ELETROCOALESCÊNCIA

Campo Técnico

[001] A presente invenção pertence ao campo da eletrocoalescência de emulsões petróleo/água pelo uso de uma armadilha de elétrons.

Introdução

[002] A presente invenção se refere a um sistema e método para a separação de emulsões compostas por petróleo e água por eletrocoalescência, por meio da criação de uma armadilha de elétrons, permitindo a separação dos dois compostos da emulsão em um sistema tubular ou um sistema em labirinto, isolado ou em série.

Fundamentos da invenção

[003] Os tratamentos de petróleo mais comumente utilizados variam entre os usos de meios físicos e químicos para refino, purificação e remoção de dejetos, água e/ou hidrocarbonetos.

[004] São conhecidos e utilizados filtros físicos tais como barreiras físicas clássicas, peneiras, cascalhos, carvões ativados, polímeros, nanopartículas, cavitações, nanocavitações, centrífugas, sistemas de eletrólises, decantadores, ozonificadores, ondas eletromagnéticas, dentre outros, bem como meios químicos, a exemplo de diversos produtos químicos, surfactantes e polímeros utilizados para, flocular, aglutinar, polarizar e purificar o petróleo retirado.

[005] Nota-se, contudo, que o estado da técnica não prevê soluções que utilizam as propriedades e vantagens das armadilhas de elétrons como agentes de eletrocoalescência de emulsões contendo petróleo e água.

Estado da técnica

[006] Soluções aproximadas, contudo não satisfatórias, podem ser verificadas em documentos do estado da técnica tais como o documento patentário estado-unidense US 2017/0021287, intitulado " Sistemas e métodos poro seporoçõo unipolor de emulsões e outros misturas" , que diz respeito a sistemas e métodos para separar duas ou mais fases de uma emulsão ou outra mistura, em que ditos métodos incluem fornecer a mistura com uma carga unipolar e líquida (por exemplo, de modo que as gotículas adjacentes na mesma adquiram cargas unipolares e líquidas), acentuando, assim, a coalescência de gotículas de fase similar na mesma e produzindo ou acentuando a produção de duas ou mais fases consolidadas, e coletando as duas ou mais fases consolidadas, conforme seu resumo.

[007] Nota-se, no entanto, que os ensinamentos do documento US 2017/0021287 não oferecem condições para a criação de uma armadilha de elétrons. Pelo contrário, ele dispõe de um aterramento (vide, por exemplo, sua Figura 18), o que permite a descarga e neutralização da emulsão e impede o aprisionamento de elétrons livres e de produtos sobrecarregados com os mesmos. Além disso, seus ensinamentos a respeito do uso no campo petrolífero são escassos e superficiais, com breves menções a suas aplicações se adequarem a esta área técnica. Assim, não se permite que um versado na técnica encontre suficiência de ensinamentos quanto a esta aplicação específica.

[008] Outro documento patentário cuja solução pode ser mencionada é o documento PI 1002195-7 , intitulado "Processo para aumentar o eficiência do eletrocoolescêncio de emulsões água e óleo", que descreve um processo para aumentar a eficiência da eletrocoalescência de emulsões água/óleo (A/O) formadas em instalações de tratamento de petróleo nas etapas de dessalinização e desidratação, dito processo compreendendo formar uma composição incluindo entre 0,001 % e 50% em peso de triglicerídeos vegetais, animais ou sintéticos, petróleo e água entre 2% e 40% de água, preferencialmente entre 5% e 25% de água em peso, e submeter tal composição a um campo eletrostático sob corrente alternada ou contínua ou ambas, alternada e contínua, no interior de um vaso, e recuperando ao término do processo duas fases líquidas, sendo uma aquosa e outra oleosa, separando a fase oleosa com rendimento maior do que em processos de eletrocoalescência que não empregam a composição contendo triglicerídeos vegetais, animais ou sintéticos, petróleo e água, conforme seu resumo. Também conforme seu resumo, é descrita a composição utilizada no dito processo.

