Petrolo

CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON

FACULDADE DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS - FACET

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

AMANDA FERNANDA MERCÊS SILVA

BLENDA FONSECA SOARES

DEBORAH DE OLIVEIRA CAMINHA

HELITA GRAZIELLE VALVERDE DE SOUZA

JULIANA XAVIER PIMENTA

LAYANE CRISTINE PEDRO DE FARIA

NATHALIA FONSECA

ESTUDO DA TECNOLOGIA DE MICROONDAS APLICADA NOS PROCESSOS DE DESSALGAÇÃO E HIDROREFINO DO PETRÓLEO

BELO HORIZONTE

2014

Amanda Fernanda Mercês da Silva

Blenda Fonseca Soares

Deborah de Oliveira Caminha

Helita Grazielle Valverde de Souza

Juliana Xavier Pimenta

Layane Cristine Pedro de Faria

Nathalia Fonseca

ESTUDO DA TECNOLOGIA DE MICROONDAS APLICADA NOS PROCESSOS DE DESSALGAÇÃO E HIDROREFINO DO PETRÓLEO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Química, da Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas, do Centro Universitário Newton, como requisito parcial da disciplina de Indústria de Petróleo, Gás e Biocombustíveis.

Orientador: Profº. Leonardo Alves da Costa.

BELO HORIZONTE

2014

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente à Deus, pela vida, familiares e amigos.

Aos nossos pais, pelo amor, incentivo е força.

Ao Centro Universitário Newton, pela oportunidade de fazer o curso e pela realização do sonho.

Ao professor Leonardo pelo empenho, orientação, apoio e confiança dedicados a elaboração deste trabalho.

Ao professor Lindomar Matias pelo apoio e disponibilidade.

Ao pesquisador Denisson Santos da Universidade de Tiradentes Departamento de Sistemas Coloidais que cedeu informações relacionadas ao estudo da técnica de irradiação por micro-ondas que se encontra em desenvolvimento.

À todos que de forma direta ou indireta fizeram parte da nossa formação, o nosso muito obrigado.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Espectro eletromagnético apresentado a região de comprimentos de ondas da radiação microondas

Figura 2 - Coalescência de gotas de água em óleo

Figura 3 - Reator Micro-ondas Synthos 3000 da Anton Paar

Figura 4 - Fluxograma experimental do processo

Figura 5 – Efeito da Temperatura sob eficiência de separação

Figura 6 - Efeito do tempo de aquecimento sob eficiência de separação

Figura 7 – Efeito da potência irradiada

Figura 8a - Efeito da sanilidade (a) P1 e b P2

Figura 8b - Efeito da sanilidade (a) P1 e b P2

LISTA DE TABELA

Tabela 1 - Parâmetros e resultados apresentados no estudo de WOLF sob o tratamento térmico convencional e o tratamento via microndas....

SUMÁRIO

1.1 TEMA 9

1.2 PROBLEMATIZAÇÃO 9

1.3 OBJETIVO GERAL 9

1.4 OBJETIVOS ESPECIFÍCOS 10

1.5 ANÁLISE DE SITUAÇÃO 10

1.6 JUSTIFICATIVA 10

1.7 CRONOGRAMA 10

2.1 PETRÓLEO 10

2.2 EMULSÕES DE ÓLEOS PESADOS 11

2.3 TECNOLOGIA DE MICROONDAS 14

2.4 APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA DE MICROONDAS NO TRATAMENTO DAS EMULSÕES 15

3. MATERIAIS E MÉTODOS 21

3.1 MATERIAIS 22

3.2 MÉTODOS 22

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 25

4.1 EFEITO DA TEMPERATURA 25

4.2 EFEITO DO TEMPO DE AQUECIMENTO 26

4.3 EFEITO DA POTÊNCIA IRRADIADA 26

4.4 EFEITO DA SANILIDADE 27

5. CONCLUSÃO 28

6. REFERÊNCIAS 29

1 INTRODUÇÃO

A maior parte das reservas de petróleo descobertas no Brasil nos últimos anos são reservas de óleos pesados, de alta viscosidade e elevada acidez (Fortuny, et al. 2008). Motivo este, que desperta interesse nas grandes empresas de refino do petróleo visando a necessidade de aprimoramento dos processos que viabilizem a comercialização do mesmo.

Dentre os maiores desafios para se atingir estes objetivos destacam-se a necessidade de dessalgação e hidrorefino. Nestas fases as emulsões de petróleo pesado passam por tratamentos físico-químicos onde o óleo é separado da água salgada. Ainda segundo Fortuny et al. (2008), são etapas essenciais no tratamento antes que o óleo passe pelo processo de destilação.

Porém, esses tratamentos muitas vezes são onerosos e contaminantes devido a grande utilização de produtos químicos, e ao processo em si. Assim, novas tecnologias estão sendo estudadas a fim de aprimorar o processo tornando-o mais eficiente a um menor custo benefício.

