Nueva tecnología para la emulsificación
de residuales del petróleo en agua
M. Vita Peralta M., Alejandro M. Arriola M., Ramón Sánchez S.,
Emilio Manzanares P., César A. Romo M. y R. Yeri de Coss P.
Los trabajos experimentales se iniciaron
produciendo emulsiones en forma de lotes,
utilizando muestras de aproximadamente 500
ml de residuo de vacío.
Introducción
E
l combustóleo utilizado actualmente por la Comi sión Federal de Electricidad (CFE) en sus plantas termoeléctricas contiene del 80 al 85% de los resi-duos provenientes de las plantas de destilación al vacío de las refinerías de Petróleos Mexicanos (Pemex) y aproxi-madamente entre 15 al 20% de combustibles ligeros como el diesel, la kerosina y aceites cíclicos ligeros. La función de estos últimos es la de reducir la viscosidad de los resi-duos de vacío, que son sólidos a temperatura ambiente, produciendo de esta forma un combustible fluido y ma-nejable. De un simple análisis de costos de combustibles, se tiene que el precio de combustóleo es esencialmente el precio de los solventes utilizados.Considerando que dicho combustible seguirá sien-do utilizasien-do por CFE en los próximos 15 ó 20 años, resul-ta de gran interés –resul-tanto para Pemex como para la CFE– la posibilidad de reducir los costos del combustóleo evi-tando utilizar combustibles ligeros y tratar de reducir la viscosidad de los residuos de vacío emulsionando éstos en agua, lo cual se considera que reduciría los costos de pro-ducción hasta en un 50%.
Hoy en día existen muchos países que utilizan la tecnología de emulsiones para reducir la viscosidad de cru-dos pesacru-dos, siendo el producto más conocido la Orimulsión®, combustible que contiene 70% de bitumen y 30% de agua. Actualmente la Orimulsión es utilizada en diferentes países: Canadá, Japón, Italia e Inglaterra, entre otros.
Con estos antecedentes, se ha iniciado una línea de investigación en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) para desarrollar la tecnología de producción de emul-siones de residuo de vacío-en-agua. Una emulsión se
pue-de pue-definir como una suspensión pue-de partículas líquidas, pue-de cierto tamaño, dentro de un segundo líquido inmiscible (Rosen, 1989). Las emulsiones pueden ser estables sólo por minutos o hasta por algunos años, dependiendo del uso que se les vaya a dar. Sin embargo, dos líquidos inmiscibles no pueden, por sí solos, formar una emulsión lo suficien-temente estable como para ser llamada emulsión; para ello necesitan de un tercer componente el cual es comúnmen-te llamado surfactancomúnmen-te, que normalmencomúnmen-te es soluble en uno o ambos líquidos. La emulsificación es, por lo tanto, una operación unitaria difícil, que normalmente se realiza apli-cando energía mecánica.
Uno de los factores importantes a considerar para la elaboración de emulsiones es el tamaño de gota de la fase dispersa. Se ha encontrado que existe una distribu-ción de tamaño de gota óptimo, por lo que se tiene que el diámetro medio de la gota debe de estar entre valores de 10 a 30 micras y su distribución (n), conocida como distri-bución Rosin-Rammler (Bayvel y Orzechowsky, 1993), entre 0.5 a 1.8. De esta manera se tiene una emulsión del tipo aceite-en-agua con una viscosidad cercana a la del agua, a pesar de la alta concentración de aceite pesado, que ade-más pueda ser atomizada, inclusive a temperatura ambien-te. El tamaño y distribución óptimo de la partícula dis-persa proporciona también emulsiones estables por lar-gos periodos (Nehal, 1999).
Los parámetros que definen las
características de las
emulsiones son principalmente
la relación de sus
componentes, viscosidad,
tamaño y distribución de gota,
y su estabilidad.
Experimentación
A la fecha se ha desarrollado una nue-va técnica para la producción de emul-siones de los residuos de vacío-en-agua. Esta técnica ha surgido de un estudio de la teoría de emulsiones y surfactantes, así como de información bibliográfica disponible (Taniguchi, 1995; Moriyama, 1998; Lizuka, 1995; Grosso, 1999). Esto ha permitido se-leccionar algunos surfactantes de en-tre los que se consideran más adecua-dos para el presente propósito, el tipo de mezclador, así como las condicio-nes de operación (como son la tempe-ratura, velocidad de agitación, tiem-po de residencia y concentración de las fases involucradas) más adecuadas. Los trabajos experimentales se iniciaron produciendo emulsiones en forma de lotes, utilizando muestras de aproximadamente 500 ml de residuo de vacío. En esta primera etapa se exa-minaron, a diferentes concentracio-nes, ocho surfactantes distintos, al igual que combinaciones entre ellos, también se utilizaron siete diferentes estabilizadores. Con estas pruebas se han logrado identificar las concentra-ciones, así como las relaciones más adecuadas de surfactante y estabiliza-dor para la producción de emulsiones de residuo de vacío-en-agua.
