Desarrollo y evaluación de antiespumantes libres de silicio para separadores gas-líquido en sistemas de producción de aceites crudos. Autores: Ing. Huáscar Angulo García*, Ing. Raúl Roldán Pérez, Ing. Félix Dominguez Dominguez; Tec. Aristeo Estrada Buendía. Gerencia de Tratamientos Químicos Instituto Mexicano del Petroleo

*jhuascar@imp.mx RESUMEN

En las operaciones de producción de aceites crudos, las corrientes extraídas de los pozos se envían a separadores trifásicos en donde se lleva a cabo la separación del gas, aceite crudo y agua de producción (salmuera). Debido a las características cambiantes de los aceites crudos procesados y a las variaciones tanto en los flujos y condiciones de operación de los separadores mencionados como en el contenido de gas disuelto, generalmente se observa espumación en estos equipos, lo cual puede generar diversos problemas operacionales tales como restricciones en la producción, afectación en la calidad del aceite crudo y del gas separado, etc. Durante mucho tiempo se han utilizado antiespumantes de tipo silicón (generalmente de 12,500 cSt) para controlar este problema, debido a su elevada efectividad y bajo costo relativo. Sin embargo, durante el último año se han establecido nuevas especificaciones para el contenido de silicio de los aceites crudos de exportación, debido a que este contaminante afecta de manera significativa el desempeño y vida útil de diversos catalizadores utilizados en los procesos de hidrodesulfuración y reformación en refinerías, por lo que el uso de este tipo de antiespumante se ha restringido ó en muchos casos se ha eliminado. De acuerdo a lo anterior, el Instituto Mexicano del Petróleo consideró conveniente participar en el estudio y desarrollo de antiespumantes libres de silicio así como de procedimientos de evaluación específicos para esta aplicación. En este trabajo se reportan las actividades relacionadas con el desarrollo del antiespumante libre de silicio IMP-AE-2010 para su aplicación en separadores trifásicos así como de la implementación de un procedimiento de evaluación adecuado para determinar la efectividad de este tipo de antiespumantes en crudos pesados. INTRODUCCION La separación primaria es una operación básica en la industria petrolera, en la que se tiene por objetivo la separación gruesa de los principales componentes de las corrientes extraídas de los pozos petroleros. Durante la separación primaria se obtiene una corriente de aceite crudo, una de gas así como una corriente de agua (salmuera) y sólidos que debe tratarse para su reuso ó disposición al ambiente. La separación primaria generalmente se lleva a cabo en baterías de tanques separadores de alta ó baja presión instalados en un sitio cercano al punto de extracción, que puede estar ubicado en tierra firme ó en plataformas. La eficiencia de cada etapa de separación define en buena medida la calidad de cada una de las corrientes producidas y en consecuencia, las condiciones de operación de las etapas posteriores del

