Orimulsión: Producción y tecnología

Indice1. Introducción 2. ¿Qué es la orimulsión®? 3. Orígenes 4. Proceso de producción de la orimulsión® 5. Características de la orimulsión® 6. Almacenamiento y manejo 7. Aspectos Ambientales 8. Aplicaciones 9. Comercialización 10. Nuevos Desarrollos 11. Bibliografía

1. Introducción

La Orimulsión® es un combustible líquido Venezolano producido mediante tecnología de emulsión desarrollada por PDVSA – INTEVEP, S.A. en respuesta a la necesidad de explotar los yacimientos de hidrocarburos extrapesados encontrados en la Faja del Orinoco. Consta de un 70% de bitumen natural, un 30% de agua más aditivos para estabilizar la emulsión (surfactantes). Comúnmente, la información referente al tema no está al alcance de todas las personas interesadas, originando un alto porcentaje de desconocimiento por parte de la población de Venezuela. Además, debido a que el proceso de elaboración y el combustible Orimulsión® están patentados exclusivamente por PDVSA–INTEVEP, es de difícil acceso obtener información técnica y especializada acerca del proceso de producción de la Orimulsión® así como también, de las tecnologías involucradas. Para analizar el proceso de elaboración del combustible alternativo Orimulsión®, así como también las tecnologías involucradas en este, se realizó una descripción, mediante una investigación documental, del proceso de elaboración de Orimulsión®, describiendo además la tecnología Imulsión® y de Emulsiones de Viscosidad Controlada, explicando brevemente sus características. Se trataron, de igual forma, los aspectos ambientales del combustible, puntualizando asimismo las aplicaciones de este sin dejar de mencionar los alcances obtenidos en el ámbito económico o comercial del combustible. Es necesario destacar que se mantiene un enfoque hacia la última generación de Orimulsión® , es decir, la Orimulsión® 400, la cual está hecha a base de un nuevo paquete de surfactantes que fue probado a nivel de laboratorio en 1999 e implantado a nivel industrial en la planta El Morichal en el año 2000

2. ¿Qué es la orimulsión®?

La Orimulsión® es un combustible líquido Venezolano producido mediante tecnología de emulsión desarrollada por PDVSA – INTEVEP, S.A. en respuesta a la necesidad de explotar los yacimientos de hidrocarburos extrapesados encontrados en la Faja del Orinoco. Consta de un 70% de bitumen natural, un 30% de agua más aditivos para estabilizar la emulsión (surfactantes). Este combustible está específicamente diseñado para uso en empresas eléctricas y sector industrial. Ha sido usado con éxito en plantas generadoras de electricidad en Canadá, Estados Unidos, Reino Unido, China, Alemania, Japón, Dinamarca, Italia y Lituania, así como en plantas de cemento. La Orimulsión® representa una alternativa ambiental y económica para que las plantas eléctricas puedan operar eficientemente frente a otras fuentes de energía.

3. Orígenes

La Orimulsión® se origina por la necesidad de explotar petróleos extrapesados (ºAPI < 16º) encontrados en la Faja del Orinoco, cuya producción y manejo resultan ser procesos difíciles debido a las altas viscosidades de los mismos (mayores de 100.000 cPs a 30ºC). Para la fecha en que fueron descubiertos los yacimientos en la Faja petrolífera del Orinoco (1936), Venezuela explotaba crudos livianos y medianos (ºAPI > 22º) de los cuales se obtenían productos de gran valor comercial como lo son la Gasolina, lubricantes, Kerosén, etc. con gran facilidad y sin problemas de manejo y transporte de dichos petróleos hasta las instalaciones de refinación. Al momento de realizar las primeras extracciones de crudo en la Faja del Orinoco, se mantuvo una tecnología en la cual se inyectaba solvente a fondo de pozo con el fin de diluir, disminuyendo la viscosidad del crudo para luego ser transportado y posteriormente fraccionado. El fraccionamiento de estos hidrocarburos extrapesados produce gran cantidad de residuo que poseen poco valor comercial; y poca cantidad de combustibles livianos que son los más comercializados.

Desde finales de la década de los años 70 (1978), en PDVSA – INTEVEP, S.A. centro de investigación y apoyo tecnológico de Petróleos de Venezuela, se iniciaron actividades de investigación tendentes a encontrar una manera económica y técnicamente factible, de extraer los hidrocarburos presentes en la Faja del Orinoco y transportarlos hacia los centros de refinación más cercanos a un menor costo. Bajo el entorno económico existente para la época, se propuso la adaptación y optimización de la tecnología de emulsiones como alternativa a los métodos convencionales de calentamiento y dilución. Luego de varios años de investigación en los laboratorios de PDVSA – INTEVEP, S.A. en conjunto con los colaboradores de Reserch Center to British Petroleum, el laboratorio de FIRP de la universidad de los Andes y la Facultad de Ciencias de la Universidad Central de Venezuela, en la década de los años ochenta, se propuso la quema directa de la emulsión formada con hidrocarburo y agua, con el propósito de obtener mejores beneficios económicos, ya que no se obtienen gran cantidad de productos valiosos mediante la refinación del hidrocarburo. A partir de dicha propuesta se realizaron estudios que posteriormente dieron origen a la Orimulsión®, que luego PDVSA – INTEVEP, S.A. fue afinando la tecnología de formulación de este, a través de pruebas pilotos y comerciales desarrollando así la tecnología Imulsión® que es la base para la producción, tratamiento y manejo de bitúmenes (hidrocarburos extrapesados), así como para la manufactura del combustible Orimulsión®.

