SECTOR TECNOLÓGICO

En el transporte de productos derivados del petróleo de diferente naturaleza y/o agua a través de tuberías, es sabido que se genera un efecto de mezclado entre los dos productos presentes en Ia interfase, Io cual ocasiona un frente de contaminación que puede llegar a alcanzar cientos de metros e inclusive kilómetros. En consecuencia, para el transporte de fluidos y específicamente de hidrocarburos por tubería se requiere Ia separación de interfases de fluidos, para este fin se emplean geles o herramientas mecánicas.

De otro parte, durante el transporte de estos fluidos, los procesos corrosivos o de mantenimiento generan suciedades e impurezas que se depositan en Ia línea y que requieren de geles y/o herramientas mecánicas para su limpieza o remoción. Además, en líneas que presentan diferente diámetro de tubería en su trayecto, no es factible utilizar una misma herramienta mecánica para Ia separación de interfases o Ia limpieza

La presente invención propone un proceso en línea para Ia producción de un gel biodegradable in situ, cuyas características reológicas y fisicoquímicas cumple simultáneamente Ia doble función de separador de interfase y limpiador de tuberías, a tal grado de eficiencia que reduce Ia cantidad de gel necesario para llevar acabo satisfactoriamente las dos funciones. Adicionalmente, el proceso divulgado en Ia presente invención disminuye considerablemente el tiempo requerido para Ia incorporación del gel en Ia tubería. ESTADO DEL ARTE

En el campo del transporte de líquidos por tuberías se debe garantizar el flujo continuo del líquido y Ia limpieza del mismo a Ia llegada a su destino final. De manera particular, en el transporte de hidrocarburos, petróleo y sus derivados, Ia máxima eficiencia se logra cuando no es necesario detener el bombeo al cambiar de un líquido a otro, ya que de esta forma se evita Ia presencia de aire en los ductos.

Por otro lado, las tuberías sufren un desgaste normal, efecto de residuos abrasivos presentes en los líquidos que se transportan y Ia corrosión causada por los mismos. Este desgaste genera acumulaciones de desechos que son arrastrados por los líquidos a su paso por el tubo, generando contaminación y depósitos que ocasionan gastos adicionales.

En el estado de Ia técnica se enseñan diferentes mecanismos para separar dos fluidos diferentes a su paso por Ia misma tubería y evitar que se mezclen, así como también mecanismos para limpiar las tuberías con el fin de remover los depósitos sólidos que se van acumulando en ellas. Uno de los métodos más tradicionales es el mecánico, en él se emplea un dispositivo llamado "marrano" que viaja por Ia tubería ya sea separando dos fluidos o limpiando Ia misma. El uso de marranos mecánicos implica detener el bombeo del fluido para poder insertar el aparato antes de comenzar a bombear el segundo líquido. Los marranos mecánicos también presentan otras desventajas al limpiar Ia tubería ya que no pueden acceder a todos los rincones del ducto, dejando atrás cúmulos de sólidos que son arrastrados por los líquidos.

Otro método comprende el uso de marranos de gel, que realizan Ia misma labor de los mecánicos, pero sus características reológicas les permiten ser inyectados a Ia tubería simultáneamente con el segundo líquido, reduciendo Ia necesidad de detener el bombeo para cambiar el líquido que va a ser enviado por el ducto. Dichas propiedades reológicas también Ie permiten al gel ser más eficiente en su labor de limpieza, Ia cual puede llevar a cabo simultáneamente con Ia separación de los líquidos. Por último, el gel tiene Ia ventaja de acceder a los lugares más recónditos de Ia tubería, garantizando Ia limpieza eficiente de Ia misma.

Los marranos de gel se manufacturan a partir de diversos compuestos biodegradables o no biodegradables que tienen como característica principal el i ser insolubles en los líquidos que se transportan por Ia tubería. La mayoría de estos geles se producen de manera externa y se inyectan a Ia tubería cuando van a ser utilizados.