proceso. De acuerdo a lo anterior, si la operación de separación es deficiente, las corrientes que salen del proceso presentarán diversos problemas durante su transporte y procesamiento posterior. En estos procesos, es común observar que se producen corrientes de gas con elevado contenido de de líquido condensable, así como corrientes de aceite crudo con altos porcentajes de agua y sales y corrientes de agua contaminadas con aceite crudo. En estos casos se generan problemas de operación posteriores, tales como condensación de líquido durante el transporte de gas, aceites crudos fuera de especificación, particularmente en cuanto al contenido de sal, agua y sedimento, el tratamiento de aguas residuales antes de su disposición final. Las causas de la baja eficiencia en los separadores gas-líquido son diversas; sin embargo, es conocido el hecho de que la ocurrencia de varios fenómenos en las unidades complica la separación de las corrientes. Las emulsiones persistentes, los cambios e inversiones de fase, las variaciones en los patrones de flujo así como la generación de espuma influyen de manera importante en la baja eficiencia durante la separación primaria. ESPUMACION EN SEPARADORES GAS- LÍQUIDO Un problema comúnmente encontrado en las plantas de separación de aceites crudos es la aparición de espumas persistentes. Tradicionalmente la aparición de espuma causa problemas de eficiencia y deficiencias en la separación. Cuando una espuma es muy estable, se generan problemas de arrastre de líquidos en la corriente de gas, lo cual genera riesgos y estrés en la operación de los equipos situados corrientes abajo del sistema tales como compresores ó quemadores atmosféricos. Inicialmente se diseñan los separadores con tiempos de residencia adecuados en función del flujo promedio de diseño a fin favorecer el rompimiento de la espuma generada por la separación del gas; sin embargo con las fluctuaciones en los flujos de las corrientes de aceites crudos a tratar y con los cambios en las características de los aceites crudos tales como temperatura, gravedad API, viscosidad, etc, se pueden generar problemas de espuma persistente. CAUSAS DE LA ESPUMACION Dependiendo de la naturaleza del aceite crudo y del esquema de separación utilizado, los problemas de espumación pueden restringir la producción de crudo. La optimización del diseño de los separadores se realiza de manera típica mediante la utilización de aditamentos internos. Otra opción para prevenir la formación de espuma es la adición de productos químicos. Ambos métodos pueden beneficiarse de una mejor compresión de cómo los componentes de los aceites crudos y sus propiedades influyen en la generación de espuma en lugares específicos. Este entendimiento podría explicar porqué algunas instalaciones experimentan problemas de espumación más manejables (es decir, consumen menos producto químico y las instalaciones de separación requieren menos revisiones ó mejoras). Adicionalmente, conforme se incorporan más corrientes de aceites crudos a las líneas de producción, las condiciones de espumación pueden cambiar rápidamente de una condición manejable a una situación problemática, lo cual puede explicarse como el resultado de la presencia de crudos incompatibles. Se ha avanzado de manera significativa en identificar el papel que juegan los diversos componentes de los aceites crudos tales como asfaltenos y resinas y sus relaciones entre sí, la composición elemental y sus pesos moleculares en la estabilización de espuma y en otros problemas de producción como es el caso de las emulsiones agua en aceite. Los asfaltenos y resinas comprenden las fracciones más pesadas y más polares de los aceites crudos. Estos componentes exhiben una inherente tendencia a asociarse entre sí y frecuentemente influyen fuertemente en las propiedades de los aceites crudos.

Por definición, los asfaltenos son la porción del aceite crudo insoluble en solventes parafínicos, pero que son solubles en hidrocarburos aromáticos. Los asfaltenos, aunque complejos en su estructura, tienen varias características en común: • Núcleo poliaromático • Cierto grado de constituyentes saturados • Una significativa concentración de nitrógeno, oxígeno y azufre Las resinas pueden considerarse como versiones de menor peso molecular de los asfaltenos con un mayor grado de saturación que los hace más solubles en solventes paranínficos. Se ha reportado en diversos estudios que la tendencia a la espumación ó la persistencia de la espuma es proporcional a la concentración de asfaltenos. Por otra parte, se ha demostrado que ciertos surfactantes naturalmente presentes en los aceites crudos, particularmente ácidos carboxílicos de cadena corta y fenoles de peso molecular menor de 400 pueden estabilizar la espuma. Además, los asfaltenos y resinas de ciertos crudos se adsorben en las burbujas de gas conforme disminuye la presión por debajo del punto de burbuja, generando un recubrimiento semirrígido que estabiliza la espuma. Finalmente, de manera adicional al efecto que ejercen algunas especies químicas en la tendencia a la espumación, algunas propiedades de los aceites crudos tales como densidad, viscosidad y tensión superficial se relacionan con el volumen y la estabilidad de la espuma. ANTIESPUMANTES UTILIZADOS EN SEPARADORES GAS-LIQUIDO Durante mucho tiempo se han utilizado antiespumantes de tipo silicón (generalmente de 12,500 cSt) para controlar el problema de espumación, debido a su elevada efectividad y bajo costo relativo. Sin embargo, durante los últimos años se han establecido nuevas especificaciones para el contenido de silicio de los aceites crudos de exportación, debido a que este contaminante afecta de manera significativa el desempeño y vida útil de diversos catalizadores utilizados en los procesos de hidrodesulfuración y reformación en refinerías, por lo que el uso de este tipo de antiespumante se ha restringido ó en muchos casos se ha eliminado. Como alternativa al uso de silicones, se ha evaluado el uso de productos de los siguientes tipos químicos, algunos con características surfactantes (humectantes) y otros con características desemulsionantes: • Esteres y diésteres • Fosfato-ésteres • Sales de amina • Alquilsulfosuccinatos • Mezclas de glicoles, glico-éteres y fosfato-éteres • Copolímeros de óxidos de etileno y de propileno • Alcoholes grasos y sus Aductos con óxidos de alquileno DESARROLLO Y EVALUACION DEL NUEVO ANTIESPUMANTE LIBRE DE SILICIO IMP-AE-2010 La selección inicial de las diferentes muestras de antiespumantes a evaluar se efectuó mediante la determinación del contenido de silicio aplicando la técnica de Absorción Atómica de acuerdo al método ASTM-D-5184 y de manera alterna aplicando la técnica de Emisión de Plasma.

