FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES
Clasificación de los tipos de emulsiones. Fuente: Tecnologías de Tratamiento de Emulsiones en Campos Petroleros, Erik Giovany Montes, 2010. UIS.
Una emulsión es un sistema termodinámicamente inestable. Esto es debido a que existe una tendencia natural para un sistema líquido/líquido para separar y reducir su área interfacial y, de aquí, su energía interfacial. Sin embargo la mayoría de emulsiones son estables en el tiempo, debido a que poseen una estabilidad cinética. La estabilidad de una emulsión es directamente dependiente de la estabilidad o “rigidez” de su interface, entendiéndose de esta manera que la estabilidad estará en términos de la no coalescencia de las partículas dispersas así como de su sedimentación. Las emulsiones pueden ser rotas por tres mecanismos que son: sedimentación agregación y coalescencia. La sedimentación se refiere a la caída de las gotas de agua en el aceite crudo, el agrupamiento de dos o más gotas es llamado agregación y por último la coalescencia que ocurre cuando las gotas originales pierden sus identidades y se funden en gotas más grandes reduciendo el área de interface total. Alterar la estabilidad tanto de la interfase como de la emulsión para facilitar su rompimiento, depende y requiere del estudio de factores que hacen posible su estabilidad, como lo son los factores asociados a los fluidos y los factores externos asociados al medio donde se encuentra. Algunos de estos factores y su influencia, son explicados a continuación:
Tamaño de gota y distribución del tamaño de la gota. La estabilidad de una emulsión puede ser medida como la función del comportamiento del número de gotas presentes en función del tiempo, gotas muy pequeñas forman emulsiones más estables en comparación de las gotas más grandes dado que tienen una mayor probabilidad a la agregación y coalescencia. Además, las gotas dispersas aumentarán su tamaño en relación al número de colisiones, siendo un factor determinante la distribución de estas y el tiempo de residencia.
Distribución y tamaño de gotas en una emulsión. Fuente: Petroblogger http://www.petroblogger.com/2009/09/emulsion-suelta-y-emulsion-apretada.html
Viscosidad de las emulsiones La viscosidad de las emulsiones puede ser sustancialmente más alta que la viscosidad de ya sea el aceite o el agua. Esto es debido a que las emulsiones muestran comportamientos no-Newtonianos causados por el desplazamiento de la gota o viscosidad estructural. En ciertas fracciones de volumen de la fase de agua (corte de agua), las emulsiones de producción se comportan como adelgazantes por cizalla (o esfuerzo cortante), o fluidos pseudo-plásticos; como la relación de la cizalla aumenta, sus viscosidades disminuyen.
Una viscosidad elevada disminuye la frecuencia de colisiones entre los glóbulos (gotas) dispersados y por tanto la energía de colisión, por lo que resulta ser favorable a la estabilidad de la emulsión. Del mismo modo, puede suceder que la viscosidad de la emulsión no sea superior a la de la fase dispersa. La viscosidad aumenta con la concentración de la fase dispersa y puede llegar a tener valores tales que el sistema se comporte como un sólido. Para estos sistemas que dan, siguiendo la concentración, emulsiones aceite-agua y agua-aceite la curva de viscosidad en función de la relación de volúmenes podrá presentar un máximo en las cercanías del punto de inversión.
Película interfacial. Las emulsiones son estabilizadas por películas que se forman alrededor de las gotas de agua en la interface aceite/agua. Esas películas se piensa que resultan desde la adsorción de moléculas polares de alto peso molecular que son activas inter-facialmente (por ejemplo, exhiben comportamiento como surfactante). La película interfacial se puede considerar como una envoltura alrededor de cada fase dispersa, si esta tiene una resistencia mecánica alta, será favorable la estabilidad de la emulsión. Debido a las frecuentes colisiones de las gotas dispersas se presenta la coalescencia, por tanto, la estabilidad de la emulsión estará en función de la resistencia mecánica de la película interfacial. Esas películas mejoran la estabilidad de la emulsión reduciendo el IFT e incrementando la viscosidad interfacial. Las películas interfaciales altamente viscosas retardan la velocidad de drenaje de las películas de aceite durante la coagulación de las gotas de agua porque proveen una barrera mecánica a la coalescencia. Esto puede dirigir a una reducción en la velocidad del rompimiento de la emulsión. Las características de las películas interfaciales están en función del tipo del aceite crudo (por ejemplo asfáltico y parafínico) de la composición y del pH del agua, de la temperatura, la extensión en la cual la película adsorbida es comprimida, el contacto o el tiempo de envejecimiento. Una buena correlación existe entre la ocurrencia de la película interfacial incompresible y la estabilidad de la emulsión.
Fracción Pesada en el Aceite Crudo
Es bien conocido que los emulsificantes (o estabilizadores) que ocurren de una manera natural son concentrados en el punto de ebullición más alto, de la fracción polar del aceite crudo. Estos incluyen asfáltenos, resinas, ácidos orgánicos solubles en aceite (por ejemplo ácidos nafténicos y carboxílicos) y bases. Estos compuestos son los principales constituyentes de las películas inter-faciales que rodean las gotas de agua que dan a las emulsiones su estabilidad. El material altamente asfalténico estabiliza las emulsiones continuas-en-aceite. Los asfáltenos residen en la interfase aceite/agua debido a sus propiedades de superficie activa. La acumulación de asfáltenos en la interface da como resultado la formación de una película rígida. Cuando dicha película es formada, ésta actúa como una barrera a la coalescencia de la gota. El estado de los asfáltenos en el aceite crudo también tiene un efecto sobre sus propiedades estabilizantes de la emulsión. Mientras que los asfáltenos estabilizarán las emulsiones cuando ellos están presentes en estado coloidal (no se han floculado), existe fuerte evidencia que sus propiedades estabilizantes de la emulsión son significativamente mejoradas cuando ellos son precipitados desde el aceite crudo y están presentes en la fase sólida. Las resinas son compuestos con alto peso molecular que son no solubles en etilacetato, pero son solubles en n-heptano. Expertos creen que las resinas tienen una tendencia de asociación con los asfáltenos, formando micelas y por ende, estabilizando la emulsión.
