REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.2 Mediciones a aceites
El conocer las propiedades de un fluido es de relevancia cuando se somete ya sea a los procesos de transporte o transformación del mismo por ello se han dedicado varios estudios a la forma de conocer por ejemplo la viscosidad de los aceites que es el interés de este trabajo, por ello a continuación se muestra algunos trabajos enfocados en la determinación de la viscosidad ya sea de aceites o productos de hidrocarbonos.
En la publicación de A. Et-Tahir y colaboradores [16] determinan la viscosidad de hidrocarburos y mezclas a diversas temperaturas y presiones. Los hidrocarburos usados son sustancias puras los cuales son: Tolueno, p-xileno, m-xileno, o-xileno, metilciclohexano, metilnaftaleno, decahidronaftaleno, penildodecano, heptametilnonano y tetrametilpentadecano, y las mezclas fueron tolueno + tetrametilpentadecano, tolueno + metilnaftaleno y tolueno + heptametilnonano.
El viscosímetro usado en esta publicación fue del tipo de caída de balín, a presión y temperatura constante, y la fórmula para determinar la viscosidad con este viscosímetro es la siguiente:
(
t K S − L Δ = ρ ρ)
η (2.15) Donde: tΔ : Es la duración de la caída del objeto
K: Es un parámetro que depende del objeto que se hace caer
ρS: Es la densidad del cuerpo que se hace caer ρL: Es la densidad de la sustancia.
La densidad la midieron con un densímetro en un intervalo de 298.15 y 363.15 K y a una presión de 40 MPa, los experimentos realizados en este trabajo experimental tuvieron un intervalo de temperaturas de: 298.15, 313.15, 333.15, 353.15 y 363.15 K, y para la presión fueron: 0.1, 20, 40, 60, 80 y 100 MPa, los valores de la densidad para presiones de 40 a 100 MPa las extrapolaron.
Presentan las curvas isobáricas de la variación de la densidad con respecto a fracción molar para las mezclas así como la variación de la viscosidad contra la temperatura. Desarrollaron una amplia gama de sustancias tanto en viscosidad como en densidad de fluidos del petróleo, las características del experimento permitieron el uso de un viscosímetro de caída de balín.
Cuando se trabaja con crudos o aceites pesados sus viscosidades son demasiado altas, necesitando una mayor energía para poder fluir, por lo que se hace necesario el disminuir la viscosidad del aceite, Nael Zaki y colaboradores [17] publicaron un estudios sobre la disminución de la viscosidad por medio de emulsiones, utilizaron un crudo pesado proveniente de Laguna (Venezuela), los aceites crudos tienen un comportamiento No Newtoniano, con dependencia del tiempo y espesamiento, además reportan sobre este crudo un esfuerzo de cedencia, esto se traduce en imprimirle al fluido un esfuerzo inicial con cierto valor para que éste comience a fluir mientras no se alcance este esfuerzo de cedencia el fluido permanecera estático, este esfuerzo de cedencia es debido al contenido relativamente alto de asfaltenos y resinas
Para disminuir la viscosidad del crudo provocan emulsiones con agua estabilizadas con surfactantes aniónicos (RN) y noiónico (TEP), exponen la existencia de otras formas de disminuir la viscosidad como el calentamiento el cual puede ser costoso. Como el combinar químicos con el agua para la realización de emulsiones puede llegara a ser aventurado por la posible depositación de asfaltenos sin embargo es uno de los objetivos de su publicación el ver los efectos provocados.
La concentración de los químicos (RN) y (TEP) la variaron de 1% al 0.0625 % (10000 ppm a 625 ppm) con respecto al total del volumen de la emulsión, la cual la prepararon a 60 C mezclada por un tiempo de 15 minutos a una revolución de 1 700 rpm.
Para determinar la viscosidad de la emulsión usaron un viscosímetro rotatorio, a una temperatura de 25 C a diferentes revoluciones para obtener un intervalo de velocidades de deformación, el tamaño y distribución de las emulsiones fue obtenido por un láser.
Al formar una emulsión la viscosidad de crudo diminuye pero al tabular la viscosidad dinámica con respecto al contenido porcentual de la emulsión hay un incremento de la viscosidad conforme aumenta el por ciento de emulsión, con un surfactante noiónico presenta una contribución positiva en formar la emulsión con baja viscosidad y con un surfactante aniónico la emulsión se estabiliza a bajas concentraciones.
Las viscosidades del crudo pesado sin emulsiones van desde 7.5 hasta 27.5 Pa.s al agregar las emulsiones su viscosidad disminuye drásticamente en un intervalo que va desde 10 a los 500 mPa.s, pero presenta un fenómeno el cual es visible en paros y arranques del movimiento del fluido al necesitar una mayor energía para iniciar el movimiento para después retomar los niveles normales de potencia al bombeo. Con sus resultados también llegaron a la conclusión de poder inyectar los químicos en las relaciones investigadas sin presentarse el fenómeno de depositación de asfáltenos, con respecto al comportamiento cuando contiene un 50% y 60% de aceite con emulsión tiene una curva No Newtoniana del tipo pseudoplástico más sin embargo para un contenido del 70% de aceite con emulsión hay un incremento de la viscosidad teniendo un efecto de viscoelasticidad.
