FACILIDADES DE SUPERFICIE: EMULSIONES Erik Giov!" Mo!#$% P&$' I!($!i$ro )$ P$#r*+$o% UIS E%$-i+i%# $! Pro).--i*! )$ /i)ro-r.ro% UIS C!)i)#o M(%#$r $! I!($!i$r )$ /i)ro-r.ro% $riko!#$%3(i+4-o UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS BUCARAMANGA, ENERO DE 2012
SISTEMAS COLOIDALES Un sistema coloidal (suspensión coloidal o dispersión coloidal) es un sistema fsicoquímico ormado por dos o más ases, principalmente: una continua, normalmente uida, y otra dispersa en orma de partículas. La ase dispersa es la que se halla en menor proporción. l nom!re de coloide pro"iene de la raí# $rie$a kolas que si$nifca %que puede pe$arse&. ste nom!re hace reerencia a una de las principales propiedades de los coloides: su tendencia espontánea a a$re$ar o ormar coá$ulos.
SISTEMAS COLOIDALES FASE DISPERSA
GAS
FAS E CO NTI NU A
LÍ5UID O
GAS
LÍ5UIDO
'o es posi!le porque todos los $ases son misci!les entre sí.
*+*L+ L-U/*+. 0emplos: nie!la, !ruma.
+2U3+. 0emplo: spuma de aeitar.
+2U3+ +1L/+. SÓLIDO 0emplo: 2iedra póme#, aero$eles.
SÓLIDO
*+*L+ +1L/*+. 0emplos: humo, pol"o suspendido. EMULSIONES4 +*L. E6$+o: 0emplos: L$-7$, pinturas, tintas, "o!$%, lodos de %!(r$4 peroración. 4L+. 0emplos: 4elatina, $el para el ca!ello.
+*L +1L/*. 0emplo: cristal de ru!í (ru!ino oro).
EMULSIONES /5'61': Una emulsión es una me#cla hetero$7nea de dos líquidos inmisci!les.
5luidos
+uracta nte
∆ner$ía
mulsión
14 FLUIDOS Co.$%#o% o+r$%: 6ompuestos cuyas mol7culas se encuentran des!alanceadas el7ctricamente. /
O
/
/
C
O
/
/
O
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C
/
C C /
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$ua
/
tanol
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cetona
Co.$%#o% !o o+r$%: 6ompuestos cuyas mol7culas tienen !alance el7ctrico. / /
/
/
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C
C C
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C C
C
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8e9ano
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C /
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C
C
C C C
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/
enceno
24 AGENTES EMULSIFICANTES
Los 4';+ 3UL+56';+ (tensoacti"os, suractantes, etc.) son sustancias parcialmente solu!les en a$ua y en crudo. n la $ráfca se o!ser"a el esquema de una mol7cula de stearato de +odio, un tipo de 0a!ón muy usado de manera dom7stica.
24 AGENTES EMULSIFICANTES n el caso de los campos petroleros, e9isten di"ersas sustancias que pueden lle$ar a actuar como suractantes. 0emplos: 6ompuestos naturales (asaltenos, parafnas, etc.) +ólidos fnos (arcillas, productos de corrosión, etc.) -uímicos a
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24 AGENTES EMULSIFICANTES l suractante se u!ica en la interase a$ua=petróleo, $enerando un puente entre las dos ases.
24 AGENTES EMULSIFICANTES /e acuerdo con su car$a, los tensoacti"os se clasifcan en: 'o iónicos: 'o se disocian en el a$ua (poli$licoles, 7steres de ácidos $rasos, lecitina). niónicos: 2resentan una car$a ne$ati"a al disol"erse en a$ua (estearato de sodio, laurato de potasio). 6atiónicos: 2resentan una car$a positi"a al disol"erse en a$ua (sales cuaternarias de amonio, hidrocloruros de aminas). nóteros: ;ienen capacidad para ormar un ion tensoacti"o con car$as tanto ne$ati"as como positi"as, se$>n el p8. n p8 ácido se comportan como catiónicos. n p8 !ásico, como aniónicos •
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BALANCE /IDROFÍLICO8LIPOFÍLICO ?illiam 6ol"in 4ri@n, de la empresa tlas 2oAder 6ompany (UU), desarrolló un m7todo para clasifcar los tensoacti"os, !asado en el "alor del 8L (Hydrophilic-Lipophylic Balance).
l m7todo está !asado en la premisa de que todos los tensoacti"os com!inan, en una misma mol7cula, un $rupo hidroílico y otro lipoílico, y que la proporción entre los porcenta0es en peso de estos dos $rupos en los tensoacti"os no iónicos es una l 8L es un parámetro indicación que "aría del de comportamiento B a CB, indicando la que preerencia de una sustancia en a$ua en puedepara serdisol"erse esperado de oese aceite. producto.
BALANCE /IDROFÍLICO8LIPOFÍLICO l cálculo del 8L se reali#a mediante la si$uiente e9presión:
/onde 3h es la masa molar de la porción hidroílica de la mol7cula y 3 es la masa molar de la mol7cula entera.
/LB 9 10
/LB 10
/LB ; 10
BALANCE /IDROFÍLICO8LIPOFÍLICO Ealores altos de 8L (F=GF) del a$ente emulsifcante darán como resultado emulsiones de aceite en a$ua (emulsiones in"ersas). Ealores !a0os de 8L (H=F) del a$ente emulsifcante darán como resultado emulsiones de a$ua en aceite (emulsiones directas o normales). •
1< So+.i+i'!#$% 1= D$#$r($!#$% 12
/LB E.+%i@-!#$% < ? >
)$ #io -$i#$ $! (. A($!#$% /.$-#!#
%$E.+%i@-!#$% )$ #io (. $! -$i#$
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sto corresponde con la e$la de ancrot: “La fase en la cual un surfactante es más soluble constituye la fase continua”.