4. Proceso de producción de la orimulsión®

Tecnología Imulsión®Como ya se mencionó, la tecnología imulsión® es la base en la manufactura de la Orimulsión® y fue desarrollada por PDVSA – INTEVEP, S.A. luego de varios años de investigación en el campo de las emulsiones de bitumen en agua. Antes de referir esta tecnología, es necesario puntualizar en los siguientes aspectos:

• Emulsiones:

Las emulsiones son sistemas dispersos o suspensiones líquido – líquido, constituidos por dos líquidos inmiscibles, en el cual la fase en suspensión (interna) denominada fase dispersa se encuentra en forma de pequeñas gotas contenidas en una fase externa denominada fase continua. Los tipos más comunes de emulsiones son aquellas en las que un aceite es se dispersa en agua, en cuyo caso el sistema se conoce como emulsiones oleoacuosas (O/W), o cuando el agua se dispersa en el aceite para formar emulsiones hidrooleosas (W/O). El combustible Orimulsión® es una emulsión de bitumen (fase dispersa) en agua (fase continua), lo que implica que es una emulsión del tipo oleoacuosa (O/W), involucrando esto que las emulsiones tratadas a continuación serán sólo del tipo O/W. La emulsificación normalmente requiere la presencia de un tercer componente con actividad interfacial que es adsorbido en la interfase de las gotas en la fase dispersa, denominado surfactante, este facilita la formación de la emulsión y prolonga el tiempo de vida de esta, manteniendo su estabilidad.

• Surfactantes o Emulsificantes:

Los surfactantes son sustancias complejas que se emplean para disminuir la tensión interfacial entre la fase dispersa y la continua ya que cuanto menor es la tensión interfacial entre las dos fases de una emulsión, tanto más fácil es la emulsificación. Los surfactantes se dividen en iónicos y no iónicos. El surfactante iónico consta de un grupo lipófilo orgánico y un grupo hidrófilo. Los surfactantes iónicos se subdividen en aniónicos y catiónicos, según sea la naturaleza del grupo activo. Ordinariamente se considera que la porción lipófila de la molécula es la porción de actividad interfacial. Como es de suponer, no son mutuamente compatibles los agentes aniónicos y catiónicos de actividad interfacial, pues en virtud de las cargas iónicas tienden a neutralizarse entre sí y se incapacita su actividad interfacial. Los emulsivos no iónicos son totalmente covalentes y no tienen ninguna tendencia a la ionización. Por consiguiente, puede asociarse con otros agentes no iónicos de actividad interfacial y con agentes aniónicos o catiónicos. Los emulsivos no iónicos son mas inmunes contra la acción de electrolitos que los agentes aniónicos de actividad interfacial. La función del surfactante puede ser ilustrada de la siguiente manera:

Figura 1 Para lograr la formación de gotas y su dispersión en agua, es necesario comunicarle al sistema cierta cantidad de energía, dada según la siguiente expresión:

Donde:

D G(fe) Energía de formación de la emulsión, J

s Tensión interfacial, N/m

D A Variación del área interfacial, m2

D S(conf) Incremento de entropía debido al cambio de configuración, J/K

T Temperatura, K

El término representa la energía requerida para expandir la interfase durante la emulsificación. En ausencia de surfactante, este término tiene un valor relativamente alto, ya que s tiene un valor superior a 20 mN/m.

Para reducir la energía de emulsificación es necesario disminuir la tensión interfacial, al menos en un orden de magnitud, lo cual sólo se consigue añadiendo al sistema una sustancia con actividad interfacial, cuyas moléculas se adsorban en la interfase bitumen – agua. El término , representa el aumento de entropía por cambios en la configuración del sistema, como resultado de la dispersión de un componente (bitumen) en un gran número de gotas, dicho término es positivo y, por lo tanto, ayuda a la formación de la emulsión. No obstante, para el caso de macro emulsiones, es siempre mayor que por lo tanto D G(fe) es siempre positivo implicando esto que el proceso de formulación de emulsiones no es un proceso espontáneo (necesita energía). Como el proceso de emulsificación no es espontáneo, las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables, por lo que debe existir una barrera de energía que se oponga al rompimiento (separación de fases); esto implica que las emulsiones son estables sólo desde el punto de vista cinético.

Las investigaciones llevadas a cabo en los laboratorios y plantas piloto de PDVSA-INTEVEP y, posteriormente, en facilidades diseñadas especialmente en campo, en las áreas de Jobo y Cerro Negro, Venezuela, permitieron que en un período de diez años se estableciera a escala comercial la tecnología Imulsión®, para la producción, tratamiento y manejo de bitúmenes, así como para la manufactura del combustible Orimulsión®. La tecnología Imulsión® en un principio, consistió, en que el bitumen se producía inyectando una solución acuosa de un surfactante a fondo o cabezal de pozo, donde se formaba una emulsión primaria, de muy baja viscosidad (100 cPs a 30°C) con un contenido de bitumen de 60% (v/v). De esta manera, el bitumen fluía fácilmente hacia las instalaciones de superficie, donde era desgasificado, desalado, deshidratado y recuperado de la emulsión primaria, para luego formar la Orimulsión®. Más adelante, y por razonas técnicas y económicas, se suspendió la formación de emulsión primaria y el bitumen se comenzó a producir mediante inyección de diluente a fondo de pozo. El bitumen diluido es tratado para remover el gas asociado y el agua salada proveniente de la formación, y para recuperar el diluente inyectado, lo cual permite usar el bitumen en forma natural, en la manufactura del combustible Orimulsión®. En la formulación de Orimulsión®, aparte de la presencia en las cantidades apropiadas de agua y bitumen, se requiere la incorporación de un surfactante. El producto formado, mediante la tecnología Imulsión®, se estabiliza con el Intan-100, surfactante no iónico, cuya base activa lo constituye el nonil fenol etoxilado con 17 óxidos de etileno por molécula.

