Tratamento de óleo

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Processamento primário de petróleo
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Tratamento de óleo
Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014
Tratamento de óleo
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• Durante o processo de produção, a energia cisalhante presente na
formação da emulsão é resultado do escoamento dos fluidos
através da tubulação, manifolds e bombas, e pelo diferencial de
pressão em chokes e demais válvulas.
• Quanto maior a energia cisalhante envolvida, menor será o
tamanho das gotas. Emulsões com gotas de pequeno tamanho são
usualmente mais estáveis e difíceis de separar.
• Nas emulsões de petróleo o teor de água emulsionada pode atingir
valores da ordem de 60%v/v. Enquanto que nas águas oleosas o
teor de óleo emulsionado pode atingir valores de até 1%v/v.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Tratamento de óleo
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No segmento de E&P, a presença de emulsões (A/O) afeta a
capacidade de produção, escoamento e processamento dos sistemas,
causando:
• Perda de carga adicional com redução da produção (BCS, gas-lift,
surgência);
• Redução da capacidade de escoamento nas linhas de transferência
(off loading);
• Aumento da temperatura de processamento e do tempo de
residência nos separadores.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Tratamento de óleo
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No segmento de REFINO, a presença de sais devido a presença de
emulsões causa:
• Envenenamento de catalizadores;
• Corrosão nos equipamentos de refino;
• Perda de qualidade dos produtos refinados.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Se as emulsões são sistemas instáveis por que o 
processo natural de quebra é tão lento?
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PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
+
Diâmetro = 1,0 mm
Volume = 0,5 mm3
Área superf. = 3,1 mm2
Diâmetro = 1,3 mm
Volume = 1,1 mm3
Área superf. = 5,0 mm2
Volume total constante!
Área superficial reduzida em
20% em relação a original!
Fatores para a estabilidade das emulsões
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• Agentes emulsificantes;
• Repulsão elétrica;
• Impedimento estérico;
• Filmes interfacial e intersticial.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Agentes emulsificantes
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• Parafinas abaixo da TIAC;
• Ácidos naftênicos;
• Resinas e asfaltenos;
• Produtos de Corrosão (ex. FeS);
• Produtos de Incrustação (ex. CaSO4);
• Finos (areia, carbornatos,…);
• Produtos inibidores de corrosão.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Adsorção na interface das gotas
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PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
Agentes emulsificantes na superfície da gotícula de água.
Agentes emulsificantes
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• Asfaltenos:
São compostos com alto peso molecular (>2000 g/gmol) com anéis
aromáticos condensados e cadeias alifáticas. Metais e heteroátomos
podem estar presentes. Apresentam baixa atuação sobre a tensão
interfacial, mas são capazes de blindar a superfície das gotas.
• Resinas:
São similares aos asfaltenos, apresentando menor peso molecular (<
2000 g/gmol). Estão presentes no petróleo em pequenas quantidades
e são mais polares que os asfaltenos. Apresentam baixa atuação sobre
a tensão interfacial. No entanto, por sua afinidade com os asfaltenos
auxiliam na fixação desses últimos na superfície das gotas,
aumentando a estabilidade das emulsões.
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Agentes emulsificantes
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• Parafinas:
Composto saturado de alto peso molecular (geralmente > C20) que
precipita do petróleo abaixo de uma dada temperatura (TIAC).
Em temperaturas abaixo da TIAC, a presença de parafinas tem um
efeito determinante sobre a estabilidade das emulsões de petróleo
devido a formação de redes cristalinas no interior do filme intersticial
que separam as gotas.
• Ácidos naftênicos:
São ácidos carboxílicos de médio peso molecular (< 400g/gmol) com
propriedades anfifílicas. Ou seja, tem elevada afinidade pela
interface óleo-água sendo os principais responsáveis pela redução da
tensão interfacial, geração e estabilização das emulsões de petróleo.
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Repulsão elétrica
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Cargas elétricas se formam na superfície das gotas na presença de
eletrólitos inorgânicos (ex. NaCl) ou pela adsorção de um tensoativo
iônico.
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Repulsão elétrica
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A presença de sólidos ou tensoativos com cadeias longas nas emulsões
de A/O dificultam a aproximação das gotas promovendo a sua
estabilização por repulsão estérica.
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Filme interfacial
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A tensão do filme interfacial entre a água e o óleo é um dos fatores
primários na formação de emulsões e está relacionada ao tipo e à
quantidade de moléculas adsorvidas na interface água-óleo;
O envelhecimento da emulsão favorece a formação de um filme
altamente viscoso e rígido na interface água-óleo promovendo uma
barreira mecânica para a coalescência das gotas.
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Gota
Filme interfacial
Filme intersticial
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Com a aproximação das gotas ocorre a deformação dos filmes
interfaciais criando superfícies paralelas que facilitam a drenagem do
filme intersticial por efeito da capilaridade.
