REPBLICA BOLlVARlANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIER~A DIVISIN DE POSTGRADO

PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIER~A DE PETR(-)LEO

DISENO CONCEPTUAL DE EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO DE CRUDOS Y AGUAS EFLUENTES

Trabajo De Grado Presentado Ante La Ilustre Universidad Del Zulia

Para Optar Al Grado Acadmico De

Autor: Juan Armando Silva Snche;! Tutor: Ing. Jorge Barriento!;

Co- tutora: D,, Marianela Silva

Maracaibo, junio de 2005

Silva Snchez Juan Armando. DISEO CONCEPTUAL DE EQUIPOS; PARA EL TRATAMIENTO DE CRUDOS Y AGUAS EFLUENTES. (2005), Trabajo de Grado. Clniversidad del Zulia. Facultad de Ingeniera. Divisin de Postgrado. Maracaibo. Tutor: F*rof. Jorge Barrientos. Co -Tutora D, Marianela Silva.

La presente investigacin tuvo como principal objetivo la realizacin de diseos conceptuales de equipos para el tratamiento de crudos y aguas efluentes. Tanto el crudo como el agua producida por los pozos petrolferos contienen en su composicin contaminantes y residuos indeseables lo que genera problemas en los diversos procesos que se llevan a cabo de industria petrolera. El agua con cierto porcentaje de petrleo y concentraciones de sales minerales y otros elementos perjudiciales al medio ambiente origina inconvenientes ya que no pueden verterse al medio ambiente sin cumplir con los estndares exigidos por el Ministerio de Ambiente, al igual que resulta perjudicial su empleo en equipos y plantas no diseados para el manejo de un fluido con las caractersticas mencionadas, pudiendo originar corrosin, depositacin de slidos entre otros problemas. El petrleo debe cumplir con los estndares iiiternacionales porque resultara sumamente perjudicial en los procesos de refinacin y tambin se vera afectado su valor en el mercado. Ell tipo de investigacin es descriptiva - documental, de carcter Monogrfiso con base en el mtodo cualitativo, ya que una vez analizadas las diferentes propuestas iiivestigativas, sta es la que ms se adecua por las caractersticas que la definen. La revisin, anlisis y propuesta enmarcada en esta investigacin derivan cle la escasa iiiforrnacin existente referida al uso de equipos, como los desnatadores y de flotacin, cs como los procesos de desalacin y desulfuracin del petrleo. Eista investigacin ha arrojado como resultados una revisin y anlisis de una serie de procedimientos y mtodos que permiten realizar el diseo conceptual de equipos para 11 tratamiento de crudos y aguas efluentes lo que es de gran significacin por el aporte c ue, como investigacin documental, ofrece en el campo de la ingeniera de petrleo.

Palabras claves: Diseo, equipos. Mtodos, tratamientos, crudo, aguas efluentes.

Silva Sanchez Juan Armando. EQUlPMENT CONCEPTUAL DESIGN FOR THE 'I'REATMENT OF CRUDE AND EFFLUENT WATERS. (2005), Trabajo de Grado. llniversidad del Zulia. Facultad de Ingeniera. Divisin de Postgrado. Maracaibo. Tutor: F'rof. Jorge Barrientos. Co -Tutora D,, Marianela Silva.

7'he current investigation had like first objective the accomplishment of equipment conceptual designs for the treatment of crude and effluent waters. As much the crude as the water produced by petroliferous wells contain undesirable polluting agents and remainders in their composition what generates problems in the diverse processes that are carried out in the oil industry. Water with certain percentage of oil and cc~ncentrations cf mineral salts and other elements that harm the environment originate disadvantages kecause they can't be spilled to the environment without fulfilling the demanded standards by the Environment Ministry, it is also harming its use in equipmeiit and plants that are not designed for the handling of fluids with the mentioned characteristics, being able to originate corrosion, storage of solids, and other problems. The oil rriost fulfill the iiiternational standards because it would result extremely harming in the refinernent processes and its price in the market would be affected too. 7'he type of investigation is descriptive-documentary, of Monqraphic ctiaracter with kase in the qualitative method, because once the investigative proposals are analyzed, tliis is the one that is more adapted by the characteristics that define t. 'rhe revision, analyses and proposal framed in this investigation derive from the little existing iiiformation referred the use of equipment, like the foam cleaner and flotation, like the cesalination processes and oil desulfure. 'l'his investigation has thrown like results a revision and analysis of some procedures and methods that allow to make the equipment conceptual design for the treatment of crude and effluent waters what is of great meaning by the contribution that, like documental investigation, offers in the field of the petroleum engineering.

Key Words: Design, equipment, methods, treatment, crude, effluent waters.

A Dios, por permitirme obtener las metas trazadas en mi carrera.

A mis Padres, Danice y Armando por todo el cario y dedicacin de padres.

A mis hermanas, Marianela, Neris, Edith. Denise, Mara Eugenia y Luisana; y mi hermano Armando por todo su apoyo y consideracin.

A Ibis, mi novia por su amor hacia mi y SLI apoyo en la elaboracin de esta investigacin. Gracias por estar a mi lado. Te amo.

A todos mis sobrinos y sobrinas.

A mis cuados Carlos Roberto, Roberto, Too, Mervin y Ender.

AGRADECIMIENTO

Al Profesor Jorge Barrientos por su desempeo y colaboracin prestada como Tutor.

A la D, Marianela Silva por la ayuda prestada en labor de Co - tutora metodolgica.

Al Ing. Carlos Roberto Spencer por la colaboracin prestada durante esta investigacin.

TABLA DE CONTENIDO Pgina

F!ESUMEN ........................................................................................................... f LBSTRAC ............................................................................................................ CIEDICATORIA .................................................................................................... f iGRADECIMIENT0 .............................................................................................

..................................................................................... TABLA DE CONTENIDO ............................................................................................... LISTA DE TABLAS ............................................................................................ LISTA DE FIGURAS

LISTA DE S~MBOLOS .......................................................................................... L.ISTA DE ANEXOS ............................................................................................. IIVTRODUCCI~N ................................................................................................. C:APlTULO

1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................

1 . 1. Planteamiento del problema ..................................................... 1.2. Objetivos de la investigacin .....................................................

1.2.1. Objetivo general ............................................................. 1.2.2. objetivos especficos .......................................................

1.3. Justificacin ............................................................................... . . . 1.4. Delimitacin ...............................................................................

MARCO TE~RICO ..........................................................................

2.1. Antecedentes de la investigacin .............................................. 2.2. Definicin de trminos bsicos ................................................. 2.3. Los hidrocarburos y su clasificacin ......................................... 2.4. Conceptualizacin de emulsin ................................................

2.4.1 .Tipos de emulsiones ......................................................... 2.4.2. Viscosidad de las emulsiones ..........................................

.................................... 2.4.3. Conductividad de las emulsiones ...................................... 2.4.4. Composicin de las emulsiones

2.4.5. Formacin de las emulsiones .......................................... ..................... 2.4.6. Estabilizacin y ruptura de las emulsiones

................. 2.4.7. Propiedades involucradas en las emulsiones 2.5. Deshidratacin del crudo ..........................................................

....... 2.6. Mtodos y equipos utilizados en el tratamiento de crudos 2.6.1 . Mtodos Mecnicos ........................................................ 2.6.2. Mtodos Trmicos ............................................................ 2.6.3. Mtodo Qumico ................................................................

................................... 2.6.4. Mtodos elctricos o electrosttico 2.6.5. Desalacin de crudos ....................................................... 2.6.6. Procesos aplicados en la remocin de aziifre presente en los hidrocarburos ................................................

2.7. Aguas efluentes ......................................................................... ................................. 2.7.1 . Determinacin de crudo en el agua

2.7.2. Determinacin de slidos en el agua ................................

Pgina

2.7.3. Opciones para el tratamiento de aguas efluantes ............ 2.7.4. Opciones para la disposicin de aguas efluentes ............. 2.7.5. Factores determinantes en la aplicacin de los tratamientos de aguas efluentes ................................................ 2.7.6. Tratamientos qumicos clarificantes .................................. 2.7.7. Procesos para el tratamiento de aguas efluentes ............. 2.7.8. Equipos y procesos utilizados en el tratamiento de aguas efluentes ........................................................................... 2.7.9. Normas y especificaciones para la disposicin de aguas

..................................................................................... efluentes

3.1. Tipo de investigacin ........................................................... 3.2. Tcnicas e instrumentos de recoleccin de datos .................... 3.3. Procedimiento de la investigacin .............................................

IV METODOS Y PROCEDIMIENTOS DE DISEO DE EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO DE CRUDOS .........................................

4.1 . Mtodos Mecnicos .................................................................. 4.2. Mtodos Trmicos ..................................................................... 4.3. Mtodos Qumicos .................................................................... 4.4. Mtodos elctricos o electrosttico ........................................... 4.5. Desalacin de crudos ................................................................

V MTODOS Y PROCEDIMIENTOS DE DISEO DE EQUIPOS ...................... PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS EFLUENTES

5.1. Tratamientos qumicos clarificantes .......................................... 5.2. Mtodos de diseo de equipos para en el tratamiento de aguas efluentes ................................................................................

5.2.1. Procedimiento de para el diseo de separadores API ..... 5.2.2. Procedimiento de para el diseo de separadores de

.......................................................................................... placas 5.2.3. Unidades de flotacin de gas inducido o aeroflotacin ..... 5.2.4. Procedimiento de para el diseo de tanques desnatadores .............................................................................. 5.2.5. Tubera de coalescencia ...................................................

(~onclusiones ........................................................................................................ Bibliografa ........................................................................................................... Anexos .................................................................................................................

LISTA DE TABLAS T'abla Pgina

Clasificacin internacional por grados API y localizacin de Venezuela en calidad del petrleo ............................................................................. Valores del factor de carga para diferentes tipos de crudo ..................... Parmetros tpicos de los procesos de desalacin .................................. Especificaciones de las unidades de flotacin con gas disuelto .............. Comparacin de los mtodos mecnicos para desaireacii .................. Criterios tpicos de diseo . Tiempo de retencin ..................................... Dimensiones de tratadores trmicos ....................................................... Diseos tpicos de cajas de fuego ........................................................... Diferentes tipos de tratamiento y los resultados que se ob!ienen con su aplicacin ................................................................................................. Factor de correccin por turbulencia ...................................................... Dimensiones y especificaciones del depurador WENCO ........................