La solicitud EP 0009281 y patente US 4,383,783 reportan un gel que se fabrica ¡ mezclando las partes no reactivas a temperatura ambiente, Ia mezcla se calienta y se Ie agregan los agente polimerizantes, luego se deja curar por aproximadamente un día. Por su parte, Ia patente US 4,379,722 se refiere a un gel que se prepara en un tanque y es luego bombeado a Ia tubería para que se lleve a cabo su proceso de curado, l

Las patentes EP 0630694, EP 0630694 y US 5,346,339 enseñan marranos de gel para limpieza de tuberías hechos a partir de celulosa, los cuales se fabrican mezclando los componentes en un tanque y luego inyectándolos a Ia tubería, donde se completa el proceso de entrecruzamiento y el marrano se amolda a Ia ¡ forma del tubo,

Las patentes US 4,543,131 y US 4,003,393 divulgan un marrano de gel para limpieza de tuberías y separación de fluidos que se fabrica en un tanque. A este gel se Ie adiciona el agente entrecruzante a medida que es bombeado a Ia ) tubería. Los procesos convencionales de preparación de geles, como se ha mencionado en algunas de las patentes citadas anteriormente, se llevan a cabo principalmente por cochadas, Io que implica equipos adicionales y mayor tiempo de preparación, además de que requieren un alto consumo de energía para Ia preparación del mismo, antes y en el momento de inyectarse en Ia tubería. No existen métodos para Ia preparación en línea de geles que aprovechen Ia velocidad de bombeo como medio para garantizar Ia formación completa del gel y Ia uniformidad del mismo.

Adicional a Io expuesto en los párrafos anteriores, Ia limitada capacidad de los geles tradicionales para desempeñar las tareas de limpieza en tuberías, hace necesario el empleo de altas cantidades del gel para asegurar resultados satisfactorios. Las características reológicas del gel que describe esta invención, Ie permiten una doble función al realizar tanto tareas de separación como tareas de limpieza en tuberías de transporte de hidrocarburos, en menores cantidades que las reportadas por Ia literatura.

En vista de Io anterior, existe Ia necesidad de un proceso de producción e inyección en línea de un gel en donde se logre obtener una sustancia que pueda servir, por sus propiedades reológicas y fisicoquímicas, para separación de diferentes tipos de hidrocarburos y limpieza interna de tuberías, que por eficiencia disminuya Ia cantidad de gel requerida para cumplir con las dos funciones ya mencionadas y que minimice el tiempo requerido para Ia producción e incorporación del. gel en Ia tubería. Adicionalmente el gel formulado es biodegradable, con Io que no se impacta al medio ambiente.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN Esta invención propone un proceso para Ia preparación e inyección en línea de un gel orgánico biodegradable, el cual incorpora mediante mezcladores estáticos dos corrientes de soluciones base en una proporción previamente determinada y las inyecta simultáneamente en una tubería de transporte de hidrocarburos o de otro tipo de fluido. Las características reológicas del gel que describe esta invención, Ie permiten una doble función al realizar tanto Ia separación de interfases como Ia limpieza de tuberías.

El proceso de Ia invención se diferencia de Io existente en el estado de Ia técnica en que Ia producción del gel se realiza en un proceso continuo y en línea, así como en Ia doble función del gel de separar interfases en líneas de conducción y a su vez realizar el proceso de limpieza, en donde el gel tiene Ia capacidad de incorporar y suspender hasta un 30% en peso de sólidos de diferente tamaño de partícula y distinta naturaleza.

Además, las características viscoelásticas específicas del gel y Ia naturaleza de sus componentes, que no incluyen hidrocarburos, Ie confieren Ia propiedad de biodegradabilidad. Sumado a las características indicadas anteriormente, el gel obtenido mediante este proceso resulta más eficiente, por Io que se requieren cantidades muy bajas, inferiores al 1% del llenado de las tuberías objetivo para cumplir sus funciones, y puede ser aplicado a tuberías con un diámetro superior a 35 cm (12").

