MODELAGEM MATEMTICA DO PROCESSO DE DESIDRATAO ELETROSTTICA DE PETRLEOS

Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha

DISSERTAO DE MESTRADO

Orientadores: Prof. Mrcio Nele de Souza, D.Sc. Dr. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc.

Agosto de 2008

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MODELAGEM MATEMTICA DO PROCESSO DE DESIDRATAO ELETROSTTICA DE PETRLEOS

Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha

Dissertao submetida ao corpo docente da Ps-graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos da Escola de Qumica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.).

Aprovada por:

_____________________________________________ - Orientador Prof. Mrcio Nele de Souza, D.Sc.

_____________________________________________ - Orientador Dr. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc.

_____________________________________________ Prof. Enrique Luis Lima, D.Sc.

_____________________________________________ Prof. Frederico Wanderley Tavares, D.Sc.

_____________________________________________ Dr. Montserrat Fortuny Heredia, D.Sc.

Rio de Janeiro, RJ Brasil Agosto de 2008

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CUNHA, PATRICIA SUEMAR MELLO DUARTE DA Modelagem Matemtica do Processo de Desidratao

Eletrosttica de Petrleos / Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha, Rio de Janeiro: UFRJ/ EQ, 2008. xvi, 125 f.: il.: 29,7 cm Dissertao (Mestrado) Universidade Federal do Rio de Janeiro, programa de Ps-Graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos, 2008. Orientadores: Mrcio Nele de Souza, D.Sc. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc. 1. Eletrocoalescncia; 2. Emulses de gua em petrleo; 3. Modelagem. I. Ttulo. II. Dissertao (Mestrado UFRJ / EQ)

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"Tudo loucura ou sonho no comeo. Nada do que o homem fez no mundo teve incio de outra maneira - mas j tantos sonhos se realizaram que no temos o direito de duvidar de nenhum." (Monteiro Lobato)

A Deus, minha famlia, memria do meu querido pai e da amiga Luciana.

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AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Mrcio Nele, pela pacincia, pela orientao, pelas brincadeiras para me acalmar e por ter acredito em mim.

minha orientadora e amiga Beth, pelos abraos, pelas conversas, pelo ensinamento e pela convivncia to agradvel.

Ao Xande, pelo amor, pelo carinho, pela pacincia e por ter cuidado de tudo durante estes anos em que estive parte do tempo trancada no escritrio.

Ao Joo Pedro, por todos os eu te amo mame que faziam toda preocupao e angustia desaparecerem na mesma hora. Por ter sido um homenzinho que entendeu que a mame, por muitas vezes, no podia brincar e dar ateno para ele, pois tinha que estudar. Por ter sido o DJ da trilha sonora da redao desta dissertao, High School Musical.

minha me Sued, por ter sido meu brao direito e meu brao esquerdo nos ltimos anos, cuidando to bem do meu filho. Pelo amor e pela ateno que tem conosco.

Ao meu pai Itamar, que apesar de no estar mais aqui para comemorar esta conquista comigo, com certeza est cheio de orgulho de mais esta vitria de sua raspa da panela.

minha irm Alba, pela amizade e por ser este exemplo de pessoa e profissional.

Ao meu irmo Jorge, pela amizade e por todos os momentos divertidos.

s minhas sobrinhas Camila, Natlia e Ana Paula, por serem maravilhosas, inteligentes e autnticas.

Zlia, por todo apoio e carinho durantes estes anos de convivncia.

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minha grande amiga Elenice, por todos esses anos de cumplicidade, carinho e amizade.

Raquel, minha amiga e fonte de inspirao para a execuo deste estudo. Por ser a profissional que eu tanto admiro, a minha professora em dessalgao e a amiga de todas as horas.

Beth Marsiglia, por ser uma referncia na rea de dessalgao, pelo carinho e pela amizade.

Gabriela, pela amizade e pelos dias inesquecveis na melhor fase da equipe de dessalgao.

Aos amigos Ana Lucia, Danilo e Alosio, pela ateno, pelo carinho e por tornarem meu dia to alegre.

Vivian, por ter ajudado tanto com a pesquisa bibliogrfica.

Aos amigos Rafael e Thiago, que muito mais que executantes dos testes em escala piloto, foram parceiros durante a obteno dos dados industriais. Com certeza este estudo no seria o mesmo sem eles.

Ao lson, nosso piloto da UPTE. Pela sabedoria e por ter se dedicado tanto a este trabalho.

Ao Cerbino, por ser meu professor de eltrica, por ter revisado minha dissertao e por ter me ajudado com o levantamento e anlise dos dados de eltrica.

Solange, por ter me trazido para a equipe de dessalgao, por ter me apoiado quando resolvi fazer o mestrado, pelo carinho e por acreditar no meu trabalho.

Ao Washington, pelo incentivo, pela amizade e pela sensibilidade.

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Aos amigos do CS e da EB, pela convivncia agradvel e por todo apoio.

Aos colegas do TPAP, Roberto Carlos, Robson, Bianca, Ramalho e Alcimar, pela possibilidade de fazer este trabalho na UPTE e pelas discusses tcnicas.

Aos colegas da QM, Maria Luiza, lvaro, Alexandre, Rogrio, Llia, Flvio e Mrcia Porto, pelas diversas amostras analisadas e pelas discusses tcnicas.

Ao Edlson, Tabosa, Tas, Jos Roberto, Jnior, Leyla e demais colegas da RPBC que deram todo apoio durante o teste.

Ao Rudy e demais colegas da REPAR que deram todo apoio durante o teste.

Finalmente, Petrobras, pela oportunidade de estudar e me capacitar na minha rea de interesse.

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Resumo da Dissertao apresentada ao corpo docente da Ps-graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos da Escola de Qumica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.).

MODELAGEM MATEMTICA DO PROCESSO DE DESIDRATAO ELETROSTTICA DE PETRLEOS

Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha

Agosto, 2008

Orientadores: Mrcio Nele de Souza, D.Sc. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc.

A indstria de petrleo trata emulses de gua em leo nas unidades de produo e refino, sendo a eletrocoalescncia empregada largamente para este fim. A complexidade dos fenmenos envolvidos em eletrocoalescncia dificulta o uso de modelos fenomenolgicos rigorosos para a modelagem matemtica do processo, restando como opo prtica a construo de modelos empricos e/ou semi-empricos. Neste estudo foram utilizados dados de desidratao eletrosttica obtidos em planta piloto, com emulses artificialmente geradas a partir de sete petrleos nacionais, para a proposio de um modelo matemtico emprico do processo. As variveis do processo foram analisadas, concluindo-se que o gradiente de tenso entre eletrodos, o tempo de residncia entre eletrodos, a viscosidade dinmica do petrleo na temperatura de operao e a diferena de massa especfica entre a fase aquosa e o petrleo deveriam ser contemplados no modelo. Dados em escala industrial foram obtidos em refinarias da PETROBRAS S.A. e reproduzidos em escala piloto. O modelo desenvolvido com os dados obtidos em escala piloto foi testado para os dados industriais e mostrou-se eficiente para a predio do desempenho do processo em unidades industriais, correlacionando as variveis do processo com o teor de gua no petrleo tratado.

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Abstract of the Dissertation presented to the Curso de Ps-graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos - EQ / UFRJ, as partial fulfillment of the requirements for the degree of Master Science (M.Sc.).

MATHEMATICAL MODELING OF THE CRUDE OIL ELECTROSTATIC DEHYDRATION PROCESS

Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha

August, 2008

Advisors: Mrcio Nele de Souza, D.Sc. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc.

The oil industry treats water in oil emulsion in the production and refining steps and uses predominately electrostatic coalescence to carry it. The complexity of the phenomena involved in electrostatic coalescence hinders the development of rigorous phenomenological models to describe the process, as a result empirical or semiempirical models for practical purposes. In this study, electrostatic dehydration pilot plant data from artificially generated emulsions, from seven Brazilian crude oils, was used to propose an empirical mathematical model. The process variables were investigated, concluding that voltage gradient between electrodes, residence time between electrodes, dynamic viscosities (at the treatment temperature) and the density difference between water and crude oil should be used in the model. Industrial data was collected in PETROBRAS refineries and reproduced in pilot plant. The model developed from pilot plant data was tested against industrial data and it was efficient to predict the performance of the industrial units, correlating the process variables and final water cut.

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SUMRIO

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INTRODUO E MOTIVAO............................................................................1 REVISO BIBLIOGRFICA..................................................................................3 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 Eletrocoalescncia .......................................................................................... 14 Mecanismos Envolvidos na Separao Eletrosttica.............................. 16 Fatores que Afetam a Eletrocoalescncia............................................... 23 Tecnologias Tpicas para Eletrocoalescncia ......................................... 26 Modelagem do Processo de Tratamento Eletrosttico de Petrleos............... 37 Modelo Proposto por Lucas (1969) ........................................................ 39 Modelo Proposto por Oliveira et al. (1995a,b; 1996a,b) e Oliveira e

Oliveira (2000) ....................................................................................................... 40 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.3 3 Modelos Propostos por Fonseca e Coutinho (2005)............................... 42 Modelo Proposto por Coutinho (2005)................................................... 44 Modelos Baseados em Vazo de Petrleo por rea de Eletrodo ........... 45 Scale-up do Modelo do Processo de Tratamento Eletrosttico de Petrleos . 48

MATERIAIS E MTODOS....................................................................................50 3.1 3.1.1 3.1.2 Caracterizao dos Petrleos e Emulses....................................................... 51 Determinao do Teor de gua em Petrleos e Emulses..................... 52 Determinao dos Teores de Saturados, Aromticos, Resinas e

Asfaltenos (SARA) no Petrleo ............................................................................. 53 3.1.3 3.1.4 3.2 3.2.1 3.3 3.4 4 Determinao da Tenso Interfacial do Petrleo.................................... 53 Determinao da Distribuio de Tamanho de Gotas na Emulso ........ 54 Obteno de Dados na Unidade Piloto de Tratamento Eletrosttico (UPTE) 55 Obteno da Emulso Sinttica .............................................................. 59 Obteno de Dados na Refinaria Presidente Bernardes (RPBC) ................... 60 Obteno de Dados na Refinaria Presidente Getlio Vargas (REPAR)......... 61

RESULTADOS E DISCUSSES...........................................................................63 4.1 4.2 Variveis do Processo de Desidratao Eletrosttica de Petrleos ................ 63 Anlise dos Dados Experimentais Obtidos na Unidade Piloto de Tratamento

Eletrosttico (UPTE) .................................................................................................. 66

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4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4

Avaliao da Contribuio Individual das Variveis Ensaiadas ............ 70 Correlao entre a Varivel de Resposta e as Variveis Livres ............. 75 Anlise dos Efeitos no Ponto Central ..................................................... 81 Anlise dos Dados Obtidos na Refinaria Presidente Bernardes (RPBC) ....... 84 Correlao entre as Variveis do Processo............................................. 87 Avaliao do Erro Experimental ............................................................ 89 Anlise dos Dados Obtidos na Refinaria Presidente Getlio Vargas (REPAR) 90