LISTA DE FIGURAS Figura Pgina

................................. Microfotografas de diferentes tipos de emulsiones Diferentes tipos de emulsiones ................................................................

.......................................................................... Concepto de Viscosidad ...... Fraccin de volumen coalescido o clarificado en funcin del tiempo

......................... Etapas de la coalescencia de una gota contra un plano Efecto del campo elctrico en las emulsiones ......................................... Medio poroso mojado por agua ...............................................................

.................. Esquema del principio mecnico fsico de la deshidratacin ......................................................................... Equipo de centrifugacin

Tanque de lavado 132 - patio de tanques Lagunillas ............................. Diagrama esquemtico de un tanque de lavado .....................................

...... Esquematizacin de las placas deflectoras de un tanque de lavado Tanque de lavado tipo espiral .................................................................. Tanque de lavado con tubo aspersor ranurado ..................................... Tanque de lavado concntrico . Sistema de flujo de petrleo .................. Tanque de lavado concntrico . Sistema de flujo de agua ....................... Tanque de lavado con paraguas distribuidor ........................................... Separadores de agua libre vertical y horizontal ................................... Vista esquemtica de un separador de agua libre horizontal can elementos de calentamiento en cada extremo ........................................ Composicin fotogrfica de materiales y diseos utilizados para la fabricacin de separadores de agua libre ............................................. Separadores de agua libre . Patio de tanques Lagunillas ........................ Deshidratador trmico horizontal ............................................................. Deshidratador trmico vertical ................................................................. Slidos y molcula actuando en la estabilizacin de las emulsiones ...... Sistema qumico de deshidratacin ........................................................ Efecto de la polarizacin en gotas de petrleo debido a la accin de un

. .

.............................................................................. campo electroestatico Vista externa de un equipo electrosttico para el tratamiento de cruclo .. Composicin de micro fotografas de una emulsin tomada a 1;!00 . .

rmagenes por segundo ............................................................................ Vista interna de deshidratador electrosttico ........................................... Vista interna de deshidratador electrosttico ........................................... Vista interna de deshidratador electrosttico ........................................... Deshidratador electrosttico horizontal .................................................... Deshidratadores electrosttico horizontal con rejillas elctrii=as verticales para flujo de fluidos en direccin vertical ................................. Sistema elctrico de deshidratacin ........................................................ Grfico de formacin de cidos corrosivos debido a las sales en

. . funcion de la temperatura ........................................................................ Proceso de separacin en dos etapas, mostrando un plano fotogr41co de la planta de tratamiento y un plano del sistema .................................. Diagrama de una instalacin tpica de un sistema utilizado en el tratamiento de crudo contaminado con sal ............................................

........................................................................................ Separador API separador de placas corrugadas ............................................................ Unidad de flotacin de gas inducido ........................................................ Sistema de flotacin de gas disuelto . a) Proceso de flotacin . b) Detalles de la cmara de flotacin circular .......................................... Tanque desnatador .................................................................................. Corte transversal de tanque desnatador .................................................. Operacin de un hidrocicln .................................................................... Hidrocicln ............................................................................................... Hidrociclones desarenadores . Patio de tanques Lagunillas .................... Lecho bacteriano de una etapa de recirculacin ..................................... Tratamiento por Iodos activados .............................................................

. . Equipos de desaireacion .......................................................................... Filtro de lecho profundo o filtro de arena ................................................. Filtro de tierra diatomcea ....................................................................... Equipo de filtro de cartucho ..................................................................... Principio cclico de operacin de los tanques de almacenamiento ......... Optimizacin del uso de gas combustible en un horno ........................... Diagrama de placas paralelas de un separador ...................................... Area proyectada de una placa CFI .......................................................... Corte vertical de una celda de una unidad de aeroflotacin .................... Secciones de un depurador WENCO ...................................................... Corte transversal de tanque desnatador ................................................. Grafico de relacin entre factor de friccin y nmero de Reynolds ......... Grafico de intensidad de mezclado "En como funcin del caudal para varios dimetros de tubera .....................................................................

LISTA DE SIMBOLOS

NP: Emulsin agua en petrleo. NPIA: Emulsin agua en petrleo en agua. A.P.1: Instituto Americano del Petrleo. Bblslda: Barriles por da. CFI: Separador con interceptores de flujo cruzado. CPI: separador de placas corrugadas. Cps: Centipoises. % A y S: Porcentaje de agua y sedimento. pm: Micrn. p.: Viscosidad. Lpca: Libras por pulgadas cuadradas. MA: Ministerio de Ambiente. "C: Centgrados grados Celsius. "F: Grados Fahrenheit . GTL: Gas a lquido (por sus siglas en Ingles) Hz: Hertz. mgIL: Miligramos por litro. mm: Milmetro. Lbm: libras masa. Ohm - cm: Ohmios por centmetro. PIA: Emulsin petrleo en agua PINP: Emulsin petrleo en agua en petrleo. PDVSA: Petrleos de Venezuela S.A. PPM: Partes por milln. PPI: Separadoe de placas paralelas. PTB: Libras de sal por mil barriles de crudo. Pulg: pulgadas. RPM: Revoluciones por minuto. INTEVEP: V: Voltios. Vlcm: Voltios por centmetro.

LISTA DE ANEXOS Anexo Pgina

Proceso de medicin. desarenamiento y deshidratacin del crudo LLG . Tanques de lavado LL-Norte 1501 32 ....................................................... Deshidratacin Electrosttica . Deshidratadores / desaladores Elaker Hughes ..................................................................................................... Deshidratacin Electrosttica . Deshidratadores / desaladores A(YDC NATCO ..................................................................................................... Separador mecnico KVAERNER .......................................................... Separador mecnico NATCO ................................................................... Caractersticas e impurezas comunes en el agua ................................... Ley Penal del Ambiente ........................................................................... Reglamento de clasificacin le las aguas y medidas de control de polucin de La Cuenca del Lago de Maracaibo ...................................... Perdidas de crudo por evaporacin correlaciones matemticas mi!todo AP I ............................................................................................................ Deshidratacin trmica del crudo TJM ..................................................... Requerimiento de calor . Calentamiento indirecto ................................... Requerimientos de calor . Calentamiento a fuego directo ....................... Deshidratacin Trmica de crudo ............................................................

Generalmente, los yacimientos petrolferos, al comienzo y por muchos tiempo de SL Irida productiva, producen muy bajo contenido de agua, sin embargo, a medida que se! agotan, el contenido de agua aumenta hasta alcanzar, a veces, niveles por encima de! !)O%.

Un alto porcentaje de esta agua est asociada con el crudo en forma de emulsiri r?ntendindose por emulsin a un sistema heterogneo que consta de al menos uri liquido inrniscible ntimamente disperso en otro en forma de pequeas gotss.

El agua debe ser removida lo antes posible y en instalaciones cercanas a las reas (le produccin para ahorrar distancia, tiempo y espacio en el manejo de! crudo, y tanto ins en los oleoductos como en los tanqueros. Para lograr la remocin del agua presente en el crudo en forma de emulsin, este debe ser sometido deshidratacin el cual consiste en separar el agua emulsionada del crudo.

El exceso de agua en las plantas de deshidratacin puede ser causa (le problemas operacionales debido al gran aumento de volumen que sufre el agua al ser evaporada, adems, el agua puede generar serios problemas de corrosin.

Ya que el agua asociada a la produccin de hidrocarburos es en muchos casos salada, algunos crudos tienen alto contenido de sal y requieren procesos cle desalaciri luego de la deshidratacin y cuyo objetivo es remover las pequeas cantidades de :;ales inorgnicas que generalmente estn disueltas en el agua , por tanto, generalmente se aade agua fresca y se somete el crudo a un segundo proceso de deshidratacin. La desalacin es necesaria para evitar daos a los equipos por la "ormacin de cloruros de sales bivalentes. Estas sales pueden ocasionar obstruccin eri 10s equipos y envenenamiento de los catalizadores en procesos de coiiversin ms complejos.

Posteriormente el agua y el crudo ya separados siguen conteniendo residuos de fluidos indeseados, el agua con trazas de petrleo y el petrleo con un determinado porcentaje de agua y sedimento, la presencia de minerales como azufre y ciertas sales entre otros contaminantes, superiores a las especificaciones estab1ec:idas por el Instituto Americano del Petrleo (API por sus siglas en ingls), para su c:omercializacin.

Como se ha expuesto anteriormente, el agua es tambin producida can el petrlecl por lo que es considerada, al igual que este , un fluido de produccin. Tento el cruda como el agua producida por los pozos requieren del cumplimiento de estndares t?stablecidos, en el caso del petrleo para su comercializacin, y cuando se trata del agua para la disposicin final, la cual puede ser utilizada con diferentes propsitos; (inyeccin para la recuperacin secundaria, generacin de vapor, en sistemas de enfriamiento, etc) o simplemente ser desechada.

El presenta trabajo de grado consisti en una investigacin descriptiva -- documental (le carcter monogrfico, en la cual se plantea de forma amplia los mtodos y rocedi di mi en tos para el diseo conceptual de equipos empleados en la industria petrolera para el tratamiento de crudos y aguas afluentes, lo que involucrci ~>rincipalmente equipos empleados en procesos fsicos mecnicos, tambikn enmarcci la revisin de mtodos qumicos y elctricos empleados en el tratamiento 'de los fluidos antes mencionados, as como los procesos de desalacin y desulfuracin empleado:; para el tratamiento de crudo.

El presente trabajo e investigacin ha sido estructurado en seis captulos clistribuidos de la siguiente forma:

Capitulo 1: Presenta el planteamiento del problema y los objc?tivos de 1:) i nvestigacin.

Capitulo 11: Se describen la bases tericas de la investigacin, conceptualizacin de ~smulsiones, los mtodos utilizados en el tratamiento de crudos y aguas efluentes as como los equipos empleados en dichos procesos

Capitulo III: Define el tipo de investigacin y la metodologa utilizada para llevar ci cabo la misma.

Capitulo IV: Se describen los mtodos utilizados para el diseo de equipos para el Iratamiento de crudo al igual que se realizan diseos de estos eauipos.

Capitulo V: Se presenta los mtodos utilizados para el diseo de eqi~ipos para el Iratamiento de aguas efluentes y se realizan diseos de estos equipos.

CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

'1 .l. Planteamiento del problema.