O presente trabalho apresenta uma nova alternativa à utilização de produtos químicos no processo: a irradiação por micro-ondas. Esta vem se mostrando mais seletiva e menos onerosa no processo de separação de emulsões de petróleo pesado sem comprometer a qualidade do produto final.

1.1 TEMA

Estudo da tecnologia de microondas aplicada nos processos de dessalgação e hidrorefino do petróleo.

1.2 PROBLEMATIZAÇÃO

O processo de refino tem a função básica de decompor o petróleo em diferentes subprodutos, como gasolina, diesel e querosene, para isso uma série de processos químicos é necessária. Para obter produtos de melhor qualidade os subprodutos podem passar por outras operações de refinamento, entretanto, o custo final do combustível torna-se mais elevado e posteriormente repassado ao consumidor. Assim, este trabalho busca responder o seguinte questionamento: “É possível modificar as operações unitárias no refinamento do petróleo visando produzir combustível de menor custo sem influir negativamente na qualidade do mesmo?”.

1.3 OBJETIVO GERAL

Promover uma revisão bibliográfica sobre a tecnologia de microondas aplicada nos processos de dessalgação e hidrorefino de petróleo, apresentando uma técnica capaz de modificar as operações unitárias no refinamento do petróleo visando produzir combustível de menor custo sem influir negativamente na qualidade do mesmo.

1.4 OBJETIVOS ESPECIFÍCOS

• Apresentar a tecnologia microondas, explicitando conceitos, mecanismos e aplicações desta técnica;

• Avaliar se a tecnologia microondas é menos onerosa e mais eficiente que os métodos convencionais;

• Exibir os principais desafios desta área de pesquisa.

1.5 ANÁLISE DE SITUAÇÃO

Existem diversas pesquisas relacionadas a aplicação da tecnologia microondas no processo de dessalgação e hidrorefino de petróleo. Assim, como fonte de pesquisa será utilizado artigos, dissertações, teses, e livros sobre o assunto.

1.6 JUSTIFICATIVA

Tendo em vista o crescimento da exploração de petróleo e consequentemente o aumento da demanda por produtos derivados do mesmo, a pesquisa apresenta uma evolução no tratamento de óleos pesados, apresentando uma alternativa eficiente de aprimoramento das tecnologias utilizada, pontuando melhor eficiência e menor custo.

1.7 CRONOGRAMA

2.1 PETRÓLEO

O petróleo bruto é uma mistura complexa de compostos orgânicos e inorgânicos onde os hidrocarbonetos são os compostos predominantes. A composição exata dessa mistura varia significativamente em função do seu reservatório de origem (MARIANO, 2001). Possui estado liquido quando em condições de temperatura e pressão constante (WINTER, 2007).

O petróleo bruto é aplicado, quase que apenas, em óleo combustível. Para que seja aproveitado o seu potencial enérgico, ele deve se submeter a uma série de processos para se transformar em diversos derivados (WINTER, 2007).

O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que em condições normais de pressão e temperatura se encontram em estado líquido. Devido a formações geológicas onde o petróleo se encontra acondicionado ele normalmente se apresenta associado a água, com grande quantidade de sais minerais, esses sais interferem diretamente na qualidade do produto, podendo determinar qual será suas utilidades e limitações.

2.2 EMULSÕES DE ÓLEOS PESADOS

Durante o processo de extração do petróleo é comum o surgimento de água salina (SANTOS, 2013), à medida que a pressão nas proximidades do poço vai diminuindo, a água, naturalmente presente ou injetada no reservatório, começa a invadir a camada de óleo, sendo co-produzida com o petróleo (PEREIRA, 2012). A emulsão de petróleo é uma dispersão de água com óleo que é classificada em três tipos: água em óleo (A/O); óleo em água (O/A) e múltipla. Na indústria petrolífera, o tipo mais encontrado é A/O, conhecido como emulsão regular. Elas são geradas no interior do poço a partir do momento em que o petróleo e a água são submetidos à agitação e cisalhamento, são formadas por pequenas gotas de água dispersas no petróleo (SANTOS, 2009).

A estabilização das emulsões de petróleo é conduzida pela formação de um filme interfacial em torno das gotas. As moléculas de emulsificante alinham-se na interface, dirigindo sua porção hidrofílica para a fase aquosa e sua porção lipofílica para a fase de óleo (LEMOS, 2009).

A estabilidade das emulsões de água em petróleo tem sido um dos maiores problemas na separação primária do petróleo (SANTOS, 2013). A desestabilização das emulsões é necessária para que haja a separação da água do petróleo, pois a água presente nas emulsões apresenta em sua composição sais inorgânicos, que poderá levar a formação de depósitos inorgânicos e a corrosão de equipamentos nas refinarias, principalmente nas torres de destilação e nas unidades de craqueamento catalítico, que utilizam temperaturas elevadas no processo. Logo se a água não for removida nas unidades de produção, a mesma será transportada junto com o petróleo, gerando um maior custo de transporte, além de favorecer corrosão dos dutos e tanques de armazenamento (SANTOS, 2009).