4.5

Comparao entre a Eficincia do Processo de Desidratao Eletrosttica nas

Unidades Piloto e Industrial ....................................................................................... 94 4.6 Modelagem Matemtica Emprica do Processo de Desidratao Eletrosttica

de Petrleos ................................................................................................................ 96 5 6 7 CONCLUSES.....................................................................................................111 RECOMENDAES............................................................................................113 REFERNCIAS ....................................................................................................115

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1: Otimizao da perda de carga na vlvula misturadora. (HEMRAJANI, 2004, p.1184)...................................................................................................................... 8 Figura 2: Esquema de processo de dessalgao eletrosttica em dois estgios. (COUTINHO, 2005)............................................................................................... 11 Figura 3: Influncia da temperatura na solubilidade da gua em petrleo. (WARREN, 2002a) ..................................................................................................................... 13 Figura 4: Esquema simplificado de um separador eletrosttico. (WARREN et al., 1998) ................................................................................................................................ 16 Figura 5: Foras atuantes em um separador eletrosttico. (SAMS et al., 2004) ............ 18 Figura 6: Diferena de massas especficas das fases aquosa e oleosa. (WARREN, 2002a) ..................................................................................................................... 22 Figura 7: Tecnologia de separao eletrosttica e suas combinaes. (EOW e GHADIRI, 2002) .................................................................................................... 27 Figura 8: Dessalgadora de baixa velocidade. (COUTINHO, 2005)............................... 29 Figura 9: Dessalgadora de alta velocidade com trs eletrodos....................................... 30 Figura 10: Tecnologia Dual Polarity. (FONSECA, 2005) ........................................... 31 Figura 11: Aplicao de campo eltrico na tecnologia Dual Polarity. (SAMS e WARREN, 2004) ................................................................................................... 32 Figura 12: Tecnologia EDD. (NATCO GROUP, 2002b) ............................................ 34 Figura 13: Variao da tenso com o tempo durante o processo EDD. (NATCO GROUP, 2002b) ..................................................................................................... 35 Figura 14: Equipamento KF Titrando 841 da Metrohm................................................. 52 Figura 15: Tensimetro DSA100 da Kruss. ................................................................... 54 Figura 16: Sistema Mastersizer 2000 com unidade de disperso Hydro S da Malvern Instruments. ............................................................................................................ 54 Figura 17: Fluxograma da unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE). (FONTES et al., 2008)............................................................................................................. 56 Figura 18: Esquema simplificado do sistema de dessalgao da refinaria Presidente Getlio Vargas (REPAR). ...................................................................................... 61 Figura 19: Dependncia do BS&Wf com TRP para o petrleo A..................................... 72

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Figura 20: Dependncia do BS&Wf com TRP para o petrleo B. .................................... 72 Figura 21: Dependncia do BS&Wf com TRP para o petrleo D..................................... 73 Figura 22: Dependncia do BS&Wf com TRP para o petrleo E. .................................... 73 Figura 23: Dependncia do BS&Wf com TRP para o petrleo F...................................... 73 Figura 24: Dependncia do BS&Wf com GT para o petrleo A. .................................... 74 Figura 25: Dependncia do BS&Wf com T para o petrleo C. ....................................... 75 Figura 26: Dependncia do BS&Wf com p.................................................................... 77 Figura 27: Dependncia do BS&Wf com ASF. ............................................................... 77 Figura 28: Dependncia do BS&Wf com ASF sem o petrleo G. ................................... 78 Figura 29: Dependncia do BS&Wf com ................................................................... 78 Figura 30: Correlao do com API. .......................................................................... 79 Figura 31: Correlao do IAT com RES. ........................................................................ 80 Figura 32: Correlao do ASF com Ni. .......................................................................... 80 Figura 33: Correlao do ASF com Fe. .......................................................................... 81 Figura 34: Dependncia do BS&Wf com GT para o vaso A. .......................................... 88 Figura 35: Dependncia do BS&Wf com T para o vaso A.............................................. 89 Figura 36: Teor de gua no petrleo tratado do vaso B para as condies testadas nas unidades piloto e industrial..................................................................................... 96 Figura 37: Teor de gua no petrleo tratado do vaso E para as condies testadas nas unidades piloto e industrial..................................................................................... 96 Figura 38: Predio do modelo de Oliveira et al. (1995a,b; 1996a,b) e Oliveira e Oliveira (2000) para 68 dados. ............................................................................... 99 Figura 39: Predio do modelo de Oliveira et al. (1995a,b; 1996a,b) e Oliveira e Oliveira (2000) para 258 dados. ............................................................................. 99 Figura 40: Predio do modelo de Fonseca e Coutinho (2005) para 68 dados. ........... 100 Figura 41: Predio do modelo de Fonseca e Coutinho (2005) para 258 dados. ......... 101 Figura 42: Predio do modelo de Coutinho (2005) para 68 dados. ............................ 102 Figura 43: Predio do modelo de Coutinho (2005) para 258 dados. .......................... 103 Figura 44: Predio do novo modelo proposto para 68 dados. .................................... 105 Figura 45: Distribuio de freqncia dos resduos do novo modelo proposto para 68 dados..................................................................................................................... 105 Figura 46: Predio do novo modelo proposto para os 68 dados da UPTE. ................ 106

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Figura 47: Predio do novo modelo proposto para os dados do vaso A da RPBC..... 107 Figura 48: Predio do novo modelo proposto para os dados do vaso B da RPBC..... 107 Figura 49: Predio do novo modelo proposto para os dados do vaso B da REPAR. . 108 Figura 50: Predio do novo modelo proposto para os dados do vaso E da REPAR. . 108 Figura 51: Predio do novo modelo proposto para as condies do vaso B da REPAR ensaiadas na UPTE. .............................................................................................. 109 Figura 52: Predio do novo modelo proposto para as condies do vaso E da REPAR ensaiadas na UPTE. .............................................................................................. 109 Figura 53: Predio do novo modelo proposto para os 220 dados da UPDEP. ........... 110

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NDICE DE TABELAS

Tabela 1: Tecnologias de separao eletrosttica para dessalgao............................... 28 Tabela 2: Parmetros do modelo de Oliveira et al. (1995a,b; 1996a,b) e Oliveira e Oliveira (2000) para cada petrleo avaliado na UPDEP. (FIGUEIREDO et al., 2004)....................................................................................................................... 42 Tabela 3: Parmetros do modelo de Oliveira et al. (1995a,b; 1996a,b) e Oliveira e Oliveira (2000) restimados por Fonseca e Coutinho (2005) para os cinco petrleos. ................................................................................................................................ 43 Tabela 4: Parmetros do modelo de Fonseca e Coutinho (2005). (COUTINHO, 2005) 43 Tabela 5: Parmetros do modelo de Coutinho (2005).................................................... 45 Tabela 6: Petrleos ensaiados na unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE). (AIKETECH, 2005a,b; AIKETECH, 2006a,b,c; AIKETECH, 2007a,b) .............. 50 Tabela 7: Caracterizao das amostras de petrleo e emulso. (ASTM, 1996; ASTM, 1999; ASTM, 2000; ASTM, 2005a,b; ASTM, 2006; ASTM, 2007a,b,c).............. 52 Tabela 8: Planejamento experimental dos testes realizados na unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE)............................................................................. 67 Tabela 9: Caracterizao dos petrleos ensaiados na unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE). .............................................................................................. 68 Tabela 10: Regio experimental dos dados obtidos na unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE). .............................................................................................. 69 Tabela 11: Correlao entre as variveis operacionais e o teor de gua no petrleo tratado para os dados da unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE). ....... 70 Tabela 12: Coeficientes da regresso linear mltipla para os dados da unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE)............................................................................. 71 Tabela 13: Correlao entre as variveis livres e o teor de gua no petrleo tratado para os dados da unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE). ........................... 76 Tabela 14: Anlise de varincia das rplicas puras obtidas na unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE)............................................................................. 82 Tabela 15: Efeito da alcalinidade da gua de diluio nos experimentos da unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE).............................................................. 83

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Tabela 16: Efeito do teor de desemulsificante nos experimentos da unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE)............................................................................. 83 Tabela 17: Efeito da intensidade de cisalhamento no preparo da emulso sinttica nos experimentos da unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE)..................... 83 Tabela 18: Planejamento experimental do teste realizado na refinaria Presidente Bernardes (RPBC). ................................................................................................. 84 Tabela 19: Regio experimental do teste realizado na refinaria Presidente Bernardes (RPBC). .................................................................................................................. 86 Tabela 20: Correlao entre as variveis operacionais e o teor de gua no petrleo tratado para os dados da refinaria Presidente Bernardes (RPBC). ......................... 87 Tabela 21: Anlise de varincia das rplicas puras obtidas na refinaria Presidente Bernardes (RPBC). ................................................................................................. 90 Tabela 22: Planejamento experimental proposto para o teste na refinaria Presidente Getlio Vargas (REPAR). ...................................................................................... 91 Tabela 23: Regio experimental do teste realizado na refinaria Presidente Getlio Vargas (REPAR). ................................................................................................... 92 Tabela 24: Correlao entre as variveis operacionais e o teor de gua no petrleo tratado para os dados da refinaria Presidente Getlio Vargas (REPAR). .............. 94 Tabela 25: Regio experimental dos dados obtidos na unidade piloto de tratamento eletrosttico (UPTE) com as amostras da refinaria Presidente Getlio Vargas (REPAR)................................................................................................................. 95 Tabela 26: Comparao do teor de gua no petrleo tratado entre UPDEP e UPTE..... 97 Tabela 27: Anlise dos parmetros restimados para o modelo de Oliveira et al. (1995a,b; 1996a,b) e Oliveira e Oliveira (2000). ................................................... 98 Tabela 28: Anlise dos parmetros restimados para o modelo de Fonseca e Coutinho (2005). .................................................................................................................. 100 Tabela 29: Anlise dos parmetros restimados para o modelo de Coutinho (2005). ... 102 Tabela 30: Resultado da estimao de parmetros para o novo modelo. ..................... 104

1 INTRODUO E MOTIVAOA indstria de petrleo tem interesse na desestabilizao de emulses de gua em petrleo para evitar problemas associados corroso, depsito e transporte de volumes excessivos de gua, entre outros. A eletrocoalescncia empregada largamente para este fim, sendo considerada a melhor tecnologia de desemulsificao de gua em petrleo.

A complexidade dos fenmenos envolvidos em eletrocoalescncia dificulta o uso de modelos fenomenolgicos rigorosos para a modelagem matemtica do processo, restando como opo prtica a construo de modelos empricos e/ou semi-empricos. Esse estudo visa contribuir para o conhecimento do processo de tratamento eletrosttico de petrleos, buscando a previsibilidade do mesmo atravs da proposio de um modelo matemtico emprico do processo. Este modelo, como os atualmente usados na indstria de petrleo, tem como finalidade prover um mtodo para a avaliao rpida da qualidade do tratamento eletrosttico, em funo da qualidade do leo, em unidades industriais.

