação da concentração de óleo presente na água consiste das

seguintes etapas:

a. Coleta-se aproximadamente 1000 mL de amostra, sempre em duplicata para

confrontação dos resultados. A amostra de água emulsionada é coletada na saída do

tanque do aquoso (ponto de coleta 1) e a amostra de água tratada é coletada na saída

da base da câmara de separação (ponto de coleta 2), podendo ser visto na Figura 8;

b. As amostras são preservadas usando-se 5 mL de solução H2SO4 em água destilada

(1:1), até garantir um pH igual ou menor que dois, conforme MT-Petrobras n° 37-

0084-O de 1999, sendo a amostra agitada. Checa-se o pH e caso o pH continue alto,

acidificasse novamente a amostra até atingir o pH esperado;

c. Em seguida, adiciona-se 5,0g de NaCl à amostra, para evitar a formação de emulsão, e

agita-se;

d. Transfere-se a amostra d’água, do frasco de coleta, para um balão de separação de

2000mL;

e. É adicionado 40 mL do solvente (hexano) no frasco de coleta, com o intuito de extrair

todo resíduo de óleo que ainda estiver no frasco. Em seguida transfere-se este hexano,

possivelmente carregado em óleo, do frasco de coleta para o balão de separação.

Realiza-se agora uma forte agitação no balão de separação, por aproximadamente três

minutos, a fim de extrair o óleo que está disperso na água para a fase orgânica.

Repete-se esta etapa por mais duas vezes e então deixa-se o balão de separação em

repouso por trinta minutos.

f. Na fase seguinte é feita a medição da quantidade de água existente no balão de

separação, através de proveta graduada. Em seguida a fase orgânica é transferida para

um balão de diluição de 250 mL, através da passagem da fase orgânica por um

dessecante (NaSO4 anidro). E posteriormente o balão é preenchido com o hexano.

g. O passo seguinte é zerar o espectrofotômetro com o hexano puro;

h. homogeiniza-se a amostra do balão de separação e em seguida, transfere-se

aproximadamente 5 mL para a cubeta de análise, lembrando da limpar a parte externa

da cubeta com um papel macio e verificando se não há resíduos na superfície da

cubeta;



i. A cubeta é colocada no espectrofotômetro (340 nm) e anota-se o valor de absorbância

lida pelo aparelho;

j. Com o valor de absorbância obtido, é só lançar este valor na equação da curva de

calibração para se saber a concentração do óleo no orgânico (hexano);

k. Tendo o valor da concentração do óleo no orgânico é só lançá-lo na Equação 16 para

se determinar à concentração de óleo em água existente na amostra da água coletada:

d

amostra

oooa fV

CC250

onde:

Coo = concentração do óleo no orgânico (mg/L);

Coa = concentração de óleo em água (mg/L);

Vamostra = volume de amostra da água coletada (mL);

250 = volume do balão de diluição (mL);

fd = fator de diluição (1:100).

A determinação da eficiência de separação do MDIF (E%) é feita através da Equação

(7):

Ce

CsCeE x 100 (%)

onde, Ce e Cs são as concentrações de óleo na entrada e saída do MDIF (g/L)

respectivamente.

(16)

CAPÍTULO 5

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Capítulo 5. Resultados e Discussões.


5. Resultados e Discussões

Os resultados obtidos estão divididos em três partes: 1- análises das eficiências de

separação do MDIF; 2- determinação das propriedades físico-químicas das aguarrás; e 3-

análise geral dos resultados.

5.1. Análise das eficiências de separação do MDIF

A determinação da eficiência de separação do MDIF consiste em determinar os

Teores de Óleo e Graxa, da água de produção, na alimentação e na saída do aparelho pelo

método de espectrofotometria. A eficiência de separação (E %), com base nos valores de teor

de óleo, foi calculada pela Equação (7).

A escolha das variáveis de operação utilizadas nos ensaios experimentais com o

MDIF é baseada nos trabalhos já realizados com o aparelho para o tratamento da água de

produção. Entre eles se destacam os trabalhos de Chiavenato (1999), Nazaré et al. (2001) e

Fernandes Jr. (2002). As razões volumétricas orgânico/aquoso (O/A) utilizadas nos ensaios

experimentais foram: 1/10, 1/6, 1/3 e 1/2. A velocidade de agitação foi mantida constante em

todos os ensaios, Vagit=750 rpm. De acordo com Nazaré et al. (2001), esta velocidade permite

dispersar e transferir o petróleo emulsionado da água de produção para a aguarrás. A altura do

leito orgânico também foi mantida constante em um metro.

A Tabela 5 apresenta todos os resultados de eficiência de separação para as

concentrações: baixa (108-200 mg/L); intermediária (643 mg/L); e alta (1200-1880 mg/L). A

aguarrás utilizada nestes ensaios foi a aguarrás especificada.



Tabela 5. Resultados dos ensaios do MDIF.

EnsaioNº

Concentração(mg/L)

O/AHLD

10-2 (m)Vazão

(m3/m2.h1)Eficiência

(%)

1 108-200 1/6 58 62,7 36,4

2 108-200 1/3 45 71,3 27,9

3 108-200 1/2 50 79,5 23,8

4 108-200 1/10 74 58,6 53,2

5 108-200 1/6 74 62,7 44,0

6 108-200 1/3 73 71,3 40,1

7 108-200 1/2 70 79,5 39,8

8 108-200 1/10 54 58,6 35,8

9 108-200 1/6 63 62,7 39,4

10 108-200 1/3 61 71,3 38,6

11 108-200 1/3 54 71,3 29,7

12 108-200 1/10 58 58,6 38,0

13 108-200 1/6 56 62,7 28,2

14 108-200 1/10 59 58,6 42,4

15 108-200 1/6 60 58,6 38,7

16 108-200 1/3 58 58,6 38,1

17 108-200 1/2 30 58,6 15,3

18 108-200 1/10 33 58,6 25,3

19 108-200 1/6 34 62,7 23,8

20 108-200 1/3 33 71,3 20,9

21 108-200 1/3 0 71,3 17,3

22 108-200 1/10 48 58,6 29,8

23 108-200 1/10 17 58,6 14,3

24 108-200 1/10 0 58,6 9,7

25 643,20 1/10 50 58,6 87,2

26 643,20 1/6 46 58,6 80,7

27 643,20 1/3 35 58,6 78,9

28 1200-1880 1/6 20 58,6 91,7



EnsaioNº

Concentração(mg/L)