[009] Contudo, também em PI 1002195-7 não são oferecidas condições para a criação de uma armadilha de elétrons. Nota-se, inclusive, que suas figuras e relatório descritivo não proveem ao versado na técnica detalhamentos sobre seu vaso ou dispositivo de aplicação de tensão, sendo verificável o uso de dispositivos já conhecidos no estado na técnica e a não sugestão ou divulgação de um dispositivo ou sistema novo com vantagens frente ao conhecido até o momento da sua publicação. Adicionalmente, e como evidenciado pelo próprio resumo, tal documento faz uso de uma composição como agente desemulsificante para que sejam obtidos os resultados esperados. Além de mais onerosa, a inclusão de tal composição torna o processo de eletrocoalescência menos otimizado.

[010] Finalmente, vale mencionar também o documento patentário WO2013/082681, intitulado "Equipamento para desestabilização eletrostática de emulsões de fluidos sob pressão em sistema hermético e método de teste", que descreve um equipamento para desestabilização eletrostática de emulsões de fluidos condutor e não condutor sob pressão em sistema hermético, onde a separação da emulsão ocorre pelo processo de eletrocoalescência, de elevada eficiência e utilizado industrialmente, conforme seu resumo. O equipamento de WO2013/082681 compreende um vaso de separação, um vaso de alimentação para alimentar os fluidos ao vaso e gases para pressurização do dito vaso, um agitador para emulsionar os fluidos, o vaso sendo mantido hermético por conexões roscadas adaptadas às tampas superiores do vaso. Além disso, tal documento também descreve o método de teste para avaliar a estabilidade eletrostática de emulsões de fluidos com auxílio do equipamento

[011] Além de uma configuração construtiva sofisticada, o objeto de WO2013/082681 exibe um método de teste muito complexo e diverso do que é ambicionado pela presente invenção. Apenas com finalidade exemplificativa, o método pleiteado pelo documento WO acima, requer agitação da emulsão e, por consequência óbvia, a disposição de um agitador no equipamento. Nota-se também que ele exibe um sistema de eletrolise diretamente aplicada que, no entanto, se diferencia muito da proposta da armadilha de elétrons da matéria aqui pleiteada, pois uma simples corrente elétrica por meio de dois eletrodos, não caracteriza uma armadilha de elétrons. O versado na técnica compreenderá que para ser gerada uma armadilha de elétrons, será necessário um bloqueador de correntes elétricas no meio, somado a um sistema composto de geradores de altas tensões elétricas.

[012] É de se notar ainda que a eletroneutralização por processos de eletrolise simples já é amplamente conhecida, sendo facilmente encontrados relatos de seu uso por toda a literatura da presente área técnica. Contudo, são muito escassos e incompletos os relatos da utilização de armadilhas de elétrons tais fins, bem como para proporcionar efeitos físico-químicos de forma prática.

[013] Existem diversas vantagens em se utilizar armadilhas de elétrons para as mais diversas aplicações, dentre as quais citamos a economia do consumo energético (em comparação com a eletrolise simples), facilidade de adaptação em vários sistemas práticos tanto de forma dinâmica quanto por bateladas, aplicação comercial simples e económica, elevada velocidade de processamento, além de um processo limpo e sustentável. [014] Desta forma, levando em conta os ensinamentos do estado da técnica, nota-se a clara demanda por uma solução de separação de emulsões que resolva os problemas não superados pelo estado da técnica pertinente.

[015] Assim, a matéria ora divulgada ambiciona solucionar tais problemas por meio de um sistema e método de eletrocoalescência de emulsões, que utiliza o princípio de armadilha de elétrons juntamente com centelhadores ou bloqueadores de fluxo de corrente elétrica trivial, assim proporcionando os diferenciais potenciais necessários para as devidas armadilhas de elétrons em questão, em que se aplica energia elétrica a uma emulsão petróleo/água de modo a eletroenergizar os ácidos graxos e os demais radicais do petróleo, forçando sua separação da água.