Sobre la base de los resultados obtenidos de las emulsiones produci-das en lotes, se diseñó un nuevo equi-po emulsificador para la producción de emulsiones en forma continua. En dicho equipo se realizaron emulsiones
bajo las mismas condiciones de operación en que se llevaron a cabo las emul-siones por lotes y se logró obtener los mismos resultados. El equipo emulsifi-cador de producción en continuo, que se está utilizando actualmente, es un equipo a nivel laboratorio que tiene una producción de aproximadamente cuatro litros por hora.
Los parámetros que definen las características de las emulsiones son principalmente la relación de sus componentes, viscosidad, tamaño y distri-bución de gota, y su estabilidad.
Como ha sido mencionado previamente, la relación de los componen-tes (esto es, la relación del volumen de las fases involucradas) se ha determina-do sobre la base de la revisión bibliográfica y de los resultadetermina-dos de las pruebas preliminares realizadas.
El comportamiento de la viscosidad de las emulsiones generadas, ya sea en proceso por lote o continuo, se ha determinado mediante un viscosímetro Brookfield, modelo DV-II. Es importante señalar que la importancia del co-nocimiento de las propiedades reológicas de las emulsiones obtenidas es prin-cipalmente debido a su transporte y a su estabilidad.
El tamaño y distribución de gota se ha determinado mediante un mi-croscopio óptico LEICA, modelo DMLS, que tiene acoplado un sistema foto-gráfico en el que se obtiene una foto de la emulsión y, posteriormente, se utiliza un sistema de análisis de imágenes para la obtención de los valores del diámetro de las gotas presentes en la emulsión. Finalmente, mediante un soft-ware estadístico se obtiene el tamaño promedio de las partículas, así como la distribución del tamaño de las gotas.
El análisis de la estabilidad está basado en la contabilización del tiempo, medido en días, que la emulsión tarda en presentar los primeros síntomas de coalescencia; en otras palabras, la estabilidad indica la duración de la emulsión sin la presencia de grumos a través del tiempo, esto es, el tiempo que permane-ce fluida.
Resultados y discusión
Actualmente se están llevando a cabo diferentes pruebas que utiliza distintas variables, tanto de operación como de concentración de los componentes. En la Tabla 1 se muestran las características de algunas emulsiones que actual-mente se encuentran fluidas y que se realizaron en diferentes condiciones de operación, así como distintas concentraciones de agua, surfactantes y estabilizadores. Es importante hacer notar que, para las emulsiones que con-tienen aproximadamente de 28 a 30% de agua, se han logrado obtener estabi-lidades hasta de nueve meses, y para las emulsiones que contienen de 24 a 25% de agua, se llegó alrededor de tres meses. Es importante recordar que el tiem-po de estabilidad que se espera obtener es de cuando menos un año, el cual es el tiempo máximo de almacenamiento del combustóleo en las centrales ter-moeléctricas.
Aun cuando todavía se están realizando experimentos para obtener el periodo de estabilización deseado de las emulsiones con la más baja cantidad de agua posible, se considera que se tiene un gran avance en la técnica ya que las emulsiones producidas hasta el momento presentan una distribución de tamaños (n) que van desde 1.5 a 3.5 y un diámetro medio mínimo de partícula de 6 micras. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de la microestructura de una emulsión de residuo de vacío-en-agua; y en las Figuras 2 y 3 se muestran la
distribución de tamaños de gota en formato de histograma y en porcentaje, respectivamente.
Los valores del comportamiento de la viscosidad de las emulsiones son requeridos para el diseño, selección y operación del equipo involucrado en su preparación, bombeo y almacenamiento. El comportamiento reológico de las emulsiones es más complicado que el de las suspensiones sólido en líquido, ya que las partículas dispersas en las emulsiones son deformables por naturaleza (Pal, 1990). Por ejemplo, a bajas concentraciones de la fase dispersa, las suspensiones de partículas esféricas rígidas presentan un comportamiento newtoniano; mientras que las emulsiones, al estar constituidas por partículas deformables que presentan
propiedades viscoelásticas y comporta-miento no-newtoniano de adelgaza-miento con incrementos de esfuerzo de corte, esto es, la viscosidad disminuye al incrementar el esfuerzo de corte, como es ilustrado en la Figura 4 para las emulsiones de residuo de vacío-en-agua obtenidas durante esta investigación.