El gel de Ia presente invención consiste de dos soluciones, una solución acuosa de polímero que consta polímero natural tipo goma guar o alguno de sus derivados, un estabilizante de pH y un agente biocida, y una segunda solución acuosa compuesta de una sal inorgánica polivalente y un estabilizante de pH. Los aditivos de Ia solución acuosa de polímero son agregados para mejorar las características durante y después de Ia formación del gel. La solución acuosa de Ia sal inorgánica, permite el entrecruzamiento del polímero hidratado. Las dos soluciones de polímero y entrecruzante, son preparadas en un proceso en línea, al final del cual son bombeadas a una tubería donde, mediante mezcladores estáticos con una relación de longitud respecto al diámetro de Ia tubería de entre 1 ,5 a 5, ocurre Ia mezcla que permite Ia formación y estabilización del gel. Esta mezcla es entonces inyectada en el poliducto u oleoducto en el cual se cumplirá el objetivo de separación de fases y/o de limpieza interna.

El proceso continuo de preparación del gel, tiene como ventajas adicionales el ser un proceso con bajos tiempos y a Ia vez obtener un producto en condiciones para ser usado sin necesidad de interrumpir Ia operación normal del poliducto u oleoducto en el cual se incorpora el gel.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La invención puede ser entendida de una mejor forma por medio de Ia figura 1 , donde se muestra los pasos del proceso que aquí se reivindica.

Figura 1. Proceso para Ia preparación de soluciones base e inyección del gel en línea.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO El proceso para Ia preparación del gel comprende dos subprocesos en los cuales se produce una solución acuosa de polímero (SP) y una solución acuosa de entrecruzante (SE), seguidos por Ia mezcla en línea de estas dos soluciones pasando a través de un tubería que comprende mezcladores estáticos con una relación de longitud respecto al diámetro de Ia tubería de entre 1 ,5 a 5, y Ia inyección del producto de Ia mezcla en el poliducto u oleoducto, donde cumplirá el objetivo de separación de fases y/o de limpieza interna.

Básicamente, cada subproceso de operación continua se realiza en un tanque concentrador interconectado con un sistema especial para dosificación de polvos y un equipo de bombeo, con estos equipos se obtienen las soluciones SP y SE por separado. Dichos equipos de bombeo, funcionan como bombas inyectoras del gel en el momento de su introducción en Ia tubería de transporte.

El proceso continuo y en línea para Ia preparación del gel se lleva a cabo mediante una operación de mezclado en línea de las dos corrientes intermedias antes mencionadas, las cuales son preparadas en dos tanques cilindricos (1 y 2), como concentradores. La proporción de volúmenes entre estos dos tanques concentradores debe ser 30:1.

En el tanque concentrador de mayor capacidad (1), en una operación continua por mezclado en línea de polímero en fase sólida con agua, más una cierta cantidad de estabilizante de pH y agente biocida, se incrementa Ia cantidad de polímero en agua hasta alcanzar una concentración entre 0,5 y 1 ,1 % en peso, preferiblemente entre 0,57 y 0,83% en peso. Por su parte, el tanque concentrador de menor capacidad (2) almacena temporalmente Ia solución acuosa de entrecruzante, que al igual que Ia de polímero, también se obtiene de un proceso de mezclado en línea. Para preparar Ia solución acuosa de polímero, se requiere tener previamente una cantidad de agua almacenada en el tanque (1), a Ia cual se Ie ajusta el pH en un rango entre 9,0 y 10,5 con un agente modificador de pH, seleccionado entre hidróxido de sodio o potasio. Simultáneamente, se adiciona un agente biocida seleccionado del grupo que consiste de formaldehido, acetaldehído o glutarladehido y mezclas de los mismos, hasta alcanzar una concentración entre 0,05% y 0,1% peso de biocida en Ia solución, preferiblemente entre 0,07% y 0,085% en peso de biocida en Ia solución. Posteriormente, esta solución acuosa se recircula hacia el mismo tanque (1) mediante una bomba (3) por una tubería que comprende mezcladores estáticos (8), los cuales tienen una relación entre Ia longitud de mezclador y el diámetro de Ia tubería de 1 a 2, preferiblemente dicha relación es de 1 ,4 a 1 ,6. En Ia corriente de recirculación, se adiciona con Ia ayuda de un sistema de dosificación especial (4), el polímero natural en polvo, el cual puede ser una goma guar o uno de sus derivados. De esta manera, se logra Ia concentración y el hinchamiento de polímero en esta solución.