O/AHLD

10-2 (m)Vazão

(m3/m2.h1)Eficiência

(%)

29 1200-1880 1/6 0 58,6 86,7

30 1200-1880 1/10 24 58,6 93,4

31 1200-1880 1/6 24 58,6 92,3

32 1200-1880 1/3 17 58,6 90,9

33 1200-1880 1/3 0 58,6 89,7

34 1200-1880 1/3 22 58,6 91,2

35 1200-1880 1/10 20 58,6 92,0

36 1200-1880 1/6 17 58,6 91,0

37 1200-1880 1/3 31 58,6 94,3

38 1200-1880 1/3 33 65,2 93,3

39 1200-1880 1/3 0 65,2 90,0

40 1200-1880 1/3 34 71,3 92,1

41 1200-1880 1/10 65 65,2 96,3

42 1200-1880 1/10 40 65,2 95,1

43 1200-1880 1/10 17 65,2 91,5

44 1200-1880 1/10 0 65,2 90,6

Os resultados de eficiência obtidos nos ensaios são a média de dois resultados, ou

seja, amostras em duplicata.

Pode-se observar pela Tabela 5 que aproximadamente metade dos ensaios

experimentais foram realizados na menor faixa de concentração (108-200 mg/L), pois o

MDIF semi-industrial, localizado no Pólo Industrial de Guamaré/RN-PETROBRAS, irá

realizar o tratamento da água de produção com aproximadamente esta mesma concentração na

alimentação e que há a possibilidade de realizar testes neste MDIF utilizando o regime de

leito denso.



5.1.1 Comparação entre os regimes hidrodinâmicos: leito denso e leito

relaxado

A comparação entre as duas condições de regime hidrodinâmico, leito denso e leito

relaxado, pode ser vista nas figuras a seguir. Nos ensaios para baixas concentrações de óleo na

alimentação, Figura 9, e para altas concentrações de óleo, Figura 10. Observa-se a influência

dos leitos sobre a eficiência de separação do MDIF para as razões O/A utilizadas. Os ensaios,

para as duas condições hidrodinâmicas, foram realizados à vazão constante.

As Tabelas 6 e 7 apresentam os dados para elaboração das Figuras 9 e 10

respectivamente.

Tabela 6. Resultados de eficiência para as duas condições de regime hidrodinâmico a baixas concentrações.

EnsaioConcentração

(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

20 108-200 1/3 33 71,3 20,9

21 108-200 1/3 0 71,3 17,3

23 108-200 1/10 17 58,6 14,3

24 108-200 1/10 0 58,6 9,7

Figura 9. Comparação entre os regimes hidrodinâmicos na faixa de baixa concentração de óleo na alimentação à vazão e razão O/A constantes.

0

5

10

15

20

25

1/3 1/10

Condição Hidrodinâmica

E (

%)

Leito Denso

Leito Relaxado

Razão volumétrica orgânico/aquoso (O/A)



Tabela 7. Resultados de eficiência para as duas condições de regime hidrodinâmico a altas concentrações.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

28 1200-1880 1/6 20 58,6 91,7

29 1200-1880 1/6 0 58,6 86,7

38 1200-1880 1/3 33 65,2 93,3

39 1200-1880 1/3 0 65,2 89,7

43 1200-1880 1/10 17 65,2 91,5

44 1200-1880 1/10 0 65,2 90,6

Figura 11. Comparação entre os regimes hidrodinâmicos na faixa de alta concentração de óleo na alimentação à vazão e razão O/A constantes.

Observa-se que para as duas faixas de concentração de óleo na alimentação (baixa e

alta), as eficiências de separação são maiores para a condição em que o leito denso foi

utilizado (HLD 0). Também pode ser observado que as eficiências de separação para as

condições de maior teor de óleo na alimentação (Figura 10) são muito superiores as de menor

82

84

86

88

90

92

94

1/3 1/6


E (

%)

Leito Denso

Leito Relaxado

1/6 1/10


Leito Denso

Leito Relaxado


1/3 1/6 1/10

Razão volumétrica orgânico/aquoso (O/A)



teor de óleo (Figura 9) para as todas as razões O/A utilizadas. É possível que as baixas

concentrações em óleo na água de alimentação, estejam relacionadas com gotículas dispersas

de menores diâmetros, enquanto que para altas concentrações estas gotículas se apresentam

com maiores diâmetros. Além disso, uma maior concentração de gotas, favorece a

coalescência entre elas, resultando em gotas maiores e mais fáceis de serem separadas na

câmara de decantação do MDIF.

5.1.2 Influência da altura do leito de gotas não-coalescidas (leito denso)

sobre a eficiência de separação

As Figuras 11, 12, 13, 14, 15, 16 apresentam os resultados de eficiência de separação

em função da variação de altura do leito denso para baixa e alta concentração.

Nas Figuras 11 e 12, baixa e alta concentrações, respectivamente, a razão O/A foi

mantida constante em 1/10. A vazão foi fixada em 58,6 m3/m2.h1 e o HLD variou de zero (0) a

74.10-2 m, como pode ser visto na Tabela 8. A vazão foi fixada em 65,2 m3/m2.h1 e HLD

variando de zero (0) a 60.10-2m para as condições da Figura 12 e Tabela 9.

Tabela 8. Resultados de eficiência de separação para diferentes alturas de leito de gotas (HLD)a baixas concentrações e O/A=1/10.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

4 108-200 1/10 74 58,6 53,2

8 108-200 1/10 54 58,6 38,1

12 108-200 1/10 58 58,6 40,0

16 108-200 1/10 59 58,6 42,4

18 108-200 1/10 33 58,6 25,3

22 108-200 1/10 48 58,6 29,8

23 108-200 1/10 17 58,6 14,3

24 108-200 1/10 0 58,6 9,7



Figura 12. Influência da altura do leito denso (HLD) sobre a eficiência de separação do MDIF a baixas concentrações, vazão=58,6 m3/m2.h1 e O/A=1/10.

Tabela 9. Resultados de eficiência de separação para diferentes alturas de leito de gotas (HLD)a altas concentrações e O/A=1/10.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

41 1200-1880 1/10 65 65,2 96,3

42 1200-1880 1/10 40 65,2 95,1

43 1200-1880 1/10 17 65,2 91,5

44 1200-1880 1/10 0 65,2 90,6

Figura 13. Influência da altura do leito denso (HLD) sobre a eficiência de separação do MDIF a altas concentrações, vazão=65,2 m3/m2.h1 e O/A=1/10.

