1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA
LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN COL - SEDE CABIMAS
DESHIDRATACION Y DESALACION DEL CRUDO
Autor: Marianny Delmoral
Ciudad Ojeda, septiembre 2018
2. Desarrollo
Emulsión
La emulsión consiste en la dispersión de finas gotas de agua en petróleo,
el tamaño de partícula puede ser inferior a 15 micras, coexistiendo estos como
dos líquidos distintos pues son inmiscibles entre sí, lo cual dificulta su
separación por la gravedad; la velocidad que tienen estos líquidos cuando
pasan a través del medio poroso (en yacimiento) no es lo suficiente para formar
esta mezcla, no obstante, existen agentes que favorecen su formación.
Factores que Afectan la estabilidad de las emulsiones
Una emulsión es un sistema termodinámicamente inestable. Esto es debido
a que existe una tendencia natural para un sistema líquido/líquido para separar
y reducir su área interfacial y, de aquí, su energía interfacial. Sin embargo, la
mayoría de emulsiones son estables en el tiempo, debido a que poseen una
estabilidad cinética. La estabilidad de una emulsión es directamente
dependiente de la estabilidad o “rigidez” de su interface, entendiéndose de
esta manera que la estabilidad estará en términos de la no coalescencia de
las partículas dispersas, así como de su sedimentación. Las emulsiones
pueden ser rotas por tres mecanismos que son: sedimentación agregación y
coalescencia. La sedimentación se refiere a la caída de las gotas de agua en
el aceite crudo, el agrupamiento de dos o más gotas es llamado agregación y
por último la coalescencia que ocurre cuando las gotas originales pierden sus
identidades y se funden en gotas más grandes reduciendo el área de interface
total. Alterar la estabilidad tanto de la interfase como de la emulsión para
facilitar su rompimiento, depende y requiere del estudio de factores que hacen
posible su estabilidad, como lo son los factores asociados a los fluidos y los
factores externos asociados al medio donde se encuentra. Algunos de estos
3. factores y su influencia, son explicados a continuación:
Tamaño de gota y distribución del tamaño de la gota. La estabilidad de una
emulsión puede ser medida como la función del comportamiento del número
de gotas presentes en función del tiempo, gotas muy pequeñas forman
emulsiones más estables en comparación de las gotas más grandes dado que
tienen una mayor probabilidad a la agregación y coalescencia. Además, las
gotas dispersas aumentarán su tamaño en relación al número de colisiones,
siendo un factor determinante la distribución de estas y el tiempo de
residencia.
Viscosidad de las emulsiones La viscosidad de las emulsiones puede ser
sustancialmente más alta que la viscosidad de ya sea el aceite o el agua. Esto
es debido a que las emulsiones muestran comportamientos no-Newtonianos
causados por el desplazamiento de la gota o viscosidad estructural. En ciertas
fracciones de volumen de la fase de agua (corte de agua), las emulsiones de
producción se comportan como adelgazantes por cizalla (o esfuerzo cortante),
o fluidos pseudo-plásticos; como la relación de la cizalla aumenta, sus
viscosidades disminuyen.
Una viscosidad elevada disminuye la frecuencia de colisiones entre los
glóbulos (gotas) dispersados y por tanto la energía de colisión, por lo que
resulta ser favorable a la estabilidad de la emulsión. Del mismo modo, puede
suceder que la viscosidad de la emulsión no sea superior a la de la fase
dispersa. La viscosidad aumenta con la concentración de la fase dispersa y
puede llegar a tener valores tales que el sistema se comporte como un sólido.
Para estos sistemas que dan, siguiendo la concentración, emulsiones aceite-
agua y agua-aceite la curva de viscosidad en función de la relación de
volúmenes podrá presentar un máximo en las cercanías del punto de
4. inversión.