ECESO DE SURFACTANTE 2ara ln6 I 636: l tensoacti"o mi$ra a la interase.
2ara ln6 J 636: +e orman micelas de manera espontánea en el seno de la ase continua.
CMC
+! C
ECESO DE SURFACTANTE l resultado de la aplicación de un e9ceso de suractante es la ormación de micelas, con$lomerados de mol7culas que poseen una masa ele"ada y que son muy diíciles de separar de la ase continua.
>4 ENERGÍA 2ara que la emulsión ocurra es necesario que e9ista un u0o de ener$ía desde o hacia el uido. 0emplos: 2erorados +istemas de le"antamiento artifcial 6hoques 6odos Eál"ulas ccesorios
FORMACIÓN DE EMULSIONES
*! A-$i#$
A(.
FORMACIÓN DE EMULSIONES
TIPOS DE EMULSIONES /ependiendo de cuál uido se comporta como ase continua y cuál lo hace como ase dispersa, se defnen emulsiones normales, in"ersas y duales.
*tra orma de clasifcar las emulsiones es de acuerdo con su esta!ilidad. Las emulsiones uertes o duras tienen una alta esta!ilidad, mientras que las emulsiones d7!iles pueden romperse ácilmente. 6ada tipo de emulsión e9i$e un tratamiento específco.
PROBLEMAS ASOCIADOS A LAS EMULSIONES Los pro!lemas más comunes por la presencia de emulsiones son: 2roductos uera de especifcación 5alla de los sistemas de control ltos costos de tratamiento lta presión 6orrosión ;aponamientos 27rdidas de productos 6ontaminación •
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TAREA No4 n pare0as reali#ar un escrito en el que se e9pliquen los actores que aectan la esta!ilidad de las emulsiones. 5uentes de inormación: 68L'4, 4eor$e y otros. +urace *perations in 2etroleum 2roduction. Eol. G. lse"ier 2u!lishin$, GKF. M*ML, +unil. L=NU/, Namal. -uantifcation o "arious actors aOectin$ emulsion sta!ility: Aatercut, temperature, shear, asphaltene content, demulsifer dosa$e and mi9in$ diOerent crudes. 8ouston: +audi ramco = +ociety o 2etroleum n$ineers, GKKK. M*ML, +unil. 6rude=*il mulsions: +tate=o=the=rt e"ieA. +an ntonio: +ociety o 2etroleum n$ineers, CBBP. ?'4, Q y otros. Oect o +alinity and p8 on 2icRerin$ mulsion +ta!ility. 6olorado: +ociety o 2etroleum •
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ROMPIMIENTO DE LAS EMULSIONES 2ara comprender ácilmente los actores que aectan la esta!ilidad de las emulsiones es preciso descri!ir los procesos que permiten romperlas. +on "arios los procesos que permiten separar emulsiones. 2or e0emplo: +eparación $ra"itacional 6oalescencia 5loculación 5lotación 5iltración. •
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S$r-i*! Grvi#-io !+
F+o-.+-i*!
E.+%i*! E%#+$ Co+$%-$!i
S$r-i* ! D$ F%
%$ SEPARACIÓN GRAVITACIONAL La Ley de +toRes ue propuesta en GFPG por 4eor$e 4a!riel +toRes como una orma de caracteri#ar el mo"imiento "ertical de o!0etos es7ricos en el seno de un uido. 2
v s
=
(
2 gr ρ p 9
−
µ f
ρ f
) =
f S r 2
/onde: "s : Eelocidad de asentamiento de las partículas (cmSs) $ : celeración de la $ra"edad (cmSsC) r : adio de la partícula dispersa (cm) ρp : /ensidad de la partícula dispersa ($ScmH) ρ : /ensidad del uido ($ScmH) µ : Eiscosidad del uido (cp) s : 5actor de +toRes (GScm=s)
SEPARACIÓN GRAVITACIONAL l 5actor de +toRes representa la acilidad que tienen las partículas para mo"erse "erticalmente a tra"7s de la ase continua. 2ara crudos li"ianos no es recomenda!le el uso de calentamiento, pues se requiere mucho calor para conse$uir un peque
SEPARACIÓN GRAVITACIONAL La Ley de +toRes considera el mo"imiento "ertical de una partícula sólida y perectamente es7rica en el seno de un uido. 3ás de un si$lo despu7s de la ormulación de +toRes ue pu!licada la Ley de 8adamard que incluía un actor de corrección a la Ley de +toRes !uscando incluir los eectos que producen las uer#as "iscosas de los dos uidos presentes en µ C la emulsión. 1 +
µ D = H S 2 µ C 1 + 3 µ D
v
v
sta ley incluye un actor de corrección de la "elocidad de asentamiento de +toRes, considerando las "iscosidades de las ases continua y dispersa. 'o se considera el eecto del a$ente emulsifcante.
ROMPIMIENTO DE EMULSIONES
6*4UL61': 'eutrali#ación de las car$as de la interase.
5L*6UL61': cercamiento de las $otas dispersas.
6*L+6'6: 5usión de las peque
ROMPIMIENTO DE LAS EMULSIONES 9isten di"ersas ormas para reali#ar el rompimiento de las emulsiones. 2ara el caso de las emulsiones directas (a$ua en petróleo) se "an a considerar cuatro procesos: ;ratamiento -uímico +eparación 4ra"itacional ;ratamiento ;7rmico ;ratamiento lectrostático ;am!i7n se considerarán al$unos procesos tecnoló$icos no"edosos. •
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