No entanto, como essa deformação gera o aumento de área
superficial deve existir uma força externa capaz de mantê-la até que
toda a etapa de drenagem seja concluída, levando a coalescência das
gotas.
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Desidrataçã do petróleo
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PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
Localização da desidratação no fluxograma de processo.
FPSO P-37
O
O
A
Poços
Produtores
A
O
Descarte
Gás Lift
Gás Comb.
Gasoduto
p/ P26 (8")
Separador
A T. O.
A
Sep. Atm.
(Surge)
Separador
Teste
Separador
B T. O.
B
Gás
Sep.
Aquecedor
Aquecedor
GLICOL
Desgaseif.
Caisson
Slop
A O
G
A O
A O
G
G
D
es
ae
ra
do
ra
Água
Resfriam.
4 Bombas
CaptaçãoGás Comb.
Biocida
MAR
Poços
Injetores
Vent
Vent
HC
HC
HC
HC
HC
TC
TC
A
G
G
O
URV
G
Flare
Gás
Óleo
Água Injeção
Água Oleosa
LEGENDA
Filtros
4 Bombas
Booster
4 Bombas
Principais
2
2
1
1
1
1
1
1
pré-Aq. o/o
Aquecedor
pré-Aq. o/o
Navios 
Aliviadores
Bombas
Offloading
Tanques
de carga
Gasoduto
p/ P40 (9,2")
Sep. Atm.
(Surge)
O
3 Boosters
Medição
3 Boosters
Medição
Tanques
Slop
O
pré-Aq. o/o
O
pré-Aq. o/o
Desidratação do petróleo
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A água presente no petróleo produzido pode estar em várias formas.
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Água emulsionada
Água dissolvida
Água livre
Amostra
de petróleo
Fase 
oleosa
Fase 
aquosa
Desidratação do petróleo
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• Água livre:
A água livre é composta tanto pela fração de água sob a forma
contínua quanto pela fração de água dispersa no petróleo sob a forma
de dispersões grosseiras com tamanho de gotas acima de 1.000
micrometros.
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óleo
água
Desidratação do petróleo
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• Água emulsionada:
A água emulsionada é composta pela água dispersa na fase oleosa
sob a formade gotas com diâmetro abaixo de 1.000 micrometros. Os
separadores gravitacionais são dimensionados para capturar as gotas
acima de 100 micrometros.
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Desidratação do petróleo
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• Água dissolvida:
A água dissolvida representa a fração solubilizada no petróleo a uma
dada condição de temperatura e pressão. Tem grande relevância no
processamento de petróleos pesados sob elevadas temperaturas.
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Desidratação do petróleo
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Mecanismos de desidratação:
• Coagulação  Aproximação das gotas;
• Floculação  Formação de aglomerados;
• Sedimentação  Decantação das gotas pela ação da força
gravitacional;
• Coalescência  As gotas formam gotas maiores.
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Desidratação do petróleo
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Como podemos desestabilizar as emulsões e aumentar a taxa de
sedimentação?
• Aumento da temperatura;
• Adição de produto desemulsificante;
• Adição de água;
• Emprego de campo eletrostático.
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Desidratação do petróleo
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Benefícios do aumento da temperatura:
• Reduz a viscosidade da fase externa (óleo);
• Eleva a taxa de colisão gota-gota por aumento do movimento
Browniano das gotas;
• Solubiliza as parafinas e parte dos tensoativos naturais adsorvidos
na interface óleo-água;
• Reduz a rigidez do filme interfacial;
• Favorece a difusão e a ação do agente desemulsificante.
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Desidratação do petróleo
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Desvantagens do aumento da temperatura:
• Aumento do gasto com energia;
• Perda de constituintes leves;
• Aumento da densidade do óleo;
• Aumento dos gastos com manutenção;
• Aumento do processo de corrosão;
• Aumento do risco operacional.
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Desidratação do petróleo
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Benefícios do uso de desemulsificante:
• A adição de desemulsificante (30-70 ppm), promove a
desestabilização da emulsão a partir do mecanismo de
deslocamento dos tensoativos naturais inicialmente adsorvidos na
interface óleo-água.
• Tipos de desemulsificantes mais empregados: éster poliglicólico
(condensados de EO/PO), sulfonatos, óleos e ésteres
polimerizados, alcano-aminas e derivados de poliamina. A maioria
dos produtos comerciais são formados por misturas destes
compostos.
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Adsorção na interface das gotas
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PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
Mecanismo de atuação do desemulsificante.
Deslocamento dos
tensoativos naturais
Coalescência entre as
gotas é acelerada
Aumenta a velocidade
de sedimentação
Desidratação do petróleo
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Atuação do desemulsificante:
• O desemulsificante reduz a tensão interfacial A/O. Contudo não são
capazes de manter a estabilidade do filme interfacial;
• O aquecimento favorece a ação do produto desemulsificante porque
reduz a viscosidade facilitando a difusão e adsorção no filme
interfacial;
• A turbulência, quando controlada, facilita a difusão do
desemulsificante, aumenta a probabilidade e a intensidade de
choque das gotas.
