des Reologicas de Emulsiones de Petroleo en Agua

8/6/2019 des Reologicas de Emulsiones de Petroleo en Agua

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TECNOLOGA QUMICA Vol. XXIV, No. 1, 200426

?

ESTUDIO REOLGICO DE EMULSIONES DE PETRLEOCRUDO EN AGUA

Armando A. Daz Garca, Jos Falcn HernndezFacultad de Ingeniera Qumica, Universidad de Oriente.

El presente trabajo contiene los resultados del trabajo investigativo de la preparacin de

emulsiones directas de petrleo crudo cubano empleando productos de la pirlisis como agente

emulsionante. La caracterizacin reolgica de las emulsiones inmediatamente despus de su

preparacin y durante determinado tiempo de almacenamiento, es reportada, as como tambin se

establecen consideraciones sobre el transporte de estas emulsiones por tubera.

Palabras clave : reologa, emulsiones, petrleo._____________________

This paper includes results of the research works on the direct (O/W) emulsion preparations of the

Cuban crude petroleum, using pyrolysis products as emulsifier agent. Rheological characterization

of the emulsions, immediately after their preparation and inside of some storage time is informed,

so as some considerations about piping transport of these emulsions are reported.

Key words: rheology, emulsions, petroleum.

Introduccin

El petrleo crudo cubano de alta viscosidadpresenta muchas dificultades para su transporte ymanejo. Como va para reducir su viscosidadpuede recurrirse a los siguientes procedimientos:

- Calentamiento del petrleo.

- Mezclado con otros petrleos o fracciones destos de menor viscosidad.

- Preparacin de emulsiones acuosas directas.

Esta ltima alternativa constituye una va atrac-tiva para Cuba, donde no se cuenta con suficien-tes reservas de crudos ms ligeros, con los cualespuedan ser mezclados o de la refinacin de loscuales puedan obtenerse fracciones ligeras parasu transportacin. /21, 24/

Como es conocido /18-21/, las emulsionesacuosas de petrleo pueden ser utilizadas, tantoen la reduccin de viscosidad de la mezcla parafacilitar su transportacin y manejo, y para locual se precisa la conformacin de una emulsindirecta (O/W), como para incrementar la efectivi-dad de la combustin, en cuyo caso se requiere deuna emulsin inversa (W/O), con lo que se propi-cia el fenmeno de microexplosin de las gotas y,por tanto, el grado de atomizacin del combusti-

ble. Un factor de importancia principal de estas

emulsiones lo constituye su caracterizacinreolgica, pues la viscosidad y el modelo de flujose encuentran ntimamente ligados al tipo deemulsin, tamao de las gotas de la fase dispersa,tipo y estructura de los agentes emulsionantes,estabilidad de la emulsin y otras variables.

Investigaciones anteriores /18, 19/ estuvierondedicadas al estudio de las emulsiones de dife-rentes fracciones del petrleo, empleando agen-tes emulsionantes de productos de la pirlisis y lacaracterizacin reolgica de las mismas, siendolas emulsiones inversas el tipo principal de emul-sin formulada. Sin embargo, la caracterizacinreolgica de las emulsiones directas, espec-ficamente de petrleo crudo, ha sido poco estu-diada, as como tampoco se ha considerado la in-fluencia que de ello se deriva para su transportacin.

En el presente trabajo se expondrn los resul-tados obtenidos del estudio de la reologa deemulsiones directas de petrleo crudo cubanoempleando agentes emulsionantes de productosde la pirlisis seleccionados para su utilizacinen el transporte por tuberas de las emulsiones.

Emulsiones y sus caractersticas

Las emulsiones directas (de aceite en agua)

cuando se utilizan para combustibles de alta vis-


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cosidad se caracterizan, en primer trmino, poruna reduccin marcada en la viscosidad de la

emulsin respecto a la del combustible, debido aque el agua con menor viscosidad constituye lafase continua. Un resultado contrario se obtieneen las emulsiones inversas (de agua en aceite), loque se explica por la interferencia de las gotas deagua al desplazamiento del combustible, que re-sulta la fase continua.

En segundo trmino, y en correspondenciacon las caractersticas de las fases, las emulsionesinversas tienden a formar gotas esfricas, mien-tras que en las directas estas se tienden a deformar

cuando se concentran y la emulsin se estructuraen forma similar a los "panales de abejas",incrementndose la zona de paralelismo de lasinterfases y reducindose los huelgos ente ellas.