La industria petrolera, principal fuente generadora de energa y riqueza de nuestrcl pas, es la encargada de la realizacin de operaciones que involucran desde las etapas iniciales como lo es la exploracin, que permite la ubicacin de yacimientos tmmercialmente rentables para su explotacin, pasando por la perforacin y produccin

La produccin de los hidrocarburos, implica no solo la extraccin hasta la superficiel de este recurso, sino, que involucra tambin la adecuada recoleccin, tratamiento tfistribucin de estos fluidos (petrleo y gas), y el manejo, tratamiento y disposicin del igua asociada a la extraccin de los hidrocarburos.

Tanto el crudo como el agua producida por los pozos requieren del cuniplimiento de cstndares establecidos, en el caso del petrleo para su comercializacin, y cuando se trata del agua para la disposicin final, la cual puede ser utilizada con diferentes; propsitos ( inyeccin para la recuperacin secundaria, generacin de vapor, eri sistemas de enfriamiento, etc) o simplemente ser desechada.

Una de las principales etapas en la produccin de hidrocarburos se desarrolla en las iistaciones recolectoras de flujo, la cual es una infraestructura de mediana complejidacl donde se llevan a cabo una serie de procesos tendientes al adecuado manejo lr distribucin de los fluidos aportados por los pozos productores de una determinada iirea.

Puede decirse que es en las estaciones recolectoras de flujo donde se inicia en una primera fase el tratamiento del crudo y agua que junto con el gas, llegan como un fluido inultifsico a la estacin y posteriormente es sometido a un proceso para la separaciri (le la fase lquida-gaseosa en el caso de separadores bifsicos, y gas-petrleo-agua cuando se trata de separadores trifsicos.

Posteriormente el agua y el crudo ya separados siguen conteniendo residuos de fluidos indeseados, el agua con trazas de petrleo y el petrleo con un determinado porcentaje de agua y sedimento, la presencia de minerales como azufre y ciertas sales entre otros contaminantes, superiores a las especificaciones establecidas por el Instituto Americano del Petrleo (API por sus siglas en ingls), para su

Adicionalmente cuando se queman combustibles con un cierto contenido de azufre :;e ocasionan problemas ecolgicos muy graves, uno de ellos es la produccin de trmisiones sulfurosas en la atmsfera durante la combustin, especialmente en las ictividades industriales y en la produccin de electricidad, lo que hace que se libere tlixido de azufre, que es el principal componente de la llamada "lluvia cida".

Los tratamientos de crudo y aguas efluentes orientados a la aplicacin y uso de mtodos mecnicos, y el empleo de procedimientos para el diseo de equipos segri iiormas API, han sido ampliamente tratados y discutidos en las literaturas gr inetodologias existentes.

En contraparte los tratamientos elctricos y qumicos, as como aquellos utilizados; t?n la desalinizacin y desulfuracin de crudo y el diseo de equipos desnatadores gr Ilotacin para el tratamiento del agua, no han sido tan ampliamente divulgados lr empleados en la industria petrolera a pesar de la importancia que estos revisten para que estos fluidos cumplan con las especificaciones exigidas para su comercializacin y tlisposicin final.

'1.2. Objetivos de la investigacin.

1.2.1. Objetivo general.

Realizar el disefo conceptual de equipos utilizados en la industria petrolera para el tratamiento de crudos y aguas efluentes.

1.2.2. Objetivos especficos.

Revisar la bibliografa referida a las metodologias y procedimientos establecidos; para el diseo de equipos empleados en el tratamiento de crudo y agua.

Exponer las normativas que rigen, segn el Ministerio de Ambiente, para el tratamiento y disposicin de aguas efluentes asociadas a la pi-oduccin de hidrocarburos.

Describir los mtodos de diseo para equipos desnatadores y flotacin en el tratamiento de aguas efluentes.

Explicar las normativas as como las especificaciones y ~iractersticas del crudo segn API, para la comercializacin.

Detallar la metodologa y procedimientos utilizados para la (lesalacin 51 desulfuracin de crudos.

Revisar diferentes criterios utilizados por fabricantes para el disecl de equipos; para tratamiento de crudo y agua.

Exponer la importancia que reviste el adecuado tratamiento del crudo y aguas; efluentes.

Ejemplificar diseos conceptuales de equipos utilizados en el tratamiento de! crudo y aguas efluentes.

'1.3. Justificacin.

El diseo conceptual de equipos para el tratamiento de crudos y aguas afluentes e:; (le gran significacin por el aporte que, como investigacin documental, ofrece en el campo de la ingeniera de petrleo.

La revisin, anlisis y propuesta enmarcada en esta investigacin derivan de Izi escasa informacin existente referida al uso de equipos, como los desnritadores y de ilotacin, as como los procesos de desalacin y desulfuracin del petrleo.

1-a presentacin coherente y sistemtica de esos procesos y equipos le confiere a esta investigacin la seriedad y el valor exigido a toda investigacin de postgrado, sirviendc~ de consulta y referencia de calidad a futuras investigaciones relacionadas con el tema.

'1.4. Delimitacin.

La presente investigacin estuvo delimitada al estudio de los mtodos lr r roce di mi en tos para el diseo conceptual de equipos empleados en la industria petrolera para el tratamiento de crudos y aguas afluentes lo que involucra los procesos; 'sicos mecnicos, tambin enmarca la revisin de mtodos qumicos y elctricos t?mpleados en el tratamiento de los fluidos antes mencionados, as como los procesos (le desalacin y desulfuracin empleados para el tratamiento de crudo.

CAPITULO II MARCO TERICO

:2.1. Antecedentes.

F. G. Cottrel en 1906, pens en la posibilidad de romper las emulsionl?~ por medio (le campos elctricos, pero no fue si no en 1909 cuando comenzaron sus experimentos, los cuales funcionaron como se esperaba, reduciendo una emulsin de AL:% de agua y rjedimentos a menos del 2% y una tasa de 100.000 Bblslda.

Las bases de la deshidratacin por medio de un sistema elctrico fueron (lescubiertas en 1909 por Cottrell y Speed, en la Universidad de California. La patente (le este proceso fue tomada por Petroleum Rectifying Company of Californizi i'PETREC0).

La explicacin original del fenmeno se hacia diciendo que las partculas :;uspendidas en un medio con una a constante dielctrica ms baja, corrio es el caso del agua en el petrleo, son atradas entre s cuando se forma un campo elctrico de alto gradiente en el sistema.

Mientras mayor resistividad tenga el medio (petrleo) es mayor el cainpo elctricc) que puede soportar sin romperse y por lo tanto las fuerzas que producen Izi c:oalescencia son mayores. Los crudos producidos tienen por lo general una resistividacl ielativamente alta de 106 ohm-cm, y por ello, grandes fuerzas elctricas pueden hace- que las partculas de agua se unifiquen.

El mtodo de tratamiento de emulsiones de petrleo involucra el uso de campo:; elctricos o electrosttico con el propsito de causar que las pequeas gota:; dispersadas se muevan, colinden y coalescan.

En Venezuela hasta el comienzo de la segunda Guerra Mundia', se us Izi cieshidratacin qumica, pero debido a la escasez de estos producto!; se paso a c2mplear la deshidratacin elctrica, ahora nuevamente se utiliza en forma preferente los procesos qumicos para separar el agua del petrleo.

En 1936 el lngeniero D.H. Fontine, present un resumen de las pr;#cticas ms ciesarrolladas en la deshidratacin de crudos emulsionados, determinando que los mtodos qumicos y elctricos son los ms exitosos, adems incluy en uri artculo una I~reve descripcin de las caractersticas ms conocidas de las conclusiones y las i-ecomendaciones a seguir para la prevencin. Tambin incluyo ilustraciones del equipo i~tiiizando para deshidratar.

Para el ao 1960, se dise un separador con interceptores de -flujo cruzadc) clenominado CFI, con dos licencias Pielkenrood Vinitex y Environmental Engineering de Australia. Este diseo apuntaba a la superacin de algunos problemas detectados eri los separadores de placas paralelas (PPI), y corrugadas (CPI), como por ejemplo el observado en el CPI, donde debajo de las crestas de las placas se acumulaban gotas cie crudo por efecto de coalescencia, las cuales, al alcanzar un tamao subcientemente grande antes de llegar a la superficie, eran separadas de las placas, reintegrndose a Iz i corriente principal con el subsiguiente desmejoramiento del efluente del sistema.

De igual manera, tanto en el PPI como en el CPI, los slidos son separados eri corriente con la direccin del flujo, con lo que el tiempo requerido para la separacin de los mismos en el paquete de placas, es mucho menor que el requerido para Ii separacin de crudo.

Con la finalidad de superar estos problemas se desarroll el CFI que ccinsiste en uri separador con un paquete de placas corrugadas espaciadas 1,O cm (0,39 Pulg) alineados 45" en forma cruzada con respecto al flujo de agua.

La Ingeniero Ana Leonor Urdaneta Nava, present una investigacin en el ario 1983 ante la Universidad del Zulia, acerca de los "Criterios Tcnicos - Econmico!; para la Seleccin de Tanques de Lavado en la Deshidratacin del Crudo", en la cual

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explica una tcnica que permita deshidratar grandes volmenes de crudo. Esta inetodologa consiste bsicamente en establecer los parmetros que deben tomarse en cuenta en el diseo de esos tanques y llevar a cabo un anlisis lcnico - econmico (considerando para ello estadsticas y clculos de un ao).

En una tesis presentada por la profesora Nora Navarro en el ao 1994 como trabajo (le ascenso ante la Universidad del Zulia, titulada "Deshidratacin de Crudos Livianos EI Iravs de Campos Magnticos Variables", se investig el mtodo para cleshidratar el crudo liviano por medio de la accin de campos magnticos variables generados por uri conjunto de bobinas o solenoide al cual se le aplica corriente aitema de 110v. El ~~etrleo utilizado para la investigacin fue el de Ta Juana Liviano.

2.2. Definicin de trminos bsicos.

Aditivo: Producto qumico que se mezcla en pequeas cantidades con uri producto del petrleo para mejorar la calidad del producto, dndole a ste cierta!; propiedades especiales.

Aglomeracin: Adhesin de dos o ms pequeas partculas de materia para formar una partcula ms grande.

Agrio: Derivado del petrleo que contiene compuestos de azufre, como mercaptanos y amonaco que producen mal olor.