Película interfacial. Las emulsiones son estabilizadas por películas que se
forman alrededor de las gotas de agua en la interface aceite/agua. Esas
películas se piensan que resultan desde la adsorción de moléculas polares de
alto peso molecular que son activas inter-facialmente (por ejemplo, exhiben
comportamiento como surfactante). La película interfacial se puede considerar
como una envoltura alrededor de cada fase dispersa, si esta tiene una
resistencia mecánica alta, será favorable la estabilidad de la emulsión. Debido
a las frecuentes colisiones de las gotas dispersas se presenta la coalescencia,
por tanto, la estabilidad de la emulsión estará en función de la resistencia
mecánica de la película interfacial. Esas películas mejoran la estabilidad de la
emulsión reduciendo el IFT e incrementando la viscosidad interfacial. Las
películas interfaciales altamente viscosas retardan la velocidad de drenaje de
las películas de aceite durante la coagulación de las gotas de agua porque
proveen una barrera mecánica a la coalescencia. Esto puede dirigir a una
reducción en la velocidad del rompimiento de la emulsión. Las características
de las películas interfaciales están en función del tipo del aceite crudo (por
ejemplo, asfáltico y paranínfico) de la composición y del pH del agua, de la
temperatura, la extensión en la cual la película adsorbida es comprimida, el
contacto o el tiempo de envejecimiento. Una buena correlación existe entre la
ocurrencia de la película interfacial incompresible y la estabilidad de la
emulsión.
Fracción Pesada en el Aceite Crudo
Es bien conocido que los emulsificantes (o estabilizadores) que ocurren de
una manera natural son concentrados en el punto de ebullición más alto, de la
fracción polar del aceite crudo. Estos incluyen asfáltenos, resinas, ácidos
orgánicos solubles en aceite (por ejemplo, ácidos nafténicos y carboxílicos) y
5. bases. Estos compuestos son los principales constituyentes de las películas
inter-faciales que rodean las gotas de agua que dan a las emulsiones su
estabilidad. El material altamente asfalténico estabiliza las emulsiones
continuas-en-aceite. Los asfáltenos residen en la interfase aceite/agua debido
a sus propiedades de superficie activa. La acumulación de asfáltenos en la
interface da como resultado la formación de una película rígida. Cuando dicha
película es formada, ésta actúa como una barrera a la coalescencia de la gota.
El estado de los asfáltenos en el aceite crudo también tiene un efecto sobre
sus propiedades estabilizantes de la emulsión.
Mientras que los asfáltenos estabilizarán las emulsiones cuando ellos
están presentes en estado coloidal (no se han floculado), existe fuerte
evidencia que sus propiedades estabilizantes de la emulsión son
significativamente mejoradas cuando ellos son precipitados desde el aceite
crudo y están presentes en la fase sólida. Las resinas son compuestos con
alto peso molecular que son no solubles en etilacetato, pero son solubles en
n-heptano. Expertos creen que las resinas tienen una tendencia de asociación
con los asfáltenos, formando micelas y, por ende, estabilizando la emulsión.
Sólidos. Las partículas sólidas-finas presentes en el aceite crudo, actúan
como agentes surfactantes estabilizando la emulsión, esta acción es
dependiente de factores como el tamaño de partícula, las interacciones de las
inter-partículas, y de la humectabilidad de los sólidos. Las partículas sólidas
estabilizan las emulsiones por difusión de la interface aceite/agua donde ellas
forman películas rígidas que pueden inhibir la coalescencia de las gotas de la
emulsión. Las partículas deben ser mucho más pequeñas que el tamaño de
las gotas de la emulsión para actuar como estabilizadores de la emulsión.
Temperatura.
La temperatura afecta las propiedades físicas del aceite, el agua, las películas
6. interfaciales y las solubilidades de los surfactantes en las fases aceite y agua.