En esto ltimo, un efecto importante lo tiene ladisposicin y caractersticas de las molculas delos agentes emulsionantes adsorbidos en lainterfase. /9, 22/

Como resulta valedero para cualquier emul-sin su estabilidad se encuentra condicionada porlos fenmenos de floculacin y coagulacin /9,

19, 22/; sin embargo, la floculacin puedeincrementarse en las emulsiones directas debidoa la deformacin de las gotas de la fase dispersaque se hizo referencia anteriormente, eincrementndose el paralelismo de las superfi-cies interfaciales. Lo anterior hace que la visco-sidad se incremente en la zona floculada, princi-palmente por el incremento de la resistencia a la"evacuacin" del agua (fase continua), atrapadaentre las superficies interfaciales. Con la reduc-cin de la concentracin del agente emulsionan-

te, el distanciamiento entre estas superficies pue-de reducirse, lo que tambin puede verse reflejadoen incremento de la viscosidad. /25/

Los efectos anteriores se ven reflejados ade-ms, en la estabilizacin de las emulsiones duran-te su almacenamiento (y envejecimiento) /17/. Enla emulsin directa la separacin por floculacinocurre mas rpido que en la inversas y, por tanto,una cantidad de agua es separada en mayor volu-men y menos tiempo que las del combustible en laemulsin inversa, para condiciones de relaciones

de fases similares.

En la estabilidad de las emulsiones directas depetrleo crudo cubano con agentes emulsionantes

de productos de la pirlisis influyen los componen-tes de estos ltimos, los cuales a su vez se encuen-tran en dependencia del tipo de biomasa y procesode pirlisis utilizados para su obtencin /19, 20/. Elmtodo de preparacin, la concentracin del agenteemulsionante y otras variables del emulsionamientoinfluyen adems en esta caracterstica.

En el presente trabajo se brindan resultadosobtenidos con emulsiones de agua : petrleo de40 : 60 y de 30 : 70 y concentraciones del agenteemulsionante de 8 % respecto al agua (3,2 % y 2,4

% respecto a las emulsiones respectivamente).Las emulsiones fueron preparadas empleandodos tipos de agentes emulsionantes productos dela pirlisis atmosfrica de aserrn de madera conpH de 6,04 y 6,99 respectivamente.

Viscosidad de las emulsiones

La viscosidad es la propiedad fsica que estrelacionada directamente con la resistencia inter-na al flujo de un fluido o, lo que es decir, la

resistencia que ofrece un fluido al desplazamien-to uniforme de su masa. La misma es producidapor la fuerza de friccin interna entre las capasadyacentes del fluido en movimiento. Las fuerzasde friccin interna a su vez, son el resultado de lafuerza de cohesin y el intercambio de cantidadde movimiento entre las molculas del fluido.Como la viscosidad cambia rpidamente con latemperatura, un valor de sta no tiene significadoa menos que la temperatura est especificada.

Clasificacin de los fluidos no-newtonianos

La primera gran clasificacin agrupa a losfluidos en dos grandes grupos: los fluidos cuyascaractersticas reolgicas dependen del tiempo ylos que no dependen de ste.

Los fluidos no newtonianos, cuyos parmetrosreolgicos dependen del tiempo, son aqulloscuyas caractersticas dependen de las condicio-nes de los estados de deformacin a las cuales hasido sometido anteriormente el material y losindependientes del tiempo son aqullos cuyos

parmetros reolgicos son independientes del


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estado de deformacin a que ha sido sometido elmaterial y, por lo tanto, son constantes en el tiempo.

Fluidos independientes del tiempo

En la literatura especializada se pueden en-

contrar un sinnmero de clasificaciones basadasen los modelos matemticos que caracterizan la

relacin entre los esfuerzos cortantes y elgradiente de velocidad.

En forma de resumen se muestran los modelosreolgicos ms utilizados en nuestro pas.