Emulsiones de Viscosidad Controlada (EVC): La Orimulsión® formada en sus inicios, constaba de una emulsión de 70 % de bitumen en 30 % de agua, la cual presentaba una distribución de diámetro de gotas monomodal o normal, cuyo comportamiento reológico será descrito a continuación:

• Comportamiento reológico de emulsiones de bitumen en agua con distribución monomodal:

El comportamiento reológico de las emulsiones depende fundamentalmente del diámetro promedio de las gotas de la fase interna (bitumen) así como de la concentración de esta. Obviamente al aumentar la concentración de la fase dispersa, aumenta la viscosidad de la emulsión ya que la viscosidad del bitumen es mucho mayor que la viscosidad del agua. Con respecto al diámetro promedio de gotas, los investigadores obtuvieron que al disminuir el diámetro promedio de gotas, ocurre un aumento pronunciado de la viscosidad de la emulsión y, esto se debe a

Figura 2 que ocurre un elevado aumento del área interfacial lo cual promueve mayor interacción entre la fase dispersa. Al monitorear la viscosidad de diferentes emulsiones monomodales en el tiempo, se observó poca variación de esta, indicando de esta manera que las emulsiones monomodales son estables. Por otra parte las emulsiones con distribución normal se comportan como un fluido no – Newtoniano del tipo seudoplástico (la viscosidad disminuye al aumentar la tasa de deformación), el cual se acentúa más a medida que disminuye el diámetro promedio de gotas. A partir del año 90, la investigación se ha enfocado en mejorar la calidad de la Orimulsión® , en términos de sus propiedades reológicas, características ambientales, entre otras. Es así como se ha desarrollado una tecnología que permiten incrementar el contenido de bitumen en la emulsión sin aumentar la viscosidad del producto, dicha tecnología es la que se conoce como Emulsiones de Viscosidad Controlada.

Las emulsiones de viscosidad controlada se caracterizan por poseer una distribución de diámetro de gotas bimodal. Estas emulsiones se forman mezclando en ciertas proporciones emulsiones con distribuciones de diámetros monomodales que tienen diámetros promedios bien diferenciados, generando de esta manera emulsiones que poseen características reológicas completamente diferentes a las emulsiones de partida. Estas emulsiones se denominan "de Viscosidad Controlada" ya que la viscosidad de estas se puede controlar con un alto grado de precisión variando la relación Dg/Dp (Diámetro de gota grande a diámetro de gota pequeña).

• Preparación de emulsiones de bitumen en agua con distribución bimodal:

Las emulsiones se preparan a partir de bitumen despojado el cual se produce mediante la inyección de diluente (Kerosén) a fondo de pozo hasta tener un hidrocarburo con una ºAPI de 14 Aprx. Este se desala y se deshidrata en un sistema de separación electrostática (figura 3). El diluente añadido posteriormente se separa en una columna de Destilación atmosférica, hasta obtener un producto con características muy similares a las del bitumen original presente en la formación.

Figura 3 Luego se procede a formar las emulsiones (Fig. 4), las cuales se forman preparando de manera separada en dos ramales, emulsiones monomodales de diámetro bajo (Dp<6 micras) y de diámetro grande (Dg>6 micras) mediante una técnica patentada por PDVSA – INTEVEP, S.A. y Reserch Center to British Petroleum, denominada High Internal Phase Ratio (HIPR). En cada caso, se mezcla el bitumen con una solución acuosa de surfactante el cual se conoce como Itan-400 (siendo este, una mezcla de surfactantes naturales activados con monoetanolamina (Itan-300) y el tridecanol etoxilado (Itan-200) formando estos dos una mezcla de surfactantes aniónicos y no-aniónicos), en relaciones iniciales de bitumen/Agua (RBA), que varían entre 95/5 y 80/20 (p/p) a una temperatura aproximada de 60ºC. La mezcla se somete a agitación variando la velocidad de mezclado y el tiempo de residencia, de forma que se puedan obtener las emulsiones con el diámetro promedio de gotas requerido en cada una de las ramas del circuito de formación. Seguidamente, tanto las emulsiones de diámetro pequeño como las de diámetro grande, se diluyen con agua hasta lograr relaciones de bitumen / Agua de 70/30, 75/25, y 80/20 (p/p). Una vez diluidas estas emulsiones, cuya característica fundamental es poseer una distribución de diámetros monomodal, se mezclan entre si en diferentes proporciones, para obtener un producto final con distribución bimodal.

Figura 4

• Comportamiento reológico de emulsiones de bitumen en agua bimodales:

Al estudiar los cambios de viscosidad para una emulsión con un contenido total de bitumen de 70% (p/p) formada mezclando emulsiones de 4 y 20 micras de diámetro promedio de gotas se observa, que a medida que aumenta, la fracción de emulsión con un diámetro promedio de gotas de 4 micras en la mezcla, la viscosidad disminuye progresivamente, hasta alcanzar un valor mínimo a partir del cual comienza a aumentar nuevamente. El valor mínimo de viscosidad corresponde al de una mezcla que contiene aproximadamente 25% (p/p) de emulsión, con gotas de 4 micras, y 75% (p/p) de emulsión con gotas de 20 micras.

Cabe añadir que el mínimo de viscosidad observado, corresponde a un valor de viscosidad que es al menos dos órdenes de magnitud menor que el de la emulsión de partida con menor viscosidad; es decir, al de la emulsión de 20 micras de diámetro promedio de gotas. A manera de ilustración podemos decir que si la viscosidad de la emulsión de 20 micras fue de unos 2000 mPa.s a 30°C y 1/s, la de la mezcla, en el mínimo de viscosidad fue de 60 mPa.s, bajo las mismas condiciones.

