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Universidade Federal Rural do Semi-rido Departamento de Agrotecnologia e Cincias Sociais

Curso: Engenharia Qumica Profa. Geraldine Nbrega

1. Tratamento do leo

A gua produzida um dos contaminantes mais indesejados na produo de petrleo, por conter sais, microrganismos, gases dissolvidos e materiais em suspenso. Os valores de sais dissolvidos chegam a ultrapassar trs vezes os valores normalmente encontrados na gua do mar. Ela mais rica em clcio, mas contm teores de magnsio, brio e estrncio, e quantidades menores de sulfato.

Freqentemente esto presentes diversos microrganismos, como bactrias, algas e fungos, que podem gerar substncias corrosivas em seus metabolismos (cidos sulfdrico, sulfrico etc). Contm tambm slidos provenientes das rochas (siltes, argilas etc.), de processos corrosivos (xidos, hidrxidos e sulfetos de ferro) e de incrustaes (carbonato de clcio e sulfetos de brio, clcio e estrncio). Submetida a variaes de temperatura e presso, a gua pode, em virtude de sua composio, desencadear processos de corroso e incrustao, que resultam em danos s tubulaes, equipamentos e acessrios, furos em linhas, paredes de vasos e tubos trocadores de calor, no s nas plantas de processamento primrio, mas tambm no transporte e refino.

O mximo teor de gua e sal contido no petrleo aceito pelas refinarias : gua: 1% BSW (relao entre o volume de gua e sedimentos e o volume de emulso); Sal: 285 mg/l (miligramas de sais dissolvidos por litro de petrleo).

necessrio, ento, eliminar o mximo de gua associada ao petrleo. Grande parte dessa

gua separada por decantao (gua livre) no separador de produo. O restante permanece em forma de emulso e, para remov-la, preciso utilizar processos termoqumicos e eltricos que aumentem a velocidade de coalescncia. Essa etapa denominada tratamento do leo. 1.1. Emulso

A emulso de gua no leo tem o leo como fase contnua e a gua como fase dispersa nele. Para desestabilizar essa emulso, utiliza-se a ao de calor, eletricidade e produtos emulsificantes (copolmeros de xido de etileno e xido de propileno), que enfraquecem e rompem a pelcula que circunda as gotculas de gua. Rompendo a pelcula, as gotculas de gua se aproximam e se aglutinam (coalescncia). Formando gotas maiores, ocorre, em conseqncia, a decantao dessa gua (sedimentao gravitacional).

Figura 1. Microscopia de uma emulso gua em leo

Figura 2. Aspecto de uma

emulso gua em leo

Figura 3. Diferena entre floculao e coalescncia

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Para uma emulso se manter estvel, ela necessita de tempo de residncia, presena de agentes emulsificantes (surfactantes) e algum tipo de agitao que favorea a disperso de um dos lquidos no outro. Estes agentes apresentam em sua estrutura uma parte hidroflica (com afinidade pela gua) e outra lipoflica (com afinidade pelo leo). Quando a parte lipoflica dos surfactantes predominante, os mesmos so mais solveis em leo, e a emulso formada do tipo gua-leo. J quando a parte hidroflica predominante, os mesmos so mais solveis em gua, e o tipo de emulso formada a leo-gua. Os agentes emulsificantes mais encontrados na indstria de petrleo so os asfaltenos, esinas, parafinas pesadas, cidos naftnicos pesados, cidos orgnicos solveis em leo, e slidos inorgnicos, normalmente, incrustaes de carbonato de clcio e sulfato de brio e estrncio, slica, sulfatos e sulfetos de metais, alm de produtos qumicos utilizados no processo. Essas substncias formam um filme interfacial ao redor das gotculas, criando uma barreira e evitando sua coalescncia. O fornecimento de algum tipo de agitao favorece a disperso de um dos lquidos no outro. Essa agitao pode ser causada por vrias fontes, como bombeio de fundo de poo, manifold e linhas de fluxo, equipamentos e restries (vlvulas, conexes etc.). Normalmente, quanto maior a energia ou agitao fornecida, mais estvel a emulso formada. A estabilidade da emulso resultado da reduo do tamanho das gotas da fase interna dispersa. 1.2. Mecanismos de quebra de emulses de petrleo

Para quebrar uma emulso necessrio que haja o rompimento da pelcula que circunda as