Sin esfuerzo Ostwald de Waele

cortante inicialn

K =

Fluidos No Newtonianosindependientes del tiempo

Plsticos Bingham

Con esfuerzo p+= 0 cortante inicial

Herschel-BulkleynK += 0

Materiales y mtodos

En los ensayos fue utilizado petrleo crudocubano de una partida del yacimiento de PuertoEscondido y cuyas caractersticas principales re-sultaban las siguientes:

- oAPI 60/60 11,4

- viscosidad (cP ) 50 oC 1 061

- viscosidad ( cP ) 60 oC 612

- contenido de azufre ( % peso ) 6,62- Contenido de asfaltenos 17,37 %

Para la preparacin de las emulsiones se em-ple un agitador de laboratorio MechanikPrufgerate Medinger, con propela de dimetro4,5 cm y velocidad de rotacin regulable hasta 3400 r/min.

Para la medicin de la viscosidad se emple unviscosmetro Rheotest - 2.1, Zuzatzge triebe 10:1de vaso y cilindro.

La tcnica experimental utilizada en los ensa-yos fue la siguiente:

Las emulsiones fueron preparadas por el m-todo de agente en agua, agitando la mezcla ini-cialmente a baja velocidad e incrementandoposteriormente el nmero de revoluciones hastaalcanzar valores por encima de 2 000 r/min. Eltiempo de agitacin se fij entre 5 y 20 min.

Las emulsiones obtenidas fueron observadaspara comprobar que no estn rotas e inmediata-

mente se proceda a depositar la muestra en elcilindro del viscosmetro para realizar la determi-nacin de su comportamiento (curva de flujo)

Para este procedimiento, el material que sedeposita entre los dos cilindros, uno interior (rotoro de medicin) gira a una velocidad constante,mientras que el exterior (vaso) permanece esta-cionario. Para materiales con diferente fluidez seelige el juego de vaso y rotor conveniente y lamedicin se realiza seleccionando los puntospara diferentes gradientes de velocidad (Dr), don-


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de se mide el valor de el cual se relaciona conel esfuerzo cortante segn la ecuacin

= k

siendo k la constante del viscosmetro para elcilindro seleccionado.

Las mediciones en todos los casos se efectua-ron aumentando el gradiente velocidad hasta laposicin mxima y posteriormente disminuyen-do hasta la posicin minina.

Las emulsiones preparadas se depositaron en

un recipiente para efectuarles mediciones duran-te su envejecimiento. Para ello con tiempo dereposo de 1 d, las emulsiones se agitaban manual-mente hasta uniformarlas y se les repeta la deter-

minacin de la curva de flujo por el procedimien-to anteriormente explicado.

Resultados experimentales ydiscusin

Los resultados de las pruebas reolgicas lleva-das a cabo con el crudo cubano utilizado en lapreparacin de la emulsin, se muestran en latabla 1 (grfica). Como se observa el crudo resul-ta un fluido newtoniano de muy alta viscosidad,del orden de 78 Pas a 30 C, el que requiere dealto calentamiento para su transportacin. Esto

incrementa los riesgos durante la transportacin,si se tiene en cuenta que con la presencia de loscomponentes ligeros en el petrleo su punto deflasheo se puede encontrara por debajo de los 90 C.

Tabla 1Valores de la curva de flujo para el crudo a 30 C

N Dr(s-1) (Pa) (Pa) (Pas) (Pas)

1

2

3

4

5

9

14

24

43

72

9

15

25

43

72

0,60

1,08

1,80

3,24

5,40

53,73

83,58

143,28

256,71

429,84

53,73

89,55

149,25

256,71

429,84

89,55

77,39

79,60

79,23

79,60

88,55

82,92

92,92

79,23

79,60

La emulsin acuosa del petrleo y en particu-

lar, la emulsin directa, constituye una va paraeliminar este riesgo.

Las emulsiones directas con altos contenidos deagua resultan ms estables. Sin embargo, con ello seincrementa el volumen de flujo por transportar, loque encarece los costos de transportacin y dealmacenamiento y por este motivo resulta conve-niente trabajar con las relaciones agua/combustiblelo ms baja posible. El valor mximo de concentra-cin del combustible para emulsiones directas, yconsiderando esfricas las gotas de la fase dispersa,

es de 74 %. Por otro lado, las emulsiones con un alto

contenido de la fase dispersa presentan mayoresposibilidades de rotura e inversin. Fueron precisa-mente estas consideraciones las que condicionaronla eleccin del estudio de emulsiones con relacincombustible/agua de 70/30 y 60/40.