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80

HLD (10-2 m)

E (%

)

90

92

94

96

98

0 20 40 60 80

HLD (10-2m)

E (%

)



As Figuras 13 (baixa concentração) e 14 (alta concentração), possuem a razão O/A

constante de 1/6. Para a faixa de concentração baixa, a vazão foi mantida em 62,7 m3/m2.h1 e

o HLD na faixa de 34 a 74.10-2 m, como mostra a Tabela 10. Já na faixa de alta concentração

foi utilizada a vazão de 58,6 m3/m2.h1 e HLD entre zero (0) e 24.10-2m, Tabela 11.

Tabela 10. Resultados de eficiência de separação para diferentes alturas de leito de gotas (HLD) a baixas concentrações e O/A=1/6.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

1 108-200 1/6 58 62,7 36,4

5 108-200 1/6 74 62,7 44,0

9 108-200 1/6 63 62,7 37,4

13 108-200 1/6 56 62,7 32,2

19 108-200 1/6 34 62,7 23,8


20

25

30

35

40

45

50

30 40 50 60 70 80

HLD (10-2 m)

E (%

)



Tabela 11. Resultados de eficiência de separação para diferentes alturas de leito de gotas (HLD) a altas concentrações e O/A=1/6.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

28 1200-1880 1/6 20 58,6 91,7

29 1200-1880 1/6 0 58,6 86,7

31 1200-1880 1/6 24 58,6 92,3

36 1200-1880 1/6 17 58,6 91,0


As Figuras 15 e 16, baixa e alta concentração, têm razão O/A fixa em 1/3. A Figura

14 possui uma vazão constante de 71,3 m3/m2.h1 e um HLD variando entre zero (0) e 73.10-2 m,

podendo ser visto na Tabela 12. A Figura 15 tem uma vazão fixa de 58,6 m3/m2.h1 e o HLD na

faixa de zero (0) e 31.10-2 m, mostrado na Tabela 13.

85

87

89

91

93

0 10 20 30

HLD (10-2m)

E(%

)





(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

2 108-200 1/3 45 71,3 27,9

6 108-200 1/3 73 71,3 40,1

10 108-200 1/3 61 71,3 36,6

11 108-200 1/3 54 71,3 29,7

20 108-200 1/3 33 71,3 20,9

21 108-200 1/3 0 71,3 17,3


Tabela 13. Resultados de eficiência de separação para diferentes alturas de leito de gotas (HLD) a altas concentrações e O/A=1/3.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

32 1200-1880 1/3 17 58,6 90,9

33 1200-1880 1/3 0 58,6 90,0

34 1200-1880 1/3 22 58,6 91,2

37 1200-1880 1/3 31 58,6 94,3

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80

HLD (10-2 m)

E (%

)




A Tabela 14 apresenta os resultados de eficiência para duas diferentes alturas de leito

denso para O/A=1/2, para vazão de 79,5 m3/m2.h1.



(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

3 108-200 1/2 50 79,5 23,8

7 108-200 1/2 70 79,5 39,8

Pode-se constatar que tanto na baixa concentração (Figuras 11, 13 e 15) como à alta

concentração (Figuras 12, 14 e 16), para todas as razões O/A utilizadas, que a eficiência de

separação aumenta com o aumento da altura do leito denso, estando em concordância com

Hadjiev e Aurelle (1995). Também pode ser observado que trabalhando no regime de leito

relaxado (HLD=0), obtém-se os menores resultados de eficiência em comparação a qualquer

altura de leito denso, para as mesmas condições das variáveis do ensaio experimental.

89

91

93

95

0 10 20 30 40

HLD (10-2 m)

E(%

)



Também se pode constatar que os melhores resultados de eficiência de separação

foram obtidos para as maiores alturas de leito denso, o que resulta no aumento do tempo de

residência da gota transportadora no leito orgânico e com isso aumenta a possibilidade de uma

gota transportada atingir a sua homofase (leito orgânico).

5.1.3 Influência da vazão sobre a eficiência de separação

As Figuras 17, 18 e 19 mostram os resultados de eficiência para diferentes vazões

específicas, em que a condição de leito denso foi utilizada na operação do MDIF.

A Tabela 15 apresenta os resultados dos ensaios para valores de baixa concentração

para as razões O/A de 1/6 e 1/3, para mesma altura de leito denso (Figura 17) e para alturas

diferentes de leito denso (Figura 18).

Tabela 15. Resultados de eficiência de separação para diferentes vazões a baixas concentrações.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

5 108-200 1/6 74 62,7 44,0

9 108-200 1/6 63 62,7 37,4

15 108-200 1/6 60 58,6 38,7

6 108-200 1/3 73 71,3 40,1

11 108-200 1/3 54 71,3 29,7

16 108-200 1/3 58 58,6 38,1

A Figura 17 possui a mesma altura de leito denso para as diferentes vazões

correspondete a cada razão O/A. A O/A=1/6 tem HLD 61.10-2m e O/A=1/3 tem HLD 56.10-

2 m.



Figura 18. Influência da vazão específica sobre a eficiência de separação do MDIF a baixas concentrações para uma mesma altura de leito denso.

A Figura 18 tem alturas de leito denso diferentes para cada vazão efetiva. A razão

volumétrica O/A=1/6 para Q = 58,6 m3/m2.h1 possui HLD = 60.10-2m e para Q = 62,7 m3/m2.h1

tendo uma altura HLD = 74.10-2m. A O/A=1/3, tem para Q = 58,6 m3/m2.h1 uma altura de HLD

= 60.10-2m e para Q = 62,7 m3/m2.h1 uma HLD = 74.10-2m.

Figura 19. Influência da vazão específica sobre a eficiência de separação do MDIF a baixas concentrações para alturas de leito denso diferentes.

28,0

32,0

36,0

40,0

44,0

55 60 65 70 75

Q (m3.m-2.h-1)

E (

%)

1/6

1/3

28,0

32,0

36,0

40,0

44,0

55 60 65 70 75

Q (m3.m-2.h-1)

E (

%)

1/6

1/3

28

32

36

40

44

55 60 65 70 75

Q (m3.m-2.h-1)

E (

%)

1/6

1/3

28

32

36

40

44

55 60 65 70 75

Q (m3.m-2.h-1)

E (

%)

1/6

1/3



Os resultados da Tabela 16 foram feitos para a condição de alta concentração e

razões O/A de 1/3 e 1/10, com alturas do leito denso equivalentes para cada razão O/A,

podendo ser visto na Figura 18.

