OBJETO DE LA INVENCIÓN

En la actualidad se producen en Colombia cerca 70 Mton/año de carbón mineral y para su transporte desde la región del Cesar y la Guajira se cuenta con dos líneas de ferrocarril con una capacidad de 32 Mton/año. Lo faltante es conducido por vía terrestre, lo cual trae consigo una problemática ambiental asociada a la polución producida por el material particulado.

Hoy en día, existe una sobreoferta de carbón que no es posible exportar y es almacenada en las minas de producción, por no contar con una alternativa técnica y económicamente viable para su transporte.

Por otra parte, debido al creciente desarrollo e implementación de procesos de mejoramiento (upgrading en inglés) de crudos pesados y extra pesados, se generan importantes volúmenes de subproductos de difícil manejo, como asfáltenos y coque del petróleo ¹ . Ejemplo de ello son la Refinería Carson de BP, Long Beach, una de las refinerías grandes de California, con capacidad de 270000 bpd y una producción de 1000 Ton/día de coque del petróleo, y la Refinería El Segundo de Chevron, California, con una capacidad de 280000 bpd y producción de 3600 Ton/día de coque del petróleo, cuyo valor energético y económico resulta atractivo para comercializarlo como combustible no convencional ²

El manejo de grandes volúmenes de material solido particulado demanda una importante logística técnica, debido a la volatilidad del material durante las etapas de almacenamiento y transporte, la cual también genera problemas ambientales por la posible contaminación del aire, del agua y del suelo. La tecnología de suspensiones de carbón agua (CWS) se pueden considerar como una de las tecnologías más útiles para transporte y mejoramiento de carbón limpio. ³ La presente invención hace referencia a una alternativa para el transporte de subproductos sólidos por tubería mediante la dispersión de sólidos en agua, ya

(Murray, Elliott, & McCaffrey, 2005).

2(Wanga, Anthonya & Abanades, 2004).

3(Liu et al. 2009).

sea como un tipo suspensión en el cual el tamaño de partícula es inferior a las 500 micrómetros o como sólidos gruesos con tamaños promedio entre 1 -2 cm. Adicionalmente, en la presente invención se definen las condiciones óptimas de las variables críticas de formulación del producto a transportar y las condiciones de operación.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El incremento de la producción de carbón mineral en el país hace cada vez más necesario contar con una alternativa para el transporte de sólidos. En la actualidad, más del 50% del transporte de carbón mineral se realiza por vía terrestre y los costos asociados al transporte así como los problemas ambientales son cada vez más críticos. El transporte hidráulico de sólidos por tubería consiste en el transporte de partículas sólidas inmersas en un fluido en movimiento. El transporte hidráulico de sólidos adquiere su verdadera magnitud si es utilizado como medio de transporte masivo de sólidos a gran escala y en grandes longitudes. Por este medio es posible transportar mezclas de fluidos, (generalmente agua), y sólidos tales como sedimentos naturales, arcillas, carbón, minerales, productos agrícolas, madera, plásticos, etc ⁴ . Este método de transporte de partículas sólidas es particularmente propio de la industria de la minería donde los materiales a transportar están localizados en lugares inaccesibles, necesitándose ser llevados a plantas de generación de energía, (como es el caso de carbón mineral— Coal Water Slurries), o a plantas de procesamiento en el caso de otros minerales ⁵ Actualmente en América latina se desarrollan actividades mineras que involucran el uso de ductos para el transporte de mineral como es el caso del Mineroducto Antamina en Perú, con una longitud de 302 Km y un diámetro de tubería de 10 pulgadas usados para el transporte de Bauxita; el mineroducto Alumbrera en Argentina con una longitud de 316 km en 20 pulgadas para transporte de Níquel,

4 (Graf, 1971 ). 5(Duckworth, 1978). el Mineroducto de Samarco en Brasil con una longitud de 396 Km con un diámetro de 20 pulgadas y el Mineroducto Collahuassi en Chile de 203 km y un diámetro de 8 pulgadas para el transporte de cobre.

Por otra parte se encuentra en desarrollo en Uruguay en la Minera Iratiri un proyecto minero de gran envergadura, en el cual se plantea transportar mineral de hierro por un ducto de 24 pulgadas con una longitud de 212 Km.