Para el estudio se seleccionaron agentesemulsionantes y concentracin en el agua que yase haban precisado en trabajos anteriores /20,21/ y que se corresponden con los productosobtenidos de la pirlisis de aserrn de madera (pHde 6,04 y 6,99).


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Discusin de los resultados

Anlisis de las curvas de flujo

Se prepararon dos emulsiones 60-40 (60 % decrudo y 40 % de emulgente ms agua) y una con8 % de emulgente, todas directas y estables,determinndose las curvas de flujo el mismo da,y a varios das despus de preparadas con vistasa estudiar su estabilidad reolgica.

Los resultados de las pruebas reolgicas lleva-das a cabo con el crudo cubano utilizado en laemulsin muestran que es un fluido newtoniano de

muy alta viscosidad, 78 Pas a 30 C de temperatura.Para el caso de las emulsiones se obtuvieron

curvas de flujo a la temperatura de 30 C, cuyocomportamiento indica un cambio estructural delmaterial que trae por consecuencias curvas deflujo muy complejas de correlacionar matemti-

camente, pero que a gradientes altos (los mayoresregistrados por el viscosmetro) del orden de los

200 s-1

pueden ajustarse a los modelos de Ostwaldde Waele o de Plsticos Bingham, no pudindosedeterminar la existencia de cambios estructuralespor encima de esos gradientes por no disponer deotros cilindros con los cuales llevar a cabo medi-ciones en otro intervalo de valores.

En las tres muestras de emulsiones estudiadasse corrobora lo antes expuesto por otros autoresen relacin con las curvas de flujo, en las figuras1 y 2 se muestran a manera de ejemplo algunasde las curvas de flujo obtenidas . Para la muestracon 60 % de crudo y 40 % de emulgente ms agua(60-40 ), la curva de flujo se ajusta al modeloOstwald de Waele para gradientes por encima de10 s-1 siendo el ndice de consistencia de 20,47Pas-n y el ndice de flujo 0,525, lo que indica quees un material de caractersticas seudoplsticas.

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500 600

Velocidad de deformacin

Esfuerzo cortante

Fig.1 Grfica de gradiente de velocidad contra esfuerzo cortante para el crudo,pH = 6,04 el mismo da emulgente 8 %.


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Para la muestra con 70 % de crudo y 30 % deemulgente ms agua (70-30), se observa un ma-yor nmero de cambios estructurales pudindoseajustar el modelo Ostwald de Waele paragradientes mayores de 60 s-1 siendo el ndice deconsistencia de 399,43 Pas-n y el ndice de flujode 0,358, de modo que son materiales mucho msviscosos y seudoplsticos que los anteriormentereferidos (60-40).

Para la muestra 60-40 la curva de flujos seajusta tambin al modelo de Ostwald de Waelepara gradientes por encima de 30 s-1 con ndice deconsistencia de 56,13 Pasn e ndice de flujo de0,372, lo cual muestra que es de menor viscosidadque la primera pero mucho ms seudoplsticas.

Las curvas de flujo de las emulsiones a los 2 dde mantenerse estacionarias sin agitacin mues-tran deformaciones estructurales muy peculiaresy no existe un verdadero intervalo de gradientesen los que podamos afirmar que la curva de flujose estabiliza de manera que pueda ajustarse a un

modelo reolgico que lo caracterice. No obstan-te, en todos los casos, para los mayores gradientesde velocidad se ajustaron al modelo reolgico deOstwald de Waele, obtenindose los resultadosque se muestran en las tablas y observndose entodos los casos que las emulsiones disminuyensensiblemente su ndice de consistencia y sundice de flujo se incrementa hasta llegar inclusoa ser materiales newtonianos, lo que indica quelas emulsiones estudiadas no son estables desdeel punto de vista reolgico.

El resultado del estudio de la histresis de lascurvas de flujo, para las muestras estudiadas elmismo da muestran materiales generalmentereopcticos con ndice de reopexia cercanos a 4 .

De forma general se puede afirmar que lasemulsiones estudiadas presentan una reopexia acen-tuada aunque en ocasiones se observ un compor-tamiento tixotrpico. Para los valores de gradienteselevados los ndices, tanto de reopexia como detixotropa, tienden a disminuir acentuadamente.