2.2.1 TÉCNICAS APLICADAS PARA O TRATAMENTO DE ÓLEOS PESADOS

As reservas de petróleo descobertas no Brasil, nos últimos anos, tem sido de óleos pesados. A produção e processamento desses óleos têm sido de alto interesse da Petrobrás, que vem investindo em programas de pesquisa e desenvolvimento e apontando desafios tecnológicos visando viabilizar a recuperação e a comercialização de óleos pesados (FORTUNY et al, 2008). As técnicas mais utilizadas para separação da água de óleos pesados são os processos de dessalgação e hidrorrefino.

2.2.1.1 PROCESSO DE DESSALGAÇÃO

Este processo visa reduzir a concentração de sais no petróleo antes do seu processamento nas unidades de destilação. Constitui uma operação indispensável que, em última análise, depende da separação das gotas de água por gravidade ou decantação. Para que as pequenas gotas de água se depositem, deve ocorrer coalescência de gotículas com formação de gotas suficientemente grandes, capazes de sedimentar com o auxílio da ação da gravidade, resultando na formação de uma camada líquida contínua, em um tempo razoavelmente curto. Para que a coalescência das pequenas gotas e o seu assentamento se processem mais fácil e rapidamente, estabelecem-se condições e empregam-se agentes capazes de favorecer a realização de tais objetivos. Essas condições variam desde o simples aquecimento, para diminuir a viscosidade do óleo, até o emprego de agentes químicos ou de aplicações de campos elétricos ou magnéticos, que promovem a coalescência das gotas de água salgada. Porém, as elevadas estabilidades das emulsões de óleos pesados assim como as altas viscosidades dificultam a separação da água emulsionada do óleo durante o processo de dessalgação, tornando deficientes os tratamentos empregados neste processo (FORTUNY et al, 2008).

2.2.1.2 PROCESSO DE HIDROREFINO

O processo de hidrorrefino consiste na mistura de frações de petróleo com hidrogênio na presença de um catalisador, sob condições de pressão e temperatura elevadas, para originar a transformação química do óleo. Ele permite um melhor aproveitamento de cargas pesadas, melhoria da qualidade do produto e proteção ambiental, através de remoção de poluentes potenciais como enxofre e nitrogênio. Esse processo vem ganhando importância no mundo inteiro e principalmente no Brasil, porém o investimento necessário para a construção de uma unidade industrial é alto (GOMES, 2007).

As unidades de hidrorrefino existentes apresentam limitações quanto à capacidade de processamento de óleos pesados, pois os mesmos são ricos em compostos de alto peso molecular e estruturas cíclicas, implicando em maior complexidade das operações de fracionamento e obtenção de derivados realizados nas unidades de hidrorrefino. Estes óleos exigem um maior numero de etapas incidindo em alto consumo energético e intensa geração de poluentes (FORTUNY et al, 2008).

2.3 TECNOLOGIA DE MICROONDAS

As micro-ondas são radiações eletromagnéticas não ionizantes nas bandas de frequência entre 0,3 e 300 GHz e comprimentos de onda variando entre 0,001 e 1m (ROUSSY e PEARCE, 1995). A Fig. 1 abaixo ilustra a faixa de micro-ondas no espectro eletromagnético, incluindo três bandas de frequências típicas: a frequência ultra alta (UHF – ultra high frequency: 300 MHz a 3 GHz), a frequência super alta (SHF – super high frequency: 3 GHz a 30 GHz) e a frequência extremamente alta (EHF – extremely high frequency: 30 GHz a 300 GHz) (LEMOS, 2009).

Fig. 1 – Espectro eletromagnético apresentado a região de comprimentos de ondas da radiação microondas (LEMOS, 2009, p. 02)

As energias correspondentes na faixa das micro-ondas aos fotóns são insuficientes para provocar a ruptura de ligações químicas e a consequente modificação da estrutura das moléculas tornando pouco provável ocorrer irradiação por micro-ondas (MEREDITH, 1988; BERLAN, 1995). O efeito que as micro-ondas ocasionam é baseado na reorganização das cargas das moléculas polares e dos íons livres de materiais dielétricos, induzida pelo campo elétrico das radiações.

2.3.1 MECANISMOS

O aquecimento por micro-ondas é também chamado de aquecimento dielétrico e existem dois mecanismos principais para a transformação de energia eletromagnética em calor. Em um dos mecanismos, é conhecido como condução iônica, há uma liberação de energia na forma de calor ocasionado através do atrito entre as cargas em movimento e as moléculas fazendo com que haja um aumento na temperatura do sistema.