Para efectos de evaluación se utilizaron muestras de aceites crudos pesados provenientes de la las plataformas de la Sonda de Campeche tales como los crudos Ku, Malob y Zaap PARTE EXPERIMENTAL

Para la evaluación de los agentes antiespumantes se instrumentaron recipientes de muestreo (balas) que contienen las muestras de aceites crudos pesados, insertándoles en la válvula de entrada un arreglo consistente de un manómetro y una conexión adecuada para unirlas a un cilindro de nitrógeno, esto con el fin de presurizar el sistema.

A la salida de los recipientes, se instrumentó un sistema para la dosificación de los antiespumantes a evaluar. Este sistema consiste de un arreglo tipo septo que permite inyectar el reactivo mediante una jeringa dosificadora. Una vez instrumentado el recipiente, se le coloca de manera envolvente una cinta de calentamiento controlada por medio de un reóstato para elevar la temperatura del mismo, de acuerdo a las necesidades de la evaluación. Así mismo se coloca entre el recipiente y la cinta de calentamiento un termómetro digital que permite determinar la temperatura exterior del recipiente.

En la figura 1 se ilustra el detalle el sistema que se utilizó para la evaluación.

Figura 1. Sistema utilizado para la evaluación de agentes antiespumantes.

Manómetro

de 0 a 350 PSI

Arreglo para inyección en

línea de antiespumante

Septo de neopreno

Bala de Muestreo

instrumentada con

válvulas en las

dos entradas

INSTRUMENTACIÓN DE LAS BALAS DE MUESTRA

Conexión a cilindro de

Nitrógeno

Inyección de Agente

Antiespumante

-

X

Reóstato

Cintas de

calentamiento

Termómetro Digital

SISTEMA DE CALENTAMIENTO PARA LAS BALAS DE MUESTRA

Procedimiento de evaluación:

La presión del sistema, establecida por medio del suministro de nitrógeno, fue de 120 psi ± 5 psi y la temperatura exterior del recipiente de 110 ºC ± 5 ºC. Bajo estas condiciones de experimentación fue posible generar espuma en el crudo problema y obtener un flujo continuo de la misma para depositarla en una probeta de vidrio graduada de 250 ml. La probeta utilizada fue previamente calentada a una temperatura de 95 ºC ± 5 ºC. El volumen de crudo más espuma (crudo-espuma) establecido para la realización de las evaluaciones fue de 150 ml ± 5 ml y el tiempo en el que fue vertido el crudo-espuma a la probeta de 30 segundos ± 5 segundos. La adición del reactivo a evaluar se realizó a través del septo acoplado al sistema y posteriormente se cuantificó la cantidad de espuma que se rompió en función del tiempo. El tiempo total de la evaluación fue de 10 minutos y se realizaron 10 mediciones con intervalos de tiempo de un minuto cada una. Para la obtención del blanco, el cual se utiliza como referencia para determinar la eficiencia de los agentes antiespumantes a evaluar, se inyecta al crudo- espuma 1 ml de diesel de ultrabajo azufre (Diesel UBA). Mientras que para el caso de los agentes antiespumantes se agrega el mismo volumen de diesel UBA, preparado previamente con el reactivo seleccionado a la concentración requerida para la evaluación.