Los resultados de esta publicación son muy ilustrativos al estudiar los cambios en un fluido en este caso al combinarlo con agua para formar emulsiones y los resultados se
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ven reflejados no solo en la disminución dela viscosidad el objetivo principal si no además en cambiar el modo de fluir del crudo que puede ir del pseudoplástico a un viscoelástico.
Otra publicación que estudia la viscosidad es la de Basma M. Yaghi y Ali Al- Bemani [18] llevan acabo un estudio experimental para la reducción de la viscosidad de un aceite con una viscosidad inicial de 15 000 cp a 20 C con estas condiciones destacan la imposibilidad de transportarlo convencionalmente.
En el articulo estudian cuatro formas para disminuir la viscosidad del crudo y de este modo transportarlo con el menor consumo de energía, para poder evaluar el cambio en la viscosidad usan un viscosímetro de cilindros coaxiales conectado a un baño para el control de la temperatura.
Los métodos probados fueron: el calentamiento del crudo pesado, el emulsionar al aceite con agua, el mezclar el crudo pesado con uno mas ligero, y anexar keroseno al crudo pesado. Para el primer proceso calentaron el crudo pesado de 20 a 25 C el comportamiento se acerco al newtoniano mientras reportaron descensos en la viscosidad de 15 000 a 11 000 mPa.s, a una temperatura de 50 C la reducción la reportan menor a 1 300 mPa.s, como su objetivo es la disminución por debajo de 500 mPa.s sin exceder la temperatura de 50 C descartan este proceso.
Las emulsiones fueron preparadas con un 70% de aceite en presencia de 0.5%, 1%, y 2% de surfactante siendo las de 1% y 2% mas estables, para esas concentraciones de aceite se observaron un comportamiento parecido al Newtoniano cambia a uno pseudoplástico y a una temperatura de 30 C la viscosidad es de 400 mPa.s a bajas velocidades de deformación (11 s-1) y cae a 130 mPa.s para velocidades de deformación altas (1 170 s-1).
La mezcla con un aceite mas ligero lo realizaron con uno de una viscosidad de 60 mPa.s, gravedad especifica de 0.88 g/mL a 30 C, la mezcla obtenida reporta un comportamiento No Newtoniano a partir del 27% de crudo ligero, sin embargo el porcentaje de mezclado final fue de 15% a 30 C exhibiendo un descenso en la viscosidad a 1 000 mPa.s lo cual sigue siendo inadecuada.
Con la inserción de keroseno los mejores resultados son obtenidos con una adición del 20 % de keroseno mostrando un descenso en la viscosidad de hasta 250 mPa.s, pero su costo no lo hace accesible.
En esta publicación se observa como el aceite pesado muerto lo consideran del tipo Newtoniano y es altamente viscoso, y conforme lo transforman cambia su comportamiento y viscosidad siendo mas evidente al emulsionarlo con agua y el comportamiento en un principio Newtoniano cambia a una pseudoplástico con los mejores índices de reducción en la viscosidad.
En la publicación realizada por J. Bryan, K. Mirotchnik, A Kantzas [19], determinan la viscosidad de aceites pesados y los llamados Bitumen, usando la técnica de Resonancia Magnética Nuclear (NMR). Su objetivo es el tener un método confiable para la obtención de la viscosidad son tener que transportar una muestra del aceite a un laboratorio por ello escogen la técnica de NMR.
En su trabajo hacen una comparación de modelos obtenidos con anterioridad por otros autores con esta misma técnica para delimitar su alcance de predicción de la viscosidad, proponiendo al final su propio modelo de comportamiento de la viscosidad.
La técnica de NMR esta basado en la medición de respuesta de los protones de hidrógeno en un campo magnético externo, estos protones son los contenidos en el aceite y agua los cuales se polarizan en la dirección del campo magnético, entonces se aplica pulsos de radio frecuencia sobre el plano transversal de la dirección del campo magnético, los protones absorben la energía de sus alrededores provocando un decremento en la señal magnética, ha esté fenómeno se le llama relajación, la cual es una propiedad de los fluidos relacionada con el movimiento local, el índice de relajación se expresa por un tiempo constante T2 además el fenómeno de relajación es directamente proporcional a la
temperatura e inversamente proporcional a la viscosidad.