Tabela 16. Resultados de eficiência de separação para diferentes vazões a altas concentrações.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

37 1200-1880 1/3 31 58,8 94,3

38 1200-1880 1/3 33 65,2 93,3

40 1200-1880 1/3 34 71,3 92,1

28 1200-1880 1/10 20 58,6 92,0

43 1200-1880 1/10 17 65,2 91,5

Figura 20. Influência da vazão específica sobre a eficiência de separação do MDIF a altas concentrações.

Verifica-se que para uma mesma altura de leito denso, operando com uma menor

vazão de admissão (Figura 17), há uma tendência de melhores resultados de eficiências de

separação, tanto em baixas concentrações (ensaios 9 e 16) como para as altas concentrações

91

92

93

94

95

50 65 80

Q (m3.m-2.h-1)

E(%

)

1/10

1/3



(ensaios 37 e 43) vistos na Figura 19. Provavelmente isto acontece devido se ter uma menor

vazão na saída do MDIF de água tratada, e nesta vazão o aparelho arrasta uma menor

quantidade de gotículas de orgânico geradas na interface principal orgânico/aquoso,

localizada na câmara de separação, possibilitando que estas gotículas alcancem esta interface.

Também pode ser visto pela Figura 18, que o aumento da vazão pode ser

compensado elevando-se a altura do leito denso (ensaio 5 para O/A=1/6 e ensaio 6 para

O/A=1/3), o que resulta em um valor de eficiência de separação maior que os ensaios que

utilizaram a menor vazão (ensaio 15 e ensaio 16). Esta relação mostra a influência do leito

denso para os resultados de separação.

5.1.4. Influência das razões O/A sobre a eficiência de separação

As Figuras 20 e 21 apresentam os resultados de eficiência de separação para as

diferentes razões O/A, para uma altura média de leito denso. A Figura 20, baixa concentração,

tem vazão de 58,6 m3/m2.h1 e HLD médio de 59.10-2 m, como mostra a Tabela 17.

Tabela 17. Resultados de eficiência de separação para diferentes razões O/A a baixas concentrações.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

15 108-200 1/10 59 58,6 42,4

16 108-200 1/6 60 58,6 38,7

17 108-200 1/3 58 58,6 38,1



Figura 21. Influência da razão O/A sobre a eficiência de separação do MDIF a baixas concentrações, vazão=58,6 m3/m2.h1 e HLD 60.10-2 m.

A Tabela 18 contém os dados que são apresentados pela Figura 21. Os dados são

gerados para a alta concentração. Possui como variáveis fixas: a vazão 58,6 m3/m2.h1 e duas

alturas médias de leito denso (HLD= 24.10-2 m e HLD=20.10-2 m).

Tabela 18. Resultados de eficiência de separação para diferentes razões O/A a altas concentrações.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

30 1200-1880 1/10 24 58,6 93,4

31 1200-1880 1/6 24 58,6 92,3

34 1200-1880 1/3 22 58,6 91,2

34 1200-1880 1/3 22 58,6 91,2

28 1200-1880 1/6 20 58,6 91,7

35 1200-1880 1/10 20 58,6 92,0

1/10

1/61/3

35

40

45

0 1/10 1/5 3/10 2/5 1/2

O/A

E (%

)



Figura 22. Influência da razão O/A sobre a eficiência de separação do MDIF a altas concentrações, vazão=58,6 m3/m2.h1 e duas alturas de leito denso.

É observada a mesma tendência para as duas faixas de concentração utilizadas, que a

diminuição da razão O/A aumenta a eficiência de separação. Ficando evidente, na Figura 21,

que a diferença de altura do leito denso (HLD) é uma variável que influencia nos resultados de

eficiência de separação do MDIF.

5.1.5 Influência da concentração de óleo na alimentação do MDIF sobre a

eficiência de separação

A Tabela 19 apresenta os resultados da variação de concentração de óleo na

alimentação do MDIF para diferentes razões O/A, para vazões e alturas de leito denso

constantes. Os resultados dos ensaios para esta condição podem ser vistos na Figura 22.

1/10

1/6

1/3

91,00

91,60

92,20

92,80

93,40

94,00

0 1/10 1/5 3/10 2/5

O/A

E(%

) 20

24

1/3

1/6

1/10

91,0

91,6

92,2

92,8

93,4

94,0

0 1/10 1/5 3/10 2/5

O/A

E(%

) 20

24

20.10-2m

24.10-2m

HLD



Tabela 19. Resultados de eficiência de separação para diferentes concentrações de óleo na alimentação.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

14 108-200 1/10 59 58,6 42,4

25 643,20 1/10 50 58,6 87,2

30 1200-1880 1/10 24 58,6 93,4

15 108-200 1/6 60 58,6 38,7

26 643,20 1/6 46 58,6 80,7

28 1200-1880 1/6 24 58,6 92,3

16 108-200 1/3 58 58,6 38,1

27 643,20 1/3 35 58,6 78,9

34 1200-1880 1/3 22 58,6 91,2

Figura 23. Influência da concentração de óleo na alimentação sobre a eficiência de separação do MDIF a várias concentrações e vazão=58,6 m3/m2.h1.

Pode-se observar que os melhores resultados de separação são obtidos para as

maiores concentrações de óleo na alimentação do MDIF, para todas as razões O/A utilizadas,

estando os resultados de acordo com outros estudos já realizados para o tratamento da água de

30

40

50

60

70

80

90

100

0 500 1000 1500 2000

Concentração (mg/L)

E (%

) 1/10

1/6

1/3



produção (Chiavenato, 1999; e Fernandes Jr., 2002). Isto é compreensível devido a gota

transportadora estar mais carregada de gotas transportadas de óleo, resultando numa melhor

eficiência das gotas transportadoras como “micro-decantadores”. Há portanto uma maior

possibilidade das pequenas gotas transportadas coalescerem, que conseqüentemente formam

uma maior gota transportada, adquirindo um aumento na velocidade de decantação, que

resulta num menor tempo de coalescência, conseguindo assim atingir a sua homofase.

5.2. Determinação das propriedades físico-químicas das aguarrás

No decorrer deste trabalho, foi realizado um ensaio experimental exploratório

utilizando uma aguarrás diferente da que vinha sendo utilizada nos ensaios experimentais, que

resultaram em melhores eficiências de separação para a água tratada. Esta nova aguarrás é

proveniente processo da UPGN-I. A Tabela 20 mostra os resultados obtidos com a aguarrás

não especificada.