Sin embargo, el efecto más importante radica en la variación de la viscosidad
en la emulsión, que disminuye con el incremento de la temperatura. Esta
disminución es principalmente causada por una disminución en la viscosidad
del aceite. La temperatura aumenta la energía térmica de las gotas de la fase
dispersa, la energía cinética generada con esto produce una colisión entre las
gotas, aumentando su tamaño. También reduce la viscosidad inter-facial y
resulta en una velocidad más rápida del drenaje de la película y mejora la
coalescencia de la gota. En consecuencia, la temperatura estabilidad de la
emulsión esta correlacionada inversamente con ella
PH. El pH de la fase acuosa tiene una fuerte influencia sobre la estabilidad de
la emulsión. La película interfacial que estabiliza la emulsión, contiene ácidos
y bases orgánicos, asfáltenos con grupos ionizables, y sólidos. El pH minimiza
la estabilidad de esta película e incrementa la tensión superficial. El pH
también influye en el tipo de la emulsión formada. El pH bajo (ácido
generalmente produce emulsiones W/O, un pH alto (básico) produce emulsión
O/W.
Composición de la salmuera La concentración de la salmuera es un factor
importante en la formación de emulsiones estables. Salmueras de baja
concentración favorecen la estabilidad de las emulsiones, mientras que las
salmueras de alta concentración desestabilizan la emulsión. La composición
de la salmuera también tiene un efecto importante (en relación al pH) sobre la
estabilidad de la emulsión. El pH óptimo (para la separación del agua) cambia
desde aproximadamente 10 para el agua destilada y entre 6 y 7 para la
solución de la salmuera. Esto es debido al efecto deionización (por ejemplo,
asociación/interacción de los iones presentes en la salmuera con los
asfáltenos). El estudio sugiere que la mayoría de los sistemas aceite-
crudo/salmuera, existe un intervalo de pH óptimo para el cual las películas
7. inter-faciales exhiben una mínima estabilización en la emulsión o máximas
propiedades de rompimiento de emulsión. El pH óptimo para máxima
estabilidad de la emulsión depende de ambos el aceite crudo y la composición
de la salmuera.
Envejecimiento de la emulsión La estabilidad de una emulsión esta
correlacionada con el tiempo de exposición de esta a los factores
desmulsificantes, el tiempo permite que los surfactantes migren a la interfase,
aumentado la rigidez de la película interfacial. Además, la cantidad de
desmulsificantes en el tiempo, se incrementa por oxidación, fotólisis,
evaporación o por la acción de bacterias.
Relación de volumen de fase. La relación de fases se entiende como la
proporción existente entre el volumen de la fase dispersa y el volumen de la
fase continua. Incrementando el volumen de la fase dispersa se incrementa el
número de gotas y/o el tamaño de gota, el área interfacial. La distancia de
separación también se reduce incrementando la velocidad y el número de
colisiones entre las gotas De esta manera, este factor influye
desfavorablemente en la estabilidad de una emulsión
Deshidratación del crudo
Una emulsión no es más que una mezcla de dos líquidos inmiscibles de
manera más o menos homogénea. Un líquido (la fase dispersa) es dispersado
en otro (la fase continua o fase dispersante). El agua y el petróleo son
esencialmente inmiscibles, por lo tanto, estos dos líquidos coexisten como dos
líquidos distintos dentro del yacimiento. Durante las operaciones de extracción
del petróleo, la mezcla bifásica de petróleo crudo y agua de formación se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 pie/día, lo que
es insuficiente para que se forme una emulsión. Sinembargo, al pasar por todo
8. el aparataje de producción durante el levantamiento y el transporte en
superficie (bombas, válvulas, codos, restricciones, entre otros.) se produce la
agitación suficiente para que el agua se disperse en el petróleo en forma de
emulsión W/O estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes
en el crudo.
La deshidratación de crudos es el proceso mediante el cual se separa el
agua asociada con el crudo, ya sea en forma emulsionada o libre, hasta lograr
reducir su contenido a un porcentaje previamente especificado. Generalmente,
este porcentaje es igual o inferior al 1 % de agua. La finalidad de estos
sistemas es disminuir los costos asociados a los procesos de separación y
refinación que deben llevarse a cabo cuando se manipula crudo emulsionado
con agua.