gotculas de gua dispersas no leo, agrupando-se em gotas maiores, at atingir um tamanho suficiente para que ocorra a segregao gravitacional.Nessa sistemtica de processo, trs mecanismos bsicos so requeridos: desestabilizao, floculao e coalescncia. Desestabilizao - Uma emulso desestabilizada, anulando o efeito do emulsificante, por meio da quebra ou enfraquecimento do filme que circunda as gotculas. Usualmente, para este fim, empregada a adio de calor e de produtos qumicos de ao interfacial (desemulsificantes). A ilustrao demonstra a diferena entre floculao e coalescncia. Floculao - trata-se da aglomerao de gotas em agregados irregulares nos quais possvel reconhecer cada gota de forma individual. Mesmo no coalescendo, as gotas agrupadas em forma de agregados podem sedimentar rapidamente. A floculao um processo reversvel e a desagregao das gotas pode ocorrer meramente por branda agitao. Contudo, essas gotas floculadas podem coalescer, caso as condies sejam favorveis. Os mtodos utilizados na desidratao dos petrleos tendem a favorecer a floculao mediante a reduo das foras repulsivas ou com a formao de foras atrativas adicionais, como, por exemplo, os dipolos induzidos por ao do campo eletrosttico. Pode-se tambm acelerar a floculao por meio da adio de agentes floculantes ou pela reduo das propriedades viscosas e visco-eltricas da pelcula interfacial das gotas, seja pelo deslocamento do tensoativo natural por outro, especialmente adicionado, ou pelo aumento da temperatura do processo. Aps o rompimento ou enfraquecimento do filme, as gotculas dispersas juntam-se, coalescendo em gotas de maior dimetro. Normalmente, nessa fase requerida uma agitao moderada para facilitar o contato entre as gotculas dispersas na fase contnua, ou ento, elas so submetidas a um campo eltrico alternativo para que aumente a taxa de coliso. Coalescncia - um fenmeno irreversvel, no qual as gotas perdem sua identidade e, na maioria dos casos, constitui a etapa lenta do processo de rompimento de uma emulso. Aps a coalescncia das gotculas, necessrio fornecer ao sistema um tempo de residncia suficiente e um padro de fluxo favorvel para que haja segregao gravitacional e separao das fases leo e gua. Uma unidade de processamento primrio de petrleo deve ter caractersticas (seleo apropriada de produtos qumicos, temperatura de processo, vazes de fluxo dos fluidos produzidos e dimenses de equipamentos) convenientemente dimensionadas e controladas, para permitir que os trs mecanismos de separao ocorram de maneira apropriada e econmica.

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1.3. Mtodos de quebra de emulses de petrleo

Os mtodos de quebra de emulso mais comumente empregados so o termoqumico e o eletrosttico, acompanhados sempre do uso de produtos desemulsificantes. Um tempo de residncia adequado e uma moderada agitao da emulso facilitam a atuao desses mtodos. 1.3.1. Tratamento termoqumico

Consiste na quebra da emulso por meio de aquecimento (normalmente entre 45 C e 60 C) e utilizao de produtos qumicos desemulsificantes. um mtodo muito utilizado em campos terrestres (em equipamentos conhecidos como tanques de lavagem e tratadores), pela necessidade de espao para instalao de equipamentos geradores de calor. 1.3.2. Tratamento eletrosttico

Consiste na aplicao de um campo eltrico de alta voltagem na emulso (normalmente entre 15.000 e 50.000 V), para induzir plos de sinais contrrios nas gotculas de gua dispersas no leo e criar uma fora de atrao entre elas, o que vai provocar a coalescncia. O campo eltrico contnuo provoca a coalescncia por eletroforese e o alternado provoca a coalescncia pelo mecanismo do dipolo induzido. (a) (b) (c) (d)

Figura 4. Mecanismo do dipolo induzido

Figura 5. Coalescncia

a) Classificao dos tratadores eletrostticos Os tratadores eletrostticos podem ser classificados quanto: forma geomtrica (vertical, horizontal ou esfrico); Ao tipo de corrente eltrica utilizada (corrente contnua, alternada ou sistema misto); regio de espalhamento da carga a ser tratada (tratadores que operam em alta ou baixa velocidade).

Quanto forma geomtrica, a horizontal a mais utilizada hoje nas estaes terrestres de tratamento, nas plataformas martimas de produo e nas refinarias. No entanto, ainda possvel encontrar tratadores eletrostticos verticais e esfricos no tratamento de derivados nas refinarias. Os verticais so utilizados tambm nas estaes terrestres de tratamento.

a) Tratador eletrosttico horizontal Quanto ao tipo de corrente eltrica, o mais utilizado a corrente alternada (CA), tanto nas

plantas de processamento primrio quanto nas refinarias, pois normalmente satisfaz s necessidades requeridas pelos processos de desidratao e dessalgao do petrleo. Suas principais vantagens so a flexibilidade de tratamento de fluidos com condutividade mdia, a simplicidade e o baixo custo de instalao e manuteno.