O outro mecanismo é conhecido como rotação de dipolo relaciona-se o alinhamento das moléculas com o campo elétrico aplicado. Quando o campo é removido às moléculas voltam a um estado desordenado, e a energia que foi absorvida para esta orientação nestes dipolos é dissipada na forma de calor, ou seja, a energia é transformada em calor devido ao atrito dos dipolos com as moléculas vizinhas (KINGSTON, 1988; LEMOS, 2009; SANSEVERIANO, 2001).

A eficiência da conversão da energia micro-ondas em calor é, então, distinta para cada material e é medida através do fator dissipação. Esta propriedade dielétrica é definida pela razão entre a constante dielétrica e o fator de perdas, característicos de cada substâncias (FORTUNY et al, 2008).

Processos de separação via micro-ondas tem sido apresentados na literatura como alternativas eficientes para a separação de fases a partir de emulsões muito estáveis como no caso de petróleos pesados devido à presença de tensoativos naturais (FORTUNY et al, 2008).

2.4 APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA DE MICROONDAS NO TRATAMENTO DAS EMULSÕES

Para a desestabilização das emulsões de petróleos pesados, são exigidos condições mais severas que resultam em altos consumos energéticos. Desta forma, novos processos devem ser estudados e avaliados com o objetivo de promover a separação da água e óleos pesados de modo mais eficiente.

Devido à presença de tensoativos naturais, as emulsões destes óleos são bastante estáveis. Isto ocorre devido a estas espécies possuírem atividade interfacial com a capacidade de se adsorver na superfície das gotas de água formando um filme com rigidez e viscosidade suficientes para evitar a coalescência das gotas. Conforme Lemos (2009), a coalescência entre as gotas de água é geralmente promovida por três tratamentos: o eletrostático, o térmico e o químico.O tratamento eletrostático utiliza um campo elétrico para promover o fenômeno, enquanto no tratamento térmico o mesmo corre sob condições de altas temperaturas e pressões. Já no tratamento químico, existe a adição de agentes químicos capazes de se adsorver na superfície das gotas, provocando o deslocamento dos tensoativos naturais. Apesar de largamente utilizados, estes métodos tem sido pouco eficientes, sendo necessários tempos de processamento muito elevados e/ou a utilização de quantidades elevadas de produtos químicos.

Neste contexto, a irradiação por microondas representa uma alternativa promissora, pois possibilitam processos limpos, compactos e de menor consumo energético, além de permitir o aquecimento rápido e seletivo de sistemas contendo sais dissolvidos ou aquosos. O aquecimento de misturas empregando microondas fundamenta-se na movimentação de íons e de dipolos induzidos ou permanentes das moléculas, oriundo da interação entre a matéria e o campo elétrico da irradiação incidente. Movimentação essa que com o atrito produz calor. (LEMOS, 2009 FORTUNY et al., 2008).

Segundo Chan e Chen (2002), Pereira (2012) e Fortunyet. al (2008) as microondas interagem tanto com as moléculas de água e sais dissolvidos,quanto com os compostos polares existentes no óleo bruto (incluindo as resinas e os asfaltenos). Devido a estas interações, a radiação micro-ondas promove a agitação das moléculas e íons, causando um aumento instantâneo da temperatura do meio. Com a elevação da temperatura provocada pela radiação micro-ondas, ocorre a desestabilização das emulsões pelo enfraquecimento do filme interfacial e a coalescência das gotas de água da emulsão. A coalescência entre gotas de água com consequente redução do número de gotas e aumento do diâmetro á apresentada na fig. 2.

Fig. 2 – Coalescência de gotas de água em óleo. (LEMOS, 2009, p. 04)

Os mecanismos que favorecem a desestabilização de emulsões água em óleo via microondas são resultantes da interação das microondas com os componentes polares e os íons encontrados nas fases dispersa e contínua. Especificamente, as moléculas de água e os sais dissolvidos na fase aquosa apresentam grande capacidade de transformara energia microondas em calor. Por outro lado, o petróleo é majoritariamente composto por hidrocarbonetos de baixa polaridade à exceção das frações asfaltenos e resinas (FORTUNY et. al. 2008).

Fortuny et. al (2008) cita em seu trabalho que o primeiro estudo apresentado na literatura sobre aplicação de micro-ondas na separação de fases de emulsão de água em óleo foi o trabalho desenvolvido por Wolf (1986). Neste trabalho Wolf (1986) mostra estudos comparativos entre o tratamento de emulsões de petróleo via aquecimento convencional e o tratamento por radiação micro-ondas. Através destes estudos, observou se ao final dos ensaios que apenas as amostras submetidas à irradiação apresentaram formação de água livre. As condições experimentais usadas nos ensaios e os principais resultados se resume na tabela 1.

Tabela 1- Parâmetros e resultados apresentados no estudo de WOLF (1986).