Tabela 20. Resultados de eficiência de separação obtidos com a aguarrás não especificada.


(mg/L)O/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

45 108-200 1/10 50 58,6 76,1

46 108-200 1/6 56 62,7 71,3

47 108-200 1/3 42 71,3 73,7

48 108-200 1/2 40 79,5 66,8

A Tabela 21 apresenta os resultados de eficiência dos ensaios com as duas aguarrás

(especificada e não especificada) para as mesmas condições operacionais.



Tabela 21. Resultados e condições operacionais em que se utilizaram a aguarrás do vaso e a do processo para diferentes razões O/A e baixas concentrações.


(mg/L)

Tipo de

AguarrásO/A

HLD

10-2(m)

Vazão

(m3/m2.h1)

Eficiência

(%)

4 108-200 especificada 1/10 74 58,6 53,2

8 108-200 especificada 1/10 54 58,6 38,1

45 108-200 não especificada 1/10 50 58,6 76,1

5 108-200 especificada 1/6 74 62,7 44,0

13 108-200 especificada 1/6 56 62,7 32,2


2 108-200 especificada 1/3 45 71,3 27,9

6 108-200 especificada 1/3 73 71,3 40,1


3 108-200 Vaso 1/2 50 79,5 23,8

7 108-200 Vaso 1/2 70 79,5 39,8

48 108-200 Processo 1/2 40 79,5 66,8

Para uma mesma altura de leito denso, pode-se observar pelos dados da Tabela 21

que para os ensaios em que foram utilizadas a aguarrás não especificada (ensaios 45, 46, 47 e

48), as eficiências de separação apresentaram os melhores resultados. Também percebe-se que

mesmo para maiores alturas de leito denso (ensaios 4, 5, 6 e7), na condição usando aguarrás

especificada, os resultados de eficiência de separação continuaram sendo melhores para os

ensaios em que se utilizaram a aguarrás não especificada. Desta forma, pressupõe-se que as

propriedades físico-químicas das fases envolvidas do sistema influenciam nos resultados de

eficiência de separação petróleo/água.

Porém, a utilização da aguarrás não especificada sistematicamente não é possível

pelo fato desta aguarrás não ser um produto especificado, ou seja, possui propriedades físico-

químicas variáveis.



A Tabela 22 mostra os resultados das análises das principais propriedades físico-

químicas para as duas aguarrás utilizadas nos ensaios de extração no MDIF. Outras

propriedades e características da aguarrás podem ser vistas no anexo 4.

Tabela 22. Resultados das análises das propriedades físico-químicas para as aguarrás.

Especificada Não especificada

Densidade (103 Kgm-3) 0,7710 0,7662

Viscosidade (10-3 Kg.m-1 s-1) 0,9953 0,8262

Tensão superficial (10-3 N m-1) 23,4966 25,1696

Tensão interfacial água/aguarrás (10-3 Nm-1)

23,7729(*) 23,2273 a

18,8901

Os resultados das análises da Tabela 22 mostram que a aguarrás especificada é 17%

mais viscosa que a aguarrás não especificada nas mesmas condições. Levando-se em

consideração esta propriedade seria possível usar ambos produtos como extratante, pois

haverá durante o processo de saturação da aguarrás com óleo no MDIF um aumento natural

de viscosidade.

Para o resultado de tensão interfacial água/aguarrás não especificada (*), foram

realizadas várias medidas de tensão interfacial para este sistema, como mostra a Tabela 23,

verificando a não estabilização dos valores de tensão interfacial.

Tabela 23. Resultados de Tensão interfacial água/aguarrás não especificada.

Tempo (min)

Tensão interfacial

água/aguarrás do processo

(10-3 N m-1)

0 23,2273

5 21,9672

10 20,2487

15 18,8901

AmostrasPropriedades



Os bons resultados obtidos com a aguarrás não especificada, decorrem da possível

presença de substâncias de natureza anfifílicas (Relatório PETROBRAS n°002/MDIF, 2003).

Tais substâncias agiriam no sistema como agentes tensoativos diminuindo a tensão superficial

e/ou interfacial, podendo levar, em certos casos, à miscibilidade total entre as fases (Rabockai,

1979; Moraes et al., 2004).

5.3. Análise geral dos resultados

Os resultados obtidos neste trabalho encontram-se em concordância com estudos já

realizados com o Misturador-Decantador à Inversão de Fases-MDIF, entre eles encontram-se

os trabalhos de Hadjiev e Kuychoukov (1989), Paulo et al. (1994), Hadjiev e Aurelle (1995),

Chiavenato (1999) e Fernandes Jr. (2002).

De acordo com Hadjiev e Aurelle (1995) o Misturador-Decantador à Inversão de

Fases, operando na condição hidrodinâmica de leito denso, tem a sua eficiência de separação

melhorada em função da altura do leito de gotas não-coalescidas “leito denso”. Neste trabalho

pode-se observar que a altura do leito denso é de grande significância para os resultados de

eficiência de separação (Figuras 9 a 16).

Em todos os casos que se verificaram as influências das variáveis estudadas para os

resultados da eficiência de separação utilizando o leito denso, a altura de leito denso se

mostrou sempre como uma variável determinante para os melhores resultados de eficiência de

separação obtidos. Em todos os casos em que a altura do leito denso foi elevada, resultaram

em maiores valores de resposta para a eficiência.

A utilização da condição hidrodinâmica de leito denso mostra-se como uma

alternativa ao tratamento de águas produzidas na indústria do petróleo. Quando se opera o

MDIF na condição de maior concentração de óleo, os resultados de eficiência de separação

apresentam-se próximos aos obtidos com o leito relaxado (Figura 10). Ao se trabalhar com

baixos teores de óleo na alimentação, a condição de leito denso demonstra ser uma melhor

escolha ao tratamento de águas produzidas nesta faixa de concentração (Figura 9). As Figuras

23 e 24 mostram a formação do leito denso para duas diferentes alturas.



Figura 24. Leito denso na altura de 34.10-2 m.