Agua libre: Se le encuentra justamente debajo del petrleo y, cuando hay emulsin, debajo de esta generalmente tiene transparencia de cristal, pero eri algunos crudos pesados es a veces turbia debido a la suspensin de limo.

Agua y sedimentos: Es la cantidad de agua y sedimento en su suspensin eri el petrleo o sus productos. Est catalogado como impurezas en suspensin, independientemente del petrleo.

Aromticos: Compuestos orgnicos que contienen uno o ms anillos bencnicos.

Asfltenos: Mezclas de molculas coloidales polares formada:'; por anillos aromticos policlicos condensados, contienen N, O y S, y. Son permeadas poi- molculas absorbidas de maltenos. Poseen pesos moleculares entre 10000 1' 100000 y amplios puntos de fusin. Es la familia de componentes clel crudo que son solubles en heptano.

Asfalto: Material pegajoso slido o semislido, de color negro a caft! oscuro, que gradualmente se licua cuando se calienta. Sus constituyentes predoininantes sor1

hidrocarburos. Se encuentra en rezumaderos naturales (Guanoco) o se obtiene como residuo por refinacin de algunos petrleos.

Barril: En la industria petrolera, la unidad estndar de volumen es el barril de 4;! galones EE.UU. (1 59 litros).

Base parafnica: Generalmente, un crudo que tiene un alto porcentaje de hidrocarburos parafnicos y esencialmente mnima cantidad de asf21ltenos en las fracciones residuales.

BTU: Unidad Trmica Britnica. Cantidad de calor necesaria para aumentar Izi temperatura de una libra (ovoirdupois) de agua un grado Fahrenheit, a partir dc! la temperatura de 39,2 "F a su temperatura de mxima densidad. Equivale c i 0,252 kilocaloras.

Cada de presin: Disminucin de presin de un fluido en movimiento entre do:; puntos de un sistema. Laca ida de presin puede ser debida a la friccin en el sistema o a restricciones en la tubera, tales como vlvulas u orificios.

Calor: Forma de energa trasmitida por diferencia de temperatura que se mide usualmente en BTU o en caloras.

Calora: Cantidad de calor necesaria, a presin de una atmsfera para aumentae la temperatura de un gramo de agua un grado centgrado, especficamente de 15" a 16". La kilocalora (calora grande, 1 .O00 gramos de agua) es equivalente ;i 3,968 BTU.

Catalizador: Sustancia que provoca y acelera reacciones qumicas entre otra:; sustancias, sin sufrir ella cambios qumicos.

Combustin: Accin o efecto de arder o quemar. Reaccin qumica acompaada de luz y calor.

Coque: Carbn duro que se forma a altas temperaturas por descornposicin del petrleo o carbn.

Corrosin: Reaccin qumica destructiva e indeseable que ataca los metales.

Crudo: Es el fluido (Petrleo, agua, gas y sedimentos) que se produce de una formacin, a travs de un pozo o grupo de pozos, sin recibir ningn tipo de tratamiento.

Crudo dulce: Petrleo crudo que no requiere tratamiento clumico pan1 removerle la tan poca cantidad de azufre que contiene.

Densidad: Dimensin de la materia segn su masa por unidad de volumen.

Derivados: Son los componentes que resultan al someter al petrleo a uri proceso de refinacin y10 petroqumica. Puede ser primario: gas, nafta, kerosene, gasleos, residuos; secundarios: gasolina, combustible de aviaciri, lubricantes, parafinas, petroqumicas: plstico, fertilizantes, etc.

Desalar: Remover cloruro de calcio (Cacl), cloruro de magnesio (Mgcl) o cloruro de sodio (Nacl) de aceites crudos por mtodos qumicos y10 elctricos.

Destilacin: Es un proceso en el cual se vaporiza uno o varios de lo:; constituyentes de una solucin. Sin embargo, esta definicin solo es aplicablc? correctamente a aquellas operaciones en las que las vaporizaciones de una mezcla produce una fase vapor que contiene uno de los constituyertes en mayor cantidad y se desea recuperar uno o ms de estos constituyentes en estado casi puro. As la separacin de una mezcla de alcohol y agua en sus c.omponentes, es una destilacin, mientras que la separacin de una salmuera en sal y agua e:; una evaporacin aun aquellos casos en que el producto sea nicaniente el agua condensada y no la sal.

Desmulsifcante: Un producto desemulsificante lo podemos definir como una solucin o compuesto qumico el cual al ser inyectado en el crudo einulsionadora reaccionar con el agente emulsificador y producir una sustancia que no tiene ninguna propiedad emulsificante.

Fiscalizacin: Representa d proceso por el cual se declara el crudo dentro o fuera de especificaciones (porcentaje de agua menor o mayor de l), esto sc! realiza previo muestre0 del tanque de tratamiento o reposo, luego del tiempo especifico de asentamiento dado al crudo en particular."

Fluido: Sustancia capaz de fluir bajo mnima presin. El termino irlcluye gases, lquidos y slidos fluidificados.

Floculacin: La floculacin es la aglomeracin de las gotas en agregado!; irregulares en los cuales se pueden siempre reconocer las gotas individuales. La floculacin no es un fenmeno irreversible y las gotas pueden volverse independientes de nuevo si se somete al floculado a una agitacin suave (mucho menor que la agitacin requerida para formar la emulsin). La flocul;acin permitc? qu se formen agregados de tamao mucho mayor los a los de la:; gotas v que por lo tanto pueden sedimentarse ms rpidamente. Por otra parte las gota!; floculadas estn en contacto (an lejano) y pueden eventualmente coalescer si las circunstancias son favorables.

Gasolina: Producto logrado por refinacin del petrleo. Es apropiado para usarlo como combustible en mquinas de combustin interna.

Gravedad API: Escala emprica para medir la densidad de los crudos y lo!; productos lquidos del petrleo. Se denota la densidad en "grados API". La desventaja de emplear la gravedad especfica en la industria petrolera est en el hecho de que todos los aceites, desde el ms pesado al ms liviano, no varari en ms de 0,4000 de uno al otro, y para indicar la densidad exacta de uri

producto es necesario emplear hasta cuatro cifras. Por esta razn, el Instituto Americano del Petrleo (API) estableci una escala que tiene una diferencia d e 90 grados API entre los aceites ms pesados v los ms livianos.

Hidrocarburos: Son compuestos orgnicos cuyas molQculas estn formadas nicamente por tomos de hidrgeno y carbono.

Hidrocarburos aromticos: Son aquellos que se utilizan como tiisolventes 1, son materia prima qumica valiosa. Se trata del benceno, tolueno y xileno.

Hidrodesulfuracin: Proceso para la extraccin de azufre de un producto por adicin de hidrgeno en condiciones apropiadas para formar sulfuro de hidrgeno.

Lodo y arena: es la parte slida presente en el crudo. Tambin se acumula en e' fondo de los tanques, formando estratos lo que hace que el fondo del mismo sea bastante irregular. En muchos casos consiste en granos de arena y, en otros barro o limo.

Mercaptanos: Compuesto orgnico que contiene azufre y tiene la frmula general R-SH. Los mercaptanos ms simples tienen un olor parecido al ajo, repulsivo y fuerte que se vuelve menos pronunciado cuanto mayor sea el peso molecular y el punto de ebullicin del producto. Reducen la susceptibilidad del plomo en la gasolina y promueven la formacin de goma debido al icontenido de azufre.

Molculas: Grupos fundamentales de tomos que integran los com[)uestos.

Parafinas: Se define como ceras que se pueden presentar de moclo natural en diversas fracciones del petrleo crudo. Estas se presentan com:, una masa incolora o blanca ms o menos traslcida, con una estructu~~a cristalina, resistente al agua y al vapor de agua. Poseen pesos moleculares inoderados y

punto de fusin bruscos. Tiene solubilidad limitada en cruclos. Los cristales de las parafinas son pequeos e indistintos, estos varan de peso moleculiar desde 40Cl a 700 tomos y sus molculas tiene cono promedio de 40 a 513 tomos de carbono.

Partes por milln (PPM): Representa la medida de concentraciri con la cua sealamos o medimos la cantidad de desemulsificante inyectado en e tratamiento del crudo.

Peso molecular: Peso relativo de una molcula de una sustancia respecto al peso de un tomo de hidrgeno.

Petrleo: Compuesto lquido que se encuentra en la naturalezi~ y consiste esencialmente de la combinacin del carbono (C) con el hiclrgeno (H). Generalmente hablando, hidrocarburos abarca esta combinacin eri sus cuatros estados: gaseoso, liquido, semislido y slido.

2.3. Los Hidrocarburos y su clasificacin.

En el capitulo que se presenta a continuacin se hace referencia de los aspectos tericos que sustentan esta investigacin, donde se estudian lo'; mtodos, productos ) tquipos utilizados para el tratamiento de crudos y aguas efluentas, que junto con el gas asociado a la produccin de petrleo se conocen como fluidos de produccin. El autor tia credo conveniente realizar una breve definicin y clasificacrn los fluidos (crudo 4,

Crudos medianos: Son aquellos hidrocarburos Iquidos que tienen una gravedac comprendida entre 22.0 - 29.9 API, ambas inclusive.

Crudos pesados: Son aquellos hidrocarburos Iquidos que tienen una gravedac comprendida entre 10.0-21.9 API, ambas inclusive.

Crudos extra-pesados: Son todos aquellos hidrocarburos Fquidos qiie tienen un? gravedad menor o igual a 9.9 API y una viscosidad > 10.000 Cps 21 condiciones de yacimiento.

Otra clasificacin de los petrleos crudos es de acuerdo a la composicin qumica cl riaturakza de los de los hidrocarburos que contiene cada crudo:

Crudos de base parafinica: Son hidrocarburos que contienen pa8.afina y muy poca o ningn material asfltico. Son aptos para obtener gasolinas de bajcl octanaje, ceras parafnicas y lubricantes.

Crudos de base Naftnicos o asfltico: Son hidrocarburos que contienen poca cl ninguna parafina pero s material asfltico en grandes proporciones. Son apto: para producir lubricantes.

Crudos de base mixta o intermedia: Son hidrocarburos que coritienen tantcl material asfltico como parafinico. En su composicin entran hidrocarburos parafnicos y asfiticos con cierta proporcin de hidrocarburos aromiticos.