El sistema de dosificación especial (4) del polímero natural en polvo consta de una tolva que descarga en un alimentador de tornillo sin fin, que a su vez introduce Ia goma guar en Ia tubería de recirculación en el punto de contacto (5) por medio de una boquilla tipo vénturi, Ia cual genera una corriente de alta velocidad que a su vez crea una fuerza de vacío que permite Ia succión del polímero en polvo proveniente del sistema de dosificación (4).

Una vez adicionado todo el polímero en polvo, se procede a aumentar Ia viscosidad de Ia solución de polímero. Esto se logra con Ia inyección dosificada de un agente químico que promueva un rápido hinchamiento de las cadenas del polímero. Este aditivo se selecciona entre ácidos tales como ácido clorhídrico, sulfúrico, ácido acético, ácido fórmico o mezclas de los mismos, preferiblemente ácido clorhídrico, acético o mezclas de los mismos, en concentración entre 0,0010% y 0,0045% en peso de ácido en Ia solución, preferiblemente entre 0,0015% y 0,0020% en peso de ácido en Ia solución. El punto para Ia dosificación del agente viscosante se encuentra a Ia entrada (20) de Ia sección de tubería que contiene los mezcladores estáticos de alto esfuerzo (8).

La preparación de Ia solución acuosa de entrecruzante se hace en forma similar a Ia preparación de solución acuosa de polímero. Para esto se requiere tener una cantidad de agua almacenada en el tanque (2), que se recircula hacia el mismo tanque (2), con la ayuda de una bomba (12), por una tubería que comprende mezcladores estáticos (16), los cuales tienen una relación entre Ia longitud de mezclador y el diámetro de Ia tubería de 1 a 2, preferiblemente entre 1 ,4 y 1 ,6. En Ia corriente de recirculación, se adiciona una sal inorgánica polivalente en polvo, seleccionada a partir del grupo que consiste de borato de sodio, borato de potasio, cromato de sodio, dicromato de potasio, en sus estados anhidros o hidratados, preferentemente en estado hidratado. Dicha adición se realiza con Ia ayuda de un sistema de dosificación (11), el cual es similar al usado en Ia concentración de Ia solución de polímero, que descarga la sal en el punto de contacto (13). La sal polivalente ingresa al proceso en concentraciones entre 2,5% y 5,9% en peso de Ia solución, preferiblemente entre el 4,5% y 4,8% en peso de Ia solución. La velocidad de disolución de Ia sal entrecruzante se aumenta ajustando el pH entre 9,5 y 11 ,0 adicionando hidróxido de sodio o de potasio. En una modalidad preferida, el pH debe ser entre 10,0 y 10,5.

Una vez preparadas las soluciones acuosas de polímero y de entrecruzante, se alinea el circuito para hacer Ia inyección de las dos soluciones en Ia tubería de formación del gel. Para esto se cierran las válvulas (7) y (14) que conducen las corrientes de las soluciones hacia los respectivos tanques (1 , 2) y se abren las válvulas (6) y (15) que conducen los dos fluidos hacia Ia línea de formación del gel.

Para Ia preparación e inyección en línea, ambas corrientes de soluciones convergen a Ia entrada de una sección de tubería directamente en el punto que comprende los mezcladores estáticos (9), donde inicialmente se mezclan ambas soluciones. Esta mezcla es transportada través de los mezcladores (9) a Io largo de Ia tubería de formación (17) hasta una sección de Ia misma que carece de mezcladores y tiene una longitud mínima equivalente a entre 60 y 120 diámetros, en donde se completa el mezclado de las soluciones y se obtiene el gel que se inyecta en el punto (18), que comunica con Ia tubería de transporte de hidrocarburos (19).