Figura 25. Leito denso na altura de74.10-2 m



A gota transportadora quando se encontra no leito relaxado tem essencialmente a

força da gravidade atuando sobre ela, não havendo portanto nada que diminua a sua

velocidade de sedimentação, e conseqüentemente o seu tempo de residência no leito orgânico

diminui. Quando a gota transportadora atinge o leito de gotas não-coalescidas, conhecida

como “leito denso”, ocorre uma diminuição na velocidade de sedimentação da gota

transportadora, resultando no aumento do tempo de residência da gota transportadora no leito

orgânico, também observado por Hadjiev e Aurelle (1995). Pode-se observar na Figura 25 a

diferença de velocidade das gotas transportadoras no leito denso e no leito relaxado.

Figura 26. Diferença de velocidade de sedimentação das gotas transportadoras no leito relaxado e no leito denso.

Quando se opera o MDIF em duas vazões distintas (uma alta e outra baixa),

utilizando uma mesma altura de leito denso para as duas vazões, observa-se que o resultado



de eficiência para a menor vazão utilizada tende a ser melhor. Contudo, ao operar o MDIF

com estas mesmas vazões, porém utilizando uma altura de leito denso maior para a condição

que se está operando com a maior vazão e mantendo a mesma altura de leito para a de menor

vazão, pode-se observar uma tendência da eficiência de separação acompanhando o aumento

da altura do leito denso, para a condição de maior vazão (Figuras 17 e 18).

Nos trabalhos de Paulo et al. (1993), Chiavenato (1999), Nazaré et al (2001) e

Fernandes Jr. (2002), a eficiência de separação aumenta com o aumento da razão O/A na

admissão do aparelho quando se opera o MDIF na condição de regime de leito relaxado. O

que se pode observar pelos resultados obtidos é que para uma mesma altura de leito denso, os

resultados de eficiência de separação são muito próximos, apresentando uma tendência de

melhores resultados para as menores razões O/A (Figuras 20 e 21). O que é uma condição

vantajosa quando se utiliza o equipamento numa escala maior voltada para a indústria, pois se

utiliza uma menor quantidade de solvente (aguarrás) nas extrações de óleo bruto da água

produzida.

Nos resultados em que se utilizam diferentes concentrações de óleo na alimentação

do MDIF (Figura 22), tem-se uma concordância dos resultados obtidos neste estudo aos dos

trabalhos já realizados com o aparelho (Hadjiev e Kyuchoukov, 1989; Paulo et al., 1993 e

1994; Chiavenato, 1999; Fernandes Jr., 2002) para melhores resultados de eficiência de

separação quando se tem uma maior concentração de óleo na alimentação do aparelho. Caso a

concentração de saída da água tratada não atinja os teores permitidos para o seu descarte, um

segundo misturador-decantador à inversão de fases poderá ser utilizado, sendo que a sua linha

de alimentação de água produzida será a linha de saída da água tratada do primeiro MDIF.

É observado na Tabela 4 que a razão O/A de 1/2 possui a menor quantidade de

ensaios realizados, em proporção às demais razões O/A estudadas (1/10, 1/6 e 1/3). Isto se

deve ao fato desta razão O/A ter operado na maior vazão específica neste trabalho (79,5

m3/m2.h1), o que resultou numa considerável quantidade de água arrastada para o vaso de

separação da aguarrás, como mostram as Figura 26 e 27. Por decorrência do arraste d’água,

apenas os ensaios que não inundaram a saída do vaso de arraste é que foram considerados

neste trabalho. A utilização desta razão O/A por um longo período, numa escala piloto ou

industrial, acarretará numa necessária parada do aparelho, pois não se terá só a aguarrás sendo

admitida pela linha de entrada do orgânico.



Figura 27. Água arrastada pelo controlador de nível devido a se trabalhar com a vazão de 79,5 m3/m2.h1 para a razão O/A=1/2.

Figura 28. Volume de água arrastada para o vaso separador em que se operava com a razão O/A de 1/2 e vazão=79,5 m3/m2.h1.



Uma outra condição que invalida um ensaio é quando se forma uma grande

quantidade de emulsão na base do leito denso. Durante os ensaios, observou-se a formação da

emulsão e estas quando formadas tendem a entrar na câmara de decantação, que quando em

pequena quantidade não interferem os ensaios, como mostra a Figura 28. Porém, em alguns

ensaios realizados a quantidade de emulsão formada é tamanha que resultam na quebra do

leito denso, apresentado pelas Figuras 29 e 30, invalidando assim os ensaios.

Figura 29. Pequenas formações de emulsão geradas durante o ensaio experimental.



Figura 30. Emulsão entrando na câmara de decantação e iniciando a quebra do leito denso.

Figura 31. Emulsão quebrando todo o leito denso formado na câmara de decantação.

CAPÍTULO 6

CONCLUSÕES

Capítulo 6. Conclusões.


6. Conclusões

6.1. Conclusões

Com base nos resultados apresentados pode-se concluir que:

1. A condição hidrodinâmica de regime de leito denso mostrou ser a melhor condição a

ser utilizada quando se opera o misturador-decantador à inversão de fases com vazões

acima de 58,6 m3/m2.h1;

2. As melhores eficiências de separação foram obtidas para as maiores alturas de leito

denso, em todas as condições e faixas estudadas neste trabalho. A altura de leito denso

de 74.10-2 m apresentou os melhores resultados de eficiência de separação;

3. A menor vazão específica utilizada na geração do leito denso (58,6 m3/m2.h1) tende a

apresentar os melhores desempenhos para as mesmas alturas de leito e razões O/A.

Este resultado é melhor observado na faixa de menor concentração de óleo na

alimentação (108-200 mg/L);

4. Para a relação O/A na faixa de estudo, a razão O/A de 1/10 é a que apresenta os

melhores resultados de eficiência quando o regime de operação do aparelho é o de

leito denso. Estes resultados se opõem aos estudos realizados com leito relaxado, que

possue melhores resultados com o aumento da razão O/A;

5. Foi constatado que a utilização de altas concentrações de óleo na alimentação (1200-

1880 mg/L) acarretam nos maiores resultados de eficiência. Contudo, na condição de

baixas concentrações de óleo na alimentação, o regime de leito denso apresenta

resultados de eficiência mais significativos que os encontrados com o leito relaxado,

para a mesma vazão de operação;

6. Comprovou-se que os resultados de eficiência obtidos, quando se utilizou a aguarrás

não especificada, sofreram influência das propriedades físico-químicas desta aguarrás.

O que evidencia a importância do conhecimento das propriedades físico-químicas dos

sistemas que estão sendo estudados;

Capítulo 6. Conclusões.