Fig. 2 Grfica de gradiente de velocidad contra esfuerzo cortantepara la emulsin 60-40, pH = 6,04 a 5 d, emulgente 8 %.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6

veloc. de deformacin

Esfuerzo

cortante


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N Dr (s-1) (Pa) (Pa) (Pa.s) (Pa.s) condiciones

1

2

3

4

5

6

7

8

9

3,50

5,90

10,10

14,00

15,50

12,00

10,00

8,00

4,50

3,00

6,00

11,00

15,00

15,00

11,00

9,00

7,50

4,00

1,200

2,160

3,600

6,480

10,800

19,440

32,400

58,300

97,200

20,895

35,223

60,297

83,580

92,535

71,640

59,700

47,760

26,865

17,910

35,820

65,670

89,550

89,550

65,670

53,730

44,775

23,880

17,41250

16,30690

16,74920

12,89810

8,58060

3,68518

1,84259

0,81921

0,27639

14,92500

16,58330

18,24170

13,81940

8,29167

3,37809

1,65833

0,76801

0,24568

pH =6,04 8 %

emul. 60-40

directa y estable

a 7 das

Tabla 2Ejemplo de valores experimentales y calculados para una emulsin 60-40 directa

y estable realizada el mismo dia

Tabla 3Valores de los coeficientes de las seudocurvas y curvas de flujo

para gradientes de velocidad por encima de 200 s-1

Emulsin t( das ) n /

60-40

pH = 6,04

- 0,372 53,890 52,130

2 0,191 46,790 44,890

5 1,004 0,301 0,301

7 0,470 2190,700 2020,800

60-40

pH = 6,99

- 0,523 20,990 20,470

2 0,277 19,890 19,160

6 0,925 0,436 0,434

70-30

pH = 6,04

- 0,358 413,120 0 399,430 0

2 1,401 0,018 9 0,019 2

3 1,077 0,160 0 0,160 5

7 1,592 0,062 0 0,064 1


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Conclusiones

Como resultado de este trabajo se llega a lassiguientes conclusiones:

1. El crudo cubano utilizado para las emulsiones

estudiadas es un material newtoniano alta-mente viscoso que presenta una viscosidad de780 Pas a 30 C.

2. Las emulsiones estudiadas son materiales nonewtonianos reolgicamente complejos cu-yas curvas resultan muy difciles de ajustar aun modelo determinado en todo el intervalo degradientes de velocidad analizados.

3. Las emulsiones pueden ajustarse al modeloreolgico de Ostwald de Waele en un interva-lo de gradientes de velocidad lo suficiente-

mente elevado que garantice que no se produz-can ms cambios estructurales en el material.

4. Las emulsiones presentan deformaciones es-tructurales que se manifiestan en los cambiosbruscos observados en las curvas de flujo,estos se hacen ms radicales en la medida quese incrementan los das en que se mantiene enreposo la emulsin.

5. Las emulsiones preparadas, aun cuando seobservan como materiales estables general-

mente disminuyen su viscosidad en funcin delos das de guardadas en reposo,

6. Las emulsiones estudiadas mostraron ndicesde tixotropa o reopexia elevados, lo cualdebe ser tenido en cuenta en futuros clculos

hidrulicos.7. No se recomienda la reutilizacin del agua de

las emulsiones en su preparacin aunque estodebe ser ms profundamente estudiado.

Nomenclatura y unidades

Dr Gradiente de velocidad newtoniano (s-1)

K ndice de consistencia de la curva de flujo(Pasn)

K' ndice de consistencia de la pseudocurva de flujo (Pasn)

n ndice de flujo de la curva de flujo.n' Pendiente logartmica de la pseudo curva

de flujo.

o

Gradiente de velocidad (s-1)

p

Viscosidad plstica.(Pas)

Viscosidad (Pas)

Esfuerzo cortante (Pa)

Tabla 4Valores puntuales del ndice tixotropa obtenidos para el crudo

N Dr (s-1) (Pa) (Pa)Coeficiente

de tixotropa

1

2

3

4

5

9

14

24

43

72

9

15

25

43

72

0,60

1,08

1,80

3,24

5,40

537,3

835,8

1432,8

2567,1

4298,4

537,3

895,5

1492,5

2567,1

4298,4

1,000

0,933

0,960

1,000

1,000


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Bibliografa

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