La valoracin de un crudo tambin depende de su contenido de azufre. Cuanto rnayor sea el contenido de azufre, menor ser su precio en el mercado. Otros c:ontaminantes son los metales pesados (como el vanadio y el nquel) y c:untenI-!:! t c l r *irl. a! i?tml que otros factores influyen en SU cotizacin en el mercado petrolero como ID son corrosividad viscosidad o rendimiento especfico de determir:adc ?;od!!r,ti) ;-- ~~artir de un crudo particular que sirva como referencia.

Por otra parte, el primer corte en las unidades de destilacin del crl~do tambin afecta su valor, ya que los crudos que dan lugar a valores intermedios, con menores requerimientos de posterior procesamiento y que satisfagan el uso final que los demanda tendrn, en general, un precio ms alto.

A continuacin, a modo de referencia el autor incluye una clasificacin internacional tie lo crudos por pas y la ubicacin referencia1 de Venezuela.

~ . - - ~ . . - - .- -

l I I

TABLA No 1. CLASIFICAC~~N INTERNACIONAL POR GRADOS API Y ! LOCALIZACIN DE VENEZUELA EN CALIDAD DEL PETRLEO , - . . - -- - - - - - - - - - - ---

Arabian light-34 . . . ~. . . . .- . - - ~ - ~

lran light - 34 -. ~ - . -- -.

Kuwait- 3 1

l . - ~- . . -... . . -. ~ ~~ . . . . . - . . . - - . ~ - Irak- Basrah - 34 ~ -

~ - ~ . - - ~- -. ~ . . . - - . . . - -

: Qatar Mane- 34 , ~ - --p.---

Zarzaitine-43 (Argelia) l -. ~ - - - . -. ~ - . - - -- - . - . .

I Forcados-31 (Nigeria) ~ -- - -~ - - - -- -. - -. . . - - -. . -

i Zueitina-40 (Libia) Minas-35 (Indonesia) l . . - - - -..p..- - - - e .. ~ - .

Ta Juana light-31 (Venezuela) 1 - -- - _-__ -- - __ _. - __ - __ - -- - --- - - - -

Oriente- 30 (Ecuador) l. . .. - - - - . - . - - - - -- .-- ~ ~- --

:2.4. Conceptualizacin de emulsin.

Uno de los problemas asociados a la produccin de agua en conjunto con el petrlec~ es la formacin de emulsiones, debido a que este es un factor sumamente influyente eri la deshidratacin del crudo, el autor realizar una detallada revisin de las emulsiones. los tipos, propiedades, composicin, formacin, estabilidad y ruptura de las. mismas.

Una emulsin es una mezcla de dos Iquidos inmiscibles, es decir, que no se mezclan en condiciones normales. Uno de los lquidos esta disperso en el otro en la ioma de pequeas gotas, cuyos dimetros en general exceden de 0.1 micrn. La fase que est en forma de gotas licuantes divididas, es la fase que forma la matriz en el cual

estn suspendidos estas gotas es la externa o fase continua. 1-a figura No 1 muestra rnicrofotografas de diferentes tipos de emulsiones.

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i 1 ii 51 1 111

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Figura No 1 Microfotografas de diferentes tipos de emulsiones. A) Ernulsion de agua en petroleo, scL observa la aparicin de una pelcula rgida que retarda la coalescencia B) E:mulsin inversa, el tarnacl (le las partculas de petrleo es uniforme alrededor de 10 pm de dimetro y estn dispersadas en la fase continua agua. C ) Emulsin de agua en petrleo con una pelcula de petrleo alrededor de la goda del agua en proceso de ruptura. D) Emulsin petrleo en agua en petrleo. Se observan las gotas dr. petrleo dispersas en las gotas de agua que su vez estn dispersas en la fase contirua petrleo. E 1 1:mulsin de mltiples fases, campo Rocky Mountain. La fase dispersa agua coniiene pequeas partculas de petrleo. F) Emulsin agua en petrleo relativamente escasa. Las gota:; de agua m:e grandes estn alrededor de 60 pm, las medianas en unos 40 pm y las ms pequeas de 1 a 20 Um (S) Emulsin de un campo al Oeste de Kansas, contiene aproximadamente 30% de agua rmulsionada eri forma de gotas con un diametro en el rango de alrededor de 60 pm hacia abajo. H) Emulsin de agua er petrleo con partculas de agua dispersas con un tamaro que varia de 250 a 1 pm 1) Enulsin escasc con partculas de agua dispersas que varan en tamao de 1 a 20 pm Fuente: Petroleum Engineering Handbook. Howard Bradley.

Se llama dispersin a un sistema polifsico en el cual una fase se encuentra en forma fragmentada (fase dispersada) dentro de otra (fase continua). Existeii varios tipos (le sistemas dispersados y cada uno tiene una denominacin particular, por ejemplo, tina dispersin de gas en un Iquido es una espuma mientras que una dispersin de un Iquido en otro inmiscible con l es una emulsin; una dispersin de slidos finos er iin gas se llama humo, una dispersidn de gotitas en un gas se llama neblina )i. Finalmente una dispersin de un slido en un Iquido se llama suspensin c simplemente dispersin.

En una dispersin es importante destacar el tamao de los paquetes de la fase tlispersa. En efecto, el comportamiento de la dispersin y su efecto depende en buen? parte del tamao de los fragmentos. Se entiende por fragmento una cierta cantidad de materia gaseosa, liquida o slida, que se llama burbuja, gota o particlila si son de tamafio macroscpico.

Si son de tamaos inferiores el micrmetro pero netamente superior al tamaiio de tina molcula, se llama coloide.

Las soluciones coloidales son aquellas que contienen fragmentos de materi2 tlispersadas que son de un lado demasiado grande para que se trate de una solucir t~nvencional y de otro lado demasiado pequeos para se separen por sedimentacir c?n el campo de la gravedad.

En relacin con la definicin de coloides en los Cuaderno FlRP No. 607 se expresg' que:

En el campo de los coloides se encuentran las macromolculas (coloides lioflicos) las suspensiones slidas (sales) y los agregados de surfactante (micelas). Cuando una molcula solubiliza un aceite en su interior tiende a hincharse; cuando la solubilizacin alcanc una iIaccitln notable del sistema, se produce una estructura llamada micro emulsin quc so c:oy quo era una ornulsi6n conteniendo gotas ms peiliicrfas. Una micro emulsin es una solucin miscelas "Hinchada", y por lo tanto no es una emulsin sino un sistema rnonofsico.

Segn la definicin anterior de coloide, el lmite superior de tamao depende c!sencialmente de la estabilidad del sistema frente a la sedimentacin graviiacional.

Si no hay separacin por sedimentacin se habla de una solucin c) suspensir c:oloidal o una micro emulsin. Al contrario, los sistemas que se separan poi, sedimentacin (cualquiera sea el tiempo requerido) no son estables y se llamar c?spumas, (macro) emulsiones o suspensiones.

Para que se origine una emulsin estable, se requieren las siguientes condiciones:

Los lquidos tienen que ser incapaces de mezclarse por si solos.

Debe haber suficiente agitacin para dispersar un lquido dmtro del c~tro en forma de gotitas.

Se requiere la presencia de un agente emulsificante.

El agua y el petrleo no se mezclan espontneamente y el agente que lo une es ur c!mulsificante. Los emulsificantes ms comunes en las mezclas de agua y oetrleo son. :isfalto, sustancias resinosas, cidos orgnicos solubles en aceite. etc. Estas sustancias se suelen encontrar como una capa media entre las gotitas de agua y petrleo, y por Ic general los produce el yacimiento petrolfero. Por eso, para separar (3.1 agua y e petrleo en una emulsin, hay que destruir de alguna manera el emulsificante, para que puedan unirse las gotitas de agua.

Se han determinados diferentes mtodos para separar el agua producida con e petrleo, tales como:

Asentamiento en grandes tanques y extraccin del agua separadamente.

Aplicacin de calor.

Adicin de compuestos qumicos.

Dispositivos mecnicos, tales como los deshidratados elctricos o mecnicos.

En teora la separacin del agua y el petrleo de toda emulsi6n se realiza si se le da iin tiempo ilimitado de asentamiento. Gran parte del agua producida con e1 petrleo se separa sin la ayuda de calor, sustancias qumicas o dispositivos mecnicos. En ciertas c!mulsiones las partculas de agua estn rodeadas de un material que hace la5 ctmulsiones duras y estables para resistir su ruptura, y la unin de las gotas dentro de tin tiempo razonable. Por eso, hay que aplicar calor sustancias qumicas c cleshidratantes elctricos o combinaciones de los mismos, como medio de acelerar le separacin de agua y el petrleo.

Una emulsin se obtiene mediante un proceso llamado emulsiona~~in, el cua consiste en agitar una mezcla agua/aceite/surfactante con un artefacto mecnico u otrc tipo de agente que genere agitacin, como por ejemplo la turbulencia que genere e flujo de crudo en las tuberas de produccin de los pozos y en otros equipos del sistema (le produccin.

El resultado de la operacin depende por supuesto de la naturaleza y de las. proporciones de las fases, pero tambin de la forma segn la cual se lleva a cabo la c!mulsionacin. Eso incluye no slo el tipo de agente emulsor, sino tambi6n sur condiciones de utilizacin, y a menudo la programacin temporal y espacial de esta: c:ondiciones.

2.4.1. Tipos de emulsiones

Las emulsiones de petrleo y agua pueden ocurrir en forma diferente:

Agua en petrleo (AIP): Estas comprenden el 99% de las emulsiones presentes en la industria petrolera. Se forman estas emulsiones en t?l proceso de explotacin al entrar en contacto ambas fases, agua y petrleo en presencia de algn agente estabilizador y el contenido de agua pueda variar ertre O y 80%

3E

pero usualmente se encuentra entre O y 35%. En ella la fase dispersa es e agua, y la fase continua es el petrleo.

Petrleo en agua (PIA): Consiste en glbulos de petrleo dispersos en una fase continua de agua. Este tipo ocurre en aproximadamente 1% de las emulsiones producidas en la industria del petrleo, normalmente se da en e' agua drenada, posterior al tratamiento de deshidratacin.

Petrleo en agua en petrleo (PIAIP): Estas emulsiones raras veces se encuentran en produccin de petrleo. En las areas donde se encuentra, e. petrleo es de alta viscosidad y gravedad especfica o el agua es relativamente blanda y fresca.

La forma de este tipo de emulsin es hasta cierto sentido muy o~mpleja; los glbulos de petrleo estn dispersos en glbulos ms grandes de agua las cuales a su vez estn dispersas en una fase continua de petrleo.