La Figura 5 muestra el compor-tamiento de una emulsión en función de la temperatura a diferentes esfuerzos de corte. Como se puede apreciar a al-tos esfuerzos de corte, principalmente a 50 y 60 rpm, la diferencia en el com-portamiento de la viscosidad empieza a disminuir, lo que sugiere una posible transición de un comportamiento no-newtoniano a uno newtoniano con valores de esfuerzo de corte más altos que los experimentalmente determina-dos en la actualidad.
En la Figura 6 se comparan los comportamientos de viscosidad del combustóleo, residuo de vacío y de una emulsión de residuo de vacío-en-agua. Como se muestra en la Figura 6, la viscosidad de la emulsión a tem-peraturas relativamente más bajas que el combustóleo la hace más maneja-ble, principalmente, para su transpor-te en tuberías.
Tabla 1. Resultados de pruebas emulsiones que permanecen fluidas.
Clasificación Estado Días Viscosidad Diámetro Uniformidad de la muestra fluida /cP (12rpm medio de de distribución
y temperatura gota/micras de partícula (n) ambiente)
Emulsiones elaboradas con 28 a 30% de agua
L 4-7 Fluida 290 300 9 3.5
L 4-8 Fluida 290 550 8 1.5
L 4-9 Fluida 283 375 6 2.0
L 5-1 Fluida 283 875 9 2.4
Emulsiones elaboradas con 24 a 25% de agua
L 5-54 Fluida 61 2170 7.1 2.4
L 5-58 Fluida 78 690 7.5 1.8
L 5-60 Fluida 76 1870 6.5 1.9
L 5-62 Fluida 76 1720 6.4 2.4
L 5-78 Fluida 76 1630 6.3 1.9
Figura 1. Ejemplo de la microestructura de una emul-sión de residuo de vacío-en-agua.
5 10 15 20 2 5 30 0 20 40 60 80
diámet ro, micras Muestra 2 Prom: 10.5 D.E: 5.5 Max: 29.2 Min: 3.4
frecuencia (No. de gotas
micras
Figura 2. Ejemplo de histograma de la distribución de ta-maños de gota de una emulsión de residuo de vacío-en-agua.
Conclusiones y trabajo
futuro
Los resultados obtenidos hasta el mo-mento demuestran que se ha determi-nado una técnica exitosa para elabo-rar emulsiones de residuo de vacío-en-agua en proceso por lotes. Sobre la base de estos resultados, se elaboró el diseño conceptual y la ingeniería de detalle de una instalación para prepa-rar emulsiones en forma continua,
uti-lizando la misma metodología en la elaboración de emulsiones por lote. Ac-tualmente, el sistema de producción en continuo ha sido instalado, calibrado y puesto en operación en donde se han generado resultados satisfactorios.
También se ha diseñado un nuevo equipo emulsificador combinado de alto esfuerzo de corte para la preparación en forma continua a nivel planta piloto, que está ya siendo instalado en el laboratorio de emulsiones del IIE. El objetivo de dicho equipo es el de reproducir emulsiones generadas en el labo-ratorio pero en cantidades suficientes para su quemado en la cámara de
com-0 10 20 30 40 50 60 0 300 600 900 1200 η /cP (at 29.2 C) η /cP (at 35 C) η /cP (at 40 C) η /cP (at 50 C) η /cP (at 60 C) Viscosidad / cP Esfuerzo de corte / s-1
Figura 4. Viscosidad en función del esfuerzo de corte a diferentes temperaturas de una emulsión de residuo de vacío-en-agua.
Muestra 2 presión diametro medio 8 micras
constante n = 1.9 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 0 5 10 15 20 25 30 35 micras % acumulado
Figura 3. Ejemplo de la distribución de tamaños de gota de una emulsión de residuo de vacío-en-agua en porcen-taje acumulado. 25 30 35 40 45 50 0 500 1000 1500 2000 2500 eta (/cP) (at 6.0 rpm) eta (/cP) (at 12.0 rpm) eta (/cP) (at 30.0 rpm) eta (/cP) (at 60.0 rpm) Viscosidad / cP Temperatura /oC
Figura 5. Viscosidad en función de la temperatura a diferentes esfuerzos de corte de una emulsión de residuo de vacío-en-agua.
Figura 6. Gráfica comparativa del comportamiento de la viscosidad en función de la temperatura del combustó-leo, residuo de vacío y una emulsión de residuo de vacío-en-agua. 20 40 60 80 100 120 140 160 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Residuo de vacío Combustóleo Emulsión Viscosidad / cP Temperatura /oC
bustión del IIE, y así obtener información sobre su com-bustión, propiedades de flama, transferencia de calor y la generación de emisiones contaminantes, con la finalidad de completar su evaluación para uso como combustible alterno en las centrales termoeléctricas.