Los mezcladores (9) se caracterizan por tener una relación de longitud del mezclador respecto al diámetro de Ia tubería de entre 1 ,5 a 5, preferiblemente entre 2 y 4. Además, proporcionan un alto esfuerzo de corte comprendido entre 600 Pa y 1.500 Pa, preferiblemente entre 700 Pa y 1.200 Pa, y aún más preferiblemente entre 800 Pa y 1.000 Pa, con velocidades de deformación entre 5 S ^"1 y 150 S ^~ \ preferiblemente entre 10 S ^'1 y 70 S ^"1 .

Las cantidades de solución de goma guar y solución de sal inorgánica polivalente o entrecruzante necesarias para un determinado volumen de gel, dependen de Ia longitud de Ia tubería de transporte de hidrocarburos en Ia cual se llevará a cabo Ia separación de fases y/o proceso de limpieza. En una modalidad preferida, Ia cantidad de gel requerido para Ia separación de interfases y/o limpieza en Ia tubería, está entre el 0,2% y el 0,95% del volumen de llenado de Ia misma, independientemente del diámetro de las mismas; preferiblemente, este porcentaje está entre el 0,35% y 0,7% del volumen de llenado de Ia tubería. El gel obtenido mediante el proceso de Ia presente invención posee propiedades viscoelásticas apropiadas para operaciones de separación de interfases hidrocarburo-hidrocarburo, hidrocarburo-agua y viceversa, y de limpieza interna de tuberías, en donde por sus características fisicoquímicas puede retirar, mantener en suspensión y transportar hasta un 30% de su peso de material sólido de diferente naturaleza, tal como óxidos de corrosión, arcillas, parafinas, ceras, sílice; de diferente distribución de tamaño de partícula.

Otra ventaja de las propiedades viscoelásticas del gel se reflejan en las bajas caídas de presión en el proceso, que se ubica en un rango entre 7% y 20% con un mínimo de resistencia de las paredes. Incluso ha mostrado excelentes características como tapón de tuberías previniendo el flujo de gases o vapores.

A continuación se muestras algunos ejemplos no limitantes de modalidades preferidas de Ia invención.

EJEMPLOS

EJEMPLO !

15 litros de gel, preparados de acuerdo con Ia descripción detallada del proceso, fueron usados en tres corridas para servir como medio de separación de una interfase de un fluido bombeado por una tubería. La velocidad del fluido se mantuvo en 0,47 m/s. La tubería tenía una longitud de 296 m y un diámetro interno de 5,08 cm (2"). El fluido bombeado en este caso fue agua proveniente de Ia planta de tratamiento de aguas residuales. No se utilizaron herramientas mecánicas como ayuda para Ia separación de las interfases y/o mantener el tapón de gel compacto, tampoco fue utilizado ningún tapón químico. El gel empleado presentaba una concentración de goma hidroxipropil guar entre 0,5% y 0,7% en peso y concentraciones de formaldehído, como agente biocida, entre 0,05% y 0,01 % en peso. El agua usada es un fluido muy agresivo con el gel, debido a que éste es un polisacárido que puede ser degradado por las bacterias contenidas en dicha agua.

A pesar de que el gel debía hacer contacto directamente con el agua, se reporta buenos resultados en cuanto a Ia efectividad que tiene como fluido de separación de interfases, con una disminución del frente de contaminación (2 fases, mezcladas o dispersas) del orden del 95%.

EJEMPLO 2.

Un volumen de gel de 127m ³ (800 Bl) fue utilizado en una tubería de 316 Km de longitud con diámetros que varían entre 30,5 cm y 50,8 cm (12 pulgadas y 20 pulgadas) para hacer una separación de fluidos entre nafta virgen y nafta contaminada. El volumen de gel no fue acompañado por herramientas mecánicas, ni tapones químicos. El recorrido inicial del gel era de 126 Km, pero se extendió después hasta los 316 Km mencionados anteriormente. El gel utilizado presenta una concentración de goma hidroxipropil guar entre 0,4% y 0,6% en peso, fue preparado siguiendo cuidadosamente el proceso anteriormente descrito.

Las condiciones de operación de Ia tubería fueron extremas, con un flujo volumétrico de 302 m ³ por hora, en promedio, y una presión máxima a Ia descarga de Ia bomba de 8,4 MPa. Las velocidades de deformación para el gel estuvieron entre 5 S ^"1 y 30 S ^"1 .