Tratamento Térmico Convencional (banho térmico) Tratamento Térmico via Microondas

Teor de H2O na emulsão (%massa) Temp. atiginda durante os ensaios (oC) Tempo de duração dos ensaios (min) Agua livre formada Teor de H2O na emulsão (%massa) Temp. atiginda durante os ensaios (oC) Tempo de duração dos ensaios (min) Agua livre formada

30 60 30 não 30 60 20-30 sim

FANG et al. (1988) apresentaram testes de separação de emulsões de petróleo pesado realizados em forno micro-ondas convencional empregando tempos de irradiação inferiores a 20 minutos. Os resultados experimentais mostraram uma elevada eficiência das micro-ondas quando comparada com a eficiência dos testes realizados por aquecimento convencional.

Na patente de Nilsen et al.(2001) foi proposto um processo de separação para emulsões do tipo água em óleo via microondas baseado na escolha de frequências ótimas de irradiação. Neste a potência consumida no processo é minimizada e o tempo de exposição das amostras é inferior a 5 s, durante os quais a temperatura da emulsão aumenta em 10 ºC. Os autores ressaltam que a frequência ótima deve ser escolhida em função das condições experimentais, tais como tamanho das gotas de água, porcentagem de água na emulsão, temperatura e concentração de sal. E afirmam ainda que esta frequência deve garantir o aquecimento seletivo da água, evitando a interação das microondas com o óleo

Nos estudos de CHANG e CHEN (2002) a influência da adição de sais e ácidos inorgânicos solubilizados na fase aquosa sobre a eficiência da separação de emulsões água em óleo sob a ação das microondas foi o ponto principal da pesquisa. As emulsões utilizadas nestes estudos foram sintetizadas a partir de óleo querosene e óleo de tipo parafínico, monooleato de sorbitan como tensoativo e ácidos orgânicos (ácidos naftênicos, por exemplo) que auxiliaram na estabilização das gotas de água. Os testes foram conduzidos em forno microondas domésticos e os tempos de exposição às microondas foram de 15 segundos a potência constante. No trabalhos autores concluíram que a adição de baixas concentrações de eletrólitos e ácidos aumenta a velocidade de coalescência das gotas devido à maior interação das radiações com a fase dispersa em função da participação do mecanismo de condução iônica.

Recentemente, Nouret al.(2011) estudaram o uso da radiação microondas, em comparação ao aquecimento convencional, para a separação de emulsões sintéticas com o uso de desemulsificante. Conforme os resultados apresentados, foi observado que com a aplicação da radiação microondas, ocorreu uma maior redução na viscosidade das emulsões estudadas em comparação com o aquecimento convencional. Este fato foi atribuído à diferença entre os mecanismos de transferência de energia entre os dois processos, visto que a radiação microondas incide sobre moléculas e átomos, enquanto que o aquecimento convencional promove, primeiramente, o aquecimento da superfície e a transferência de energia ocorre gradualmente.

2.4.1 VANTAGENS

Embora os métodos utilizados atualmente tenham se mostrado eficientes, estes normalmente precisam ser adequados a cada tipo de emulsão de acordo com suas características, o que traz a eles certa restrição, pois cada petróleo possui uma propriedade diferente de acordo com suas condições de armazenagem e extração.

Um método alternativo e que vem apresentando vantagens em relação aos convencionais é a radiação por micro-ondas, devido a sua interação direta com o material que promove o rápido aquecimento e consequentemente a quebra das emulsões (PEREIRA, 2012).

Nour et al e Xia et al compararam processos de desestabilização de emulsões sintéticas pelo método convencional e pelo método de irradiação por micro-ondas, o método por micro-ondas apresentou maior viscosidade das emulsões estudadas em comparação ao aquecimento convencional, este fato foi atribuído ao mecanismo de transferência de calor das micro-ondas.

As principais vantagens da radiação micro-ondas são a alta velocidade de aquecimento das emulsões, como já citado acima, a alta seletividade do processo, devido ser um mecanismo de aquecimento a nível molecular, proporcionar maior solubilidade ao solvente, tornando assim mais fácil a separação e não necessitar de grandes equipamentos para sua aplicação.

Segundo Fortuny (2008), os efeitos produzidos pela irradiação apresentam várias faces e ainda não foram totalmente esclarecidos, porém os estudos apresentados já mostram vantagens interessantes para várias aplicações.

2.4.2 DESVANTAGENS

Por mais eficientes os testes, mesmo havendo o interesse industrial pela a tecnologia e havendo a necessidade de busca de processos mais eficazes e rápidos, a aplicação de microondas tem suas desvantagens. Diversos estudos em aplicações com aproveitamento de efeitos térmicos produzidos durante o processo de irradiação de microondas, em uso para fins tecnológicos está em estágio inicial de desenvolvimento.