Objetivos da invenção

[016] Um dos objetivos da presente invenção é prover um sistema de eletrocoalescência de emulsão petróleo/água, em que a emulsão é passada pelo interior de uma tubulação provida de eletrodos que formam uma armadilha de elétrons. Dita armadilha de elétrons força a separação do petróleo e da água.

[017] Outro objetivo desta invenção é proporcionar um método a ser aplicado pelo sistema supracitado, em que dito método de eletrocoalescência de emulsão petróleo/água se baseia na introdução de uma emulsão petróleo/água em uma tubulação, submissão da emulsão a uma armadilha de elétrons e subsequente dispensa de petróleo e água separados.

Descrição das figuras

[018] Para melhor entendimento e visualização do objeto da presente invenção, a mesma será agora descrita com referência às figuras anexas, representando o efeito técnico obtido por meio de modalidades exemplares não limitantes do escopo da presente invenção, em que:

[019] Figura 1 apresenta uma vista esquemática em corte de uma das modalidades do sistema de eletrocoalescência de emulsões;

[020] Figura 2 apresenta uma vista esquemática de outra modalidade do sistema de eletrocoalescência de emulsões; e

[021] Figura 3 apresenta uma variante da modalidade do sistema de eletrocoalescência de emulsões exemplificado na Figura 2.

Descrição Detalhada da invenção

Sistemo

[022] Um sistema de eletrocoalescência de emulsões petróleo/água (100), ou apenas sistema (100), de acordo com a invenção, compreende um meio de condução de fluidos ou tubulação (110), pelo menos um cátodo (120), pelo menos um eletrodo (130), pelo menos um ânodo (140), pelo menos uma fonte de energia (200) e pelo menos um centelhador (210) para um cátodo (120) e um centelhador (210) para o ânodo (140).

[023] A tubulação (110) do presente sistema (100) é composta por pelo menos uma camada externa (111) de material dielétrico, uma camada intermediária (112) de material condutor elétrico e uma camada interna (113) de material dielétrico. As camadas externa (111) e interna (113) se destinam a isolar a camada intermediária (112) de material condutor elétrico do contato com a superfície, com outros materiais condutores elétricos, ou com a emulsão petróleo/água (E) a ser tratada pelo presente sistema (100).

[024] O versado na técnica compreenderá que os materiais condutores elétricos e os materiais dielétricos ou isolantes elétricos são amplamente conhecidos na técnica, incluindo, mas não se limitando a cobre, aço inox, grafite, grafeno, alumínio e afins no caso dos condutores, e PP, PE, polímeros, cerômeros, vidros, e afins para o caso dos dielétricos.

[025] O cátodo (120) do presente sistema (100) é composto por uma camada interna (122) de material condutor elétrico e é revestido por uma camada externa (121) de material dielétrico que se destina a isolar a camada interna (122) do contato com a superfície, com outros materiais condutores elétricos, ou com a emulsão petróleo/água (E) a ser tratada pelo presente sistema (100). Na modalidade preferencial ilustrada na Figura 1, dito cátodo (120) se encontra ligado a pelo menos um eletrodo (130). Os elementos aqui descritos podem também ser maciços e revestidos por camadas isolantes apropriadas, como polímeros, tintas, revestimentos e demais formas adequadas ao isolamento nas condições descritas e demandadas pela invenção.

[026] Dito pelo menos um eletrodo (130), de forma similar ao cátodo (120), é composto por uma camada interna (132) de material condutor elétrico e é revestido por uma camada externa (131) de material dielétrico para seu devido isolamento. O eletrodo (130) do presente sistema (100) se encontra disposto no interior da tubulação (110), isolado eletricamente desta. Os elementos aqui descritos podem também ser maciços e revestidos por camadas isolantes apropriadas, como polímeros, tintas, revestimentos e demais formas adequadas ao isolamento nas condições descritas e demandadas pela invenção.

