Unidad IV: Tratamiento del agua

Transcripción

1 1 Unidad IV: Tratamiento del agua 1. Necesidad de tratar el agua 2. Las suspensiones 3. Separación sólido-líquido 3.1. Clarificación de suspensiones, coagulación y floculación 3.2. La sedimentación en la separación líquido-sólido Equipos utilizados para la sedimentación del agua 3.3. Flotación en la separación líquido-sólido 3.4. Filtración en la separación líquido-sólido 4. Separación Líquido-líquido 4.1. La sedimentación en la separación líquido-líquido 4.2. Coalescencia en la separación líquido-líquido 1

2 2 El fluido que se extrae de los pozos contiene agua, petróleo, gas, sales, barros y otros elementos que son separados en la separación primaria. Luego, cada uno de ellos requiere un proceso propio de tratamiento para alcanzar los niveles de pureza especificados para la venta, o para ser devueltos al medio ambiente como el caso del agua. Además del cuidado ambiental, el agua debe ser tratada porque es reinyectada en el reservorio. Es necesario entonces quitarle las sales u otras sustancias que puedan causar daños en los equipos de tratamiento. En esta unidad analizaremos en qué consiste el proceso de tratamiento del agua, cuáles son los equipos que se utilizan en el proceso y bajo qué principios actúan. Veamos dónde se ubican estas temáticas en el esquema general del proceso. 2

3 3 1. Necesidad de tratar el agua El agua surge naturalmente del pozo junto con el petróleo y es separada en distintas etapas del proceso. El agua separada del petróleo debe ser reinyectada para mantener la energía del yacimiento y también por razones de protección del medio ambiente. La utilización de técnicas de recuperación artificial de la energía del yacimiento se denomina la recuperación secundaria. En la recuperación secundaria, el agua es bombeada al reservorio a través de pozos seleccionados como pozos inyectores, mientras que el petróleo es extraído de otros pozos, seleccionados como pozos productores. La cantidad de agua inyectada es igual o superior a la cantidad de petróleo extraída. De este modo, se mantiene la presión del reservorio. La inyección de agua en el pozo hace que la cantidad de agua en petróleo tienda a aumentar hasta valores próximos al 100%. En ese momento, la explotación deja de ser rentable. El agua inyectada durante la recuperación secundaria tiene varios orígenes: aguas superficiales, aguas profundas de pozos especialmente perforados para ese fin, o las aguas que acompañan al petróleo y que son separadas en distintas instancias. Para que el agua esté en condiciones de ser utilizada durante la recuperación secundaria, debe cumplir con ciertos requisitos en cuanto a su composición. De lo contrario se experimentan inconvenientes tales como obstrucción de pozos y cañerías o corrosión en los equipos de extracción y tratamiento del petróleo. Los factores a tener en cuenta en la reinyección incluyen el tratamiento de: Sólidos en suspensión Sales solubles e insolubles Análisis bacteriano Petróleo arrastrado Es preferible que el tratamiento del agua se proyecte en un circuito cerrado, sin contacto con el aire. Esto se consigue con el agregado de un gas inerte en los sitios en que el agua pueda entrar en contacto con el aire (blanketing). Normalmente no es posible seleccionar el agua a utilizar. Si el agua disponible fuera de superficie, es de esperar un alto contenido de oxígeno disuelto. El oxígeno es indeseable porque favorece el crecimiento bacteriano por lo que puede ser necesario el agregado de cloro. Otro problema relacionado con el oxigeno es la corrosión, lo que requerirá, una inyección de substancias anticorrosivas. 2. Las suspensiones En el agua se encuentran suspendidas burbujas de gas, gotas de petróleo o partículas sólidas. Las partículas sólidas de mayor tamaño tenderán a precipitar por diferencia de densidad. Las de menor tamaño permanecerán en suspensión formando algún tipo de agrupación coloidal. Los sistemas coloidales que se forman, se clasifican según sea la fase continua y la fase dispersa. En el caso del agua, la fase continua será siempre líquida, mientras que la fase dispersa puede ser un gas, otro líquido o un sólido. Cuando la fase dispersa es un gas la agrupación coloidal es una espuma. Cuando es otro líquido, tendremos una emulsión. Cuando es un sólido, tendremos un sol. También se forman sistemas coloidales donde la fase dispersa es la asociación de dos fases. Se da el caso muy común de partículas sólidas recubiertas de petróleo dentro de un medio acuoso continuo, o bien, de burbujas de gas recubiertas de petróleo en un medio acuoso. En estos casos, si bien la diferencia de densidades es importante para la velocidad de decantación, los fenómenos superficiales pueden retrasar la decantación, (o la flotación), de la fase dispersa hasta inhibirla totalmente, manteniendo el coloide en una suspensión estabilizada. En síntesis, siendo el agua en todos los casos la fase continua, tendremos: 3