Para aplicações em petróleo pesados, a tecnologia é essencial para fins de aquecimento rápido e seletivo. Porém há uma dúvida sobre a capacidade das microondas em acelerar reações químicas heterogêneas, em consequência de eventuais efeitos não térmicos, que resulta na alteração de propriedades termodinâmicas como energia livre de Gibbs, entropia e entalpia.

O entendimento dos efeitos produzidos pelas microondas depende do conhecimento das propriedades dielétricas dos materiais, ou seja, a capacidade do material absorver energia. Essas propriedades são: uso de sensores para acompanhamento da temperatura em diferentes pontos, bom nível de automação do equipamento utilizado e do uso de esquemas de amostragem. Uma das desvantagens da tecnologia de irradiação por microondas, é a confecção de equipamentos adequados sob condições controladas (frequência, potência de irradiação, temperatura e pressão). Isso é devido à falta de grandes empresas interessadas e especializadas na elaboração de equipamentos adequados em escala industrial.

2.4.3 DESAFIOS

Se preocupar com a produção de combustíveis a partir de novas tecnologias tem se tornado uma das principais idéias que estão sendo difundidas entre a sociedade contemporânea, uma vez que os combustíveis fósseis já são suficientemente reconhecidos como responsáveis por alterações globais nos sistemas de sustentação de vida e o tempo previsto para seu dano irreversível (VARGAS, 1996).

Com a necessidade de processos mais rápidos e equipamentos mais compactos para o refino de petróleo o interesse industrial pela tecnologia microondas tem aumentado nos últimos anos. Suas aplicações vêm sendo desenvolvidas a partir do aproveitamento dos efeitos térmicos produzidos durante a irradiação por microondas e em função do aquecimento seletivo de materiais. Com todo o conhecimento acumulado sobre fundamentos e princípios eletromagnéticos envolvidos, o uso das microondas para fins tecnológicos encontra-se ainda no estágio inicial de desenvolvimento. Devido à falta de empresas especializadas na elaboração de equipamentos adequados para irradiação de microondas para aplicações industriais esta nova tecnologia tem enfrentado obstáculos em seu avanço (LEMOS, 2009; FORTUNY et al., 2008).

Um dos principais desafios na área envolve a confecção de equipamentos adequados para irradiação de microondas sob condições controladas (freqüência, potência de irradiação, temperatura, pressão, etc.), considerando esquemas de medição de temperatura e coleta de amostras. Estes equipamentos podem ser úteis também na dissociação dos efeitos térmicos dos supostos efeitos não-térmicos, contribuindo assim para o avanço do conhecimento da tecnologia microondas e o desenvolvimento de novas aplicações (LEMOS, 2009; FORTUNY et al., 2008).

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 MATERIAIS

O estudo de caso em análise foi realizado conforme o experimento de Santos (2013). Neste foi utilizado como material petróleo de três tipos diferentes extraídos do litoral brasileiro, todos com características distintas em termos de viscosidade, acidez e densidade. Para facilitar a identificação os petróleos utilizados foram denominados P1, P2 e P3. As amostras de petróleo foram caracterizadas no laboratório da PETROBRAS/CENPES, já os testes de estabilidade e caracterização das propriedades das emulsões foram conduzidos no Núcleo de Estudos em Sistemas Coloidais (NUESC), sediado na Universidade Tiradentes (UNIT) (SANTOS, 2013).

Utilizou também o óleo mineral 70 NF BB-190 como diluente, para efeitos de diluição do petróleo e determinação do tamanho de gotas. O produto foi fornecido pela empresa Empresa IQ Soluções e Química S.A., sediada no Estado de São Paulo (SANTOS, 2013).

Os reagentes do processo foram Karl Fischer (5,00 mgH2O/mL), Álcool Metílico (99,8 % pureza) e Clorofórmio isento de piridina (99,8 % pureza) todos da marca VETEC, utilizados na preparação da solução para analise de teor de água (SANTOS, 2013).

3.2 MÉTODOS

Para início de analise foi realizado a síntese das emulsões de petróleo (A/O), sendo utilizado o homogeneizador da KINEMATICA modelo Polytron System PT 3100 D. Na etapa de determinação da distribuição do tamanho de gotas (DTG) obteve a caracterização da mesma com um analisador de tamanho de partícula da Malvern modelo Mastersizer 2000. A faixa de leitura do equipamento pode variar de 0,02 μm a 2000 μm dependendo do material utilizado (SANTOS,2013).

Para a determinação do teor de água nas amostras utilizou-se o método de titulação com reagente de Karl Fischer baseado na norma ASTM D1744. Os ensaios foram realizados por titulador potenciométrico da Metrohm, modelo Titrino plus 870 (SANTOS,2013).