Los modelos que comparan para predecir la viscosidad del aceite usando NMR son cuatro, en el primero de ellos fue basado usando 64 muestras de aceite con un intervalo de viscosidad de 0.7 – 1 000 cp, mostradose a continuación:
9 . 0 2ML =1200/μ T (2.16) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ =
∑
∑
i i i ML T T φ φ 2 2 ln exp (2.17) Donde: μ : viscosidadφ : Es la porosidad del NMR, siendo la amplitud de la señal del NMR para cada T2i
T2i: Tiempo en ms
El segundo modelo que analizaron se encuentra en el intervalo de 10 – 1 000 cp de viscosidad el cual se muestra a continuación:
⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + = 298 273 1200 2 T TMl μ (2.18) Donde: T: Temperatura
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El tercer modelo es el siguiente:
(
)
⎥⎦⎤⎢⎣⎡ + ⎥⎦⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − + = 298 273 5 . 0 * 470 2200 2 2 T TE T TE Ml μ (2.19) Donde:TE: Espaciamiento resonante
Este modelo esta dentro del intervalo de 1 000 – 100 000 cp El cuarto modelo de la viscosidad basado en el NMR es:
(
11.55 5.75HIapp)
exp − = μ (2.20) con: T NMR T app HI =φ _ φ (2.21) Donde:φT_NMR: Porosidad total de NMR aparente φT: Porosidad total de NMR
La porosidad total de NMR esta relacionada con la amplitud de la señal de NMR que a su vez es proporcional a la cantidad de hidrógeno de la muestra.
Los experimentos que ellos realizaron para obtener su propio modelo fue con 26 muestras de aceite, la viscosidad la obtuvieron por medio de un viscosímetro de cono y plato Brookfield a 30 C, 40 C y 50 C, para la medición del NMR usaron un relaxometro a una frecuencia de 1 MHz con TE= 0.3 ms y 5 000 pulsos. La medición del pulso fue comparada con cinco aceites convencionales don una viscosidad menor a 100 cp a 30 C.
J. Bryan y compañía argumentan que al aumentar la viscosidad la medición de NMR se hace mas débil por lo que la precisión de las mediciones no es muy confiable, por ello determinan que los modelos de los otros autores fallan al predecir la viscosidad para aceites pesados el modelo que ellos proponen es el siguiente:
(
RHI)
T2ML 55 . 4 15 . 1 = μ (2.22) Donde:RHI: índice relativo de Hidrógeno
El cual mencionan su confiabilidad para valores tan bajos como 100 cp, y valores tan altos como 10 000 cp.
Como su objetivo es el determinar la viscosidad del aceite, sin transportarlo a un laboratorio, se centran en determinar correlaciones entre la viscosidad y el tiempo T2ML,
para usar la técnica de NMR, el intervalo de confiabilidad del modelo es bastante amplio, además de demostrar una relación entre la viscosidad y la variable T2ML.
Se han estudiado otras técnicas a las tradicionales para la determinación de la viscosidad como en el trabajo mencionado anteriormente, otra publicación que se interesa por otras técnicas es la de Dean C Ash, Malcolm J Joyce, Chris Barnes, C Jan Booth y Adrian C Jefferies [20], su publicación se enfoca en la técnica de microbalanza de gota de cristal de cuarzo (QCM), su objetivo es determinar si esta técnica es confiable para la medición de viscosidades en aceites.
La técnica de QCM para los fluidos se basa en la oposición de la depositación de sólidos, el cual es elásticamente acoplado a una superficie de cuarzo, la reducción en la frecuencia resonante de una película de fluido es debida a un acoplado rígido de una capa interfacial. El espesor de esta capa es parametrizado por la profundidad de penetración δ, la cual caracteriza la atenuación viscosa de la amplitud de onda de corte por el volumen de fluido. Para determinar la la masa efectiva depositada en la capa de fluido se usa la expresión: 2 1 δ ρ AQ m= Δ (2.23) Donde: Δm: Incremento de la masa
ρ1: Densidad del fluido AQ: Área del cuarzo
δ: Profundidad de penetración de la onda de corte
(
1)
1 ρ π μ δ o f = (2.24) Donde:μ1: Viscosidad del fluido
fo : Frecuencia resonante del cristal Y la relación final queda como:
Q Q f f ρ πμ ρ η1 1 2 3 0 − = Δ (2.25) Donde. Δf: Cambio de frecuencia
μQ: Modulo cortante del cuarzo ρ : Densidad del cuarzo
Capítulo 2
El cuarzo que utilizaron para realizar los experimentos es de 10 MHz de frecuencia de resonancia y su monitoreo fue computarizado, las pruebas las realizaron a una temperatura de 20 ± 0.5 C y a una humedad relativa de 45± 5%, las muestras de aceite consistieron en gotas con un volumen de 0.5 mm3 introducida a la superficie de un cristal de cuarzo oscilador por medio de un pipeta digital ajustable.
La calibración de las pruebas las hicieron usando aceites comerciales, muestran la comparación de la viscosidad obtenida por el método de QCM y la viscosidad de los aceites, la respuesta de las pruebas es linear cuando los valores de la viscosidad son ≤ 500 cP, cuando los valores de la viscosidad rebasan este intervalo, arriba de 500 cPesta respuesta cambia su comportamiento a uno no lineal presentando un decremento en la viscosidad por medio del método de QCM.
Al final concluyen que este método de QCM es confiable para viscosidades bajas, pero para viscosidades por arriba de los 500 cP, el método presenta inconsistencias al compararlas con las viscosidades conocidas de los aceites comerciales.