Adicionalmente, se encuentran en el estado de la técnica algunos documentos de patente relacionados con el transporte de sólidos en suspensión.

La solicitud de patente No. JPS 56145027 describe un método para el transporte de una mezcla sólido-líquido por medio de una bomba de rodillo de tubo y un dispositivo para llevar a cabo dicho método, donde dicho método se basa en la restricción de la disposición de conductos que se comunican con los puertos de entrada y salida de la bomba, donde el método también se enfoca en el hecho que un tubo se fija a una presión tal que no se presiona ni se disloca durante la operación de bombeo, en donde la porción sólida se hunde mientras que la bomba se mantiene en su posición. La solicitud de patente No. JPS 58148118 hace referencia a un método para el transporte de un cuerpo granular y en polvo para mejorar la eficiencia del transporte al mezclar una suspensión de burbuja de alta concentración con un fluido de burbuja de alta presión en un recipiente a alta presión y que transporta la mezcla como una suspensión de alta concentración y a alta presión en la tubería. Así, un fluido de burbuja espumado en un tanque de espumado y en polvo y carbón granular separado de forma centrífuga de la suspensión de agua se mezclan en un mezclador y se transportan al interior de un dispositivo de espumado. Luego, la suspensión es alimentada en un mezclado de agente anti- espumante y un separador de sólido-líquido por medio de una bomba de presión. Por consiguiente, la deshidratación de la suspensión no es necesaria y se puede mejorar la eficiencia del transporte.

La patente CA 1192743 divulga una suspensión acuosa de un combustible sólido y un proceso para producir dicha suspensión, donde la suspensión acuosa consiste de una suspensión altamente concentrada de un material de carbono pulverizado que tiene un tamaño de partícula de máximo 0.5 mm, y 0.02-2% en peso de por lo menos un aditivo, donde el contenido de sólidos de la suspensión es 65-90% en peso, preferiblemente 70-80% en peso. Dicho aditivo incluye un compuesto activo superficial soluble en agua el cual es un óxido de etileno que tiene una formula definida, donde este aditivo permite una suspensión acuosa estable, es decir que no se separa durante su transporte y almacenamiento, así como de baja viscosidad y que es bombeable a un contenido de sólidos alto. La patente JP 2002316717 enseña un sistema de transporte donde se utiliza una bomba para el mezclado de partículas sólidas y el transporte de las mismas en un estado de suspensión, donde el agua se llena en una tubería de transporte compuesta de una tubería de succión dispuesta perpendicular en agua de un tanque dividido, una tubería horizontal continua con la tubería de succión, y una tubería de descarga continua con la tubería horizontal y dispuesta de forma perpendicular en otro tanque dividido. Así, las partículas sólidas son transportadas desde la tubería de succión a la tubería de descarga, y se evita que las partículas sólidas pasen a través de un interior de la bomba. La solicitud de patente CN 101805109 se refiere a un método para el tratamiento de una suspensión de agua de una planta de lavado de carbón, donde dicho método comprende los pasos de entregar una suspensión de agua generada en el lavado de carbón en un tanque de concentración de flujo de fondo, y concentrar la suspensión hasta que el contenido de sólidos alcance 300 a 400 g/L; entregar directamente la suspensión concentrada a una máquina centrífuga de tornillo horizontal dispuesta en una planta de potencia para la deshidratación a través de una bomba de suspensión y una tubería con el fin de obtener una suspensión de carbón, y entregar agua deshidratada de la máquina centrifuga a la planta de lavado a través de la bomba de suspensión y la tubería para reciclaje; y entregar la suspensión de carbón a un almacenamiento intermedio, mezclando continuamente. Así, la invención combina la preparación de suspensión de carbón a través de concentración de agua y la entrega de tubería de la suspensión de carbón, y cumple el propósito de simplificar todos los procedimientos tecnológicos, reduciendo la inversión en equipo.

Aunque algunos métodos descritos en el estado de la técnica hacen referencia al transporte de una mezcla de una suspensión del tipo líquido/sólido, en los métodos del estado de la técnica no se especifican las condiciones específicas del proceso de transporte ni la utilización de una formulación para facilitar el transporte de la suspensión por una tubería. Aunque en la patente CA 1 192743 se menciona una formulación basada en óxido de etileno que mejora las propiedades de la suspensión y permite que esta se pueda bombear de una forma más adecuada para posterior separación, en el mismo documento no se mencionan las condiciones técnicas específicas del proceso para el transporte de la suspensión.