Foram realizados ensaios de desestabilização de emulsões conduzidos em reator micro-ondas Synthos 3000 da Anton Paar, conforme mostra Fig. 3. Em todos os ensaios foram empregados 4 frascos de quartzo localizados nas posições 1, 3, 5 e 7 do reator. Todos os frascos foram preenchidos com uma massa de emulsão de 20 gramas, sendo avaliado unicamente o efeito das micro-ondas na separação (SANTOS,2013). O fluxograma experimental é observado na fig. 4.

Fig. 3 – Reator micro-ondas Synthos 3000 Anton Paar (a), frascos de quartzo (b) (SANTOS, 2013, p. 4)

Fig. 4 – Fluxograma Experimental (SANTOS, 2013, p. 04)

Na etapa de realização do procedimento experimental as emulsões preparadas foram sintetizadas no Núcleo de Estudos em Sistema Coloidais do Instituto de Tecnologia e Pesquisa, utilizando os petróleos P1, P2 e P3, água destilada e salmoura (conc. 150 g/l de NaCl). Para cisalhamento e dispersão da fase dispersa (água destilada e salmoura) na fase continua (petróleo) utilizou-se o homogenizador Ultra-Turrax T-25. As emulsões sintetizadas possuíam teor de água de 45% e diâmetro de gota médio menor que 12 μm. O diâmetro de gota foi fixado em valores abaixo de 12 μm visando à geração de emulsões altamente estáveis. As emulsões sintetizadas com a DTG fixada apresentam uma estabilidade bastante elevada, garantindo a não separação de fases com a emulsão em repouso. A pressurização dos frascos foi fixada em 20 bar, o tempo de aquecimento variando entre 10, 15, 20 e 30 min, massa dos reatores em torno de 20 g, e a temperatura analisada em 90, 120, 150 e 180 °C. A formação de água livre no processo de quebra via micro-ondas foi observada sem adição de agentes desemulsificantes. A eficiência de separação (ES) é calculada conforme Equação 1 (SANTOS,2013).

(1)

Onde: tAi - Teor água inicial; tAf - Teor água final.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os resultados apresentados neste trabalho foram extraídos do artigo “Tecnologia de Microondas aplicadas à desestabilização de emulsões de petróleo”, escrito por Wilson Linhares dos Santos em 2013. Por se tratar de nova tecnologia, ainda em pesquisa, foi necessário a utilização de um estudo de caso conforme o artigo citado acima. Visto também que os equipamentos necessários para realização deste experimento são de alto custo, nós não tivemos a oportunidade de reproduzir o experimento.

4.1 EFEITO DA TEMPERATURA

Para avaliação do efeito da temperatura sob tempo constante de 15 minutos, observou-se que a eficiência de separação (ES) aumentava com a temperatura, atingindo valores acima de 90 % na temperatura de 180 °C. Já para temperaturas inferiores a 120 °C a eficiência de separação foi baixa para todos os petróleos, conforme mostra a fig. 5.

Fig. 5 – Efeito da temperatura (SANTOS, 2013, p. 05)

4.2 EFEITO DO TEMPO DE AQUECIMENTO

Para avaliar a ES com incremento do tempo de aquecimento, foram conduzidos experimentos a temperatura de 150 °C para minimizar o consumo de energia. Atingiu-se ES de 96 % para os três petróleos, com o tempo de 30 minutos, conforme mostra a fig. 6.

Fig. 6 – Efeito do tempo de aquecimento (SANTOS, 2013, p. 06)

4.3 EFEITO DA POTÊNCIA IRRADIADA

Para os experimentos conduzidos com potência irradiada e variando o tempo de 10, 20 e 30 min, a ES para irradiação de 500 W atingiu 98, 96 e 90 % e para irradiação de 1000 W atingiu 99, 99 e 96 %, com o tempo de 30 min, respectivamente para os petróleos P1, P2 e P3, conforme mostra a fig. 7.

Fig. 7 – Efeito da potência irradiada (SANTOS, 2013, p. 06)

4.4 EFEITO DA SANILIDADE

Observa-se para as investigações feitas com os petróleos P1 e P2 que ambos tiveram o mesmo comportamento, ou seja, na fase dispersa em salmoura os resultados da eficiência foram menores se comparados com os experimentos onde a fase dispersa foi água destilada. Segundo Fortunyet al. (2007), a presença de salinidade na água leva a uma redução na energia de micro-ondas necessária para elevar a temperatura até o set-point, resultando em um aquecimento mais eficiente e sob menor potência, conforme mostra as figs. 8a e 8b.