• Dosagens muito elevadas de desemulsificante podem dificultar o
tratamento da água oleosa separada.
• O quanto antes o desemulsificante for adicionado, mais fácil será a
quebra da emulsão, pois evita o envelhecimento da mesma.
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Desidratação do petróleo
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Adição de água:
• A adição de água de lavagem favorece a coalescência da emulsão.
Seja devido a diferença de pressão interna entre as gotas, seja pela
migração de parte das moléculas tensoativas, inicialmente
adsorvidas na superfície das gotas da emulsão, para as gotas da
água de lavagem adicionada;
• Quando as emulsões superam o limite de incorporação de água, as
emulsões geradas tornam-se muito instáveis;
• O processo de lavagem é mais eficiente quando a água encontra-se
previamente aquecida e a emulsão previamente dosada com
desemulsificante.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Emprego do campo elétrico
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As gotas tornam-se polarizadas e
tendem a se alinhar com a linhas
do campo elétrico. A atração
elétrica aproxima as gotas e
causa a coalescência. Esse tipo
de mecanismo pode ser
observado quando o teor de
água na emulsão supera 5% v/v.
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Desidratação do petróleo – Emprego do campo elétrico
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As gotas sofrem indução de carga elétrica. Sob tensão AC, as gotas
pequenas vibram a distâncias maiores que as gotas grandes
promovendo a coalescência. Sob tensão DC, as gotas se concentram
nos eletrodos formando gotas cada vez maiores até que sedimentam
pela ação da gravidade.
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Existem basicamente dois tipos de campo elétrico:
• Corrente alternada (AC)
• Corrente contínua (DC)
Contudo diferentes combinações e geometrias podem ser utilizadas
inclusive com variação de frequência.
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Comportamento das gotas no campo AC:
O movimento de alongamento das gotas durante o processo de
polarização facilita o deslocamento dos agentes estabilizantes
adsorvidos na superfície das gotas. Atração entre os polos contrários
das gotas polarizadas promovem a coalescência.
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Antes da ação 
do Campo
Depois da ação 
do Campo
+ - + - Atração por dipolo
Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Vantagens do campo elétrico AC:
• Atração dipolar;
• Alongamento da superfície das gotas;
• Boa tolerância a concentração de água (< 20% v/v).
Limitações:
• Movimento das gotas é limitado reduzindo a probabilidade de
choque entre gotas
• Baixa densidade de carga
• O valor do gradiente crítico é relativamente baixo (5,5 kV/pol.)
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Tratadores do tipo AC.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Tipos de tratadores AC em relação a forma de admissão da carga e número 
de eletrodos
Alta velocidade
Cyelectric
Baixa velocidade
Convencional
Alta velocidade
Bielectric
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Tratador AC Kvaerner - Fluxo horizontal
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Comportamento das gotas no campo DC.
+ -
Fluxo
vertical
Gota 
de 
água
Eletrodos
-
+
+
-
- +
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Coalescência das gotas no campo DC.
+ -
- + - +
+ -
Fluxo
vertical
Desidrataçãodo petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Vantagens do campo DC:
• Atração dipolar;
• Alongamento da superfície das gotas;
• Maior movimentação das gotas aumentando a probabilidade de
choques;
• Uso de campo elétrico de maior intensidade.
Limitações:
• Risco de corrosão eletrolítica
• Menor tolerância a elevada concentração de água
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Uso combinado de corrente AC e DC (Tecnologia Dual Polarity - Natco).
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Uso combinado de corrente AC e DC (Tecnologia Dual Polarity - Natco).
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
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Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Configuração de montagem dos eletrodos.
Zona condutora
Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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Uso combinado de corrente AC e DC permite associar as vantagens do
campo AC e do campo DC:
• Menor tolerância a elevada concentração de água;
• Polarização das gotas como no campo AC;
• Vibração das gotas como no campo AC;
• Maior tolerância à água do que o campo DC;
• Maior movimentação das gotas que o campo AC;
• Maior densidade de carga que o campo AC;
• Menor corrosão eletrolítica que o campo DC.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014
Desidratação do petróleo – Tratadores eletrostáticos
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• Considerações finais:
O teor de água no petróleo a ser tratado determina o tipo de tratador
a ser selecionado.
Tratadores tipo alta velocidade são muito sensíveis a teores elevados
de água sendo usualmente vetados para uso offshore, especialmente
em unidades flutuantes (BS&W < 10%, sem bolsões de água livre).
Apesar da tecnologia AC/DC ser, a princípio, mais eficiente, ela
apresenta uma manutenção mais cara e especializada do que a
tecnologia AC.
PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO
Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014
Tratamento de óleo
—
FIM
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