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Os tratadores que operam com corrente contnua (CC) so mais comuns em refinarias nas quais necessrio o ajuste dos teores de sais e gua dos derivados para atender especificao. Esse processo de tratamento consiste em submeter as gotas de gua a fortes campos eltricos onde sero separadas por efeitos de polarizao e eletroforese. um processo muito eficiente e permite reduzir o teor de gua e sais para valores bem reduzidos. No entanto, s deve ser utilizado para fluidos de baixa condutividade. A principal desvantagem desse processo a maior chance de ocorrncia de corroso eletroltica no vaso tratador, devido formao de curto-circuito por encadeamento de gotas. pouco comum o uso de sistemas mistos de corrente contnua e alternada (CC/CA) em tratadores eletrostticos. Conceitualmente, esse processo procura reunir as vantagens dos processos de corrente contnua e alternada, e existe estudo indicando ser esse sistema ligeiramente mais eficiente que o uso de corrente alternada isoladamente. A emulso nesse sistema inicialmente submetida a um campo eltrico de corrente alternada (CA), na regio da interface leo-gua, no qual as gotas de maiores dimetros iro coalescer pelo mecanismo do dipolo induzido. As gotas de menores dimetros iro ascender at o campo de corrente contnua (CC), na regio dos eletrodos energizados com corrente contnua (CC), onde sero coalescidas pelo efeito de polarizao e eletroforese. O processo permite reduzir o teor de gua a nveis de at 0,1% em volume, dependendo da carga a ser tratada, e especialmente recomendado quando a eficincia e a disponibilidade de espao sejam de vital importncia. A principal desvantagem desse processo tambm a maior chance decorrncia de corroso eletroltica no vaso tratador, conforme ocorre nos tratadores que operam exclusivamente com corrente contnua. Quanto regio de espalhamento da carga a ser tratada, os tratadores podem ser de alta ou baixa velocidade. Os tratadores eletrostticos que operam a alta velocidade so mais comumente encontrados nas refinarias e esto associados ao uso de corrente alternada. Nesse tipo de tratadores, a carga (emulso) a ser tratada introduzida na regio entre os eletrodos, sendo uniformemente distribuda por toda a extenso dos eletrodos pela ao da(s) vlvula(s) de mistura e de anteparas (chapas circulares) que evitam o aparecimento de caminhos preferenciais atravs dos eletrodos. Nos campos martimos ou terrestres de produo e terminais de transferncia predomina o uso de tratadores eletrostticos de baixa velocidade. O tipo de corrente comumente utilizada nestes tratadores tambm a corrente alternada. Contudo, existem casos em que so utilizados sistemas mistos de corrente contnua e alternada.

Figura 6. Esquema de um tratador eletrosttico horizontal de baixa velocidade

b) O vaso tratador de leo As ilustraes mostram um esquema de um tratador eletrosttico horizontal de baixa

velocidade e seu corte transversal. A introduo da carga no vaso tratador se d atravs de um distribuidor que pode ter vrias

configuraes e cuja principal finalidade garantir a distribuio uniforme da carga ao longo da seo do vaso, alm de permitir a separao primria de slidos e gua livre presentes na carga.

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Em alguns casos, quando o petrleo consideravelmente leve (35 API), o distribuidor de

carga fica no mesmo nvel e at abaixo da interface leo-gua, para provocar uma melhor lavagem do petrleo, sem prejudicar a qualidade da gua removida do processo, uma vez que nesses casos a diferena de densidade das fases envolvidas consideravelmente alta. No momento em que a carga distribuda ao longo do vaso tratador, as gotas presentes passam a sofrer a ao de um campo eltrico de baixa intensidade criado entre o eletrodo inferior energizado e a interface leo-gua.

Nesse instante, parte das gotas ir coalescer e iniciar o processo de sedimentao em

direo interface leo- gua, onde ocorrer sua incorporao fase aquosa. As gotas no removidas nesse campo de pequena intensidade iro continuar sua ascenso at atingirem o campo eletrosttico propriamente dito, onde coalescero, em sua maioria, devido aos fortes efeitos de interaes dipolo-dipolo criado entre as gotas.

Figura 7. Esquema de um tratador eletrosttico horizontal de baixa velocidade

c) Variveis operacionais

As variveis operacionais do processo de tratamento eletrosttico de baixa velocidade so vazo e qualidade da carga, temperatura e presso de operao, altura da interface leo-gua, gradiente de tenso entre os eletrodos e quantidade de produtos qumicos empregada.

Vazo e qualidade da carga O projeto de tratamento eletrosttico de baixa velocidade considera inicialmente a carga a

ser tratada, suas caractersticas (densidade, viscosidade, condutividade etc.) e a qualidade de separao desejada no fim do processo. A carga o volume do petrleo a ser tratado e a relao dessa carga com o tempo de residncia definido dar a vazo de tratamento. A vazo de tratamento deve ser tal que propicie ao petrleo a ser tratado um tempo de residncia, entre os eletrodos, adequado separao. A definio do tempo de residncia mais apropriado depende das caractersticas das fases envolvidas e da temperatura de tratamento adotada. Sabe-se que quanto mais pesado o petrleo, maior dever ser o seu tempo de residncia entre os eletrodos.

O processo de tratamento eletrosttico de baixa velocidade permite tratar cargas com

elevados teores de gua associada. Nesse processo, a forma de disperso da gua pouco influencia na eficincia de separao obtida no fim do processo. Contudo, como a velocidade de sedimentao das gotas de uma emulso diretamente proporcional diferena de densidades das fases que a compem, quanto maior a diferena de densidade entre o leo e a gua, melhor ser a qualidade da separao obtida.

Temperatura e presso de operao A temperatura de operao de um tratador eletrosttico de baixa velocidade definida em

funo da curva de viscosidade do leo a ser tratado (viscosidade por temperatura), da diferena de

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