4 4 Fase continua Fase dispersa Agrupación coloidal Agua Líquido Gas Sólido Asociación de dos fases Emulsión Espuma Sol Partículas sólidas recubiertas de petróleo Burbujas de gas recubiertas de petróleo La purificación del agua constituye un problema más difícil que la purificación del petróleo por dos motivos. El primero es que la variedad de impurezas contenidas en el agua, hacen su purificación más complicada. El segundo es que la exigencia de purificación es mayor para el agua que para el petróleo. Contenido de agua e impurezas Contenido de petróleo en agua en el petróleo (BS&W) Entre a ppm es aceptable. Reducir a 50 ppm y en algunos casos, a menos de 20 ppm. 3. Separación sólido-líquido 3.1. Clarificación de suspensiones, coagulación y floculación La remoción de la materia coloidal suspendida en el agua requiere la desestabilización del coloide. La desestabilización hace que las partículas del coloide aumenten su tamaño formando conjuntos que pueden ser separados mecánicamente. A este proceso se lo denomina clarificación de las suspensiones. Por otro lado, cuando la desestabilización de las suspensiones coloidales se realiza mediante el agregado de substancias químicas, el proceso se denomina coagulación. Los coloides desestabilizados tenderán a agruparse formando paquetes de materia llamados flocos. La formación de flocos se denomina floculación. Entonces, la separación de suspensiones involucra las siguientes etapas: 1. Coagulación, que provoca la eliminación de las fuerzas estabilizantes. 2. Floculación, que provoca la aglomeración de las partículas desestabilizadas formando flocos. 3. Separación de los flocos de la masa acuosa. Los dos primeros pasos involucran tratamiento químico y manipulación de las variables ambientales como la temperatura. El tercer paso involucra la selección del más adecuado proceso de separación. La selección del separador dependerá de la cantidad y el tamaño de las partículas a separar, su estado físico (sólido o líquido) y de la disposición final prevista para las impurezas. 4

5 La sedimentación en la separación líquido sólido Uno de los macanismos de separación sólido líquido es la sedimentación. La sedimentación se produce por la diferencia de densidad entre el medio disperso y el medio continuo. La diferencia de densidad hace que cuando el fluido esta en reposo, los elementos más pesados se desplazan hacia abajo. Cuando esta sedimentación se produce normalmente se denomina sedimentación no asistida. Este tipo de separación se aplica a la remoción de sólidos suspendidos en grandes volúmenes de agua, por ejemplo, los sistemas de potabilización de agua. En la industria del petróleo, el método de sedimentación se aplica a la separación de la emulsión de petróleo en agua más que a la separación de partículas sólidas Equipos utilizados en para la sedimentación del agua. a. El tanque cortador Luego de la separación primaria, los líquidos separados contienen abundante agua libre. Se envían entonces a un sedimentador denominado tanque cortador o tanque API. El tanque cortador está diseñado para facilitar la remoción de petróleo por la parte superior y los sólidos sedimentados por el fondo. Sus internos están diseñados para facilitar el ingreso del líquido sin alterar la capa de petróleo de la superficie y sin agitar los sólidos depositados en el fondo. Además se instalan bafles para evitar el retro mezclado y el puenteo entre las conexiones de entrada y de salida. b. Los clarificadores Los clarificadores son recipientes de gran tamaño destinados a la separación de sólidos del agua, provocando la desestabilización del coloide. 5

6 6 Los dispositivos de entrada, salida y los internos están diseñados para que el agua se mueva en un flujo tipo pistón. Además, se proveen facilidades para el barrido y remoción de los sólidos precipitados y, si fuera necesario, para la remoción de petróleo de la superficie. 3.3 Flotación en la separación líquido-sólido La flotación consiste en la suspensión de partículas en el líquido. La separación a través de este método requiere la utilización de celdas de flotación. Se aplica exitosamente en la separación de partículas que pueden ser sólidas, líquidas o una mezcla de ambas. 6

7 7 En las celdas de flotación, se inyecta por el fondo una corriente de gas en forma de pequeñas burbujas. Las burbujas ascienden y atrapan las partículas en suspensión arrastrándolas a la superficie. Allí forman una capa espumosa que es barrida permanentemente fuera de la superficie. La espuma barrida deriva al sistema de disposición previsto. El gas utilizado para el burbujeo puede ser gas natural o aire dependiendo del destino final del agua tratada. Las burbujas deben ser pequeñas para mejorar la separación y evitar turbulencias en la superficie que dificulten la formación de espuma Filtración en la separación líquido-sólido La filtración es uno de los medios más antiguos de los que se ha valido la industria para la separación de partículas sólidas de un medio líquido. Consiste en hacer atravesar la corriente a través de un medio poroso donde quedan atrapadas las partículas sólidas. A continuación analizaremos los filtros de cartuchos y los filtros de lechos granulares. a. Filtros de cartuchos Consisten en un recipiente a presión en el cual se han instalado uno o varios cartuchos. Los cartuchos son filtros de forma tubular, que pueden ser removidos para su limpieza o para su reemplazo. Los cartuchos se fabrican de una gran variedad de materiales y se seleccionan según su aplicación. 7