Agua en petrleo en agua (AIPIA): Este tipo de emulsiones la:; constituyen una fase de agua a una segunda fase dispersa de agua. La niisrna se ha encontrado en la produccin de petrleo, aunque experimentalniente puede prepararse en los laboratorios. Su distribucin es exactamente el reverso del tipc petrleo en agua en petrleo.

Para identificar el tipo de emulsin, se coloca una pequefa muestra de ella en un microscopio y luego se le agrega a la muestra una pequea cantidad, ya sea de petrleo o de agua. El lquido que sea miscible con la emulsin representa la fase continua. Bajo un microscopio, las partculas de la fase dispersa son perfectamente visibles, lo que permite que una emulsin compleja pueda ser tambin identificada.

En la mayora de los casos en los cuales se hace una emulsin con dos lquidos inmiscibles, uno de los Iquidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgnica. Se usarn las abreviaturas A (agua) y P (petrleo) para dichas fases.

Si la emulsin contiene gotas de petrleo dispersadas en agua, 'e le llamar emulsin PIA, la emulsin normal para todas las aplicaciones con c?xcepcin de la produccin del petrleo, en la cual se denomina emulsin inversa.

Si la fase dispersada es el agua, se llama emulsin AIP, emulsin normal para los petrleos, inversas para los dems. (Ver Figura No 2).

Figura N" 2. Diferentes tipos de emulsiones.

Pueden existir casos ms complejos. Por ejemplo, si las gotas de eceite de una emulsin PJA contienen en su interior gotitas de agua, se dice que se tiene una emulsin mltiple de tipo NPIA. (Vase Figura No 2).

Las emulsiones mltiples se encuentran en forma espontnea o por diseo er varias aplicaciones, particularmente en el campo cosmtico o farrnacu:ico.

Las emulsiones mltiples no pueden definirse con la cont:entracin de ambas fases. Hay que especificar el contenido de fases interna en los dos tipos de gotas.

Volviendo a las emulsiones ordinarias, la nica forma de describir la geometrs de una emulsin es por su distribucin de tamao de gotas.

2.4.2. Viscosidad de las emulsiones

La viscosidad es la propiedad que caracteriza la resistencia de un fluido z desplazarse. Se define la viscosidad a partir de un caso simple en el cual un fluidc se ubica entre dos lminas paralelas distantes de " Y (Ver Figura No. 3). Una de las lminas se mantiene fija, mientras que la otra se pone en movimiento (paralelamente a la primera) al aplicarse una fuerza "F". Siendo "V" la velocidad de la lmina y " A el rea correspondiente se obtiene la relacin:

rea A Plato mvil

X b Plato fijo

Figura No 3. Concepto de Viscosidad

Esta relacin define el coeficiente de viscosidad. A partir de este caso llevado al lmite (diferencial) se deriva una frmula ms general.

Txy es por lo tanto el flujo de componentes " X de la cantidad de rn,~vimiento en la direccin "y".

Donde q es el esfuerzo ejercido en la direccin " X sobre una superficie " Y constante por el fluido ubicado a menores valores de "Y.

Por otra parte, Vx, representa el componente en la direccin " X de la velocidad. Su derivada respecto a la Y que es el gradiente de velocidad llamado velocidad de deformacin o cizallamiento.

(Ec. 2)

La viscosidad de una emulsin depende de numerosos factores, algunos con carcter fsico ms o menos determinado, otros de tipo fsico - quimiccj cuyo efectc empieza solamente a entenderse de la siguiente lista de factores, por order decreciente de importancia con excepcin del ltimo.

Viscosidad de la fase externa (go)

Proporcin volumtrica de la fase interna (0 0).

Tamao de las gotas de la fase interna.

Viscosidad de la fase interna.

Efectos electro viscosos.

Efecto del emulsionante, es decir, de la formulacin.

2.4.3. Conductividad de las emulsiones.

La conductividad de las dos fases que conforman una emulsin so11 en general muy diferentes, puesto que la fase acuosa contiene siempre algo de electrolito disuelto. Por otra parte, la conductividad de la emulsin depende esen1:ialmente de la naturaleza de la fase continua o externa, puesto que es esta fase la que va a transportar las cargas. En efecto, la fase discontinua tiene continuidad entre los electrodos.

Por lo tanto una emulsin de fase continua agua (con electrolito) PI.4 posee una alta conductividad, mientras que una emulsin de fase externa orgnica AIP posee una baja conductividad. Esta caracterstica permite deducir inmediatarnente el tipc de una emulsin de un dato de conductividad bastante aproximado.

Para emulsiones A/P en las cuales la conductividad de la fase ace te es muchc menor que la del agua.

En la prctica se ha encontrado que en un medio emulsionado agitadc constantemente, la conductividad de una emulsin, PIA varia esenc;ialmente er forma proporcional al contenido de agua.

2.4.4. Composicin de las emulsiones.

En forma general se usar el trmino emulsin para refe!-irse a unzi macroemulsin. Una emulsin es un sistema que contiene dos fases lquidas inmiscibles, una de las cuales est dispersada en la otra, y cuya estructura es estabilizada por un agente surfactante llamado emulsionante.

La nocin de estabilidad es por supuesto relativa, pero se refiere a una casi ausencia de cambio durante un perodo de tiempo suficientemente argo para el propsito de la aplicacin prctica, lo cual puede variar de algunc~s minutos zi algunos aos.

En ausencia de surfactante, una, dispersin liquido-lquido coalesce rpidamente (ejemplo de la vinagreta). En presencia de un agente emulsionante, la emulsin puede presentar una cierta segregacin gravitacional pero la ~oalesc~rncia de las gotas es notablemente retardada, aun cuando se tocan (ejemplo de la rrayonesa).

Las cantidades relativas de fase dispersa y de fase contiiua (referidas tambin como fase interna y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades. Debajo de 20% de fase interna se habla de una emulsin de bajo cont~bnido de fase interna.

En tales emulsiones se puede considerar que hay poca interaccin de las gotas entre s, lo que permite modelar ciertos comportamientos.

Al otro extremo estn las emulsiones de alto contenido de fase in':ema, en las cuales las gotas de la fase interna ocupan ms del 60-70% del volurrien. En tales emulsiones las interacciones entre gotas dominan los efectos. Ms all de 75%, las gotas estn literalmente al contacto y la emulsin se toma muy viscosa.

La concentracin del agente emulsionante es variable, pero en la priictica existen dos lmites. Debajo de una concentracin mnima del orden de algurios miles de ppm (O, 1 % por ejemplo), no hay bastante emulsionante para estabilizar la emulsin. Ms all de algunos porcentajes (5% por ejemplo), no se gana nada aumentando IE concentracin del surfactante.

En las aplicaciones prcticas se encuentra una concentracin de emulsionante en el rango 0,2 - 3%. Por razones de eficiencia y de costo se usa eil general ur emulsionante compuesto de una mezcla de varios surfactantes.

2.4.5. Formacin de las emulsiones.

Generalmente la formacin de emulsiones se debe a la influencia de efectos mecnicos en el sistema de produccin, adems de la presencia de sustancias qumicas. Los efectos mecnicos estn constituidos por el movimientct del crudo E

travs de las lneas de produccin, en las cuales debido a los accesorios involucrados se producen efectos de turbulencia y agitacin.

En cuanto a las sustancias qumicas, estas se pueden encontrar tanto en el agua asociada al crudo, como en el propio crudo (asfaltemos y parafinas), y pueden ser solubles, como jabones de sodio, magnesio y calcio, y bitmenes; e insolubles como slice, negro de humo y arcilla.

Las sustancias qumicas son las responsables de la estabilidad de las emulsiones, ya que son capaces de formar alrededor de las gotas dispersas una pelcula envolvente que evita la coalescencia de la fase dispersa. Estas sustancias qumicas se conocen como agentes emulsionantes.

Se puede resumir que las condiciones que favorecen la formicin de las emulsiones son:

Contacto con dos lquidos Inmiscibles: Como se menciono aiiteriormente, son aquellos que no se mezclan bajo condiciones normales.

Efecto de la turbulencia o agitacin: Las emulsiones ncj se forman espontneamente, por lo tanto, hay que generar cierto trabajo en el sistema. Este trabajo es producido por la turbulencia o agitacin que c'curre con el movimiento de los fluidos. Por ejemplo, en el pozo que prodi~ce por flujc natural, esta turbulencia o agitacin puede ser dada por el paso del fluido r travs de las lneas de flujo, conexiones del cabezote, estranguladores, etc.

En pozos de bombeo, la turbulencia y la agitacin producida por la bomba es ms que suficiente para la formacin de la emulsin.

Existencia de agentes emulsionantes: Las emulsiones poseen un2 estabilidad mnima, la cual se incrementa con agentes siirfactantes cl emulsificantes y por efectos mecnicos tales como agitadores b,

homogenizadores, estos agentes surfactantes aumentan la estal~ilidad d las emulsiones mediante la accin interfacial.

El agente emulsifcante es algn compuesto orgnico o inorgnico que se encuentra presente en el petrleo crudo y que estabilisa la fase. dispersa, al formar una membrana o pelcula elstica y fuerte, qui! envuelve la superficie de los glbulos.

tos tipos de agentes emulsificantes pueden ser subdivididos de iacueido a su solubilidad en la fase continua. Entre los agentes ernulsificante:: slidos, no solubles, podemos enumerar:

1. Slice

2. Negro de humo.

3. Arcilla

Entre los solubles se pueden enumerar:

1. Jabn de sodio

2. Calcio

3. Jabn de magnesio

4. Asfalto

5. Bitmenes

Adicionalmente, ciertas sustancias hidroflicas como goma y aguia, que no se encuentran con el crudo, pero que pueden estar presentes en el equipo de superficie, pueden actuar como agente emulsificantes.

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2.4.6. Estabilizacin y ruptura de las emulsiones.

Al someter una mezcla de agua y aceite a un cizallamiento, se produce un dispersin de una fase en la otra. Si ninguna sustancia estabiliza esta dispersin esta se rompe rpidamente al dejarla en reposo. La diferencia de derisidad de las dos fases produce una segregacin gravitatoria; las gotas de la fase dispersa se desplazan, se juntan y coalescen.