[027] O ânodo (140) do presente sistema (100) compreende uma camada interna (142) de material condutor elétrico e é revestido por uma camada externa (141) de material dielétrico que se destina a isolar a camada interna (142) do contato com a superfície ou com a emulsão petróleo/água (E) a ser tratada pelo presente sistema (100). O ânodo (140) está em contato elétrico com a tubulação (110).

[028] Em uma modalidade preferencial da invenção, o ânodo (140) pode se encontrar ligado ao eletrodo (130), isolado da tubulação (110), enquanto o cátodo (120) está ligado à tubulação (110).

[029] Finalmente, o presente sistema (100) também compreende uma fonte de energia (200) de alta tensão conectada aos pelo menos um cátodo (120) e ânodo (140) para fornecimento de tensão aos mesmos, sendo que o cátodo (120) e o ânodo (140) são separados, respectivamente, do eletrodo (130) e da tubulação (110) por meio de centelhadores (210) ou dispositivos similares capazes de atuar como dispositivo para transmissão de energia elétrica por meio de centelhamento ( sporkgop ), ou seja, sem contato elétrico. Dessa forma evita- se o aterramento ou fuga de corrente indesejados para a presente invenção, uma vez que o aterramento é um empecilho ao aprisionamento de elétrons. Tais spark gops devem existir a fim de se obter as condições necessárias para a criação da armadilha de elétrons.

[030] O sistema (100) da presente invenção prevê que a tubulação (110) possua pelo menos duas extremidades destinadas, cada uma, à entrada da emulsão petróleo/água (E) e à saída de água (A) e petróleo (P) energizados. Dita tubulação (110) também possui o cátodo (120) e o ânodo (140) afixados a ela, em que os meios de ligação do cátodo (120) ou do ânodo (140) ao eletrodo (130) trespassam as camadas (111, 112 e 113) da tubulação (110). Para tanto, a camada externa (131) do eletrodo (130) impede o contato da camada interna (132) do eletrodo (130) com a camada intermediária (112) da tubulação (110).

[031] Também é de se notar que, a fim de se obter as condições necessárias para a criação de uma armadilha de elétrons, uma tubulação (110) adequada ao objeto da presente invenção necessita de uma camada interna dielétrica, tal qual a camada interna (113) ora discutida, para manter os elétrons aprisionados, sem possibilidade de aterramento ou de fuga.

[032] O versado na técnica notará que variações dos ensinamentos acima não fugirão do escopo da invenção. Apenas com finalidade exemplificativa, notam-se as modalidades e variações exemplificadas nas Figuras 2 e 3 da presente invenção. Nelas, o sistema de eletrocoalescência de emulsões petróleo/água (300) é implementado por meio de uma tubulação (310), um cátodo (320), um conjunto de eletrodos de cátodo (330), um ânodo (330), um conjunto de eletrodos de ânodo (350), uma peneira dinâmica (360) e uma fonte de energia (400).

[033] Nestas modalidades preferenciais, a tubulação (310) é disposta em formato de radiador ou circuito em forma de labirinto, tendo suas paredes externas compostas por uma camada externa (312) de material dielétrico. Nos intervalos formados entre os corredores da tubulação (310) se encontram os conjuntos de eletrodos de cátodo (330) e de ânodo (350) dispostos de maneira intercalada e separados eletricamente por meio de centelhadores (410). Ditos conjuntos de eletrodos de cátodo (330) e de ânodo (350) são compostos de material condutor elétrico. Assim a emulsão petróleo/água (E) pode ser submetida à armadilha de elétrons provocada pela ação dos conjuntos de eletrodos de cátodo (330) e de ânodo (350) sequencialmente dispostos, havendo maior controle do tempo e do fluxo da emulsão petróleo água na região interna da tubulação (310).