Na reviso bibliogrfica apresentada no Captulo 2, so abordados aspectos do processo de eletrocoalescncia e as tecnologias tpicas disponveis. So discutidos tambm os modelos matemticos propostos em literatura para o processo de tratamento eletrosttico de petrleos. Muitas referncias esto disponveis em literatura abordando desde a produo de petrleo at as caractersticas fsico-qumicas e o comportamento de emulses de gua em petrleo. Desta forma, esse estudo no aborda extensivamente estes aspectos.

O Captulo 3 apresenta os procedimentos utilizados para a caracterizao dos petrleos e emulses e as metodologias empregadas na obteno de dados de desidratao eletrosttica em planta piloto e em refinarias da PETROBRAS S.A..

No Captulo 4, foram analisadas as variveis do processo de desidratao eletrosttica de petrleos, por meio da avaliao dos dados experimentais obtidos nas

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unidades piloto e industrial. Os dados obtidos em escala industrial foram reproduzidos em planta piloto para a comparao da eficincia do processo nos dois sistemas. Foi proposto um modelo matemtico emprico do processo de desidratao eletrosttica de petrleos, a partir dos dados experimentais obtidos em planta piloto, correlacionando as variveis mais importantes do processo com o teor de gua no petrleo tratado. A previsibilidade do modelo para os dados industriais foi testada, concluindo-se que o mesmo eficiente para a avaliao do desempenho do processo em escala industrial, sem a necessidade de reformulao (scale-up).

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2 REVISO BIBLIOGRFICAO processo de produo de petrleo frequentemente acompanhado pela coproduo de gua. Esta gua pode ser originada da prpria formao produtora ou ser conseqncia da utilizao de processos de recuperao secundria, como a injeo de gua ou vapor. (ALVES e OLIVEIRA, 2006; OLIVEIRA et al., 1996a)

Segundo Brasil (2000), a gua associada ao petrleo pode estar presente de trs formas:

gua livre, quando o volume de gua tal que no h tempo suficiente para um ntimo contato com o leo, ou quando as gotas de gua tm um dimetro tal que a separao entre as fases facilmente obtida por decantao;

gua emulsionada, quando h uma mistura muito ntima entre gua e leo, sendo a gua ento dispersada em gotculas muito pequenas dando origem a uma emulso gua-leo;

gua solvel, pois embora sejam considerados lquidos imiscveis, existe uma pequena, mas significante, solubilidade da gua no petrleo. Esta gua somente separada do petrleo por vaporizao.

Geralmente, petrleo e gua encontram-se nos poos de produo sob a forma de duas fases separadas e, ao escoarem atravs da coluna e linhas de produo so submetidos agitao e cisalhamento, ocorrendo a formao de emulses estveis do tipo gua-leo. (RAMALHO, 2000)

Uma emulso definida como um tipo especial de disperso coloidal, na qual as fases so lquidos imiscveis ou parcialmente miscveis e as gotas da fase dispersa tm dimetros mdios que variam geralmente de 0,1 m a 10 m. (SCHRAMM, 1992, p.5; SHAW, 1975, p.158)

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As emulses do tipo gua-leo so caracterizadas por um conjunto de propriedades fsicas incluindo aparncia, viscosidade do meio, viscosidade interfacial, condutividade e distribuio de tamanho de gota. (SCHRAMM, 1992, p.10)

A distribuio de tamanho de gota (DTG) depende de uma srie de fatores, como tenso interfacial, natureza dos agentes emulsificantes, presena de slidos e propriedades do leo e da gua. A DTG afeta a viscosidade da emulso, pois quanto menores as gotas e mais estreita a DTG, maior a viscosidade. A DTG determina, dentro de certa extenso, a estabilidade da emulso. De um modo geral, emulses com dimetros de gota menores so mais estveis, j que a coalescncia, e consequentemente a sedimentao, so mais difceis. (KOKAL, 2005; SCHRAMM, 1992, p.11)

Para a formao de emulses estveis fundamental a presena de um terceiro componente, chamado de agente emulsionante ou surfactante. Alguns dos componentes do petrleo, como os asfaltenos e resinas, so agentes emulsionantes. Eles so tensoativos naturais que contribuem para a formao de um filme viscoelstico na interface leo-gua. (ASKE et al., 2002; MCLEAN e KILPATRICK, 1997a,b; SHAW, 1975, p.158)

Alm dos tensoativos naturais, existem os que esto presentes nos produtos qumicos injetados na formao, como fluidos de perfurao, inibidores de corroso e produtos para controle de parafinas e asfaltenos. (KOKAL, 2005)

As resinas abrangem as molculas polares que contm frequentemente heterotomos como nitrognio, oxignio e enxofre em sua estrutura. Os cidos naftnicos, cidos carboxlicos com frmula geral RCOOH, onde R o segmento naftnico, fazem parte desta frao. (FARAH, 2000; SJBLOM et al., 2003)

Os asfaltenos so molculas polares similares s resinas, mas com peso molecular maior. Esta frao contm o maior percentual de heterotomos (O, S, N) e constituintes organometlicos (Ni, V, Fe). Os asfaltenos tendem a formar agregados. (SJBLOM et al., 2003)

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A interao entre as resinas e os agregados de asfaltenos e a presena de slidos finamente divididos (orgnicos e inorgnicos) representam importante papel na estabilidade de emulses gua-leo. (ASKE et al., 2002; MCLEAN e KILPATRICK, 1997a,b)

A eficincia na estabilizao de emulses pelos slidos depende do tamanho da partcula, das interaes entre as partculas, e da molhabilidade dos slidos. As partculas slidas molhveis pela gua so tambm conhecidas como sedimentos bsicos, residuais ou de fundo, porque na sua maioria aparecem no fundo do tubo utilizado no teste padro para determinao de gua e sedimentos por centrifugao, BS&W (Basic Sediments and Water), norma ASTM D4007. Tipicamente, partculas entre 20 m e 200 m de areia, lodo, argila, outros silicatos, gipsita, sulfato de brio, xido de ferro e sulfeto de ferro podem estar presentes entre os contaminantes. (ASTM, 2008; BRASIL, 2000; LEVINE e SANFORD, 1985; TAMBE e SHARMA, 1993)

As partculas slidas finamente divididas capazes de estabilizar as emulses so bem menores que as gotas de gua e esto suspensas no lquido como uma disperso coloidal. Uma parte significativa destes contaminantes quimicamente semelhante aos sedimentos mencionados anteriormente, porm de dimetros muito menores. Os slidos finamente divididos precisam estar na interface e serem molhados pelo leo e pela gua para estabilizar uma emulso. Quando o slido preferencialmente molhado pelo leo (como os asfaltenos e parafinas), temos uma emulso gua-leo. Partculas molhadas preferencialmente pela gua (como carbonato de clcio, sulfato de clcio, argila e areia) tambm podem ser molhadas pelo leo atravs de uma cobertura de compostos orgnicos pesados e polares. (BRASIL, 2000; KOKAL e AL-JURAID, 1998; LEVINE e SANFORD, 1985; TAMBE e SHARMA, 1993)

Os filmes interfaciais aumentam a estabilidade da emulso pela reduo da tenso interfacial e pelo aumento da viscosidade interfacial. As caractersticas dos filmes interfaciais so funo do tipo de leo (asfaltnico ou parafnico), temperatura, composio e pH da gua, extenso na qual o filme adsorvido comprimido, tempo de

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contato e concentrao de molculas polares no cru. A estabilidade das emulses est correlacionada com a mobilidade dos filmes interfaciais. (JONES et al., 1978; KIMBLER et al., 1966; STRASSNE, 1968; TAMBE e SHARMA, 1993)

A temperatura pode afetar significativamente a estabilidade da emulso, pois afeta as propriedades fsicas do leo, da gua e do filme interfacial, e a solubilidade dos surfactantes nas fases oleosa e aquosa. Possivelmente o efeito mais importante da temperatura na viscosidade da emulso, que decresce com o aumento da mesma em funo do decrscimo da viscosidade do leo. O aumento da temperatura tambm eleva a freqncia de coliso das gotas e diminui a viscosidade interfacial, aumentando assim a taxa de coalescncia. A remoo dos compostos mais leves do petrleo e o envelhecimento da emulso levam mudana do filme interfacial, que se torna incompressvel a altas temperaturas. Nestes casos a resoluo da emulso no afetada pelo calor. (JONES et al., 1978)

O pH da gua tem uma forte influncia na estabilidade da emulso. O filme interfacial contm cidos e bases orgnicos, asfaltenos com grupos ionizveis e slidos que podem possuir carga eltrica. A adio de cidos e bases inorgnicos influencia fortemente a ionizao destas espcies, mudando as propriedades fsicas do filme interfacial. O pH tambm influencia o tipo de emulso formada. Baixos valores de pH (cidos) geralmente produzem emulses do tipo gua-leo, enquanto que altos valores de pH (bsicos) produzem emulses do tipo leo-gua. (JONES et al., 1978; KIMBLER et al., 1966; STRASSNE, 1968)

O pr-tratamento do petrleo requer a remoo da gua e tambm dos sais e slidos, que quando presentes podem causar problemas em toda cadeia de produo. Os sais esto normalmente dissolvidos na fase aquosa, mas podem eventualmente apresentar-se tambm como pequenos cristais. Partculas cristalinas de sais s sero removidas da fase oleosa se uma lavagem adequada for realizada. As partculas slidas molhveis pela gua so os contaminantes mais fceis de serem removidos, desde que haja um bom contato com gua de lavagem. (BRASIL, 2000)

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Nas unidades de produo, a remoo de parte da gua salina dispersa ocorre com auxlio de separadores trifsicos (petrleo/gua salina/gs) de grande volume, de forma que h tempo de residncia suficiente para a remoo das gotas maiores e de bolses de gua produzida juntamente com petrleo, frequentemente chamados de gua livre. O leo morto (apenas saturado com gs nas condies de produo) ento encaminhado a desidratadores eletrostticos. Estes vasos contam com a presena de placas energizadas que provocam a coalescncia das gotas menores e aumentam a taxa de sedimentao das gotas de gua dispersa. O petrleo tratado (desidratado) enviado ento s refinarias com teores limitados de gua e sal. (BRASIL, 2000; SJBLOM et al., 2003)

O primeiro processo que ocorre na refinaria chamado de dessalgao eletrosttica do petrleo. Nele, tal como nos desidratadores eletrostticos das unidades de produo, objetiva-se a remoo de contaminantes do petrleo atravs da aplicao de campo eltrico, mas neste caso os requisitos de qualidade do petrleo tratado so mais rigorosos. Em resumo, o objetivo do processo de dessalgao lavar o petrleo para dissolver os sais, diluir a gua residual dos campos de produo e molhar as impurezas. (COUTINHO, 2005; WAINTRAUB et al., 2007)

Na entrada do processo de dessalgao existe uma salmoura residual emulsionada ao petrleo, geralmente de teor muito baixo (at 1% v/v). A desidratao a valores mais baixos difcil, pois as gotculas de salmoura dispersas esto muito distantes, no favorecendo a coalescncia. Mistura-se ento gua de diluio, com baixo teor de sais, emulso original. Caso o processo de mistura seja eficiente, a salmoura original ser diluda atravs da incorporao da gua, propiciando assim a coalescncia quando da aplicao de campo eltrico. A populao de gotas no petrleo tratado (dessalgado) pode ser igual, ou at ligeiramente maior, que a da emulso original, mas tem uma concentrao de sal mais baixa. (FIGUEIREDO et al., 2004)

Para que a mistura seja efetiva, as correntes de petrleo e gua de diluio passam por uma restrio visando aumentar a turbulncia do escoamento. Usualmente esta restrio uma vlvula de controle com caractersticas especiais chamada de

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vlvula misturadora. A vantagem deste tipo de restrio que a energia de mistura pode ser ajustada com base na vazo, e desta forma otimizada para uma remoo adequada dos sais sem carrear gua. (COUTINHO, 2005; HEMRAJANI, 2004, p.1184)

A Figura 1 mostra que medida que a perda de carga na vlvula misturadora aumenta, a concentrao de sal no petrleo diminui rapidamente enquanto o teor de gua residual aumenta vagarosamente. Entretanto, se a perda de carga ultrapassar um valor crtico, o teor de gua residual aumenta rapidamente, aumentando

consequentemente o teor de sal na sada das dessalgadoras.