Sólidos. Las partículas sólidas-finas presentes en el aceite crudo, actúan como agentes surfactantes estabilizando la emulsión, esta acción es dependiente de factores como el tamaño de partícula, las interacciones de las inter-partículas, y de la humectabilidad de los sólidos. Las partículas sólidas estabilizan las emulsiones por difusión de la interface aceite/agua donde ellas forman películas rígidas que pueden inhibir la coalescencia de las gotas de la emulsión. Las partículas deben ser mucho más pequeñas que el tamaño de las gotas de la emulsión para actuar como estabilizadores de la emulsión.
Mecanismo de la estabilización de la emulsión por asfáltenos. Fuente: Kokal. Modificada.
Comportamiento de los agentes surfactantes en emulsones. Fuente: Laboratorio de fluidos. Universidad autónoma de San Luis de Potosí. http://www.ifisica.uaslp.mx/~alara/emulsiones.html
Temperatura.
La temperatura afecta las propiedades físicas del aceite, el agua, las películas interfaciales y las solubilidades de los surfactantes en las fases aceite y agua. Sin embargo, el efecto más importante radica en la variación de la viscosidad en la emulsión, que disminuye con el incremento de la temperatura. Esta disminución es principalmente causada por una disminución en la viscosidad del aceite.
La temperatura aumenta la energía térmica de las gotas de la fase dispersa, la energía cinética generada con esto produce una colisión entre las gotas, aumentando su tamaño. También reduce la viscosidad inter-facial y resulta en una velocidad más rápida del drenaje de la película y mejora la coalescencia de la gota. En consecuencia, la temperatura estabilidad de la emulsión.
esta correlacionada inversamente con la
Gráfica de Temperatura vs Viscosidad Cinemática para diferentes tipos de crudo. Fuente: Tecnologías de Tratamiento de Emulsiones en Campos Petroleros, Erik Giovany Montes, 2010. UIS.
PH. El pH de la fase acuosa tiene una fuerte influencia sobre la estabilidad de la emulsión. La película interfacial que estabiliza la emulsión, contiene ácidos y bases orgánicos, asfáltenos con grupos ionizables, y sólidos. El pH minimiza la estabilidad de esta película e incrementa la tensión superficial. El pH también influye en el tipo de la emulsión formada. El pH bajo (ácido generalmente produce emulsiones W/O, un pH alto (básico) produce emulsión O/W.
Composición de la salmuera La concentración de la salmuera es un factor importante en la formación de emulsiones estables. Salmueras de baja concentración favorecen la estabilidad de
las emulsiones, mientras que las salmueras de alta concentración desestabilizan la emulsión. La composición de la salmuera también tiene un efecto importante (en relación al pH) sobre la estabilidad de la emulsión. El pH óptimo (para la separación del agua) cambia desde aproximadamente 10 para el agua destilada y entre 6 y 7 para la solución de la salmuera. Esto es debido al efecto deionización (por ejemplo asociación/interacción de los iones presentes en la salmuera con los asfáltenos). El estudio sugiere que la mayoría de los sistemas aceite-crudo/salmuera, existe un intervalo de pH óptimo para el cual las películas inter-faciales exhiben una mínima estabilización en la emulsión o máximas propiedades de rompimiento de emulsión. El pH óptimo para máxima estabilidad de la emulsión depende de ambos el aceitecrudo y la composición de la salmuera. Envejecimiento de la emulsión La estabilidad de una emulsión esta correlacionada con el tiempo de exposición de esta a los factores emulsificantes, el tiempo permite que los surfactantes migren a la interfase, aumentado la rigidez de la película interfacial. Además, la cantidad de emulsificantes en el tiempo, se incrementa por oxidación, fotólisis, evaporación o por la acción de bacterias. Relación de volumen de fase. La relación de fases se entiende como la proporción existente entre el volumen de la fase dispersa y el volumen de la fase continua. Incrementando el volumen de la fase dispersa se incrementa el número de gotas y/o el tamaño de gota, el área interfacial. La distancia de separación también se reduce incrementando la velocidad y el número de colisiones entre las gotas De esta manera, este factor influye desfavorablemente en la estabilidad de una emulsión.
BIBLIOGRAFIA EMULSIONES DE AGUA EN PETRÓLEO CRUDO. http://es.scribd.com/doc/24999051/Emulsiones-de-Agua-en-Petroleo-Crudo KOKAL, Sunil. Crude-Oil Emulsions: a state of the art review. San Antonio: Saudi Aramco - Society of Petroleum Engineers, 2005. WANG, X. Alvarado, V. Effect of salinity an pH on Pickering Emulsion stability. Denver: University of Wyoming - Society of Petroleum Engineers, 2008. PINEDA, Cesar. Guía Laboratorio de Fluidos, Identificación y Tratamiento de Emulsiones. UIS, 2009. MONTES, Erik, Tecnologías de Tratamiento de Emulsiones en Campos Petroleros, Especialización en producción, UIS, 2010.