Fig. 8a – Efeito da sanilidade (a) P1 e b P2 (SANTOS, 2013, p. 07 )

Fig. 8b – Efeito da sanilidade (a) P1 e b P2 (SANTOS, 2013, p. 07)

5. CONCLUSÃO

O interesse industrial de avanço na tecnologia de processamento do petróleo é evidenciado em grande parte dos artigos pesquisados. A necessidade por processos mais eficientes e equipamentos mais compactos, trás a tecnologia de irradiação por microondas grande visibilidade, apesar de algumas limitações diagnosticadas no processo. A principal barreira para desenvolvimento do processo está diretamente ligada a falta de empresas especializadas na produção destes equipamentos. Porém os testes feitos em fase de iniciação e pesquisa mostraram que o processo é eficiente quando executado sobre parâmetros específicos, que estão relacionados com as características de cada tipo de petróleo. Os testes ainda mostraram que a eficiência de separação das emulsões chegaram a alcançar 95% de aproveitamento nos três tipos de petróleo analisados, portanto, o processo de desemulsificação através de irradiação por microondas é uma alternativa promissora para a indústria petrolífera, tornando-se assim, importante o aprimoramento desta técnica juntamente com o investimento na construção de equipamentos aplicados a esse tipo de tecnologia.

6. REFERÊNCIAS

BERLAN, J.; Microwaves in chemistry: another way of heating reaction mixture, Radiat. Phys. Chem., 45(4), p. 581-589, 1995.

CHAN, C. C., Chen, Y. C., Demulsificaton of w/o emulsions by microwave radiation, Separation Science and Technology 37 (2002) 3407-3420.

CHANG, C. C.; CHEN, C., Sep. Sci. Technol., v.37 (15), p.3407, 2002 .

FANG, C. S.; CHANG, B. K. L.; LAI, P. M. C., Microwave demulsification, Chem. Eng.Comm., 73, p. 227-239, 1988.

FORTUNY, M.; RAMOS, A. L. D.; DARIVA, C.; EGUES, S. M. S.; SANTOS, A. F.; NELE, M.; COUTINHO, R. C. C. Principais aplicações das micro-ondas no Refino de Petróleo, Química Nova, 31, 6, p. 1553-1561, 2008.

KINGSTON, H. M.; Jassie, L. B., ed.; Introduction to Microwave Sample Preparation, ACS Professional Reference Book: Washington, D.C., 1988.

LEMOS, Rita de Cássia Bonfim. Estudo da desestabilização das emulsões de petróleo pelo uso de líquidos iônicos acoplado a tecnologia de micro-ondas. Dissertação de mestrado em Engenharia de Processos. Universidade Tiradentes. Aracajú, Sergipe, Brasil, 2009.

MARIANO, Jacqueline. Impactos Ambientais do Refino do Petróleo. Tese para obtenção de título de mestre em Ciências em Planejamento Energético. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2001.

MEREDITH, R.; Engineer’s Handbook of Industrial Microwave Heating, The Institution of Electrical Engineers, Herts, 1988.

NILSEN, P. J.; Kornfeldt, A.; Nygres, T.; Fdhila, R. B.; WO pat. 0,112,289, 2001 .

NOUR, A. H., Anisa, A. N. I., Nour, A. H., Demulsification of water-in-oil (w/o) emulsion via microwave irradiation: An optimization, Scientific Research and Essays (2011)231-243.

PEREIRA, Letícia Severo. Extração assistida por radiação micro-ondas para aremoção de água, sal e sedimentos de petróleo e posterior caracterização. Tese para título de Doutorado de Engenharia de Processos. Universidade Federal de Santa Maria. Santa Maria, RS, Brasil 2012.

ROUSSY, G.; PEARCE, J.A.; Foundations and Industrial Applications of Microwave and Radio Frequency Fields: Physical and Chemical Processes, John Wiley & Sons, Chiclester, England, 1995.

SANSEVERIANO, AntonioManzonillo.;Microondas em síntese orgânica, Química Nova, Vol. 25, No. 4, 660-667, 2001.

SANTOS, Maria de Fátima Pereira. Desenvolvimento de um processo de separação com o uso de radiação microondas para a caracterização de petróleo extrapesado. Tese para obtenção do titulo de Doutor em Química. Universidade de Santa Maria. Santa Maria, 2009.

SANTOS, Wilson. Tecnologia de micro-ondas aplicada à desestabilização de emulsões de petróleo. XXXIII Encontro Nacional de Engenharia de Produção. Salvador, 2013.

VARGAS, José Israel. Energia como fator limite para o desenvolvimento sustentável. 1996. 14 f. Universidade de São Paulo, São Paulo, 1996. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-40141996000200016&lang=pt>. Acesso em: 29 out. 2014.

WINTER, Alessandra. Caracterização de frações ultra pesadas de petróleo nacional por meio do processo de destilação molecular. Dissertação de mestrado em Engenharia Química. Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2007.

WOLF, N. O., Use of Microwave radiation in separating emulsions and dispersions of hydrocarbons and water. Patente US pat. 4,582,629, 1986.

XIA L., Lu, S., Cao, G., Stability and demulsification of emulsions stabilized by asphaltenes or resins, Journal of Colloid and Interface Science, 271, p 504-506, 2004.