7. Em termos de conclusão geral, pode-se afirmar que o regime de operação do MDIF

caracterizado pela presença de leito denso é vantajoso do ponto de vista de obtenção

de maiores eficiências de separação. Igualmente importante é a indicação de utilização

de uma baixa razão O/A associada à presença de leito denso. Esta é uma condição de

interesse industrial, uma vez que utiliza-se menos fase orgânica para tratar um maior

volume de água contaminada com petróleo.

6.2. Sugestões para trabalhos futuros

Os trabalhos futuros sugeridos são:

Aplicar as melhores condições obtidas em uma amostra real de água

produzida;

Estudar novas configurações para o prato perfurado (quantidade e diâmetro dos

furos) para verificar a sua influência na formação do leito denso;

Realizar testes com outros tipos de extratante;

Verificar se diferentes diâmetros da câmara de decantação utilizando o leito

denso influenciam nos resultados de eficiência de separação do MDIF.

Capítulo 7

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Capítulo 7. Referências Bibliográficas.


7. Referências Bibliográficas

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ANEXOS

Anexos


ANEXOS

ANEXO I – Propriedades físico-químicas dos fluidos orgânicos

A determinação das propriedades físico-químicas em sistemas envolvendo fases

fluidas se constitui numa etapa importante na compreensão dos fenômenos físicos e/ou

químicos que ocorrem nos processos. Muitos problemas de operação e de baixos rendimentos

em processos industriais podem ser explicados através do conhecimento das propriedades

físico-químicas das fases envolvidas.

As propriedades físico-químicas de maior interesse neste trabalho foram: densidade,

viscosidade, tensão superficial e tensão interfacial.

Os fluidos de interesse são a água de produção oriunda de uma Estação de

Tratamento de Efluentes e o extratante utilizado no processo denominado aguarrás.

I.1. Procedimento Experimental

I.1.1. Preparação das amostras

I.1.1.1. Preparação das amostras de água e orgânico para determinação das

propriedades físico-químicas

Em um becker de 250 mL promove-se a saturação das fases aquosa e orgânica (1:1)

através de forte agitação em agitador magnético, por 1 hora. A seguir, transfere-se todo o

conteúdo para um funil de separação de 250 mL, deixando decantar naturalmente por 24 h. As

fases são posteriormente transferidas para dois balões de 100 mL.

I.1.2. Análise da densidade

As determinações de densidade são realizadas pelo método do picnômetro, conforme

descrito por Dana e Hurlbut (1970).

Anexos


O picnômetro é um pequeno frasco de vidro adaptado com uma rolha de vidro,

através da qual foi perfurada uma abertura capilar, conforme Figura 1.

O método consiste em tarar o picnômetro com água destilada anotando seu peso

vazio e cheio, bem como o volume. O picnômetro é seco, em estufa (30 °C) e depois de

resfriado em dessecador, é pesado vazio. Introduz-se a substância a ser medida, tendo-se o

cuidado de evitar bolhas de ar no seu interior. A rolha de vidro é introduzida, tendo-se a

precaução de secar as paredes externas com papel macio que não soltem fibras aderentes.

Pesa-se o picnômetro cheio. A densidade é determinada pela Equação (1). A temperatura

ambiente é mantida constante em 25 °C. O modelo da balança analítica utilizada foi o AG-

200 da Gehaka com precisão de 0,0001g.

V

PvPc

Onde,

= densidade (g/cm3);

Pv = peso do picnômetro vazio (g);

Pc = peso do picnômetro cheio (g);

V = volume do picnômetro (cm3).

Figura 1. Picnômetro de vidro. (fonte: Danna e Hurlbut,1970).

(1)

Anexos


I.1.3. Análise da viscosidade

As análises de viscosidade são realizadas em Viscosímetro Tipo Ubbelohde. Um

instrumento simples, porém preciso para a medida da viscosidade é o viscosímetro capilar,

(Munk, 1989). O princípio da medida é baseado na Equação (2) denominada de Equação de

Poiseuille, que relaciona o tempo t necessário para um volume V do líquido atravessar um

capilar de raio r e comprimento L com a viscosidade , quando a este é aplicado um

diferencial de pressão P nas suas extremidades. Quando os parâmetros de fabricação do

viscosímetro e as condições da análise são mantidos constantes e ainda se têm dados

confiáveis na literatura sobre um líquido padrão, pode-se utilizar a viscosidade relativa como

forma de se determinar a viscosidade de um líquido qualquer, conforme a Equação (3).

Pr

LVt

4

8

0

011

t

t

Sendo:

o = viscosidade do líquido padrão (Kg.m-1.s-1);

1 = viscosidade a determinar (Kg.m-1.s-1);

t0 = tempo de escoamento do líquido padrão (s);

t1= tempo de escoamento do líquido a determinar (s).

O método consiste em mergulhar o viscosímetro em um banho termostatizado

(30oC). O líquido é introduzido no bulbo C (10 mL). Aguarda-se 10 minutos para que ocorra a

equalização térmica. Tampona-se o bulbo A e produz-se vácuo no bulbo B. Quando o líquido

ultrapassar a primeira marca de leitura, finaliza-se o vácuo e abre-se para a atmosfera as

extremidades superiores dos bulbos A e B. Com cronômetro digital inicia-se a marcação do

(2)

(3)

Anexos


tempo de escoamento entre as duas marcas. Inicialmente mede-se o tempo para água

destilada.

O viscosímetro utilizado para as medidas de viscosidade é do tipo Ubbelohde,

conforme a Figura 2. O modelo empregado foi o AKV/O da Cannon-Fenske, de diâmetro 0 e

precisão de 0,1 s, pertencente ao Laboratório de Tecnologia dos Materiais – Departamento de

Engenharia Química da UFRN.

Figura 2. Viscosímetro Ubbelohde. (fonte: Munk, 1989).

I.1.4. Análise das tensões superficiais e interfaciais

O método adotado para a medição das tensões superficiais e interfaciais é o Método

do Anel de Du Noüy, Figura 3.

Este método é extremamente usado e envolve a determinação da força de separação

de um anel ou círculo de arame da superfície de um líquido, (Adamson, 1990). Este método

pertence à família dos métodos de separação e é de grande precisão. Os erros atribuídos ao

tensiômetro usual em que o anel é construído de platina-irídio são da ordem de 0,5%. O anel é

geralmente flambado em chama oxidante antes de cada medida, visando evitar que graxas o

contaminem.