Otro aspecto importante es que a pesar de que las emulsiones de partida utilizadas para formar la mezcla con distribución bimodal, presentaron un comportamiento claramente no-Newtoniano, la mezcla cuya composición corresponde al mínimo de viscosidad, se comporta como un fluido Newtoniano. Con la finalidad de investigar el efecto de las diferencias entre los diámetros promedios de gotas de las emulsiones monomodales utilizadas para preparar las mezclas bimodales, sobre las propiedades reológicas de dichas mezclas, se procedió a realizar las combinaciones indicadas en la Tabla 1 en donde la relación de bitumen/Agua (RBA) es de 70/30. Al estudiar específicamente las emulsiones A, B y C de la Tabla, en donde todas estas contienen 25% (p/p) de la emulsión con el diámetro de gotas pequeño, ya que esta proporción fue considerada óptima según el estudio descrito anteriormente. En todos los casos se observaron viscosidades extremadamente bajas, entre 65 y 150 mPa.s aproximadamente, las cuales no variaron considerablemente con el tiempo de almacenamiento, lo que indica que no sufrieron signos de desestabilización.

Tabla 1. Emulsiones bimodales con contenido de bitumen de 70% (p/p).

Otro hecho importante de resaltar, en relación a la tabla 1, es que la viscosidad de cada emulsión bimodal aumenta al incrementar el diámetro promedio de la fracción de menor diámetro. No obstante, todas ellas mostraron un comportamiento típicamente Newtoniano.

Además de las emulsiones A, B y C de diámetro promedio de gotas grandes (Dg) de 20,7 micras se estudiaron también las emulsiones D, E y F de la tabla 1, en donde la fracción con gotas grandes tiene un diámetro promedio de 30 micras; es decir, unas 10 micras por encima del valor de esa fracción en las emulsiones A, B y C de la misma tabla. Las viscosidades observadas en este caso son relativamente menores a las presentadas por las emulsiones A, B y C, a pesar de que poseen la misma relación bitumen/agua.

Los resultados analizados hasta el momento, permiten concluir que para una relación dada bitumen/agua, en emulsiones bimodales, el comportamiento reológico del sistema resulta muy afectado por la relación de diámetros entre las fracciones de diámetros grandes y pequeños. Al aumentar la diferencia entre los diámetros de dichas fracciones la viscosidad de la emulsión bimodal obtenida se hace menor. Además del estudio realizado con una RBA de 70/30, se investigó el comportamiento reológico de emulsiones con una RBA de 75/25 y un diámetro promedio de gotas grandes (Dg) de 30 micras (Emulsiones D, E y F), las cuales presentan el mismo comportamiento reológico de emulsiones D, E y F antes descritas, pero en este caso con un porcentaje de bitumen mayor, es decir 75% (p/p). En este caso, a pesar de haber aumentado la viscosidad con respecto a las de las emulsiones con 70% (p/p) de bitumen, los valores obtenidos siguen siendo muy bajos, cuando se comparan con los valores encontrados para emulsiones con las mismas características (contenido de bitumen y diámetro promedio de gotas), pero con distribución de diámetro de gotas monomodal, en cuyo caso los valores reportados han sido superiores a los 10.000 mPa.s.

También es evidente, que las viscosidades de las emulsiones se hacen mayores, a medida que aumenta el diámetro promedio de gotas de la fracción de menor diámetro (Dp). Igualmente en este caso, todas las emulsiones estudiadas mostraron un comportamiento Newtoniano, a pesar del alto contenido de fase interna (75%). Finalmente, se evaluaron emulsiones bimodales con 80% (p/p) de bitumen en la fase interna y con diámetro promedio de gotas grandes de 30 micras. Se obtuvo que sólo cuando se mezclan emulsiones de 2 y 30 micras de diámetro promedio de gotas, se obtiene un producto con viscosidades relativamente bajas y comportamiento Newtoniano. Para las otras combinaciones de diámetro de gotas, las emulsiones resultaron bastante viscosas y claramente seudoplásticas.

• Aspectos Geométricos de las emulsiones de bitumen en agua bimodales:

Es evidente, de los resultados discutidos anteriormente, que aparte de las consideraciones físico-químicas que rigen el proceso de formación y posterior comportamiento de las emulsiones de bitumen en agua, deben existir factores de tipo geométrico, que tienen que ser tomados en cuenta a la hora de explicar las características reológicas observadas en las emulsiones con distribución de diámetro de gotas del tipo bimodal.

En efecto, si admitimos hipotéticamente que las emulsiones son monodispersas; es decir, que en ellas todas las gotas poseen el mismo diámetro, las mismas podrían esquematizarse como se muestra en la figura 5,

Figura 5 donde cada círculo negro representa un corte transversal de las gotas de bitumen presentes en la emulsión Cuando se trata de emulsiones diluidas, donde la concentración de la fase interna es inferior al 50% (p/p). hay una clara separación entre las gotas (Fig. 5), ya que éstas se encuentran sumergidas en la fase acuosa y rodeadas de una película de agua, la cual tiene un espesor suficientemente grande como para evitar la interacción entre las gotas. Lo anterior reduce la probabilidad de floculación, con lo cual la viscosidad del sistema se aproxima al valor del de la fase continua, en este caso a la del agua. Al aumentar la concentración de la fase dispersa a valores iguales o mayores al 70% (p/p), los sistemas dispersos (monomodales) muestran un incremento exponencial de viscosidad. En estos casos, la geometría del sistema obliga a que las gotas se toquen unas

Figura 6 con otras (Fig. 6), llegando incluso a producirse sobre posición entre ellas. Al ponerse las gotas en contacto, desaparece la película de agua que las rodea y ésta se ve obligada a confinarse en las aberturas entre las gotas, las cuales pueden llegar a ocupar hasta el 30% del volumen total de la emulsión. Cuando se mezclan dos emulsiones con una diferencia apreciable en sus diámetros promedios de gotas, 2 y 30 micras por ejemplo, es de esperar que las gotas pequeñas en vez de quedar atrapadas entre las grandes, migren espontáneamente hacia las aberturas ocupadas por la fase continua, forzando el agua atrapada en esos intersticios a migrar de allí y formar una película alrededor de las gotas, lo cual obliga a que éstas se separen y se debiliten o eliminen las interacciones intra-moleculares. Al mismo tiempo, las gotas pequeñas se introducen en la película de agua que rodea las gotas grandes (fig. 7), actuando como una especie de lubricante que elimina la fricción entre éstas. Todo esto trae como consecuencia lógica, una rápida disminución de la viscosidad puesto que disminuyen las interacciones directas entre las gotas.