Figura 1: Otimizao da perda de carga na vlvula misturadora. (HEMRAJANI, 2004, p.1184)

O processo de dessalgao ento s considerado eficiente se a mistura da gua de diluio com a salmoura inicial e a separao da fase aquosa do petrleo, atravs da aplicao de campo eltrico, o forem. (FIGUEIREDO et al., 2004)

Segundo Brasil (2000), Fonseca e Coutinho (2005) e Hemrajani (2004, p.1184), a baixa eficincia do processo de dessalgao causa srios danos s unidades de processo do refino, limitando o tempo de campanha e onerando o custo do processamento, sendo as principais conseqncias:

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Corroso em equipamentos, especialmente na Unidade de Destilao, como os condensadores e vaso de topo de torre, internos da regio de topo, tubulaes, vlvulas de controle e at mesmo o prprio costado da torre;

Deposio de sais nos permutadores e fornos, j que para muitos destes a solubilidade diminui com o aumento de temperatura, e/ou a precipitao de sais (sulfatos, carbonatos e cloretos) e sedimentos remanescentes no petrleo dessalgado pela vaporizao parcial da gua. Como conseqncia, pode ocorrer o aumento da perda de presso ao longo da bateria de praquecimento e reduo da eficincia de troca trmica, com conseqente aumento do consumo de combustvel nos fornos. Contribui tambm para deposio de coque no interior dos tubos dos fornos e para limitao de carga da unidade;

Presena de excesso de gua na corrente de petrleo cru, causando aumento de consumo de combustvel para aquecimento e vaporizao da carga, alm de instabilidade no processo devido presena de bolses de gua;

Aumento do consumo de produtos qumicos neutralizantes de pH e inibidores de corroso e a conseqente piora do controle da adio destes produtos, devido instabilidade do teor de cloretos, que gera adies ora excessivas ora insuficientes;

Presena de sais, sedimentos e slidos nas correntes de processo, principalmente as mais pesadas como gasleos e resduo de vcuo, causando envenenamento dos catalisadores por metais e piorando a qualidade do leo combustvel ou do asfalto;

Arraste de leo na salmoura, piorando a qualidade dos efluentes hdricos, levando ao aumento do consumo de produtos qumicos para a corrente aquosa e/ou uso de tanque dreneiro.

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A concentrao e a composio dos sais presentes na gua de formao variam de acordo com os campos de produo. Mais frequentemente so encontrados sais de sdio, clcio e magnsio, sobretudo na forma de cloretos, e em menor extenso de sulfatos. Concentraes desde 30000 mg/L at 150000 mg/L so usualmente encontradas. Em geral, o cloreto de sdio o sal inorgnico presente em maior quantidade. Por este motivo, a salinidade de um petrleo ou de uma gua de formao normalmente reportada com base em cloreto de sdio. (BRASIL, 2000; OLIVEIRA et al., 1996a; SJBLOM et al., 2003)

Os cloretos so certamente os mais ativos elementos causadores de corroso que constituem as guas de formao. O seu efeito corrosivo est associado decomposio (hidrlise) do cloreto de magnsio, e em menor extenso do cloreto de clcio, quando em soluo aquosa e submetidos a altas temperaturas, formando cloreto de hidrognio gasoso, que se dissolve em fase aquosa formando cido clordrico, promovendo rpida corroso. O cloreto de sdio praticamente no sofre hidrlise. (BRASIL, 2000; OLIVEIRA e FIGUEIREDO, 1989) MgCl2 + 2 H2O Mg(OH)2 + 2 HCl Fe + 2 HCl FeCl2 + H2

No s o cido clordrico extremamente corrosivo, como a corroso pelo sulfeto de hidrognio acelerada em sua presena, j que ocorre a liberao de cloreto de hidrognio, generalizando a corroso. (BRASIL, 2000) FeCl2 + H2S FeS + 2 HCl

Alekseev e Khutoryanskii (2000) estudaram a distribuio de cloretos nas correntes de processo das unidades de Destilao Atmosfrica e a Vcuo. Segundo os autores, os cloretos inorgnicos se concentram principalmente nas fraes mais pesadas (resduo atmosfrico e resduo de vcuo), na gua separada no vaso de topo da torre atmosfrica e na gua proveniente do sistema de vcuo.

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Na configurao mais frequentemente encontrada (Figura 2), a dessalgao feita em dois estgios. O leo recebido pelas refinarias da PETROBRAS S.A. tem teores mximos de gua e sal de 1% v/v e 570 mg sal /L (leo + gua). O leo (A) bombeado e pr-aquecido em permutadores trocando calor com correntes do processo. Uma corrente aquosa oriunda do segundo estgio de dessalgao (F) adicionada ao leo e dilui a concentrao original de sais presentes. Alternativamente, uma corrente de gua fresca (E), com teores muito reduzidos de sais, pode ser adicionada corrente oleosa. Aps passar pela vlvula misturadora, a corrente ento alimenta o vaso do primeiro estgio de dessalgao, onde um campo eltrico aplicado. O produto de topo deste vaso o leo tratado (B) e o de fundo a salmoura separada, que segue para tratamento.

O leo tratado oriundo do primeiro estgio de dessalgao novamente lavado com gua fresca com teores muito reduzidos de sais (D) e alimenta o segundo estgio de dessalgao. O leo tratado (C) deste vaso, agora com nveis ainda mais baixos de sais presentes, passa por outra bateria de aquecimento e segue para fracionamento. A gua dita fresca frequentemente oriunda de outros processos, podendo conter um teor de hidrxido de sdio ou amnio considervel (pH entre 8 e 12).

Figura 2: Esquema de processo de dessalgao eletrosttica em dois estgios. (COUTINHO, 2005)

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O uso de produtos qumicos desemulsificantes nas dessalgadoras habitual. Estes produtos so elaborados para neutralizar o efeito dos agentes emulsificantes. So compostos surfactantes, e quando adicionados numa emulso, migram para a interface, rompendo ou enfraquecendo o rgido filme interfacial e aumentando a taxa de coalescncia das gotas. Eles podem ser adicionados s correntes oleosa ou aquosa, dependendo de suas caractersticas de solubilidade e funes ativas. (COUTINHO, 2005; KOKAL, 2005)

As refinarias da PETROBRAS S.A., implantadas no pas entre os anos de 1953 e 1980, foram projetadas para processar basicamente petrleos leves, devido ao fato do Brasil ser, naquela poca, um grande importador de petrleos do Oriente Mdio. (FIGUEIREDO et al., 2004)

Com as descobertas nos ltimos anos de leos pesados (API < 20), com alta viscosidade e alto ndice de acidez total, se tornam necessrios esforos no aprimoramento e/ou desenvolvimento da tecnologia de dessalgao de petrleos. Um dos maiores problemas na dessalgao de petrleos pesados a formao de emulses gua-leo muito estveis. (WARREN, 2002b)

A presena de cidos naftnicos e seus sais, que so surfactantes, tende a aumentar a estabilidade das emulses pelo acmulo destas espcies na interface gualeo. Nas unidades industriais no raro que a gua de diluio utilizada no processo de dessalgao eletrosttica tenha pH entre 8 e 12, em virtude da contaminao por hidrxido de sdio e amnio, causando a estabilizao das emulses de gua em petrleos ricos em cidos naftnicos. (GOLDSZAL et al., 2002; RODRIGUES, 2005; SJBLOM et al., 2003)

Uma separao leo/gua efetiva o maior desafio na produo de leos pesados e frequentemente envolve altos custos de capital (como vasos maiores) e altos custos operacionais (como aquecimento e uso de produtos qumicos). (THOMASON et al., 2005)

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Segundo Thomason et al. (2005), as maiores razes para uma desidratao mais desafiadora dos leos pesados so:

A alta viscosidade do leo, que diminui a velocidade de separao gravitacional e tambm diminui a taxa de transporte dos produtos desemulsificantes para a interface das gotas de gua;

A pequena diferena entre as massas especficas do leo e da salmoura, que tambm diminui a velocidade de separao gravitacional;

A elevada concentrao de agentes surfactantes, que ajudam na formao de emulses muito estveis.