[034] Dita modalidade do sistema (300) dispõe também de uma peneira dinâmica (360) que auxilia na separação do petróleo (P) e da água (A) após eles terem sido submetidos sequencialmente à armadilha de elétrons no interior da tubulação (310). A peneira dinâmica (360) atua também como parede, impedindo a passagem de petróleo para a extremidade (314). A peneira dinâmica aqui exemplificada pode ser implementada por um parafuso de Arquimedes (fuso ou rosca sem fim) em conjunto com uma peneira estática, mas sem se limitar a essas duas formas de separação.

[035] Finalmente, será apreciado pelo versado na técnica que variações tais como a ligação de uma tubulação (310) em série com outra tubulação (310), como ilustrado na Figura 3, não fogem ao escopo da presente invenção. Além disso, também permitem à invenção possuir vantagens adicionais, como a de depuração e refino de petróleo (P) adicionais. Assim, o petróleo (P) que sair da extremidade (313) de uma primeira tubulação (310) de um primeiro sistema (300) poderá adentrar a extremidade (311) de uma segunda tubulação (310) de um segundo sistema (300) e passar novamente pelo processo de eletrocoalescência ora divulgado.

Método

[036] Um método de eletrocoalescência de emulsões petróleo/água de acordo com a presente invenção compreende as seguintes etapas de método:

I. Introdução de uma emulsão petróleo/água (E) em uma extremidade de uma tubulação (110);

II. Ativação de uma fonte de energia (200) de alta tensão;

III. Emissão de centelhas em pelo menos um cátodo (120) e/ou um ânodo (140) por meio de centelhadores (210);

IV. Geração de uma armadilha de elétrons no interior da tubulação (110) por meio de pelo menos um eletrodo (130) energizado;

V. Ionização da emulsão petróleo/água (E);

VI. Separação do petróleo (P) e da água (A); e

VII. Dispensa do petróleo (P) e da água (A) separados em uma extremidade da tubulação (110).

[037] É de se notar que a quantidade de etapas do método não sofre significativas alterações com as mudanças de modalidades preferenciais. Apenas com finalidade exemplificativa, as etapas do método com referência à modalidade ilustrada na Figura 2 são:

I. Introdução de uma emulsão petróleo/água (E) em uma extremidade (311) de uma tubulação (310);

II. Ativação de uma fonte de energia (400) de alta tensão;

III. Emissão de centelhas em pelo menos um cátodo (320) e/ou um ânodo (340) por meio de centelhadores (410);

IV. Geração de uma armadilha de elétrons no interior da tubulação (310) por meio de pelo menos um dentre um conjunto de eletrodos de cátodo (330) e/ou conjunto de eletrodos de ânodo (350) energizado;

V. Ionização da emulsão petróleo/água (E);

VI. Separação do petróleo (P) e da água (A);

VII. Dispensa do petróleo (P) separado da água (A) em uma extremidade

(313) da tubulação (310);

VIII. Passagem da água (A) por uma peneira dinâmica (360); e

IX. Dispensa da água (A) separado do petróleo (P) em uma extremidade

(314) da tubulação (310).

[038] O versado na técnica notará que a escolha de carga por meio do cátodo (120, 320) ou do ânodo (140, 340) indicará se a água (a) da emulsão petróleo/água (E) terá influência na retirada ou na adição de elétrons à água e, consequentemente, na sua acidulação ou alcalinização. Evidentemente, também na sua mudança de tensão superficial, em que a água (A) alcalinizada tende a ter sua tensão superficial reduzida; e a água acidificada tende a ter sua tensão superficial aumentada.