Para producir los efectos deseados en cuanto a la disminución de viscosidad, mediante la formación de emulsiones bimodales es necesario que exista una relación crítica entre los diámetros promedios de las emulsiones por mezclar, por lo tanto, se requiere que los

Figura 7 diámetros promedios de la fracción de gotas pequeñas sean tales que les permita colocarse holgadamente y sin interacciones entre los espacios libres dejados por las gotas grandes. De no ser así, ambas fracciones interactúan produciendo efectos hidrodinámicos que mantienen valores altos de viscosidad. Por esta razón, mientras mayor es la diferencia entre los diámetros promedios de las gotas grandes y pequeñas, menor es la viscosidad de la emulsión obtenida.

Es importante señalar que la existencia de una relación en peso óptima (25% de emulsión con gotas pequeñas) entre las fracciones de gotas grandes y pequeñas, requerida para obtener la mínima viscosidad de la mezcla, se debe a que a esa relación los intersticios existentes entre las gotas grandes, se encuentran completamente ocupados por las gotas pequeñas, de forma tal que la fase continua se distribuye uniformemente por toda la emulsión. A fracciones menores de gotas pequeñas, no habrá suficiente cantidad de gotas para forzar la salida de toda el agua de los intersticios, mientras que a fracciones mayores, el número de gotas pequeñas es lo suficientemente elevado para interactuar entre sí y con las gotas grandes, lo que origina por tanto, altas viscosidades.

• Estabilidad de las emulsiones de bitumen en agua:
• Estabilidad estática de las emulsiones de bitumen en agua:

Estabilidad estática se refiere a los cambios que sufren las emulsiones de bitumen en agua, durante su almacenamiento, el cual es reflejado por un aumento del diámetro promedio de gotas acompañado de un aumento de la viscosidad de esta.

En la figura 8, se esquematizan los tipos más comunes de desestabiliza-ción normalmente observa-dos en emulsiones, los cuales se discuten brevemente a continuación:

Figura 8

• Floculación: Proceso de agregación de gotas sin que éstas pierdan su identidad, y sin cambio en el diámetro promedio de las mismas. La floculación es el resultado de las atracciones de Van der Waals y de las interacciones electrostáticas y esféricas, entre moléculas de surfactante adsorbidas sobre la superficie de gotas adyacentes.
• Sedimentación: Agregación de las gotas bajo la influencia de la gravedad, como consecuencia de una diferencia de densidad apreciable entre las fases continua y dispersa. Cuando la fuerza de gravedad excede el movimiento térmico de las gotas, se desarrolla un gradiente de concentración en el sistema, en el que las gotas más grandes se mueven a mayor velocidad hacia la superficie (si la densidad de la fase dispersa es menor que la de la continua), o hacia el fondo (si la densidad de la fase dispersa es mayor que la de la continua). En los casos extremos, las gotas se concentran en la superficie ("creaming") o en el fondo (sedimentación). En ninguna de estas situaciones, las gotas pierden su individualidad y el proceso es reversible.
• Coalescencia: Proceso de coalescencia en una emulsión, que implica la unión de varias gotas para formar otras más grandes, lo que finalmente conduce a la separación de las fases. Para que se produzca la coalescencia, es necesario que la película líquida interfacial que rodea las gotas, así como la monocapa de surfactante adsorbida sobre la superficie de las mismas sufran un completo deterioro. La coalescencia es un proceso irreversible, difícil de explicar teóricamente. Este, es monitoreado a través del diámetro promedio de las gotas.
• Inversión: Cambio de una emulsión de aceite en agua a otra de agua en aceite. La inversión puede ser promovida por varios factores entre los cuales destacan la temperatura, cambios en la formulación del sistema y efectos de tipo mecánico, entre otros.

La estabilidad estática de una emulsión de bitumen agua, está afectada por los siguientes aspectos:

• Efecto de la temperatura:

En la tabla 2, se muestra la variación del diámetro promedio de gotas, en función del tiempo de almacenamiento a 25, 40 y 60°C, respectivamente, para emulsiones de bitumen en agua, estabilizadas con 2500 ml, respecto al bitumen, de Intan-100 (surfactante de la formulación anterior a la Orimulsión® 400). Tabla 2. Efecto de la temperatura y el tiempo de almacenamiento sobre el diámetro promedio de gotas(Dp), estabilizadas con 2500 mg/lt de Itan-100

En todos los casos estudiados, se observa un ligero incremento en el diámetro promedio de gotas, durante los primeros 20 días del almacenamiento, signo evidente de que ocurrió un cierto grado de coalescencia. Indudablemente que la causa del incremento en el diámetro promedio de gotas y, por consiguiente, de la coalescencia, debe atribuirse a una deficiencia inicial de surfactante. La concentración de surfactante existente al momento de formar la emulsión, no fue lo suficiente alta como para recubrir toda el área interfacial (bitumen/agua) generada durante el proceso de emulsificación, como consecuencia, se produjo espontánea y progresivamente una disminución en el área interfacial, hasta que el surfactante presente fue capaz de saturar completamente la interfase. La disminución del área interfacial, implica un aumento en el diámetro promedio de gotas. La ocurrencia de coalescencia durante los 20 primeros días de almacenamiento de estas emulsiones, puede comprobarse también al analizar los cambios con el tiempo de la distribución de diámetros de gotas. La temperatura tiene cierto efecto sobre la velocidad de coalescencia. Como se observa en la tabla 2, a 60°C, el diámetro promedio de gotas aumenta más rápidamente que a 25 ó 40°C, respectivamente. Este comportamiento se debe a cambios en las propiedades del surfactante con la temperatura, ya que al incrementar ésta el mismo se hace más hidrofóbico y tiende a separarse de la interfase. Si la temperatura se aumenta a valores aun mayores (80°C o más), el surfactante se separa totalmente de la interfase y la emulsión se deteriora por completo.