En caso de obtener resultados satisfactorios, la si-guiente fase será el diseñar e instalar un equipo emulsi-ficador de producción en continuo directamente a la sali-da de las torres de alto vacío en alguna refinería de Pemex. María Vita Peralta Martínez
Ingeniera química por el Tecnológico de Zacatepec. De 1991 a 1996 fue investigador del Departamento de Fisicoquímica Aplicada. Reali-zó sus estudios de doctorado en el departamento de ingeniería química del Imperial College en Londres, Inglaterra. En el año 2000 se reincor-poró a la Gerencia de Procesos Térmicos en donde ha participado en el desarrollado de procesos para la elaboración de emulsiones de residuo de vacío en agua. Ha publicado varios artículos relacionados con su especialidad en congresos nacionales e internacionales, así como en re-vistas internacionales. Actualmente es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.
Alejandro M. Arriola Medellín
Licenciado en Física por la UNAM y doctor en Física de reactores nucleares por la Universidad de Orsay, Francia. Desde 1994 es inves-tigador en la Gerencia de Procesos Térmicos del IIE donde ha trabaja-do en proyectos de optimación energética de plantas de proceso, dise-ño de sistemas de cogeneración; y desde el adise-ño 2000 en el desarrollo y evaluación de emulsiones aceite en agua y su combustión para el uso de residuos de vacío de las refinerías.
Ramón Sánchez Sánchez
Ingeniero mecánico por la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Uni-versidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (1983) y la maestro en ciencias computacionales por el ITESM (1993). Fue investigador del IIE desde 1985 hasta 1989 en el Departamento de Hidromecánica; de
1989 hasta 1997 lo fue del Departamento de Ingeniería Mecánica. A partir de 1998 es investigador de la Gerencia de Procesos Térmicos, donde ha participado en el desarrollado de procesos para la elabora-ción de emulsiones de residuo de vacío en agua. Ha publicado varios artículos relacionados con su especialidad en congresos nacionales e internacionales.
Emilio Manzanares Papayanopoulos
Ingeniero químico y de sistemas por el ITESM, realizó su doctorado en el departamento de química de la Universidad de Sheffield, Inglate-rra (2000). De 1991 a 1995 fue investigador del departamento de Fisicoquímica Aplicada del IIE colaborando en proyectos relaciona-dos con el análisis térmico en generadores de vapor. Catedrático en la Facultad de Ciencias Químicas e Industriales de la UAEM, ha publica-do varios artículos relacionapublica-dos con su especialidad en congresos na-cionales e internana-cionales. Actualmente pertenece al Sistema Nacional de Investigadores.
César A. Romo Millares
Ingeniero mecánico-electricista por la UNAM (1984) año en que in-gresó al IIE. Realizó estudios de maestría en la UNAM y UMIST de Inglaterra. Sus estudios de doctorado los realizó en el Imperial College de Londres en el área de combustión. Ha dirigido proyectos relaciona-dos con la modernización de sistemas de combustión para la CFE y Pemex. Desde 1999 es el Gerente de la Gerencia de Procesos Térmicos del IIE.
Rosa Yeri de Coss Pérez
Ingeniera Química egresada del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez (2001). Ingresó como becaria al IIE a través del programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT), colaboró en el proyecto «Desarrollo y evaluación de emulsiones de aceite en agua y su combustión para el uso de residuos de vacío en las refinerías» de la Gerencia de Procesos Térmicos. Actualmente se encuentra cursando su maestría en Química en el Instituto Tecnológico de Tijuana.
Referencias
• Bayvel, L. y Orzechowsky, Z., Liquid Atomization, Taylor & Francis Ed., 1993.
• Grosso, J. L., Method of Produce Low Viscosity Stable Crude Oil Emulsion, Patente US5863301, 1999. • Lizuka, M., Heavy Oil Emulsion Composition, Patente US5437693, 1995.
• Moriyama, N., Method for Producing Superheavy Oil Emulsion Fuel and Fuel Produced thereby, Patente US5851245, 1998.
• Nehal, A. S., Amal, N. M., Nael, Z. N., y Hussein, G. K. H., “Stability and Rheology of Heavy Crude Oil-in-Water Emulsion Stabilized by an Anionic-Nonionic Surfactant Mixture”, Petroleum Science and Technology, vol. 17, núm. 5&6, 1999, pp. 553-576.
• Pal, R. y Masliyah, J., “Rheology of Oil in Water Emulsions with Added Solids”, The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 68, 1990, pp. 24-28.
• Rosen, M. J., Surfactants and Interfacial Phenomena, 2nd Ed., John Wiley & Sons, New York, 1989. • Taniguchi, T., Heavy Oil Emulsion Fuel and Process for Production thereof, Patente US5411558, 1995.