[039] Um diferencial elétrico positivo representa falta de elétrons, enquanto um diferencial elétrico negativo representa acúmulo de elétrons à água e, consequentemente, na sua acidulação/ diferencial potencial positivo / falta de elétrons ou alcalinização/ diferencial negativo de elétrons / acúmulo de elétrons. Estes fatos ocorrem através do direcionamento das correntes elétricas, por exemplo, se uma corrente elétrica contínua negativa for direcionada ao cátodo, então a armadilha de elétrons sequestrará elétrons e, por consequência, haverá um acúmulo de elétrons/diferencial elétrico negativo e alcalinizante do meio. Se for utilizada uma corrente elétrica continua positiva nos cátodos, então esta armadilha de elétrons será positiva, ou seja, com falta de elétrons/diferencial elétrico positivo e acidulante do meio. As tensões preferenciais deverão ser altas e com corrente elétrica baixa, tanto poderão ser utilizadas correntes contínuas ou pulsadas e também as correntes alternadas também serão interessantes, principalmente para o início deste processo, visto que estas correntes alternadas proporcionam ionizações intensas e assim facilitando a eletrocoalescência finalizada pelas correntes elétricas contínuas no final do processo.

[040] Contudo, notará o versado na técnica que a presente invenção prevê que tanto o uso da água (A) acidificada quanto da alcalinizada se encontram dentro do seu escopo, uma vez que em ambas as situações, o petróleo (P) e a água (A) exibirão diferentes densidades, se separarão e serão eliminados separadamente pela tubulação (110, 310).

[041] Também é de se notar que para obtenção da armadilha de elétrons, a presente invenção prevê que a fonte de energia (200, 400) forneça alta tensão, particularmente entre 10 kV e 10 GV, enquanto a corrente elétrica deverá ser mantida baixa.

[042] Nota-se que a presente invenção prevê tanto o uso de corrente contínua quanto alternada, sem prejuízo a seu objeto, de modo que haja saturação dos íons com elétrons.

[043] O versado na técnica notará que o método de acordo com a presente invenção pode ser aplicado de forma dinâmica na própria tubulação (110) e, assim, o princípio pode ser aplicado em fluxo contínuo, bem como pode ser aplicado em bateladas nos tanques ou locais de decantação.

[044] O conjunto de elementos e dispositivos requeridos para a conclusão do sistema é de vasto acesso e fácil conhecimento do versado na técnica, não requerendo peças, partes, componentes ou quaisquer outros aparatos de difícil acesso ou de composição sofisticada.

[045] Nota-se também que diversas adaptações podem ser feitas sem fugir ao espírito e ao escopo da presente invenção. Assim, e apenas com finalidade exemplificativa, o número de eletrodos (130) pode ser variado conforme o comprimento da tubulação (110) utilizada.

[046] Além disso, diversos outros aparelhos podem ser incluídos no intuito de controlar o fluxo da emulsão petróleo/água (E) na tubulação, a exemplo de sensores, sondas e diversos equipamentos de monitoramento de volume e fluxo.

[047] Outra vantagem provida pela presente invenção é o baixo consumo elétrico, dada a reduzida corrente elétrica demandada pela natureza da formação da presente armadilha de elétrons. Isto auxilia na viabilização comercial de um sistema tal como o aqui ensinado, aplicando o método da presente invenção. A consequência óbvia desta característica é também uma lógica mais sustentável ao objeto da presente invenção, quando da sua implementação. Em contrapartida, o gasto energético elétrico num processo de eletrólise trivial acaba sendo um grande inviabilizador comercial.

[048] Nota-se, assim, que a presente solução permite implementações versáteis, económicas, velozes e práticas.

Conclusão

[049] Será facilmente compreendido por aqueles versados na técnica que modificações podem ser realizadas na presente invenção sem com isso se afastar dos conceitos expostos na descrição acima. Essas modificações devem ser consideradas como compreendidas pelo escopo da presente invenção. Consequentemente, as concretizações particulares descritas em detalhe anteriormente são somente ilustrativas e exemplares e não limitativas quanto ao escopo da presente invenção, ao qual deve ser dada a plena extensão das reivindicações em anexo e de todos e quaisquer equivalentes da mesma.