• Efecto de los electrolitos:

La influencia de cationes mono y bivalentes sobre la estabilidad estática de las emulsiones de bitumen en aguas, fue estudiada añadiendo a la fase acuosa de las mismas, nitrato de sodio y de calcio, en las concentraciones requeridas para generar fuerzas iónicas de 0,1 y 0,2, respectivamente. Así, 708 mg/l de Na+ y 403 mg/l de Ca++ corresponden a una fuerza iónica de 0,1. mientras que 1416 mg/l de Na+ y 826 mg/l de Ca++ originan un valor de fuerza iónica de 0,2.

Con base en la información obtenida, se pudo observar que los electrolitos con cationes mono y bivalente no tienen una marcada influencia sobre la estabilidad de estas emulsiones frente a la coalescencia, puesto que se observó un ligero incremento en los diámetros promedios de gotas pero este aumento es prácticamente igual en todas las emulsiones estudiadas.

• Estabilidad estática durante el almacenamiento prolongado:

Tal como se discutió en las secciones anteriores, las emulsiones muestran incrementos en el diámetro promedio de gotas durante los primeros días del almacenamiento. Ese aumento inicial en el diámetro promedio, es atribuible a cambios y rearreglos internos, que ocurren durante el proceso a través del cual se alcanza el equilibrio entre el surfactante adsorbido sobre la superficie de las gotas de bitumen dispersas y el que se encuentra disuelto en la fase acuosa. También durante los primeros días del almacenamiento ocurre el bien conocido efecto llamado "Oswald Rippening", a través del cual las gotas pequeñas son absorbidas por las grandes con el consiguiente aumento en el diámetro promedio.

Si después de este incremento inicial del diámetro promedio de gotas que ocurre durante las dos o tres primeras semanas del almacenamiento, el diámetro permanece constante en el tiempo, podemos asegurar que la emulsión es estable desde el punto de vista estático. Caso contrario, si el diámetro continúa incrementándose, se trata de una emulsión inestable, en la cual finalmente se separan las fases, en un período que depende de la velocidad de coalescencia. En emulsiones concentradas, las cuales contienen 70% (p/p) de bitumen o más, bajo condiciones estáticas las gotas se deforman y se mantienen separadas una distancia (H) por una película muy fina de líquido (fase continua) que existe entre ellas (Fig. 9). En el caso de las emulsiones que no sufrieron cambios en el diámetro promedio de gotas durante el almacenamiento, el surfactante que recubre las superficie de las gotas genera una fuerza de repulsión entre ellas, conocida como "presión de separación", que permite que la película de fase continua que separa las gotas (película líquida interfacial) sea lo más gruesa y estable posible, lo que evita de esta manera que las gotas se toquen y coalescan.

La presencia de un desemulsificante, o cualquier otro agente desestabilizante, hace que el surfactante se desorba de la superficie de las gotas, con lo cual la presión de separación entre ellas se hace menor que la presión capilar (presión en la zona del menisco). Como consecuencia, la película líquida interfacial se drena progresivamente, se hace cada vez más delgada, hasta que las gotas se tocan y calecen.

Figura 9

Si bien el fenómeno de coalescencia, responsable por el deterioro de las emulsiones, normalmente se mide determinando el diámetro promedio de gotas, éste es responsable también por cambios que ocurren en otras propiedades de las emulsiones, tales como la viscosidad.

• Estabilidad dinámica de las emulsiones de bitumen en agua:

La determinación de la estabilidad dinámica de emulsiones ha sido una actividad compleja, en la que se han utilizado diferentes métodos, ninguno de ellos estándar o reconocido internacionalmente ya que entre las emulsiones conocidas, sólo la Orimulsión® es transportada por oleoductos y tanqueros y pasada a través de numerosas bombas, lo que somete al producto a un alto cizallamiento, cuando se maneja en las complicadas instalaciones de una planta generadora de electricidad que es la principal aplicación de Orimulsión®.

Por consiguiente, para determinar la estabilidad dinámica de la Orimulsión® fue necesario realizar una extensa labor de investigación, la cual concluyó en el diseño y construcción de un equipo especial el denominado "reómetro de coalescencia".

Con este reómetro se puede someter una emulsión a un campo de flujo similar al que recibe durante el transporte, desde el sitio de su formación hasta el quemador en una planta eléctrica. Se postula, pues, que una emulsión es estable dinámicamente, si no sufre cambios significativos en su distribución y diámetro promedio de gotas, cuando se pasa un cierto número de veces a través del reómetro de coalescencia. En la figura 10, se muestra un diagrama esquemático de reómetro de coalescencia, el cual consta de una celda, provista de un arreglo rotor-estator de excentricidad y velocidad variable. La muestra de emulsión llega a la celda desde una bomba presurizada, con la cual se puede controlar el campo de flujo y el tiempo nominal de residencia. Al variar la excentricidad y la velocidad rotacional, también varían los patrones de flujo y con ello se pueden variar, los parámetros capaces de generar inestabilidad dinámica en las emulsiones. Estos parámetros son: la tasa nominal de corte, los gradientes de distribución de presión, el flujo rotacional, así como expansiones y contracciones violentas.

En síntesis, la prueba consiste en pasar una muestra de dos litros de Orimulsión® a 30°C a través de la celda, a un flujo tal que el tiempo de residencia en la celda sea de unos 3 segundos.