Así las cosas, es evidente en el estado de la técnica la necesidad de una alternativa económicamente viable para el transporte de sólidos en tubería, en la cual se defina en forma específica las características técnicas del proceso de transporte y la formulación del producto a transportar, y que presente una solución al problema medioambiental de aumento de material particulado ocasionado por el transporte convencional de sólidos por vía terrestre.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1A muestra el esquema general de preparación, transporte y deshidratación de dispersiones finas (Sistemas con tamaño de partícula entre 30 y 600 micrones);

La Figura 1 B enseña el esquema general de preparación, transporte y deshidratación de sistemas granulados (0.5 cm a 2 cm). La Figura 2 muestra el comportamiento reologico de suspensiones de coque de petróleo (50% peso/peso) en función del tamaño de partícula.

La Figura 3 reporta la Prueba de estabilidad estática suspensiones de coque del petróleo 50% peso/peso.

La Figura 4 muestra el comportamiento reologico de suspensiones de coque 50% peso/peso 150 μηι/ 90pm.

La Figura 5 muestra el fecto de la concentración de sólidos en la viscosidad de suspensiones de coque del petróleo-agua.

La Figura 6 muestra el efecto de la concentración de sólidos en la viscosidad de suspensiones de asfaltenos-agua.

La Figura 7 muestra el comportamiento reologico de mezclas de aditivo efecto de la concentración surfactante en la viscosidad.

La Figura 8 muestra la concentración micelar crítica de dispersantes.

La Figura 9 muestra las suspensiones solidas coque del petróleo 50% peso/peso mezcla bimodal 150+90 μητι (60/40).

La Figura 10 muestra el efecto de la concentración surfactante en la viscosidad de suspensiones solidas coque de petróleo 50% peso/peso, 150μΓη+90μιτι (60/40), 2000 ppm AE.

La Figura 11 muestra la Curva de Histéresis viscosidad dinámica vs. Velocidad de deformación. Suspensiones asfáltenos y coque de petróleo agua 50/50 p/p. mezcla bimodal 150μΓη/90μηι (60/40). La Figura 12 muestra la Curva de Histéresis esfuerzo de corte vs. Velocidad de deformación. Suspensiones asfáltenos y coque de petróleo agua 50/50 p/p. mezcla bimodal 150μηι/90μηΊ (60/40).

La Figura 13 muestra el reograma de la mezcla AE-agua 6000ppm. La Figura 14 muestra las Caídas de presión MCPFD (carbón mineral y asfáltenos de formulación).

La Figura 15 muestra la Viscosidad aparente de suspensiones de carbón coque; comparación de datos planta piloto y laboratorio.

La Figura 16 muestra el Incremento de potencia de bombeo en pruebas de parada y re-arranque. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La tecnología de transporte de sólidos por tubería de la presente invención consta de dos etapas: la primera asociada a la formulación o definición de parámetros del material a transportar, el cual puede ser material particulado tipo suspensión (diámetro promedio de partícula inferior a 600 mieras) o material particulado grueso (diámetro promedio de partícula entre 0.5 y 2 cm), y la segunda etapa que corresponde al ajuste de las condiciones de operación necesarias para su desarrollo. Preparación v transporte de material particulado tipo suspensión

Preparación

Se debe tomar el material sólido y llevarlo a un proceso de trituración y molienda hasta conseguir unos diámetros de partícula inferiores a 600 mieras en el 50% de su distribución. Por otra parte, se debe preparar un agua aditivada con un surfactante aniónico (Dodecilbenceno sulfonato de sodio lineal-AD) en una concentración entre 4000 y 8000 ppm, y un agente viscosante (estabilizante carbohidrato polimerico -Goma Guar-(AE) en una concentración de 2000 ppm. Una vez se tiene el agua con los químicos disueltos, los sólidos deben ser adicionados en un tanque de agitación de manera gradual hasta obtener una mezcla con una concentración de sólidos entre el 50 - 60% en peso en la suspensión. Transporte