Como a desidratao de leos pesados mais difcil, altas temperaturas so requeridas para reduzir a viscosidade e aumentar a taxa de sedimentao. Por outro lado, com o aumento da temperatura h um aumento na solubilidade da gua no petrleo, como mostrado na Figura 3. Como conseqncia, o teor de gua no petrleo dessalgado tende a ser maior para petrleos pesados, alcanando valores de BS&W de at 0,8% v/v. (CUNHA, 2005; WAINTRAUB et al., 2007)

Figura 3: Influncia da temperatura na solubilidade da gua em petrleo. (WARREN, 2002a)

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O aumento da temperatura citado anteriormente tambm causa uma reduo na eficincia de dessalgao devido ao aumento da condutividade eltrica. O petrleo altamente resistente passagem da corrente eltrica, apresentando uma condutividade extremamente baixa temperatura ambiente. Porm, ele pode apresentar elementos condutores associados presena de sais, presentes na gua, e metais, encontrados nos asfaltenos. O aumento de temperatura reduz a viscosidade do petrleo, diminuindo a resistncia do fluido e aumentando a mobilidade das espcies ionizadas, causando um aumento da condutividade, o que resulta na diminuio do campo eltrico entre eletrodos para uma mesma potncia disponvel. A (Eq. 1) relaciona a potncia disponvel (P); o campo eltrico gerado (E); a distncia entre eletrodos (d); a rea longitudinal entre eletrodos (A); e a resistividade do petrleo (). (PERES, 2004; SANTOS e GUIMARES, 2005; WAINTRAUB et al., 2007; WARREN, 2002b) d E2 A

P=

Eq. 1

Novos desenvolvimentos no projeto dos desidratadores, com aplicao na desidratao de leos pesados, incluem tcnicas de controle do campo eletrosttico e sistemas de eletrodos especiais. Estes desenvolvimentos minimizam o impacto negativo do aumento da condutividade e da tendncia formao de arcos dos petrleos pesados. (WARREN, 2002b)

2.1 EletrocoalescnciaA introduo dos coalescedores eltricos como mtodo de separao ocorreu por volta de 1910. Anteriormente, nos primeiros anos de industrializao, o processo de separao gua-petrleo consistia em simplesmente fornecer tempo de residncia suficiente para que a fora gravitacional promovesse a estratificao dos fluidos, um processo que podia ser vagaroso ou at mesmo de impossvel resoluo para determinadas disperses de gua em leo. (BRASIL, 2000; EOW et al., 2002; LUCAS, 1966; OLIVEIRA e FIGUEIREDO, 1989)

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Nos anos seguintes vrias unidades eletrostticas foram testadas com sucesso na Califrnia, Texas e Louisiana. Contudo, naquela poca a energia eltrica no era comumente encontrada nas regies de produo, limitando a aplicao s unidades de refino. Na dcada de 60, devido necessidade de melhorar a qualidade dos petrleos enviados s refinarias, o mtodo de coalescncia eltrica foi finalmente introduzido nas regies de produo de petrleo. (LUCAS, 1966; OLIVEIRA e FIGUEIREDO, 1989)

Atualmente, os mtodos existentes para a separao de emulses de gua em petrleo incluem separao gravitacional ou por centrifugao, tratamento trmico, desemulsificao qumica, ajuste de pH, desemulsificao eletrosttica, mtodo do congelamento/descongelamento, filtrao, separao por membrana, radiao de microondas, energia de ultra-som, etc.. Comparada com as outras solues, a desemulsificao eletrosttica a mais utilizada, tanto pelo aspecto ambiental quanto pelo econmico. (EOW et al., 2001; EOW e GHADIRI, 2002; NOK et al., 2006)

O processo de desidratao de petrleo auxiliado pela eletrocoalescncia empregado largamente, sendo considerado o melhor mtodo de separao de emulses de gua em petrleo. A aplicao de campo eltrico para resoluo de emulses s eficiente nas situaes em que a fase dispersa condutora, enquanto a fase contnua no o . (EOW et al., 2001; EOW e GHADIRI, 2002; NOK et al., 2006)

O principal objetivo dos eletrocoalescedores o aumento da taxa de coalescncia das gotas de gua em uma emulso gua-leo, atravs da aplicao de um campo eltrico de alta tenso, de tal forma que as gotas atinjam tamanho suficiente para serem separadas da fase contnua por sedimentao gravitacional. (EOW e GHADIRI, 2002; WILLIAMS e BAILEY, 1986)

O funcionamento bsico de um separador eletrosttico apresentado de forma simplificada na Figura 4. A emulso de gua em petrleo alimentada em uma regio prxima aos eletrodos, de tal modo que as gotas de gua atravessem o campo eltrico atravs do qual ocorre a coalescncia. Aps ser atingido um tamanho crtico, as fases

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aquosa e oleosa podem ser separadas por diferena de densidade, sendo que a fase aquosa, mais pesada, migra para o fundo do equipamento. O leo com baixo teor de gua deixa o separador pelo topo do equipamento. Logo, no separador eletrosttico podem ser identificadas duas regies: uma na qual predominam os fenmenos ligados coalescncia das gotas de gua, devido ao campo eltrico; e outra que se sobrepe primeira, na qual predomina a separao por gravidade. (AIKETECH, 2005b)

Figura 4: Esquema simplificado de um separador eletrosttico. (WARREN et al., 1998)

Apesar do amplo uso, os mecanismos envolvidos no processo de eletrocoalescncia ainda no esto totalmente compreendidos, em funo da complexidade das interaes eletrostticas e hidrodinmicas e tambm da dificuldade em definir o campo eltrico que sentido pelas gotas. Um entendimento maior destes mecanismos pode fornecer o conhecimento para o projeto timo da geometria de eletrodo e do tipo de campo eltrico, e tambm pode ser utilizado para reduzir o tempo de residncia, minimizando assim o tamanho do equipamento. (EOW et al., 2001)

2.1.1 Mecanismos Envolvidos na Separao Eletrosttica

De um modo geral, a coalescncia entre gotas ocorre em trs estgios. No primeiro estgio, as gotas se aproximam uma da outra ficando separadas por um filme da fase contnua. O segundo estgio envolve o afinamento ou drenagem deste filme para reduzir a rea interfacial. Quando o filme da fase contnua atinge certa espessura crtica,

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qualquer perturbao ou instabilidade significativa causa sua ruptura como estgio final, ocorrendo ento a coalescncia. (EOW et al., 2001; NOK et al., 2006)

Acredita-se que a drenagem do filme seja a etapa limitante e que a presso por capilaridade, a difuso superficial de surfactantes (efeito Marangoni) e as caractersticas reolgicas da emulso influenciem a durao desta etapa. Para que o filme lquido seja drenado de forma eficiente, necessrio que as gotas tenham energia cintica suficiente para vencer as foras viscosas que impedem a aproximao entre elas. Por isso, a coalescncia de gotas grandes mais fcil que a coalescncia de gotas pequenas. De forma anloga, a coalescncia favorecida pela insero de agitao vigorosa no meio fluido. Obviamente, se a agitao for excessiva, as tenses de cisalhamento podem tambm contribuir com a quebra das gotas muito grandes. Por isso, o nvel de agitao deve ser cuidadosamente otimizado nos sistemas reais. (AIKETECH, 2005b; EOW et al., 2001)

Dependendo do tamanho e do movimento das gotas dispersas, diferentes mecanismos como efeitos hidrodinmicos, movimento Browniano e fora eletrosttica, exercem diferentes papis no processo de aproximao das gotas. Segundo Nok et al. (2006), mesmo que no exista campo eletrosttico, existe oportunidade das gotas de gua se aproximarem por colises sob diferentes condies de escoamento, como sedimentao, escoamento laminar e escoamento turbulento. Segundo Williams e Bailey (1986), alguma coalescncia ocorre devido sedimentao e movimento Browniano, mas estes efeitos so pequenos quando comparados eletrocoalescncia.

Uma gota de gua suspensa entre um par de eletrodos sofre a ao de cinco foras, conforme indicado na Figura 5. A fora gravitacional atua no sentido de mover a gota para o fundo do vaso. A fora resultante do arraste viscoso imposto pelo leo, atua elevando a gota em direo sada de leo. Quando a gota atinge certo tamanho crtico (dimetro de corte) em que a fora gravitacional maior que as demais foras que sustentam a gota entre os eletrodos, ocorre a sedimentao. As foras eletrostticas so capazes de promover a coalescncia das gotas at que seja atingido o dimetro de corte. As trs foras eletrostticas so: a fora de atrao entre dipolos induzidos e as foras

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responsveis pelos movimentos dieletrofortico e eletrofortico. (DRAXLER e MARR, 1993; SAMS e WARREN, 2004)

Se duas gotas esto suficientemente perto, a atrao de van der Waals pode tambm tornar-se importante, ajudando a colocar em contato gotas prximas e mantendo-as juntas durante a coalescncia, devido tendncia da tenso interfacial de minimizar a rea superficial. (EOW et al., 2001)

Analisando o balano de foras, pode-se concluir que a importncia da fora resultante do arraste viscoso aumenta em condies de alta velocidade e pequeno tamanho de gota. Logo, a hidrulica do equipamento uma importante varivel na melhoria do processo de separao. (AIKETECH, 2005b)

Figura 5: Foras atuantes em um separador eletrosttico. (SAMS et al., 2004)

2.1.1.1 Coalescncia Dipolar

A principal reao de uma gota de gua em um meio de baixa constante dieltrica a polarizao atravs da reorientao com o campo eltrico, o que leva a formao de um dipolo induzido. Para um nico dipolo induzido, as foras so iguais e opostas, o que gera uma fora lquida nula na gota, fazendo com que a mesma no tenha movimento, exceto o de se alongar na direo do campo eltrico. Para dois dipolos induzidos adjacentes e com curta proximidade, as gotas podem tanto se atrair quanto se

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repelir. (EOW et al., 2001; NOK et al., 2006; WATERMAN, 1965; WILLIAMS e BAILEY, 1986)

A equao clssica para a interao dipolo-dipolo entre duas gotas esfricas similares fornece a fora de atrao eletrosttica, como mostrado na Eq. 2: 6 K E2 r6 d4 Eq. 2

F=

Onde K a constante dieltrica do leo; E o campo eltrico; r o raio da gota; d a distncia entre os centros das gotas. Pela expresso fcil observar que as gotas maiores e relativamente prximas so as mais propensas a coalescer. A expresso da fora assume que as gotas no so carregadas eletricamente e so de igual tamanho. Alm disso, a deformao da gota, que ocorre na presena de um campo eltrico forte, ignorada. A magnitude e a direo da fora induzida entre as gotas variam com a orientao do campo eltrico. (EOW et al., 2001; WATERMAN, 1965; WARREN et al., 1998)

Waterman (1965) e Williams e Bailey (1986), consideram esta fora a principal causadora de coalescncia em campos eletrostticos alternados e contnuos.

Segundo Williams e Bailey (1986), a coalescncia eletrosttica uma combinao da coalescncia dipolar e da eletroforese, tambm denominada coalescncia migratria. A coalescncia dipolar devida fora atrativa dieletrofortica entre duas gotas de gua, a partir da polarizao das mesmas em um campo eltrico.

2.1.1.2 Coalescncia Eletrofortica

Eletroforese o movimento de uma gota de gua carregada eletricamente sob a influncia de um campo eltrico. A direo da fora depende da polaridade da carga e da direo do campo eltrico. A coalescncia resulta da coliso entre as gotas de gua,

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em virtude da rpida movimentao das mesmas entre os eletrodos. (EOW et al., 2001; EOW e GHADIRI, 2002; NOK et al., 2006; WILLIAMS e BAILEY, 1986)

Uma gota de gua pode possuir carga devido sua dupla camada eltrica ou ser carregada diretamente pelo contato com os eletrodos. As gotas devem reter suas cargas por uma distncia suficientemente longa para atravessar o espao entre os eletrodos, sob a presena do campo eltrico. (WILLIAMS e BAILEY, 1986)

Enquanto a coalescncia dipolar funciona por todo seio do lquido em presena de campo eltrico, e essencialmente independente da rea de eletrodo, a coalescncia por eletroforese remove gotas suspensas somente depois que as mesmas migram para a zona limite imediatamente adjacente ao eletrodo. (WATERMAN, 1965)

A coalescncia migratria mais efetiva quando um campo unidirecional aplicado (campo eltrico de corrente contnua). Neste caso a direo do movimento da gota fixa. Em um campo eltrico de corrente alternada a eletroforese tem seu efeito anulado pela rpida alternncia na direo do mesmo. (SAMS e WARREN, 2004; WILLIAMS e BAILEY, 1986)

O campo eltrico de corrente contnua capaz de produzir um rpido movimento eletrofortico das gotas de gua. Segundo Nok et al. (2006), a eletroforese a principal causa de coalescncia neste tipo de campo eltrico.