Figura 10 Durante el pase por la celda, el rotor gira a unas 6.500 rpm, lo cual genera una tasa de corte en la emulsión de unos 8.000 s-1 . Si una emulsión soporta 7 pases a través del rotor, sin que incremente significativamente su diámetro promedio de gotas, significa que el cizallamiento aplicado no ha sido capaz de inducir coalescencia entre las gotas y, por consiguiente, que la emulsión es dinámicamente estable. Para el estudio de una emulsión estabilizada con Intan-400, se observa que el diámetro disminuye con el número de pases. Si el diámetro promedio de gotas disminuye, significa que existe suficiente surfactante en la fase acuosa para recubrir la nueva área interfacial creada y que la película de surfactante adsorbida sobre la superficie de las gotas es suficientemente rígida para no romperse por acción del cizallamiento aplicado. Por consiguiente, la emulsión es dinámicamente estable.

También se pudo observar que para otra emulsión preparada para el estudio, el diámetro se incrementa durante su paso por el reómetro significando que esta última emulsión es inestable dinámicamente, ya que la película de surfactante adsorbida no resiste el cizallamiento, se rompe y ocurre lógicamente la coalescencia entre gotas.

Para que una emulsión sea estable, la superficie de las gotas, debe estar completamente recubierta por las moléculas de surfactante. Dichas moléculas de surfactante adsorbidas sobre la superficie de las gotas están en equilibrio con un exceso de surfactante existente en la fase acuosa. Durante el cizallamiento, las gotas de bitumen se deforman y sufren un incremento en el área interfacial (Fig. 11), como consecuencia de este aumento de área, la interfase se satura de moléculas de surfactante, quedando lógicamente zonas desprotegidas, a través de las cuales se puede producir coalescencia, una vez que la película interfacial se drene. Si existe suficiente surfactante en la fase acuosa, éste se difunde rápidamente hacia la interfase y se adsorbe sobre las zonas desprotegidas, lo que evita el drenaje de la película líquida interfacial y la coalescencia de las gotas. Si la concentración de surfactante es baja, en nuestro caso específico 2000 mg/Lt o menos, la velocidad de difusión del surfactante hacia la superficie de la gota deformada, no es lo suficientemente rápida para lograr recubrir la gota antes de que se produzca la coalescencia. Como consecuencia al drenar la película interfacial, las gotas se unen y favorecen el aumento en el diámetro promedio, y por ende, la coalescencia.

Figura 11

Se ha comprobado, que una emulsión que pase más de siete veces a través del reómetro, girando a 6.500 rpm, se puede someter a las más adversas condiciones de manejo, sin que sufra deterioro alguno. Este es el caso de la Orimulsión® estabilizada con Intan-400.

Descripción del proceso de producción de Orimulsión®. Luego de conocer las bases fundamentales en la formulación del combustible Orimulsión® así como también las tecnologías desarrolladas, es preciso destacar el proceso de elaboración a nivel industrial, se realiza en la planta MPE-1, en Morichal Edo. Monagas, el cual, en principio, consta de cuatro pasos fundamentales, que serán puntualizados a continuación:

1. EXTRACCIÓN DE BITUMEN NATURAL.
2. TRATAMIENTO.
3. DESPOJAMIENTO.
4. EMULSIFICACIÓN.

Descripción: PASO 01: EXTRACCIÓN DE BITUMEN NATURAL: Por medio de maquinarias de perforación y extracción se realiza el método de Levantamiento Artificial e Inyección de diluente, el cual, consiste en inyectar kerosén a fondo de pozo hasta obtener una mezcla de 14 ºAPI Aproximadamente, con el fin de hacer más fácil de manejar y bombear el bitumen hasta las estaciones de flujo J-20 y O-16 para luego enviar dicha mezcla al área de tratamiento.

PASO 02: TRATAMIENTO: Esta segunda etapa consiste en almacenar y separar parte del agua del bitumen húmedo diluido proveniente de las estaciones de flujo J-20 y O-16, mediante el precalentamiento de dicha mezcla, que luego es desalada y deshidratada mediante separadores electrostáticos los cuales mediante celdas inducen una corriente eléctrica que produce la separación de la sal junto con el agua, que luego es decantada, obteniendo un producto con un contenido máximo de agua del 1% y una concentración máxima de 15 a 20 PTB de cloruro de sodio. La temperatura de operación mínima es de 60°F.

PASO 03 DESPOJAMIENTO: En esta etapa, el bitumen diluido seco, proveniente de los equipos de desalación (ubicados en el área de tratamiento), se somete a calentamiento para despojarlo del diluente en una torre de fraccionamiento atmosférico que emplea vapor vivo como suministro de energía; en la cual, el producto de fondo es el bitumen empleado para el proceso de emulsificación, teniendo este una gravedad API inferior a 8°(muy similar al bitumen natural inicial). Luego, por el tope del fraccionado, se obtiene una mezcla de solvente y agua los cuales son decantados para recuperar el solvente que posteriormente se envía nuevamente al área de extracción de bitumen.