Sistemas de tratamiento de crudos livianos
Dependiendo del tipo de aceite y de la disponibilidad de recursos se
combinan cualquiera de los siguientes métodos típicos de deshidratación de
crudo: Químico, térmico, mecánico y eléctrico. En general, se usa una
combinación de los métodos térmicos y químicos con uno mecánico o eléctrico
para lograr la deshidratación efectiva de la emulsión W/O.
Químicos y reposo
Este método de tratamiento implica la combinación de la aplicación de
un producto desemulsionante sintético denominado en las áreas
operacionales de la industria petrolera como “química deshidratante” y un
sistema de separación estática conocidos como tanque de separación de agua
los cuales son utilizados para almacenar por breve tiempo la producción, lo
que permite darle al crudo el tiempo de reposo necesario para completar la
9. deshidratación, donde el agua sedimentada en el fondo del tanque es drenada.
Posteriormente el crudo deshidratado es enviado a los tanques de
almacenamiento.
Sistemas de tratamiento de crudos medianos
Para los crudos medianos y livianos, las emulsiones contienen típicamente de
5 a 20% volumen de agua, pero al ser los crudos medianos más viscosos que
los livianos, se requerirá mayor inversión de métodos y técnicas para romper
las emulsiones.
Químico y reposo
Este mismo método es el descrito para crudos livianos, es la
combinación de la aplicación de un producto desemulsionante sintético y el
sistema de separación estática (tanque de separación). La cantidad de
química deselmusionante y el tiempo de reposo tiende a ser mayor que en los
crudos livianos dependiendo de la efectividad del químico y de la estabilidad
de la emulsión.
Térmico y reposo
El tratamiento por calentamiento consiste en el calentamiento del crudo
mediante equipos de intercambio de calor, tales como calentadores de crudo
y hornos. La aplicación de este método reduce la viscosidad de la fase
continua: un incremento en la temperatura de 10 °F baja la viscosidad de la
emulsión por un factor de 2, incrementa el movimiento browniano y la colisión
de las gotas de agua para su coalescencia, incrementa la diferencia de
densidad entre la salmuera y el crudo, promueve una mejor distribución del
químico desemulsionante, disuelve las parafinas cristalizadas que le dan
10. estabilidad a las emulsiones, debilita la película de emulsionante que rodea a
las gotas de agua. Al combinar este método de tratamiento con el reposo en
tanques, se logra una mayor deshidratación de crudo, pero presenta las
siguientes desventajas.
a. Provoca la migración de los compuestos más volátiles del crudo hacia
la fase gas. Esta pérdida de livianos ocasiona una disminución de volumen del
crudo calentado y una disminución en su gravedad API.
b. Incrementa los costos de combustible.
c. Incrementa los riesgos en las instalaciones.
d. Requieren mayor instrumentación y control.
e. Causa depósitos de coke.
Térmico con tanque de lavado y reposo
Los tanques de lavado o comúnmente llamados “Gun Barrels”. Son recipientes
que usualmente operan con media parte de agua (colchón de agua) y la otra
parte lo cubre el petróleo. Su funcionamiento consiste en que la emulsión entra
al área de desgasificación, donde se produce la liberación del gas remanente
a través del sistema de venteo. Seguidamente, la fase líquida desciende por
el tubo desgasificador y entra a la zona del agua de lavado a través de un
distribuidor, que se encarga de esparcir la emulsión lo más finamente posible
a fin de aumentar el área de contacto entre el agua de lavado y la emulsión,
favoreciendo así la coalescencia de las partículas de agua. La emulsión fluye
a través del agua en el interior del tanque de lavado siguiendo la trayectoria
forzada por bafles internos que permiten incrementar el tiempo de residencia.
