Deposição Eletrocinética de Asfaltenos Estudados Sob Condições Dinâmicas

Tradução: Paulo Rodrigues

Asfaltenos representam a fracção mais pesada do petróleo cru, e sabe-se que se precipitam quando o petróleo é adicionado a solventes alifáticos tais como n-pentano ou n-heptano e ainda permanecem solúvel em solventes aromáticos leves tais como benzeno ou tolueno (Gawrys et al., 2006 Borton et al., 2010). Eles são caracterizados por estruturas altamente complexas que contêm múltiplos anéis aromáticos e têm um grande conteúdo de heteroátomo (por exemplo, nitrogênio, oxigênio e enxofre) e conteúdo de metal (por exemplo, vanádio e níquel) (Yarranton 2000; Hashmi e Firoozabadi 2012).

Asfaltenos tendem a se auto-associar a um nível molecular, dependendo da composição, temperatura e pressão do sistema. A precipitação das partículas fora da solução resulta em floculação, onde elas começam a se depositar em superfícies hidrofóbicas, como tubos metálicos e equipamentos de superfície usados para a produção e transporte de óleos brutos, Figura 1, (Khvostichenko e Andersen 2009). Estas tendências resultam em fluxo reduzido ou bloqueio completo de poços produtores e equipamentos de superfície, incluindo bombas, tubulações e separadores.

Figura 1 - Depósito de asfaltenos em tubos de produção.

Atualmente, os únicos métodos de tratamento são através do uso de dispersantes químicos e inibidores, que aumentam a estabilidade dos asfaltenos para evitar a deposição. Uma vez que a deposição de asfalteno tenha ocorrido, a utilização de um "pig" através da tubulação é muitas vezes o método utilizado para raspar os sólidos que se acumulam nas paredes do tubo. Sabe-se que as moléculas de asfalteno podem ser polarizadas, ganhando uma carga elétrica através da introdução de um campo eletrostático (Hashmi e Firoozabadi 2012, Khvostichenko e Andersen 2009, Hosseini et al., 2016). A polaridade das partículas de asfalteno está diretamente relacionada ao seu teor de heteroátomos, logo um maior conteúdo de heteroátomos proporciona maiores níveis de polaridade e uma maior taxa de agregação (Hosseini et al., 2016).

Dispositivo Experimental

Nosso objetivo final é construir um dispositivo, Figura 2(a) abaixo,  que remova os asfaltenos do petróleo perto do ponto de produção, utilizando eletrocinética. Logo, foi fabricado um dispositivo de menor escala e testado, Figura 2(b), utilizando uma amostra de óleo para comprovar o conceito e estudar alguns dos parâmetros que influenciariam a concepção de um dispositivo de maior escala.

Uma câmara anular foi construída onde a amostra de óleo fluía através do espaço anular, enquanto era aplicada uma alta tensão para criar um campo eletrostático para que a eletrodeposição de asfaltenos, em condições dinâmicas, pudesse ser investigada. Um anular de cobre foi utilizado como um par de eletrodos com uma fonte de alimentação de alta tensão, e a amostra de óleo foi alimentado por gravidade (sob diferentes taxas de fluxo) através do anular energizado. Foram adicionados asfaltenos (2% em peso) à amostra de óleo, uma mistura 30:70 de heptano e tolueno em volume, denominada "heptol-70".

Figura 2 - (a) Representação do artista de um protótipo de dispositivo que remove asfaltenos do petróleo perto do ponto de produção utilizando força eletrocinética. (B) Um esquema da configuração experimental que foi usada para provar o conceito. O anular energizado era composto por dois tubos de cobre e foi alimentado por gravidade o heptol-70 a partir de um tanque elevado que foi, antes, agitado para assegurar uma distribuição uniforme de asfaltenos no óleo. Utilizou-se um “lençol” de nitrogênio para minimizar a volatilização do heptol-70 por fatores de segurança. Fonte: Departamento de Engenharia de Petróleo, Universidade de Houston.

Saturados, aromáticos, resinas e asfaltenos (SARA) são todos componentes do petróleo bruto que podem ser precipitados a partir dele. Nosso trabalho anterior aplicou eletrocinética em "condições estáticas" apenas à fração de asfalteno e concluiu que as partículas de asfalteno poderiam ser atraídas para o ânodo (Hosseini et al., 2016).

O trabalho de Khvostichenko e Anderson (2010) indicou que as resinas podem neutralizar a carga de asfalteno, afetando a eletrodeposição de asfaltenos. Para entender se os outros componentes de SARA encontrados no petróleo bruto interfeririam com o processo eletrocinético em "condições dinâmicas", os saturados, aromáticos e possivelmente resinas foram usados juntamente com as partículas de asfalteno no heptol-70. Embora seja improvável que os precipitados utilizados em nosso estudo continham resinas, devido aos procedimentos que foram utilizados, não podemos descartar a possibilidade nesta fase inicial do trabalho.