PASO 04 EMULSIFICACIÓN: En esta sección de manufactura de Orimulsión® que es la más importante, el bitumen natural proveniente de la torre de despojamiento es mezclado con una solución acuosa de agua y surfactante Itan-400, las cuales son separadas en dos líneas de flujo distintas, en donde la primera línea está destinada a formar la emulsión de diámetro promedio de gotas grande (Dg) y la segunda a formar la emulsión de diámtro promedio de gotas pequeñas (Dp), en las cuales cada una de estas, forma una dispersión de bitumen y agua mediante mezcladores estáticos, consistiendo estos en un lecho tipo empaque acomodado (colmena) por el cual circula el bitumen, el agua y la cantidad inicial de Itan-400 generando así dos emulsiones iniciales produciendo dos emulsiones concentradas con una RBA aproximada de 80/20. Luego la línea de alto diámetro es enviada a una unidad especial de mezclado (dinámico) diseñada específicamente para este fin, dicho equipo fue denominado Orimixer® que se considera es el corazón del sistema de manufactura de Orimulsión®. Paralelamente, en la línea bajo diámetro, la emulsión formada inicialmente en el mezclador estático, es enviada a un equipo comercial de mezclado (dinámico) denominado Homomixer el cual imparte mayor revoluciones por cada minuto (rpm) a la mezcla que el Orimixer® con el fin de disminuir mucho más el diámetro promedio de gotas. Luego de los procesos de mezclado dinámico las emulsiones formadas en cada línea, se mezclan nuevamente agregando más cantidad de agua y surfactante que luego atraviesa dos mezcladores estáticos en series en los cuales se forma la emulsión más diluida con una RBA de 70/30 que conforma o recibe el nombre de Orimulsión® y luego de este paso es transportada 305 kilómetros hasta el Terminal de Orimulsión® JOSE (TOJ) dispuesto para su exportación. Es prudente resaltar, que en Septiembre de 1999, la Empresa certificadora Bureau Veritas Quality International otorgó la Certificación ISO 9002 para el proceso Orimulsión®, el cual incluye el proceso de Extracción de Bitumen natural (Faja Bituminosa del Orinoco), Manufactura de Orimulsión (Planta MPE-1, Morichal, Edo. Monagas), Transporte (Desde la Planta MPE-1 a el Terminal de Orimulsión® Jose en el Edo. Anzoategui) hasta el Almacenamiento y Embarque (Terminal de Orimulsión® Jose)

La Certificación ISO 9002 del Proceso de formulación de la Orimulsión® a consolida la labor que ha venido desarrollando Bitor para fortalecer la presencia de este combustible en el mercado energético mundial. El logro alcanzado significa para Bitor la culminación exitosa del arduo trabajo que implicó un cambio de cultura en todo su personal, el cual es su principal fortaleza: un recurso humano adaptado a la dinámica del entorno y a la creciente necesidad de mejorar continuamente el producto para cumplir con las exigencias de sus clientes.

Figura 12

Producción y reservas.

• Producción:

Actualmente en el estado Monagas, en la planta El Morichal (MPE-1) se están produciendo entre 105 y 125 mil barriles diarios de Orimulsión. Esta producción se traslada al terminal Marino de Exportación de José a través de un oriducto de 305 Km.

La Faja petrolífera del Orinoco contiene una sola segregación de crudo extrapesado, con varios rangos de gravedad y un amplio intervalo que cubre desde 5° hasta 20° API; la gravedad promedio esta cerca de los 9° API. La profundidad de los yacimientos disminuye desde 7000 en el límite norte hasta el acuñamiento en el río Orinoco. Los yacimientos atendiendo a su dimensión y continuidad regional han sido agrupados en dos categorías que no significan prioridad en la explotación:

• Acumulación en Primer Orden: Cerro Negro y el Pao (Hamaca) separados por el alto Hamaca; el Pao y San Diego (Zuata) divididos por el alto de Hato Viejo; mas al Oeste la acumulación de Zuata se extiende y pasa gradualmente a la de Machete. Las acumulaciones de primer orden muestran grandes volúmenes de rocas arenosas de origen fluviodeltaico en la base de oficina /chaguaramas en acuñamientos progresivos de paquetes de arena con entrampamiento básicamente estratigráfico y sin contactos agua-petróleo bien definidos.
• Acumulaciones de Segundo Orden: Ubicadas principalmente hacia el norte, donde las arenas disminuyen su espesor con notable efecto de lenticularidad y gradualmente predomina la Lutita. En la mayoría de los casos un contacto agua-petróleo cierra el depósito hacia el norte. La intercalación de lutitas facilita la determinación de los límites horizontales y verticales de cada arena, identificando yacimientos separados, diferencia importante con las acumulaciones de primer orden.

Los cuatro sectores asignados a las filiales de PDVSA presentan características distintivas:

• El sector Cerro Negro: Está ubicado tan cerca del campo Jobo-Morichal que desde el punto de vista de la geología de producción e ingeniería de yacimientos la gigantesca acumulación podría considerarse como parte del Área Mayor de temblador. Durante la fase de evolución se llegó a producir petróleo a una tasa promedio de 107 barriles diarios pozo del Miembro Jobo y 234 barriles diarios pozo del Miembro Morichal.
• El sector Hamaca: Contiene al sur una de las acumulaciones de primer orden, que es la del Pao; el recipiente es la arena basal de formación oficina. En el área Hamaca norte existen yacimientos que por el tipo de entrampamiento, el volumen limitado y la gravedad del crudo se comparan en sus características estratigráfico-estructurales y se desarrollan como parte integral de los campos Merey, Melones y lejos del área mayor de oficina.
• El sector Zuata: El petróleo se encuentra en arenas basales poco consolidados de la formación oficina, en la mayor acumulación de primer orden de la Faja. Tiene arenas altamente productivas, además es de gran rendimiento bajo estimulación por inyección alternada de vapor.
• El sector Machete: Se destacan dos altos estructurales: el arco de Monasterio y el Alto de Machete. Gran parte del petróleo migró hacia el sur y los hidrocarburos llegaron hasta el borde del macizo formando los yacimientos de la faja petrolífera. El estado Monagas es una región altamente privilegiada en el campo de la exploración, procesamiento y explotación de gas, petróleo y de la actividad de la Orimulsión. Es el segundo estado productor del país y en pocos años se convertirá en el primero, producto de los desarrollos que actualmente se adelantan. BITOR y LAGOVEN producen 100 mil barriles diarios de este producto en Monagas.
• Reservas:

Las vastas reservas de Venezuela, de bitumen natural, en la Faja del Orinoco superan los 42 mil millones de toneladas métricas, las cuales producirían, en principio, 267 mil millones de barriles de Orimulsión®, garantizan el suministro confiable de Orimulsión® hasta bien entrado el siglo XXII. La magnitud de las reservas de hidrocarburos venezolanos refleja la importancia del país como suplidor seguro y confiable de las necesidades futuras de energía del mundo.