Para el transporte de este tipo de suspensiones es necesario utilizar bombas tipo centrifuga de impeler abierto de flujo tipo vórtice que minimice el contacto del material con el impulsor de la bomba. Las viscosidades que presentan estas mezclas se encuentran en el orden de 300 - 500 cSt lo que hace que los requisitos de bombeo sean análogos a los que se obtienen para el transporte de crudos por oleoductos. Es recomendable la utilización de un recubrimiento interno en la tubería de material tipo polimérico con el fin de minimizar las pérdidas de material por abrasión. Por otra parte, los consumos de potencia asociados a paradas y re-arranques de la línea hace necesario diseñar una bomba con una potencia igual al doble de la capacidad normal de operación.

Los pasos que se deben seguir para el transporte del material son en general: Trituración y molienda del coque de petróleo, o asfáltenos o carbón mineral: (Tipo de sólido que aplique): La etapa de molienda debe contemplar la condición para lograr dos tamaños de partícula (bimodal), por ejemplo 150 micrones y 90 micrones. Para el caso de los sistemas granulares la molienda deben oscilar entre tamaños de 1 cm y 2 cm. Acondicionamiento de la fase continua (agua): Tal como se muestra en la Figura 1A, la fase acuosa es acondicionada en línea adicionando el aditivo "AD" mediante bomba de. desplazamiento positivo, y aguas abajo se inyecta el aditivo "AE". Estos son homogeneizados a paso por un mezclador estático. Para el caso de dispersiones tipo granular, este paso no es necesario porque no se requiere acondicionamiento de la fase continua (agua), tal como lo indica la Figura 1 B. (No hay requerimiento de aditivo dispersante "AD" ni aditivo "AE").

Formación de la suspensión Al agua que viene acondicionada se inyecta el material particulado el cual cae simultáneamente de dos tolvas que contienen respectivamente las de menor y mayor tamaño con el fin de que la suspensión dispersión logren una distribución tipo bimodal. La descarga debe ser controlada a fin de lograr en cualquiera de los dos casos que la suspensión o la dispersión tipo granular sea un volumétrico tal que el 60% de la adición de material particulado corresponda al solido de mayor tamaño y el 40% al de menor tamaño; esto con el fin de lograr las especificaciones de movilidad encontradas en laboratorio y planta piloto (velocidades de flujo, estabilidad estática y dinámica).

Etapa de remoción del agua: Sedimentación de las partículas, ya sea de forma natural o en un campo centrífugo; Filtración, en la que el agua drena a través de una torta de sólidos de forma natural, con la asistencia de acción centrífuga o asistida por presión o vacío; Secado térmico.

El agua, al final del bombeo es separada de los sólidos y enviada nuevamente al sistema de preparación de las suspensiones. Debido a la higroscopicidad del carbón solo el 60-70% del agua total puede ser recuperada, el 30 % restante, permanece remanente dentro de la estructura del carbón.

El agua de recirculación se va enriqueciendo de material extrafino (inferior a 10 mieras) de muy bajo tamaño que aumenta la viscosidad de la fase continua. Por esta razón se hace necesario realizar un proceso de purga, que permita reducir la concentración de finos en la suspensión.

Así las cosas, la presente invención se dirige en una de sus modalidades a una metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo suspensionpara transporte por tubería que comprende las etapas de:

a. Trituración y molienda del material solido a transportar a un tamaño de partícula entre 30 mieras hasta de 600 mieras para el

50% de su distribución

b. Preparación de agua en un tanque con agitación con la adición de un agente surfactate aniónico AD, en una concentración entre 4000 y 8000 ppm y un agente estabilizante/viscosante AE en una concentración de entre 1300 - 2200 ppm, donde el surfactante anionico comprende un alquilsulfonato biodegradable y el agente viscosante comprende un polímero natural.

c. Adición gradual del material sólido a la solución obtenida en la etapa b.) hasta obtener una mezcla homogenizada (suspensión) con concentración de sólidos entre 50% y 60% en peso de la suspensión.

Además, la metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo suspensión para transporte por tubería puede ser para material sólido constituido de: carbón mineral, coque de petróleo y/o asfáltenos.

Además, la metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo suspensión para transporte por tubería tiene la suspensión obtenida en la etapa c) una viscosidad de entre 300 y 500 cSt.