El gel separó los fluidos transportados por ese tramo de tubería y alcanzó una eficiencia de separación del 97%. Además, durante su paso por Ia tubería de 316 Km de longitud, el gel arrastró sólidos cuya composición presenta un porcentaje de hierro mayor al 70%, dicho hierro resulta de procesos corrosivos en Ia superficie interior de Ia tubería. Además, el tamaño de partícula de estos sólidos se encontraba entre 30 y 300 mieras, Io cual hace que queden suspendidos en el hidrocarburo y puedan afectar directa o indirectamente propiedades tales como el color y Ia estabilidad a Ia oxidación, entre otras. Además, se encontró un contenido importante de sólidos no ferrosos (cuarzo y otros), los cuales por su dureza, pueden causar abrasión en Ia superficie interior de Ia tubería. En total, fueron removidos de 500 Kg de sólidos.

De los resultados expuestos es evidente que el gel producto del proceso objeto de Ia presente invención, tiene Ia ventaja adicional de servir como fluido de limpieza, siendo capaz de remover sedimentos, sólidos gruesos, finos y ultrafinos y agua, que son los principales contaminantes de hidrocarburos en las líneas de transporte.

EJEMPLO 3

Se llevo a cabo una corrida en Ia cual fueron bombeados baches de agua y nafta, respectivamente, separados por un tapón de gel con una longitud aproximada de tres metros (equivalente al 1% de Ia longitud total de una tubería de 5,08 cm (2")). Con fines comparativos, en dichas corridas se empleo el gel de Ia presente invención y un gel acuoso comercial. Las corridas se realizaron con velocidades de flujo de 0.62 m/s, correspondiente a 20 GPM, en tubería de 5,08 cm (2").

No se utilizaron herramientas mecánicas como ayuda para Ia separación de las interfases y/o mantener el tapón de gel compacto, tampoco fue utilizado algún tapón químico. El gel utilizado presentaba una concentración de goma hidroxipropil guar entre 0,5% y 0.7% en peso, y concentraciones de formaldehido como agente biocida entre 500 y 1000 ppm.

Resultados obtenidos con el gel de comercial.

Se tomaron muestras al final de Ia tubería de 296 m, antes, durante y después del paso del bache de gel comercial. La composición de las muestras tomadas se presenta en función de Ia longitud del bache de gel después del recorrido. La composición en agua, nafta y gel a Io largo del bache de gel, se muestra a continuación en Ia tabla 1.

Tabla 1. Composición volumétrica porcentual de Ia ¡nterfaz agua, nafta y gel comercial. El frente de contaminación de Ia nafta (longitud a Io largo de Ia cual se presenta contaminación de Ia misma) es aproximadamente 7 metros (3.7 galones), en los cuales, el porcentaje de nafta en peso varía entre el 70% y el 97%.

Se puede observar que solo una pequeña porción del bache de gel se mantuvo compacto haciendo el efecto tapón, hasta el final de Ia corrida. A pesar de esto, hubo una considerable migración de agua hacia el tender de nafta.

Prueba utilizando bache de gel producido con el proceso de Ia invención.

Se utilizó el gel de Ia presente invención para realizar una prueba en Ia misma tubería de 296 metros de longitud, bajo las mismas condiciones operacionales. Se tomaron muestras al final de Ia tubería, antes, durante y después del paso del bache de gel. La composición de las muestras tomadas, se presenta en función de Ia longitud del bache de gel después del recorrido.

Tabla 2. Composición volumétrica porcentual de Ia interfaz agua, nafta y gel de

Ia presente invención.

El frente de contaminación de Ia nafta es de unos 3 metros (1.6 galones). El porcentaje de nafta en peso varía entre el 45.8% y el 100%.

Una porción del bache de gel, mayor a Ia del gel comercial en Ia prueba anterior, se mantuvo compacta al final de Ia corrida. Esto Ie permitiría al gel de Ia presente invención recorrer mayores distancias para cumplir con su función de separación. No obstante se presentó una pequeña migración de agua hacia el tender de nafta.