Além disso, realizamos testes preliminares para comparar dois procedimentos para a preparação da amostra de óleo, denominado método de "dissolução" ou "precipitação" (Khvostichenko e Andersen 2010). A abordagem de dissolução envolveu a adição dos asfaltenos sólidos ao heptol, enquanto que a abordagem de precipitação envolveu a dissolução dos asfaltenos sólidos em tolueno e depois a adição de heptano.

Para os asfaltenos e heptol-70 utilizados em nossos estudos, nossos testes preliminares não mostraram diferença mensurável na polaridade das partículas quando preparados utilizando os dois métodos, e utilizamos o método de precipitação para todos os testes dinâmicos.

O dispositivo de pequena escala consistia de um anular de cobre e foi energizado para criar um campo elétrico; O tubo interno energizado negativamente e o exterior positivamente.

Teste

Com o heptol-70 contendo uma concentração de 2% em peso de asfaltenos no reservatório e o fluxo desejado alcançado, a fonte de alimentação foi ligada durante 5 minutos. O fluxo médio foi medido durante a aplicação da tensão. Uma vez completado, o ânodo foi removido e fotografado, e os asfaltenos foram raspados do ânodo e recolhidos de modo que a massa removida pudesse ser pesada.

Utilizaram-se três taxas de fluxo, mantendo-se a duração do experimento e a tensão constante em 5 minutos e 5.000 V, respectivamente. As Figuras 3a a 3c mostram a deposição de partículas de asfalteno sobre o tubo de cobre interno para as três taxas de fluxo. É claro a partir das três figuras que "o nível mais alto de deposição" no eletrodo negativo corresponde com o maior fluxo, ou "o menor tempo de retenção hidráulica (Hydraulic retention time - HRT)". Figura 3d mostra a camada de deposição sendo raspada do ânodo, e os dados gravimétricos confirmaram os resultados qualitativos.

Figura 3 - Deposição no ânodo (tubo de cobre interno) após um teste dinâmico, eletrocinético de vazão de: (a) 1,5 ml / s (HRT = 6,7 min); (B) 4,0 ml / s (HRT = 2,5 min), e; (C) 5,5 ml / s (HRT = 1,8 min). (D) A espessura da camada de deposição é mostrada enquanto é raspada do ânodo após o teste de fluxo de 5,5 ml / s para permitir que a massa seja mensurada. Fonte: Departamento de Engenharia de Petróleo, Universidade de Houston.

Os testes dinâmicos foram repetidos e confirmaram uma relação inversa entre HRT e a quantidade depositada no eletrodo negativo - isto é, taxas de fluxo mais elevadas resultaram num maior grau de deposição. Estes resultados implicam que a deposição dos asfaltenos depende da quantidade de partículas que entram em contato com o eletrodo energizado e também indica que a eficiência do processo eletrocinético é elevada para a gama de fluxos testados. Observamos algumas deposições de partículas de asfalteno no fundo da câmara e atribuímos isso ao design do dispositivo, onde uma pequena tampa que rodeia a saída age para aprisionar algumas das partículas.

Dados Obtidos 

Os dados obtidos nesta fase inicial da investigação sugerem que as partículas, uma mistura de asfaltenos, sais saturados, aromáticos e possivelmente resinas, podem ser depositadas num eletrodo e removidas da corrente de fluxo como um meio de resolver um problema crítico de garantia de fluxo .

Futuros testes já estão programados para explorar as limitações do processo em termos de tensão aplicada e carga de asfaltenos. Nossa próxima pesquisa incluirá uma maior variedade de solventes/propriedades de solventes com o objetivo final de desenvolver um meio de prever o efeito sobre as partículas de asfaltenos a priori. Isso ajudará a orientar um design geral para o nosso dispositivo antes do scale up para um protótipo que será aplicável ao produto bruto. Estamos também considerando um reajuste no eletrodo negativo para aumentar a área de superfície para as partículas de asfalteno se depositarem.

O número de Reynolds para estas condições experimentais estava acima de 106, indicando um regime de fluxo turbulento dentro do anular energizado. Acreditamos que o fluxo turbulento é desejável porque induziria um maior movimento de partículas dentro do anular energizado, levando a mais asfaltenos entrando em contato próximo com o eletrodo, o que lhes permitiria depositar sobre ele. No entanto, não testamos esta hipótese.

Observamos que o projeto experimental não teve como evitar o depósito de partículas por causa de barreiras físicas perto da saída de nosso dispositivo anular. Como nossos estudos pretendem examinar apenas o comportamento das partículas, vamos nos esforçar para eliminar esse fenômeno em nossas experiências futuras. No entanto, para futuras aplicações da indústria, este fenômeno ajudaria a remover mais partículas do fluxo de óleo.

Fonte: JPTechnology 


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