La separacin consiste esencialmente en una sedimentacin y est regida por la iey de Stokes que depende de la diferencia de densidad de los fluidos, de la viscosidad de la fase externa y del tamao de las gotas.

En presencia de un agente emulsionante, las gotas pueden acerairse pero no bastante para coalescer, bien sea porque existe una repulsin elctrica entre ellas, Sien sea porque existe una barrera esfrica o pelcula interfacial que irrlpide que las gotas puedan entrar en contacto. En ambos casos los agentes emulsioiiantes estn adsorbidos en la interface agualaceite; son sustancias anfiflicas, es decir, con doble afinidad a la vez polar y no polar.

Prcticamente todos los crudos contienen sustancias susceptiblei; de poseer propiedades emulsionantes: asfltenos, resinas, cidos naftnicos, citros cidos, rnercaptanos, bases nitrogenadas etc.

Adicionalmente se sabe que una emulsin puede estar estabilizad~i por slidos finamente divididos, los cuales se ubican en la interfase y son susceptibles de inhibir la coalescencia por efecto esfrico. Muchos crudos contienen materiales insolubles finamente divididos.

Tambin existen una serie de factores que Influyen en la estabilidad de las emulsiones, estos factores son los siguientes:

= Tipos de petrleo: Los petrleos de base naftnica o asfaltnica se emulsifican con mayor rapidez y permanencia que los de bajo parafnica; esto

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se debe a que el asfalto y, el betumen que se encuentran en los petrleos de base naftnica actan como excelentes emulsificantes.

Viscosidad del petrleo: Se define por viscosidad de un lquido SL resistencia a fluir. Mientras mayor sea la resistencia de un fluido s fluir, mayor sera su viscosidad y recprocamente, el flujo fluir ms fcilmeni:e cuando su viscosidad sea menor.

Un petrleo de viscosidad alta, es decir, un petrleo que fluye lentamente, mantendr en suspensin gotas ms grandes que uno con visc:osidad baja. Un ejemplo comn de esto se tiene al observar la velocidad lenta con que las burbujas de aire ascienden en un jarabe (viscosidad alta) cuando es comparada con el agua (viscosidad baja).

Las burbujas de aire suben, por el contrario, las gotas de agua en el petrleo bajan, pero el mismo efecto es evidente. Por mantener gotas mzs grandes y por ser ms lenta la velocidad con que se precipitan, un petrleo de viscosidad alta requiere ms tiempo para que las gotas de Egua puedan unirse y romper la emulsin. Por otra parte, el tiempo necesario para que precipiten las gotas de agua es considerablemente mayor. Por Ici tanto, entre ms alta la viscosidad, la emulsin ser ms estable.

Temperatura: La estabilidad de una emulsin depende de la terriperatura, ya que sta controla la viscosidad hasta cierta extensih. Por lo tanto, una emulsin ser ms estable a baja temperatura, ya que as la viscosidad aumenta siendo mayor la resistencia al movimiento de los glbulos. Es por esto, que el calor se aplica en los sistemas de tratamientos.

e Porcentaje de agua: El porcentaje de agua en una emulsin tieie un efecto hdirecto en su estabilidad. Para una cantidad dada de petrleo y agua, una emulsin estable puede formarse para una gran cantidad de volumen de mezcla, pero la emulsin de mxima estabilidad siempre oci~rrir a una relacin fija-de agua - petrleo. En operaciones comunes, se ha notado que

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las emulsiones alcanzan su mxima estabilidad para un contenido de agua de 1%, aunque se han encontrado algunas muy estables en las cuales, el contenido de agua es de un 75%.

El porcentaje de agua en una emulsin tiene un efecto indirecto en su estabilidad. Mientras mayor sea el porcentaje de agua, mlyor ser la agitacin necesaria para que se forme la emulsin. Al coinpletarse la formacin de la emulsin, a mayor porcentaje de agua, mayor -ser el nmero de gotitas por unidad de volumen, mayor el nmero cle colisiones entre las gotitas, favoreciendo la coalescencia y Separndose la emulsin del petrleo y agua ms rpidamente que si el porcentaje de agua fuese menor. Eilo no implica sin embargo, que no puedan existir ernulsiones con elevado porcentaje de agua que sean perfectamente estables.

ha composicin del agua de formacin puede ser un importante factor en la estabilizacin de la emulsin en el crudo, los iones bivalentes semejantes como el Ca' Y Mg' presentes en el agua de formacin forman jabn con el cido orgnico del petrleo (cido Naftenico); este jabn forma una pelcula estable en la interfase. Adems, de estos iones bicarboniatos (HC02) contenidos en el agua de formacin pueden introducirse en la interfase y contribucin, incrementar la estabilidad de la pelcula.

Edad de una emulsin: Si una emulsin es producida en el interior de un ianque y no es tratada, una cierta cantidad de agua precipitar por gravedad. A menos que alguna forma de tratamiento sea empleada para completar la ruptura total, habr un pequeo porcentaje de agua en el petrleo aunque se alargue el tiempo de precipitacin. Como se seal anteriormente, este porcentaje pequeo tiende a estabilizar la emulsin. Esto explica, el por qu algunas emulsiones se hacen ms estables y ms difciles de tratar despus que han envejecido. Es decir, con el paso del tiempo, una porcmn del agua precipita y el porcentaje ms pequeo que permanece en el petrleo hace a esa porcin de la produccin total ms difcil de tratar.

Agente emulsificante: El agente emulsificante es probablemerite el factor determinativo de la estabilidad de las emulsiones. Sin un agente emulsificante, la formacin de una emulsin sera imposible. No hay duda de que hay una diferencia considerable, entre las potencias de estos agentes para afectar la estabilidad de las emulsiones, pero no parece hber una lista de estos agentes en el orden de sus efectos estabilizantes.

Residuo de carbn: El efecto de los residuos de carbn en la estabilidad de [as emulsiones es comparable al de la viscosidad del petrleo, e:; decir, entre mayor contenido de residuos de carbn haya en el petrleo, mayor ser su estabilidad y viceversa.

Campos el4ctncos: La estabilidad de una emulsin aumentarli cuando las cargas de las partculas aumenten. Algunas emulsiones son '3stabilizadas completamente por atraccin elctrica.

Exposicin al aire: Se ha comprobado que las emulsiones se c:onvierten en ms estables cuando estn expuestas al aire. Esto es debido a que el oxgeno del aire va a reaccionar con los componentes en el crudo para formar un agente emulsificante. Esta accin ocurre muy rpidamente y slo unos pocos segundos de exposicin al aire son necesarios para estabilizar la emulsin a su mximo.

Tamaiio de las partculas: Se ha encontrado que cuando los glbulos los aumenta de tamao tiende a precipitarse. Puede establecerse que mientras menor sea el dimetro de las gotitas, ms estable resultar la emulsin formada. En cambio, mientras mayor sea su dimetro, tendern a coalescer rompiendo la emulsin. Se ha encontrado que con dimetros de gotas 10 micrones (0.01 mm) se logran emulsiones estables.

Hay muchos otros factores que afectan la estabilidad de las emulsiones, como por ejemplo los mtodos de produccin, etc., que no se han considerado factores

anteriormente nombrados deben ser tomados en cuenta junto con la experiencia ce campo, para asegurar una operacin de tratamiento satisfactorio.

Una emulsin es por definicin un sistema termodinmicamente inestable y tarde o temprano debe separarse en dos fases. Es relativamente fcil clecir que una emulsin se ha roto, pero es difcil definir experimentalmente un valor de SJ estabilidad.

La nica medida realmente absoluta de la estabilidad de una ernulsin es la variacin del nmero de gotas en funcin del tiempo. Tal informacin no se puede obtener experimentalmente sino mediante la variacin de la distribucin del tamao de gota con el tiempo. Desde el punto de vista experimental tal metlicin implica bien sea que se tome una muestra, bien sea que se diluya el sistema completo cori un gran exceso de fase externa. El resultado del primer mtodo depende considerablemente de la posicin del muestre0 y el segundo puede ernplearse una sola vez, porque altera el estado del sistema.

Por lo tanto la estabilidad de una emulsin se relaciona en general con el volumen de las fases separadas. Despus de algn tiempo el sisterra se separa tpicamente en tres zonas: una zona central que contiene una nata o emulsin de alto contenido de fase interna y dos fases separadas: la interna (coalescida) y la externa (clarificada). Se ha demostrado recientemente que estos criterios dan resultados satisfactorios cuando se le da una interpretacin adecuada.

La figura No 4 indica la fraccin de volumen coalescido en funcin del tiempo. Esta curva posee una forma sigmoide, la cual es caracterstica de un ,proceso con varias etapas.

Durante un cierto perodo inicial no se separa ningn volumen; este perodo de iniciacin corresponde a la sedimentacin de gotas y al drenaje de la fase externa hasta alcanzar una emulsin compactada en la cual las gotas "no se tocan". En realidad las gotas estn separadas por una pelcula delgada de fase externa, en la

cual la interaccin entre las interfases empieza a jugar un papel importzinte y puede) producir un efecto notable de retardo.

Cuando las pelculas empiezan a alcanzar espesores del orden de 200, sor susceptibles de romperse, provocando as la coalescencia de las gotas y IE formacin de un volumen separado. Est etapa corresponde la parte ascendiente de la curva, cuya forma sigmoide puede interpretarse como la funcin acumulativr de una distribucin normal, lo que no es de extraar por e4 carcter aleatorio de proceso de ruptura.

:O 1 O0 1 O00 10000 Tiempo

Figura No 4. Fraccin de volumen coalescido o clarificado en funcin del tiempo.

Con el fin de cuantificar la estabilidad con valor numrico. se ha propuesto usar el tiempo requerido para que coalesca la mitad (u otra fraccin) del volumen de fase interna, es decir, el tiempo en el cual V N m = '/2 .

En lo concerniente a las rupturas de las emulsiones existe11 diferentes mecanismos involucrados. No es fcil estudiar el mecanismo de ruptura de una emulsin porque involucra muchas gotas a la vez. Por tanto, los mecanismos

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elementales se estudian en general sobre un sistema ms simple, por ejemplo aqul que presenta una sola gota de fase dispensadora que se acerca a iina interfase plana.

La figura No 5 ilustra las etapas de una emulsin AIP, ejemplo: Enfoque la situacin de una gota de agua (A) que se acerca a la interfase entre la fase continua "P", y la fase "A" ya coalescida.

Figura No 5. Etapas de la coalescencia de una gota contra un plano.