El petróleo por ser más liviano que la emulsión asciende pasando a formar
parte de la zona correspondiente al petróleo deshidrato.
Este proceso de deshidratación se ve afectado por altas velocidades de
flujo, exceso de gas, descensos en la temperatura del fluido y recuperación de
11. emulsiones envejecidas; por lo tanto, la eficiencia del mismo depende del
control total de estas variables. Tienen un tiempo de residencia entre 3 a 36
horas. Entre los equipos más utilizados por la industria petrolera se mencionan
los tanques de lavado de tipo helicoidal, los de tipo rasurado, concéntrico o
araña. Al combinar este método con la aplicación de un químico
desemulsionante y con la disminución de la viscosidad del crudo por efecto del
tratamiento térmico, la deshidratación del crudo alcanzará los estándares
requeridos
Sistema de desalación del crudo
El proceso de desalación consiste en la remoción de las pequeñas cantidades
de sales inorgánicas, que generalmente quedan disueltas en el agua
remanente, mediante la adición de una corriente de agua fresca (con bajo
contenido de sales) a la corriente de crudo deshidratado. Posteriormente, se
efectúa la separación de las fases agua y crudo, hasta alcanzar las
especificaciones requeridas de contenido de agua y sales en el crudo.
Las sales minerales están presentes en el crudo en diversas formas: como
cristales solubilizados en el agua emulsionada, productos de corrosión o
incrustación insolubles en agua y compuestos órganos metálicos como las
porfirinas. Después de la deshidratación o del rompimiento de la emulsión, el
petróleo crudo todavía contiene un pequeño porcentaje de agua remanente.
Los tratamientos típicos anteriormente mencionados (adición de
desemulsionante, calentamiento, sedimentación y tratamiento electrostático)
pueden reducir el porcentaje de agua del crudo a rangos de 0,2-1 % volumen.
El desalado en campo reduce la corrosión corriente aguas abajo (bombeo,
ductos, tanques de almacenamiento). Adicionalmente la salmuera producida
puede ser adecuadamente tratada para que no cause los daños mencionados
en los equipos y sea inyectada al yacimiento, resolviendo un problema
ambiental. En ausencia de cristales de sal sólidos, el contenido de sal en el
12. crudo deshidratado está directamente relacionado con el porcentaje de agua
y con la concentración de salinidad de la fase acuosa (en ppm de NaCl).
El desalado se realiza después del proceso de rompimiento de la emulsión en
deshidratadores electrostáticos y consiste de los siguientes pasos:
a) Adición de agua de dilución al crudo.
b) Mezclado del agua de dilución con el crudo.
c) Deshidratación (tratamiento de la emulsión) para separar el crudo y la
salmuera diluida.
Sistemas Utilizados
El desalado se realiza después del proceso de rompimiento de la emulsión
en deshidratadores electrostáticos y consiste de los siguientes pasos:
a) Adición de agua de dilución al crudo.
b) Mezclado del agua de dilución con el crudo.
c) Deshidratación (tratamiento de la emulsión) para separar el crudo y la
salmuera diluida.
Como se muestra en la figura el equipo convencional para el desalado incluye:
- Un equipo convencional de deshidratación (eliminador de agua libre,
calentador o unidad
electrostática).
- Una “tee” para inyectar el agua de dilución.
- Un mecanismo que mezcle adecuadamente el agua de dilución con el agua
y las sales del crudo.
- Un segundo tratador (tipo electrostático o tratador-calentador) para separar
nuevamente el crudo y la salmuera.
En base al desalado en una etapa, el requerimiento del agua de dilución es
usualmente de 5 a 7 % con respecto a la corriente de crudo. Sin embargo, si
13. el agua de dilución es escasa, el desalado en dos etapas reduce el
requerimiento del agua de dilución a 1-2 % con respecto a la corriente del
crudo.
Diagrama de Bloque del Proceso