Anexos


O tensiômetro utilizado para a realização das medidas de tensão superficial e

interfacial é o do tipo Du Noüy, pertencente ao laboratório de Pesquisa em Petróleo –

Departamento de Química,

Em um becker de 50 mL são colocados 40 mL da amostra. A temperatura foi

mantida constante em 25 oC. Introduz-se o anel a cerca de 1 cm abaixo da superfície da

amostra (tensão superficial) ou 1 cm no interior da fase mais densa (tensão interfacial). Eleva-

se cuidadosamente o anel até a ruptura do filme interfacial ou superficial. Existe uma relação

direta entre a força de separação e a tensão superficial ou interfacial.

Na análise da tensão interfacial entre dois líquidos imiscíveis, se promove

previamente a saturação mútua entre as fases para que o erro é minimizado, conforme

orientação de Liley e Gambill (1980) e descrita no item I.2.

Figura 3. Método do anel de Du Noüy. (fonte: Adamson, 1990)

Anexos


ANEXO II – Curvas de calibração para vazão das bombas

Na calibração das bombas de vazão para o transporte das fases orgânica e aquosa

para o MDIF, foi utilizada a água tratada para o abastecimento público na calibração da

bomba da fase aquosa e a aguarrás para a calibração da bomba da fase orgânica. O controle da

vazão das bombas foi realizado através dos inversores de freqüência digital.

A calibração procedeu-se utilizando as mesmas linhas de operação (mangueiras) que

é desenvolvido o processo experimental, assim é incorporada a perda de carga do percurso na

calibração.

Para a medição do volume de água na saída da linha, foi utilizada uma proveta de

2000 mL. Para cada posição de freqüência fixada no inversor foram realizados três ensaios de

medidas de vazão durante 20 segundos cada, como mostram as Tabelas 1 e 2. O limite

inferior de operação para as duas bombas foi estabelecido para uma freqüência (f) de 14,0 Hz,

já o limite máximo programado nas duas bombas foi de 66,0 Hz.

Tabela 1. Dados para elaboração da curva de calibração para a bomba da fase aquosa. Frequência

( Hz ) Volume 1

(mL)Volume 2

(mL)Volume 3

(mL)Volume(Média)

VAZÃO( mL/min)

VAZÃO( L/h)

14,0 150 149 151 150,0 450,0 27,00

20,0 200,0 202,0 202,0 201,3 604,0 36,24

30,0 298,0 299,0 299,0 298,7 896,0 53,76

45,0 436,0 435,0 438,0 436,3 1309,0 78,54

60,0 568,0 565,0 570,0 567,7 1703,0 102,18

66,0 620,0 626,0 618,0 621,3 1864,0 111,84

Anexos


Tabela 2. Dados para elaboração da curva de calibração para a bomba da fase orgânica. Frequência

( Hz ) Volume 1

(mL)Volume 2

(mL)Volume 3

(mL)Volume(Média)

VAZÃO( mL/min)

VAZÃO( L/h)

14,0 57,4 57,2 57,6 57,4 172,2 10,33

25,0 113,0 114,0 115,0 114,0 342,0 20,52

35,0 168,0 166,0 165,0 166,3 499,0 29,94

45,0 219,0 218,0 218,0 218,3 655,0 39,3

60,0 289,0 289,0 288,0 288,7 866,0 51,96

66,0 322,2 323,0 321,6 322,3 966,8 58,01

Abaixo seguem as Figuras 4 e 5 onde estão apresentadas as curvas de calibração do

aquoso e do orgânico, respectivamente.

Figura 4. Curva de calibração da Bomba do Aquoso.

102,18111,84

78,54

53,76

36,2427,00

f = (vazão -4,1371)/ 1,6372

R2 = 0,9998

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0 20 40 60 80

Frequência (Hz)

Va

zã

o (

L/h

)

Anexos


Figura 5. Curva de calibração da Bomba do Orgânico.

58,0151,96

10,3320,52

29,9439,3

f = (vazão+2,1881)/ 0,911

R2 = 0,9996

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0

Frequência (Hz)

Va

zã

o (

L/h

)

Anexos


ANEXO III – Curva de calibração do espectrofotômetro

O comprimento de onda utilizado na determinação dos valores de absorbâncias foi o

de: 340nm. Este comprimento foi escolhido após ter sido realizado a varredura no

espectrofotômetro, de uma amostra de concentração de óleo em hexano, que resultou no

maior valor de absorbância obtido (pico significativo).

Após se determinar o comprimento de onda a ser utilizado nas análises de

concentração no espectrofotômetro, levantou-se as curvas de calibração da aguarrás para

vários teores de óleo, obtendo-se um bom coeficiente de correlação (R2 = 0,9985). A Tabela 3

mostra as concentrações usadas para a elaboração das curvas de calibração, como pode ser

visto pela Figura 6.

Tabela 3. Concentrações usadas para elaboração da curva de calibração para o espectrofotômetro.

AbsorbânciaConcentração

(mg/L) 1 2 3 Média

15 0,100 0,101 0,100 0,100

30 0,130 0,131 0,129 0,130

40 0,149 0,147 0,147 0,148

60 0,182 0,183 0,183 0,183

100 0,243 0,243 0,242 0,243

200 0,469 0,469 0,469 0,469

300 0,631 0,629 0,631 0,630

400 0,804 0,804 0,807 0,805

500 0,975 0,975 0,974 0,975

Anexos


Figura 6. Curva de calibração levantada para determinação de concentração pelo método de espectrofotometria.

A partir da elaboração da curva de calibração, usa-se a equação da curva para

determinar a concentração de óleo no orgânico (Coo), Equação (4).

0018,0

)0762,0(AbsCoo

onde:

Coo = concentração de óleo no orgânico (mg/L);

Abs = absorbância lida pelo espectrofotômetro.

Nas amostras que apresentaram um valor de absorbância maior que um (1), lido pelo

espectrofotômetro, procedeu-se a diluição da amostra, a um fator de 1:100.

Tendo-se os valores de Coo, é só utilizar a Equação (16) para determinar a

concentração de óleo na água (Cao).

y = 0,0018x + 0,0762

R2 = 0,9985

0,050

0,250

0,450

0,650

0,850

1,050

0 100 200 300 400 500 600

Concentração (mg/L)

Ab

sorb

ân

cia

(4)

Anexos


d

amostra

oooa fV

CC *250

Sendo fd o fator de diluição (1:100).

estudo da hidrodinÂmica de um novo separador …estudo da hidrodinÂmica de um novo separador...

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