2.1.1.3 Coalescncia Dieletrofortica

Dieletroforese o mecanismo de movimento da gota produzido por uma fraca fora translacional em um dipolo induzido na presena de um campo eltrico no uniforme (efeito de extremidade, por exemplo). As gotas com permissividade maior que a do meio contnuo, como o caso das gotas de gua em leo, tm uma tendncia de se mover em direo ao local com maior intensidade de campo eltrico. (EOW et al., 2001; NOK et al., 2006; WATERMAN, 1965)

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Com algumas geometrias de eletrodo (como as placas paralelas), o campo eltrico uniforme. Entretanto, para outras geometrias isso pode no ocorrer, causando conseqncias como quebra das gotas nas regies com maior intensidade de campo eltrico e tambm migrao das gotas (dieletroforese) neste campo eltrico no uniforme. (EOW e GHADIRI, 2002)

Em situaes onde as gotas no so significativamente carregadas, como quando so usados eletrodos isolados, a dieletroforese de grande importncia para a coalescncia. (EOW et al., 2001)

2.1.1.4 Processo de Sedimentao

A ltima etapa do processo de quebra de uma emulso gua-leo consiste na sedimentao das gotas, que pode ser representada pela Lei de Stokes (Eq. 3),g ( a p ) d 18 p Eq. 3

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Vs =

Onde, Vs a velocidade relativa da gota de gua dispersa atravs da fase oleosa contnua, tambm conhecida como velocidade de sedimentao da gota; d o dimetro da gota de gua dispersa, p a viscosidade dinmica do petrleo na temperatura de tratamento; a, p so as massas especficas na temperatura de tratamento da fase aquosa e do petrleo, respectivamente; g a constante de acelerao gravitacional. (NOK et al., 2006)

Segundo Brasil (2000) e Nok et al. (2006), embora a Eq. 3 seja apenas uma aproximao simplificada do movimento de sedimentao das gotas de gua em uma fase oleosa contnua estagnada, ela indica os parmetros fsicos importantes que influenciam o processo de sedimentao gravitacional:

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Diferena de massas especficas, que por ter um valor geralmente pequeno, no a varivel que controla a sedimentao. Entretanto, como pode ser observado na Figura 6, existem casos (petrleos com baixo API) em que esta diferena to pequena, ou mesmo negativa, que a decantao das gotas se torna difcil ou at impossvel. Uma das solues adotada nestes casos a adio de diluente ao petrleo. Como a temperatura afeta no mesmo sentido as massas especficas da gua e do leo, observa-se que um aumento da temperatura pode at piorar a diferena de massas especficas para petrleos de muito baixo API;

Figura 6: Diferena de massas especficas das fases aquosa e oleosa. (WARREN, 2002a)

Viscosidade do petrleo, que embora dependa da composio do leo, aumenta a uma dada temperatura medida que o API do leo diminui. A viscosidade diminui com o aumento da temperatura, o que aumentaria a velocidade de sedimentao. Entretanto, como a temperatura afeta tanto a diferena de massas especficas da gua e do leo como a viscosidade do leo, o parmetro de sedimentao de Stokes ((d - c)/c) que determina como diferentes leos so influenciados pela elevao de temperatura.

Dimetro das gotas, que mostra a grande importncia da etapa de eletrocoalescncia antes da sedimentao gravitacional, uma vez que a

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velocidade de sedimentao proporcional ao dimetro da gota elevado ao quadrado.

Rigorosamente falando, a Lei de Stokes somente vlida quando o elemento esfrico rgido. Para gotas de salmoura em hidrocarbonetos, uma aproximao melhor dada pela relao de Rybczynski-Hadamard (Eq. 4),g ( a p ) d 6p

2

Vs =

(3

(

a a

+ 2p ) Eq. 4

+ p )

com o mesmo significado para os subscritos citados anteriormente na Eq. 3. Se a viscosidade da salmoura for muito maior que a viscosidade do petrleo, isto , uma gota esfrica rgida, esta relao se reduz Lei de Stokes. Nos casos usuais em que a viscosidade do petrleo maior que a viscosidade da salmoura, a velocidade de sedimentao pode ser at 50% maior do que a calculada com a aproximao de esfera rgida. De qualquer forma, fcil identificar em qualquer uma das duas equaes que as propriedades fsicas mais importantes so a diferena de massas especficas das fases e a viscosidade da fase contnua. (LUCAS, 1969)

2.1.2 Fatores que Afetam a Eletrocoalescncia

Diversos fatores afetam o processo de eletrocoalescncia, como a intensidade e o tipo de campo eltrico, a freqncia da corrente eltrica, a forma da onda do campo eltrico, as caractersticas e geometria dos eletrodos, as condies de escoamento, o tempo de residncia da emulso sob ao do campo eltrico, etc.. Os principais fatores so discutidos a seguir.

2.1.2.1 Natureza do Campo Eltrico

Para a separao de emulses gua-leo so utilizados pelo menos quatro tipos de campo eltrico: corrente alternada (alternating current AC), corrente contnua

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(direct current DC), corrente alternada combinada com corrente contnua (AC/DC) e corrente contnua pulsante (DC pulsante). Cada tipo de campo eltrico atua de acordo com diferentes mecanismos na coalescncia das gotas de gua. O campo AC tem predominantemente um efeito de polarizao. O campo DC produz polarizao e alinhamento da gota da mesma forma que o campo AC, mas devido sua natureza unidirecional, tambm produz migrao das gotas (eletroforese). Assim como no campo AC, o campo pulsante DC gera dipolos induzidos nas gotas de gua. Sob a ao de um campo eltrico pulsante, cadeias de gotas (chamadas de colar de prolas) podem ser observadas durante os perodos de alta tenso, seguido de coalescncia durante os perodos em que a tenso reduzida. (EOW e GHADIRI, 2002; WARREN et al., 1998)

Um fator a ser considerado para a escolha do tipo correto de campo eltrico o teor da fase aquosa dispersa, j que a mesma condutiva, o que pode resultar em curtocircuito do sistema. O campo AC usado com eletrodos no isolados, pode tolerar elevados teores de gua e tem uma natureza no eletroltica, sendo usualmente utilizado na desidratao de petrleos. O campo AC mais efetivo em dois pontos na dessalgadora: na entrada da disperso e na interface leo/gua, pontos onde o teor de gua elevado. O campo DC altamente eficiente para pequenas gotas de gua, mas pode promover corroso eletroltica em virtude das correntes eltricas sustentadas unidirecionalmente, sendo usado apenas na desidratao de destilados de baixa condutividade. O campo combinado AC/DC possui a tolerncia a elevados teores de gua do campo AC com a alta eficincia do campo DC. O campo pulsante DC com eletrodos isolados foi desenvolvido para emulses com alto teor de fase aquosa dispersa. (EOW e GHADIRI, 2002; NOK et al., 2006; WARREN et al., 1998)

Ao contrrio das observaes feitas por outros pesquisadores, Lee et al. (2001) identificaram que campos AC so mais efetivos em aumentar a coalescncia que campos pulsantes DC.

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2.1.2.2 Tenso e Freqncia do Campo Eltrico

Em quase todas as aplicaes convencionais, um nico nvel de tenso aplicado aos eletrodos. Gotas menores requerem tenses maiores para desenvolver uma fora suficiente para superar a tenso interfacial e promover a coalescncia. Entretanto, se a tenso muito alta (campo eltrico crtico), as foras eletrostticas podem exceder as foras interfaciais resultando em quebra e disperso das gotas. Logo, o gradiente de tenso timo est situado entre o gradiente de tenso mnimo para ocorrer a coalescncia e o campo eltrico crtico. (EOW e GHADIRI, 2003; NOK et al., 2006; SAMS e WARREN, 2004; WARREN, 2002b; WILLIAMS e BAILEY, 1986)

Um campo eltrico pode ter sua tenso ou sua freqncia moduladas com o auxlio de controladores eletrnicos, melhorando significativamente a desidratao em comparao aos campos eltricos convencionais. Estes controladores eletrnicos podem assumir funes essenciais de proteo do transformador enquanto estendem a capacidade de suprimento de potncia sob condies de processo severas. (NOK et al., 2006; THOMASON et al., 2005; WARREN, 2002b)

2.1.2.3 Projeto e Revestimento dos Eletrodos

As caractersticas e geometria de um eletrodo (geralmente cilndrico ou de placa) determinam o desempenho do eletrocoalescedor. (EOW e GHADIRI, 2002)

Em aplicaes com campo DC, eletrodos no revestidos so usualmente posicionados verticalmente, permitindo que o crescimento da gota e sua sedimentao ocorram dentro do espao entre eletrodos. Alguns coalescedores com campo AC contm grades metlicas de eletrodos posicionadas horizontalmente, permitindo dessa forma que as gotas de gua passem atravs dos eletrodos. (EOW e GHADIRI, 2002)

Geralmente, um eletrodo no isolado pode ser usado de forma eficiente quando o teor da fase dispersa representa at 15% da emulso. Acima deste limite pode ocorrer curto-circuito. (EOW e GHADIRI, 2002)

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A distncia mxima entre os eletrodos limitada pelos efeitos de extremidade e pela tenso que deve ser aplicada para criar um campo eltrico suficientemente alto. (EOW e GHADIRI, 2002)

2.1.2.4 Condies de Escoamento

Todos os eletrocoalescedores comerciais de campo AC at 1960 foram projetados para manter um alto grau de turbulncia, rompendo assim as cadeias de gotas de gua dispersas (colar de prolas) que originam descargas eltricas ou arcos entre os eletrodos. Os eletrocoalescedores comerciais modernos adotam escoamento laminar, colocando assim o processo de sedimentao gravitacional em primeiro lugar dentro do vaso. Trabalhos de pesquisa tambm mostram que quando a intensidade do escoamento turbulento aumenta at certo ponto, ocorre a quebra ou disperso das gotas. (NOK et al., 2006)

2.1.2.5 Tempo de Residncia entre Eletrodos

A coalescncia das gotas geralmente aumenta com o aumento do tempo de residncia sob a ao do campo eltrico. Para emulses em escoamento turbulento, a coalescncia efetiva em apenas alguns segundos. (EOW et al., 2001)

2.1.3 Tecnologias Tpicas para Eletrocoalescncia

As patentes pioneiras sobre equipamentos para eletrocoalescncia foram depositadas por Cottrell (1911) e por Cottrell e Speed (1911). Os estudos iniciais usavam apenas corrente contnua, que provou ser mais eficiente para a desidratao de derivados de petrleo. Posteriormente, o uso de corrente contnua combinada com corrente alternada revelou ser consideravelmente melhor que o processo anterior na desidratao de petrleos. Finalmente, o estudo do processo de desidratao de petrleos exclusivamente com corrente alternada se mostrou o mais aconselhvel, por ser extremamente eficiente e representar os menores custos de instalao e operao.