Sedimentacin: Primero la gota se desplaza en el camoo de gravedad por e empuje de Arqumedes, segn el proceso llamado sedimentacin.

La sedimentacin gravitatoria, sigue la Ley de Stokes, que permite calcular IE velocidad de cada, V

donde R es el radio de la gota, supuesta esfrica y rgida, g la aceleracin de Iz gravedad, A p la diferencia de densidad y q la viscosidad de la fase externa.

En realidad la Ley de Stokes debera modificarse porque en el caso de un2 emulsin, varias gotas caen a la vez y existen interacciones entre ellas.

Lo importante aqu no es el valor numrico sino el hecho de que la Ley de Stokes indica cules son los factores importantes. As se nota que la \lelocidad de sedimentacin es proporcional al cuadrado del radio y a la diferencia dc? densidad, y es inversamente proporcional a la viscosidad de la fase externa.

Al dejar una emulsin en reposo, la diferencia de densidad entre las fases produce una separacin gravitacional en la cual las gotas de fase int'srna bajan c suben de acuerdo a la ley de Stokes, o ms exactamente a una ley de Stokes corregida por los efectos de interaccin gotalgota, la conveccin inti-a-gota y los fenmenos superficiales (gradiente de tensin, electrovscosidad). Ests sedimentacin produce la formacin de una nata, la cual consiste en zgregados de gotas floculadas dentro de un volumen de fase externa que poco a pocc se drena.

Al flocular, las gotas pueden, bien sea coalescer inmediatamente, bien see perdurar en contacto durante un tiempo considerable. Todo depende del tiempc requerido para que se drene la pelcula de fase externa que se encuentra entre la$ gotas floculadas.

La velocidad de sedimentacin depende esencialmente de la ley de Stokes, es decir, de la diferencia de densidad y del tamao de gota.

La velocidad de floculacin o agregacin de gotas depende del nmero de gotas y del estado superficial de estas gotas. La teora de Von Smoluchov/ski sobre Ic floculacin de coloides liofbicos es ms o menos vlida para las emulsiones. Si el potencial atractivo-repulsivo posee un mnimo secundario se producir la floculacin. Tal teora prev que el volumen promedio de gotas crece linealmente en el tiempc (caso de coagulacin rpida).

Sin embargo, una emulsin floculada no est coalescida, y por lo tanto no esta rota. La coalescencia depende ms que todo de factores qumicos, ES decir, del

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estado de la interfase. No hay todava un estudio completo de esta ltima etapa en el caso de una emulsin, aunque se hayan realizado estudios del tipo ~coalescencia de gota contra plano.

Como la sedimentacin es la primera etapa en la ruptura de uria emulsin, retardar la sedimentacin equivale a aumentar la estabilidad, aunque no en forma necesariamente proporcional, porque la estabilidad puede depender en mayor grado de las otras etapas.

Se aumentar el tiempo de sedimentacin (y eventualmente la estab lidad) :

Al reducir el tamao de las gotas.

Al reducir la diferencia de densidad entre los fluidos.

Al aumentar la viscosidad de la fase externa.

Si en la prctica se logra llevar la velocidad de sedimentacin calc:ulada por la frmula de Stokes a menos de 5 mmlda, se llegan en las condiciones en las cuales el movimiento browniano domina la sedimentacin.

Ntese que eso no significa que la emulsin est estable, ya que1 la segunda etapa es determinante. Sin embargo, eso significa que las fuerzas de sc?dimentacin no sern responsables de la ruptura de la emulsin.

Para una emulsin poco estable el mecanismo dominante es la sedinientacin.

Cuando la floculacin es el mecanismo dominante (lento), es que existe una barrera notable a la floculacin, pero no a la coalescencia. Es tpicamente el caso de un sistema con fase externa muy viscosa.

Segn Antn - Alager (1 986: 54).

La floculacin y la coalescencia se producen inmediatamente en este caso. Se observan tales fenmenos con dispersiones lquido-lrquido en ausencia de surfactante, o en sistemas cuya formulacin es ~tima, en los cuales el surfactante no est presente a la nterfase (le las gotas porque est atrapado en la micro emulsin.

Finalmente el tercer caso, aquel en el cual el drenaje de la pelc:ula intergot~ puede estar retardado por numerosos factores:

Repulsin electrosttica de cargas absorbidas.

e Interaccin esfrica entre molculas adsorbidas.

Formacin de pelculas rgidas.

Alta viscosidad interfacial.

Efectos electroviscosos.

Los mtodos de deshidratacin ruptura de emulsiones tienden todo:; a reducir e efecto de los siguientes factores (Cuaderno FlRP 853):

introduccin de electrolitos (fase externa agua).

Reduccin de viscosidad de la fase externa (calentamiento).

Desorcin de molculas adsorbidas (calentamiento, demu1:;ionantes).

Si bien es cierto, que una emulsin con gotas pequeas tarda miis tiempo er sedimentarse y flocularse, dos gotas pequeas coalescen ms fcilmente que dos gotas grandes (menor pelcula a drenar). Sin embargo, a medida que coalescen las gotas, el rea disminuye y se produce una acumulacin del material acisorbido a Iz interfase, lo que resulta en formacin de pelculas "protectoras" rgidas. Por eso une emulsin "vieja" es en general ms estable, o mejor dicho coalesce ms lentamente que una emulsin recin producida.

Por lo tanto si se quiere aumentar la estabilidad de una emulsin coriviene:

Disminuir el tamao de partcula.

Aumentar la viscosidad de la fase externa.

Usar un surfactante susceptible de producir repulsiones electrostticas cs estticas, y eventualmente capaz de formar pelculas rgidas.

El papel de los surfactantes en la ruptura de las emulsiones es de sum importancia, ya que, la presencia de estos es lo que permite controlar los diferente: fenmeno involucrados en la etapa de drenaje 1 floculacin, cuya escala de tiempc puede variar de una fraccin de segundo a varios aos y hasta ms en sistemas perfectamente meta - estables.

El surfactante es susceptible de contribuir a la carga elctrica adsorbida, bien sez neutralizando lo existente, bien sea aumentndola.

La adsorcin de surfactante en la interfase, particularmente los suifactantes de alto peso molecular, puede resultar en un efecto de repulsin esttico. Este efectc, depende por supuesto del tamao del grupo que produce la interacc:in, y de IE densidad de adsorcin interfacial.

Segn que la presencia de surfactante aumenta las repulsiones electrosttica ) esttica, o la reduce, se tender a estabilizar o a desestabilizar la emul:;ion.

Sustancias orgnicas o inorgnicas susceptibles de aumentar o de disminuir 1s densidad de absorcin o el espesor de la doble capa elctrica son tambin factores susceptibles que afecta la estabilidad de la emulsin. Por ejemplo la adicin de electrlitos a sistemas inicos tiende a comprimir la doble caoa elctrica y por tantc a reducir la repulsin electrosttica, lo que resulta en general en una -educcin de estabilidad de una emulsin PIA.

La presencia de alcohol tiende a apartar las molculas surfactantes ;absorbidas, y por tanto, tiende a reducir la densidad interfacial y los efectos repulsivos asociados.

La mezcla de surfactantes con grupos estticos de tamao variade, tiende E aumentar el alcance del efecto esttico y a menudo aumenta la estabilicad.

Por otra parte, la presencia de surfactante es determinante en lo:; fenmenos interfaciales dinmicos que tienden a retardar el drenaje de la pelciila; mayor IE carga superficial, mayor el efecto electro-viscoso, mayor la interaccin de las molculas de surfactantes entre si, mayor la viscosidad interfaciiil, mayor IE interaccin entre el surfactante absorbido y el fluido de la pelcula, mayor el volumer gelificado y mayor la viscosidad aparente.

El comportamiento del surfactante en la interface agualaceite es por tanto el factor en la estabilizacin de emulsiones, aunque otras variables pueden influenciai' los fenmenos dinmicos, tales como la presencia de electrlitos (afecta la doble carga), o la presencia de polimeros (gelifica el solvente).

2.4.7. Propiedades involucradas en las emulsiones.

La influencia de las propiedades fsicas como la diferencia de densidad, le viscosidad de la fase externa y el tamao de las gotas es obvia y nci se discutiri ms.

Estudios recientes han mostrado que las propiedades de las interfases pueder tener un efecto determinante; aunque no est completamente claro qu? importancis relativa tiene cada propiedad o cada fenmeno, conviene resumir lo que se sabe con cierta seguridad.

Efecto de la tensin nter-facial: A menor tensin interfacial, menor el tamao de las gotas, para un proceso de agitacin dado. Sin eml~argo, se h~ definitivamente demostrado que una reduccin de la tensin interfacial no es suficiente para aumentar la estabilidad de una emulsin.

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Incluso se ha hallado muy recientemente que los sistemas de tensir ultra -baja producen emulsiones inestables.

Estudios de tensin interfacial entre crudo y agua en funcin del tiempo de contacto muestran que la tensin disminuye con el tiempo y que :;e requiere c menudo varias horas de contacto para obtener un valor estable.

La estabilizacin de la tensin interfacial depende del PH de la Fase acuosa. io que indica que los emulsionantes naturales pertenecen a diferentes familias, de los cuales se diferencian por lo menos dos tipos: cidos y bases nitrogenadas. La adsorcin en la interfase presenta una histresis que ndicc que las diferentes molculas emulsionantes poseen cintica de equilibrio muy diferentes.

Viscosidad interfacial: La viscosidad interfacial mide la resistencia de I c c capa emulsionante adsorbida a deformarse. Como esta capa est ligada cor la pelcula de fase externa que debe drenarse, la viscosidad interfacial tiene que ver con la estabilidad.

Existe evidencia de que la existencia de pelculas de alta viscosidac interfacial reduce, a veces considerablemente, la velocidad de c:oalescencia. Tales circunstancias ocurren a menudo en presencia de fase acuosa cida, y se forman pelculas interfaciales viscoelsticas que llegan a xoducir unc barrera esencialmente mecnica respecto a la coalescencia.

Sin embargo, estas pelculas casi - rgidas se forman lentamente, probablemente porque la compactacin de las molculas impliix un arreglc orientado que no puede producirse sino como resultado acumulativa de un equilibrio dinmico. Por otra parte, se puede tambin obtener emulsiones estables aun con una viscosidad interfacial baja; por lo tanto, si bien es cierto que una alta viscosidad interfacial