8 8 Debido a la escasa capacidad de retención de sólidos y la mano de obra requerida para su reemplazo, la aplicación de éste método de filtrado está limitada a aquellos casos en los que la concentración de partículas es muy baja, o cuando se requiere el pulido final de una corriente pre-filtrada. Estos filtros no son recomendables para una filtración primaria. Además, se debe monitorear permanentemente la caída de presión a través de los filtros porque un exceso de presión podría romperlos y descargar el material retenido en la corriente de proceso. b. Filtros de lechos granulares Los filtros de lechos granulares son los comúnmente llamados filtros de arena. Consisten en un recipiente en donde se ha distribuido material de distinta granulometría, a través del cual se bombea el agua a filtrar. 8

9 9 Originalmente se construyeron con un lecho soporte sobre el cual se depositaban capas de arena de granulometría cada vez más fina. El agua se bombeaba de arriba hacia abajo, para que las partículas quedaran retenidas formando una capa en la superficie. Periódicamente el lecho se regeneraba con un procedimiento de retrolavado. Es un procedimiento que consiste en bombear agua limpia en sentido inverso al de la operación (de abajo hacia arriba) a mayor velocidad, y durante un breve período de tiempo. De este modo el lecho se expande y las impurezas son arrastradas al exterior del equipo por la parte superior. Una mejora en el diseño consistió en aumentar la profundidad del lecho y aumentar su granulometría. Se logró de esta manera, distribuir las impurezas retenidas en todo el volumen del lecho, en vez de permitir que se forme una capa de material en la superficie. Consecuentemente, aumenta el período de operación del filtro y la materia retenida por unidad de volumen. El diseño más eficiente se ha logrado mediante un lecho multimedia. Está formado por varias capas de diferentes materiales con flujo hacia abajo y la capa superior del lecho está conformada por el material de mayor granulometría. En los lechos multimedia, los materiales granulados se han seleccionado de manera tal que, al expandirse durante el retrolavado, ocupan el mismo volumen, con el objeto de evitar que se mezclen los materiales de distintos lechos. 4. Separación líquido-líquido Como se ha indicado, el petróleo se puede encontrar en el agua de varias maneras. Es importante identificar el tipo de mezcla a fin de seleccionar el sistema de separación líquido-líquido más adecuado. 9

10 10 Al igual que en la separación líquido sólido los métodos que se utilizan son la sedimentación y la coalescencia. Veamos cada uno de ellos La sedimentación en la separación líquido-líquido El tanque skimmer Este tanque de sedimentación es semejante al tanque cortador, también llamado tanque API. La separación se produce solo por efecto de la fuerza de la gravedad y de la diferencia de densidad de los líquidos. En este tanque solo se separa el petróleo libre, pero no el petróleo emulsionado. El primer tratamiento para des estabilizar las emulsiones y así provocar su sedimentación es el tratamiento térmico. Sin embargo, algunas emulsiones resisten el tratamiento térmico y deben ser utilizados tratamientos químicos. Estos consisten en la inyección de compuestos que actúan sobre la superficie de las gotas disminuyendo la tensión superficial. Esto facilita que las gotas choquen entre sí y coalescan. Para separar el petróleo emulsionado, se requiere la inyección de productos químicos que provocan la coagulación de las gotas de petróleo. Las gotas coaguladas ascienden a la superficie formando una capa que se drena periódicamente. Otros medios de promover el ascenso de las gotas de petróleo es acondicionar la temperatura del agua para obtener óptima separación e inyectar gas por el fondo en pequeñas burbujas que arrastran en su ascenso las gotas de petróleo Coalescencia en la separación líquido-líquido Los skimmer de placas 10

11 11 Para alcanzar la separación deseada cuando hay que tratar grandes volúmenes de agua, y el espacio disponible es insuficiente, se pueden utilizar skimmers de placas. En estos equipos, se ha logrado una mayor eficiencia en base a instalar en su interior una cantidad de placas paralelas, lisas o corrugadas, que forman canales estrechos ligeramente inclinados, a través de las cuales pasa el agua. Las placas son mojadas por el petróleo y provocan la coalescencia de las gotas. En este caso no ascienden hasta el tope sino hasta la placa inmediatamente superior. Allí forman una capa que al salir del sector de las placas, asciende con mayor rapidez. 11

12 12 En el cuadro que sigue se representa esquemáticamente una síntesis de los contenidos de la unidad. Separación primaria Gas Agua Petróleo Tratamiento del agua Suspenciones Remoción de contaminantes Emulsiones Espumas Soles Partículas sólidas recubiertas de petróleo Burbujas recubiertas de petróleo Separación sólido-líquido Sedimentación Flotación Tanque cortador o API Celdas de flotación Filtración Filtros de cartuchos Filtros de lechos granulares Separación líquido-líquido Sedimentación Tanque skimmer Coalescencia Tanque skimmer de placas 12