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Eow e Ghadiri (2002) publicaram uma extensa reviso de patentes sobre a tecnologia de separao eletrosttica de emulses de gua em leo e a conjugao desta tecnologia com outros mtodos de separao, conforme resumido na Figura 7. As referncias citadas na Figura 7 devem ser consultadas na publicao original.

Figura 7: Tecnologia de separao eletrosttica e suas combinaes. (EOW e GHADIRI, 2002)

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Nok et al. (2006) fizeram um levantamento das tecnologias adotadas em tratadores eletrostticos, descrevendo as caractersticas tpicas de cada uma. A Tabela 1, gerada com base neste levantamento e atualizada de acordo com informaes dos fabricantes, mostra as tecnologias de separao eletrosttica de interesse para a dessalgao de petrleos. Na seqncia as principais tecnologias so detalhadas.

Tabela 1: Tecnologias de separao eletrosttica para dessalgao.Bilectric Fabricante Campo Eltrico Petreco AC TriVolt e TriVoltmax Natco AC Trs e quatro Trs grades de eletrodos convencionais grades de eletrodos convencionais respectivamente Reatncia de Principais Caractersticas 100% no transformador Reatncia de 100% no transformador Reatncia de 100% no transformador PC-based Load Responsive Controller gua de diluio Distribuidor de entrada de emulso (patenteado) em contracorrente com mistura eletrosttica (patenteado) PC-based Dual Frequency Load Responsive Controller Eletrodos compostos Eletrodos compostos Eletrodos compostos Dual Polarity Natco AC/DC EDD Natco AC/DC Dual Frequency Natco AC/DC

2.1.3.1 Tratadores AC

a tecnologia de desidratao eletrosttica mais utilizada. Aplica um campo eltrico de corrente alternada de 50 a 60 Hz que acelera a coalescncia das gotas. (THOMASON et al., 2005)

A diferena entre os tipos de tratadores AC est na forma em que a emulso introduzida no vaso, acarretando em escoamento laminar (tratador de baixa velocidade) ou turbulento (tratador de alta velocidade). (BRASIL, 2000)

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Nos modelos de baixa velocidade, a emulso introduzida pela parte inferior do vaso e descarregada na fase aquosa, ao longo do seu comprimento, de tal forma que sofre uma lavagem capaz de remover sais cristalinos e outras partculas slidas presentes na fase oleosa, alm de promover alguma coalescncia das gotas de gua. medida que sobe na direo do campo eltrico, a emulso tambm sofre coalescncia devido ao campo eltrico fraco estabelecido entre o eletrodo inferior e a interface gualeo (aterrada). Quando a emulso finalmente alcana o campo eltrico principal, com maior gradiente de tenso, ocorre o restante do processo. O modelo Silectric do fabricante Petreco segue este arranjo (Figura 8). (BRASIL, 2000; COUTINHO, 2005; MESQUITA, 1990)

Figura 8: Dessalgadora de baixa velocidade. (COUTINHO, 2005)

Nos modelos de alta velocidade, a emulso injetada diretamente na regio entre os eletrodos, podendo ser utilizados dois ou trs nveis de grades. Quando so utilizados dois nveis de grades, a emulso injetada atravs de um distribuidor especial, de abertura varivel e controle externo, conhecido como vlvula distribuidora. Quando so utilizados trs nveis de grades, as vlvulas distribuidoras so substitudas por distribuidores fixos. A principal vantagem deste ltimo tipo de tratador a

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duplicao da regio de campo eltrico principal em funo da introduo da terceira grade de eletrodos. Assim como no tratador de baixa velocidade, entre o eletrodo inferior e a interface gua-leo (aterrada) estabelecido um campo eltrico fraco, prevalecendo nesta regio o fenmeno de decantao e coalescncia das gotas com a interface. (BRASIL, 2000; COUTINHO, 2005; MESQUITA, 1990; SAMS e WARREN, 2004)

O escoamento turbulento controlado e na direo horizontal imposto emulso nos tratadores de alta velocidade, causa uma circulao da emulso abaixo dos eletrodos, o que aumenta a probabilidade das gotas alcanarem a distncia ideal para a coalescncia. Para se conseguir este efeito de circulao a vazo da emulso deve ser limitada, e por isso estes tratadores so modulados. (BRASIL, 2000)

A Figura 9 ilustra uma dessalgadora com alimentao de carga do tipo alta velocidade. Os modelos Bilectric do fabricante Petreco, EDGE do fabricante HoweBaker e TriVolt do fabricante Natco seguem este arranjo. As diferenas entre eles se concentram na forma de ligao dos eletrodos, no tipo de transformador e em detalhes construtivos, como coletores e distribuidores. (COUTINHO, 2005)

Alimentao (leo + gua) leo dessalgado

Descarte de salmoura

Figura 9: Dessalgadora de alta velocidade com trs eletrodos.

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Os eletrodos usados nos tratadores AC podem ser de dois tipos: A e B. O eletrodo tipo A se apresenta sob a forma de mdulos e consiste de varas metlicas energizadas configurando um formato circular, e so tantos quanto o nmero de mdulos que constituem o tratador. O eletrodo tipo B consiste de varas metlicas energizadas que se estendem uniformemente ao longo da seo longitudinal do vaso, conferindo ao tratador uma maior rea total de eletrodos para um mesmo tempo de residncia do petrleo. Como os tratadores de baixa velocidade no so divididos em mdulos, s utilizado o tipo B neste modelo. (BRASIL, 2000) 2.1.3.2 Tecnologia Dual Polarity Por volta de 1970, um processo denominado Dual Polarity foi desenvolvido pelo fabricante Natco utilizando uma combinao de campos AC e DC, ganhando os benefcios de ambos e evitando os problemas de corroso eletroltica promovidos pelo campo DC. A configurao desta tecnologia mostrada na Figura 10. (WARREN et al., 1998)

Figura 10: Tecnologia Dual Polarity. (FONSECA, 2005)

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Nesta configurao, os eletrodos so dispostos verticalmente e a emulso submetida tanto a um campo DC de alta tenso, entre eletrodos adjacentes, quanto a um campo AC (50-60 Hz), entre os eletrodos e a interface gua-leo (aterrada), como mostrado na Figura 11. Uma ponte retificadora responsvel pela retificao da corrente alternada de alimentao, permitindo a passagem de apenas uma polaridade, ou seja, separando os componentes positivos e negativos do campo AC. Os eletrodos so conectados alternadamente nos plos positivos e negativos, estabelecendo um campo eltrico contnuo. (COUTINHO, 2005; FONSECA, 2005; THOMASON et al., 2005; WARREN et al., 1998)

Figura 11: Aplicao de campo eltrico na tecnologia Dual Polarity. (SAMS e WARREN, 2004)

A alimentao da carga feita nas proximidades da interface gua-leo, em regime de escoamento laminar, sendo a emulso primeiramente exposta ao campo AC de gradiente baixo, capaz de coalescer as maiores gotas de gua. As demais gotas sobem juntamente com o leo em direo ao campo DC de gradiente alto, que atua como uma seo de refinamento para coalescer at mesmo as menores gotas. (FONSECA, 2005; SAMS e WARREN, 2004; WARREN et al., 1998)

Nesta tecnologia so utilizados os chamados eletrodos compostos, placas feitas de fibra de vidro que possuem uma regio condutiva, feita de grafite, localizada na parte central. Uma camada muito fina de gua adsorvida nas placas devido a materiais

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polares presentes na resina. Diferentemente dos eletrodos convencionais (metlicos), em que mesmo quando um arco ocorre numa regio localizada todo o campo eltrico colapsa, extinguindo o processo de desidratao, nos eletrodos compostos quando um arco ataca somente uma pequena rea da placa descarregada, eliminando assim arco contnuo e mantendo o processo em funcionamento. (FONSECA, 2005; NOK et al., 2006; THOMASON et al., 2005; WARREN, 2002b)

Segundo Warren (2002b), eletrodos compostos tm demonstrado grande eficincia na supresso de arcos e no aumento da coalescncia. Resultados de desidratao comparativos usando eletrodos de ao e eletrodos compostos indicaram um aumento mdio na desidratao de 56%.

Segundo o fabricante Natco, esta tecnologia possui as seguintes vantagens: fornece o dobro do gradiente de tenso de um campo AC, usando o mesmo transformador; permite maiores taxas de processamento, pois cria gotas maiores que nos tratadores AC convencionais; exige temperaturas de operao mais baixas; fornece teor de BS&W menor, enquanto trata maiores volumes de leo em vasos menores. (FONSECA, 2005; NATCO GROUP, 2002a; SALLES e NEY, 2005) 2.1.3.3 Tecnologia EDD (Electro-Dynamic Desalter) A tecnologia EDD do fabricante Natco tambm baseada na configurao AC/DC Dual Polarity com eletrodos compostos, incorporando adicionalmente uma injeo de gua de diluio, feita atravs de um distribuidor localizado na parte superior do equipamento, e um sistema eletrnico de controle do transformador, denominado Load Responsive Controller (LRC). O sistema LRC da tecnologia EDD consiste de um transformador combinado com um dispositivo eletrnico que auto-regula o fluxo de corrente eltrica atravs do ajuste da potncia do circuito primrio do transformador, otimizando a tenso enviada ao tratador. O LRC possui um detector de altas correntes (arcos), e assim, quando detectada uma alta corrente, a tenso desligada por um instante muito pequeno (micro segundos), fazendo com que o arco seja extinto e o processo continue com uma perturbao mnima. A configurao desta tecnologia

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mostrada na Figura 12. (NATCO GROUP, 2002b; NATCO GROUP, 2004a; NOK et al., 2006; WARREN et al., 1998; WARREN, 2002b)

Figura 12: Tecnologia EDD. (NATCO GROUP, 2002b)

No processo de dessalgao convencional, a gua de diluio totalmente adicionada corrente oleosa e, aps passar pela vlvula misturadora, alimentada dessalgadora atravs de um distribuidor. Entretanto, manipulando a relao do tamanho da gota de gua com a fora do campo eltrico, o campo eltrico pode ser usado tanto para misturar quanto para separar. Para atingir este objetivo, parte da gua de diluio introduzida diretamente dentro do vaso, com o auxlio de um distribuidor, e escoa para baixo, passando entre os eletrodos dispostos verticalmente. A direo da gua de diluio contrria da emulso, que introduzida abaixo dos eletrodos e escoa para cima, sendo o processo ento em contracorrente. Parte da gua de diluio continua sendo adicionada corrente oleosa, passando pela vlvula misturadora, para garantir que impurezas sero molhadas pela gua. (NOK et al., 2006; PINTO et al., 2008; WARREN et al., 1998)