Las dosificaciones de prueba se mantuvieron en e intervalo de 50 a 100 ppm.

La eficiencia de los agentes antiespumantes se determina conforme a la siguiente ecuación:

Donde:

V f B = Volumen final del Blanco V f R = Volumen final con dosificación de reactivo

V f B - V f R

V f B

X 100Eficiencia =

RESULTADOS

Se presentan a continuación a manera de resumen los resultados obtenidos durante la evaluación de los antiespumantes en el equipo piloto descrito anteriormente efectuada para seleccionar los componentes de la formulación antiespumante IMP-AE-2010 Cabe mencionar que algunos antiespumantes evaluados no mostraron un efecto positivo para controlar la espuma generada en las condiciones de prueba sino por el contrario incrementaron la espumación en algunos casos:

DOSIFICACIÓN

ppm.5 MINUTOS 10 MINUTOS

100 6.12 -7.50

100 36.73 42.50

100 46.94 45.00

100 16.33 15.00

100 36.73 40.00

100 10.2 -7.50

100 20.41 30.007

E F I C I E N C I A

%

AGENTE

ANTIESPUMANTE

1

2

3

4

5

6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

BLANCO

AGENTE ANTIESPUMANTE No. 1

AGENTE ANTIESPUMANTE No. 2

AGENTE ANTIESPUMANTE No.3

AGENTE ANTIESPUMANTE No. 4

AGENTE ANTIESPUMANTE No. 5

AGENTE ANTIESPUMANTE No. 6

AGENTE ANTIESPUMANTE No. 7

COMPORTAMIENTO DE LOS AGENTES ANTIESPUMANTES UTILIZANDO CRUDO KU-M POZO 2051

A UNA DOSIFICACIÓN DE 100 ppm.

Tiempo, minutos

ml. d

e e

sp

um

a

CONCLUSIONES

1.- La tendencia a la espumación de los aceites crudos pesados está influenciada por características tales

como densidad, viscosidad, tensión superficial y por su composición, particularmente en cuanto a su

contenido de asfaltenos y resinas así como de algunos contaminantes tales como ácidos carboxílicos y

fenoles de bajo peso molecular.

2.- La selección de antiespumantes para su aplicación en separadores gas-liquido implica la

implementación de sistemas experimentales que reproduzcan de la mejor manera las condiciones de

operación observadas en instalaciones industriales de procesamiento de aceites crudos.

Al respecto, se estableció un procedimiento experimental IMP a nivel piloto para evaluar antiespumantes

para su aplicación en separadores gas- líquido

2.- El procedimiento establecido demostró ser particularmente adecuado para la evaluación de

antiespumantes para aceites crudos pesados como los que se obtienen en plataformas de la Sonda de

Campeche (crudos Ku, Malob, Zaap)

3.- Se seleccionaron diversos productos químicos para su aplicación en el control de la espumación en

instalaciones de producción de aceites crudos pesados, que dieron como resultado el desarrollo del nuevo

antiespumante libre de silicio IMP-AE-2010, adecuado para su aplicación en separadores gas líquido. La

característica principal de este nuevo antiespumante es su bajo contenido de silicio, menor a 1.0 ppm. por lo

que sensiblemente no aporta silicio a los aceites crudos (particularmente a los de exportación), considerando

el intervalo efectivo de dosificación establecido (50 a 100 ppm dependiendo de las características del aceite

crudo a tratar)

BIBLIOGRAFIA 1.- Factors Contributing to Petroleum Foaming. 1 Crude Oil Systems Michael K. Poindexter, Nael N.Zaki, Peter K. Kilpatrick Energy and Fuels 2002, Vol 16 pp 700 - 710 2.- Crude Oil Foaming Problems at the Sullom Voe Terminal. I. C. Callagham, C. M. Gould, J. Pet. Tech. 37 (12) pp 2211-2210 3.- Identification of Crude Oil Components Responsible for Foaming. I. C. Callagham, A.L. McKechnie SPE J. 25 (2) pp 171-175