Quando a gua de diluio escoa atravs dos eletrodos adjacentes, ela submetida a um rpido aumento do gradiente de tenso na regio pouco condutiva das placas, de tal forma que gotas grandes so dispersas em gotas pequenas. As gotas de gua pequenas so submetidas ento a um campo eltrico alto quando passam pela regio condutiva das placas, onde as menores gotas de gua coalescem e as maiores so dispersas, em tamanhos uniformes, ocorrendo ento a mistura das gotas de gua com as gotas de salmoura que escoam em contracorrente (mistura eletrosttica). As gotas de

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gua com salmoura so submetidas a uma diminuio do gradiente de tenso na regio pouco condutiva das placas e coalescem, descendo em direo interface (Figura 13). A tecnologia LRC torna este processo possvel atravs dos nveis de tenso que so modulados e ajustados para adaptar o ritmo de escoamento da gua de diluio com o ciclo de disperso / mistura / coalescncia / separao. O processo pode ser repetido muitas vezes durante o tempo de residncia das gotas dentro do campo eltrico. (NOK et al., 2006; PINTO et al., 2008; WARREN et al., 1998)

Figura 13: Variao da tenso com o tempo durante o processo EDD. (NATCO GROUP, 2002b)

Neste processo so observadas duas eficincias de mistura, uma associada vlvula misturadora e outra associada mistura eletrosttica. Vale registrar que a maior parte do contato entre a salmoura e a gua de diluio ocorre quando as gotas coalescem. Ento, mltiplos ciclos de coalescncia contribuem muito mais para a eficincia de contato do que a maior disperso na vlvula misturadora. (NOK et al., 2006; PINTO et al., 2008; WARREN, 1998)

Segundo o fabricante Natco, esta tecnologia possui as seguintes vantagens: fornece a eficincia de dois estgios de dessalgao em um nico vaso; dobra a capacidade de sistemas com dois estgios; reduz o consumo de gua de diluio; aumenta a eficincia de remoo de sal; aumenta a eficincia de mistura. (NATCO GROUP, 2002b)

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2.1.3.4 Tecnologia Dual Frequency A tecnologia Dual Frequency do fabricante Natco, assim como a tecnologia EDD, tambm baseada na configurao AC/DC Dual Polarity com eletrodos compostos, e tambm possui um sistema eletrnico de controle do transformador, o Load Responsive Controller (LRC). O sistema LRC da tecnologia Dual Frequency produz um campo eltrico que pode ser otimizado a partir da modulao da freqncia. A modulao da freqncia a taxa de repetio da forma da onda, que afeta o transporte, o crescimento e a oscilao das gotas, e diferente da freqncia base, que a freqncia mnima requerida para prevenir a descarga completa das gotas de gua dispersas. (NATCO GROUP, 2004b; NOK et al., 2006; PINTO et al., 2008; THOMASON et al., 2005; WARREN, 2002b) Segundo Pinto et al. (2008), a tecnologia Dual Frequency est baseada em seis parmetros, sendo os trs primeiros os mais importantes:

Frequncia base, responsvel por atacar a condutividade do leo;

Frequncia modulada, responsvel por atacar a tenso interfacial do leo;

Forma da onda;

Fator de deformao da forma da onda;

Tenso mnima;

Tenso mxima;

Tecnologias eletrostticas convencionais de desidratao de petrleos, com transformadores com 50-60 Hz, exibem tipicamente uma rpida queda de tenso ou formao de arcos, o que reduz a eficincia do processo, uma vez que a tenso menor

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que a requerida para uma desidratao efetiva. O sistema LRC da tecnologia Dual Frequency reduz essa queda de tenso. (NOK et al., 2006) A tecnologia Dual Frequency modula a amplitude do campo DC em uma freqncia da ordem de 1 Hz, alm de aumentar a freqncia base do campo AC para 800 a 1600 Hz. A possibilidade de aumentar a freqncia base (usualmente definida em 60 Hz) permite que o processo de eletrocoalescncia seja otimizado para diferentes crus, pois medida que a freqncia base aumenta, as foras eletrostticas aumentam, aumentando significativamente a eficincia de desidratao. (NOK et al., 2006; PINTO et al., 2008; THOMASON et al., 2005; WARREN, 2002b)

Segundo o fabricante Natco, esta tecnologia possui as seguintes vantagens: aumento na capacidade de processamento para um vaso existente; menor teor de BS&W na sada; menor tamanho de equipamento. (NATCO GROUP, 2004b)

2.2 Modelagem do Processo de Tratamento Eletrosttico de PetrleosA literatura aberta no oferece muitos resultados sobre as diferentes formas de modelagem do processo de tratamento eletrosttico de petrleos, fenomenolgica, emprica e semi-emprica, indicando que o tema foi pouco explorado no meio tcnicocientfico. Porm, esta constatao no garante a no existncia de modelos no meio industrial, onde o sigilo comercial impede que eventuais resultados cheguem literatura aberta.

A anlise da literatura disponvel constata que os conhecimentos acerca dos fenmenos envolvidos em eletrocoalescncia, apesar de terem evoludo

significativamente, ainda no so suficientes para a proposio de modelos fenomenolgicos rigorosos, ou seja, modelos em que o conhecimento fenomenolgico preservado na sua expresso mxima possvel. Por outro lado, h bastante informao quanto s principais variveis envolvidas nestes fenmenos. Por exemplo, para o caso da eletrocoalescncia em campos de corrente alternada, como ocorre majoritariamente

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na indstria de petrleo, a principal fora envolvida a fora de atrao entre dipolos induzidos, que funo da intensidade do campo eltrico, do tamanho das gotas e da constante dieltrica do meio contnuo. Logo, estas variveis devem ser consideradas na modelagem do processo, desde que as mesmas possam ser medidas ou inferidas de forma relativamente simples.

A soluo imediata para contornar a limitao da modelagem fenomenolgica rigorosa recorrer aos modelos empricos. O problema de modelagem emprica do processo de tratamento eletrosttico de petrleos consiste fundamentalmente em propor formas funcionais para a eficincia do processo, como funo das variveis livres e operacionais, a partir de informaes oriundas de experimentos em escala piloto.

Modelos matemticos do processo de desidratao, baseados nas variveis operacionais, so considerados para inferir a eficincia de dessalgao. Para isso, considera-se que as etapas de mistura e separao das fases oleosa e aquosa so igualmente eficientes. Como todo sal pode ser considerado como essencialmente diludo na fase aquosa, o decrscimo do teor de sal na emulso depende da eficincia do processo de desidratao eletrosttica.

O modelo atualmente utilizado pela PETROBRAS S.A. para avaliao de dessalgadoras leva em conta apenas as propriedades fsicas do leo e da fase aquosa. Este modelo possui as seguintes limitaes:

Estabelece um dimetro de corte fixo, o que significa que gotas com dimetro menor que este permanecem na fase oleosa, enquanto gotas com dimetro maior que este sedimentam;

No leva em considerao os fenmenos de eletrocoalescncia;

No funciona bem para petrleos ultra-pesados.

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2.2.1 Modelo Proposto por Lucas (1969)

Lucas (1969) comparou critrios de operao e projeto de equipamentos, encontrados em literatura, com resultados de teste de campo, com o objetivo de avaliar a aplicabilidade destas relaes para campos de produo de petrleo pesado (9 API at 21 API). A partir destes testes, o autor props um modelo matemtico emprico para o processo de desidratao eletrosttica de petrleos com a forma da Eq. 5,

BS & W f = K 1 + K 2 Q + K 3 T + K 4 T 2Eq. 5

Onde, BS&Wf a frao volumtrica da fase dispersa no petrleo tratado; K1, K2, K3 e K4 so constantes que dependem da qualidade da carga; Q a vazo de carga; T a temperatura.

Com base no trabalho de Sjoblom e Goren (1966), que desenvolveram um modelo matemtico para o processo de desidratao eletrosttica de um derivado leve, o autor sugeriu que a frao volumtrica da fase dispersa no produto efluente de um decantador (e d), com aplicao de campo eltrico, dada pela Eq. 6,

e d = f d 1

S

e E D R Eq. 6

Onde, f d a frao volumtrica da fase dispersa na carga; S o parmetro de Stokes, relao entre a diferena de massa especfica entre a fase aquosa e o petrleo, e a viscosidade dinmica do petrleo, na temperatura de operao (/); R a vazo de carga por unidade de rea transversal; D um fator adimensional que depende da distribuio de tamanho de gota inicial; E um grupo adimensional diretamente proporcional a segunda potncia do gradiente de tenso.

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Entretanto, o autor concluiu que o desempenho do processo de desidratao eletrosttica para os petrleos pesados estudados dependia fundamentalmente das propriedades fsicas das fases envolvidas, da vazo de carga e do gradiente de tenso utilizado, como descrito na literatura. Foi evidenciado que a frao volumtrica da fase dispersa e a distribuio de tamanho de gota na carga pouco afetavam o desempenho do processo de desidratao eletrosttica.

2.2.2 Modelo Proposto por Oliveira et al. (1995a,b; 1996a,b) e Oliveira e Oliveira (2000)

Em estudos realizados na PETROBRAS S.A. entre 1994 e 2000, foram levantados dados em uma unidade piloto de desidratao eletrosttica de petrleos (UPDEP) para emulses artificialmente geradas a partir de petrleos com densidade entre 15,7 API e 28,7 API. Foi feita a proposio de um modelo matemtico emprico do processo de desidratao eletrosttica para cada petrleo testado, que considerou apenas propriedades fsicas dos leos e da fase aquosa e as variveis do processo. Outras caractersticas, segundo os autores, apareceriam indiretamente como parmetros do modelo de cada um dos leos estudados. Como proposto, o modelo matemtico de um determinado petrleo no poderia ser utilizado para descrever o comportamento de outros petrleos no ensaiados, pois os parmetros estimados foram calculados para cada leo. (FONSECA e COUTINHO, 2005; OLIVEIRA et al., 1995a,b; OLIVEIRA et al., 1996a,b; OLIVEIRA e OLIVEIRA, 2000)

Para facilitar o estudo do processo e reduzir o nmero de variveis, algumas variveis foram agrupadas em um nico parmetro, como mostram as equaes a seguir (Eq. 7, Eq. 8 e Eq. 9). A tenso entre eletrodos, Ve (Volts), e o espaamento entre eletrodos, Le (mm), foram agrupados no parmetro gradiente de tenso entre eletrodos, GT (V/mm). A vazo volumtrica de petrleo na temperatura de operao, Qp (mm/s), a rea da seo transversal do vaso tratador, AT (mm), e o espaamento entre os eletrodos, Le (mm), foram agrupados no parmetro tempo de residncia do petrleo entre os eletrodos, TRP (s). As propriedades fsicas viscosidade dinmica do petrleo na temperatura de operao, p (g/cm s), massa especfica da fase aquosa na temperatura

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de operao, a (g/cm), e massa especfica do petrleo na temperatura