Adicíonalmente, la metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo suspensión para transporte por tubería puede incluir además la etapa de transporte por tubería.

Además, la metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo suspensión para transporte puede incluir además la etapa de separación de la fase sólida a través de medios mecánicos o de forma natural posterior a la etapa de transporte.

Además, la metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo suspensión para transporte por tubería puede incluir además una etapa de recuperación y recirculación de agua posterior a la etapa de separación de la fase sólida.

Adicíonalmente, la metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo material particulado grueso de acuerdo con la invención para transporte por tubería comprende las etapas de: a. Trituración y molienda del material solido a transportar a un tamaño de partícula entre 0.5 y 2 cm para el 50% de su distribución

b. Preparación de agua en un tanque con agitación

c. Adición gradual del material sólido a la solución obtenida en la etapa b.) hasta obtener una mezcla homogenizada con concentración de sólidos entre 50% y 60% en peso. La metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo material particulado grueso para transporte por tubería puede ser para carbón mineral, coque de petróleo y/o asfáltenos. La metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo material particulado grueso para transporte por tubería da como producto una dispersión obtenida en la etapa c.) con una viscosidad de hasta 500 cSt.

La metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo material particulado grueso para transporte por tubería en donde puede incluir además la etapa de transporte por tubería.

Adícionalmente, la metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo material particulado grueso para transporte por tubería en donde puede incluir además la etapa de separación de la fase sólida a través de medios mecánicos posterior a la etapa de transporte y

La metodología para la obtención de sólidos fluidizados tipo tipo material particulado grueso para transporte por tubería en donde puede incluir además una etapa de recuperación y recirculación de agua posterior a la etapa de separación de la fase sólida.

En la presente invención, los términos método y metodología son sinónimos. Preparación y transporte de material particulado grueso

Preparación

Se debe tomar el material sólido y llevarlo a proceso de trituración hasta obtener un tamaño de partícula inferior a 2 cm en el 50% de su distribución. Debido a que los procesos de sedimentación están gobernados por las fuerzas gravitacionales con estos diámetros de partícula no se hace necesario la utilización de aditivos químicos para el agua (viscosantes). Los sólidos se suministran a la fase continua mediante una tolva de alimentación. Transporte

La variable física más importante en el transporte de material grueso por tubería es la velocidad critica de depósito (VCD) que determina la velocidad mínima promedio a la cual pueden ser transportados los sólidos sin incurrir en el taponamiento de la línea. Esta VCD, es una función del diámetro de la tubería, el diámetro de partícula de los sólidos y de la densidad de los sólidos. Por esta razón, es necesario realizar un análisis para cada uno de los panoramas.

Al igual que en el transporte de material tipo suspensión, el agua de deshidratación es llevada nuevamente al sistema de preparación, sin embargo por ser material sólido grueso, el porcentaje de agua recuperada puede alcanzar hasta un 80 % y esta agua contiene una menor concentración de material particulado extrafino que minimiza los tiempos de purga. Adicionalmente, la concentración de sólidos puede alcanzar hasta un 60 % peso a peso, sin exceder los valores límites de viscosidad óptimos para transporte de fluidos por tubería (500 cSt).

El transporte de las suspensiones y del material particulado grueso presenta caídas de presión que no superan el 10% de desviación en comparación con la caída de presión obtenida mediante la utilización de correlaciones o ecuaciones para el transporte de fluidos homogéneos. De esta forma, es posible utilizar las ecuaciones de mecánica de fluidos asumiendo el comportamiento de una sola fase. Sin embargo, el alcance del proyecto permite determinar de manera real los efectos de variables como los patrones de flujo y el deslizamiento.

EJEMPLOS

EJEMPLO 1. Determinación de valores mínimos y máximos del diámetro de partícula en las formulaciones

Con el fin de determinar los valores mínimos y máximos del diámetro de partícula utilizados para establecer las formulaciones, se prepararon y caracterizaron suspensiones con distribuciones de tamaño de partícula bimodal y se analizó su efecto en el comportamiento reológico.

Se prepararon mezclas granulometrias con 50% de carga de sólidos, los resultados de estas formulaciones se muestran en la Figura 2. Estas pruebas junto con la determinación de estabilidad estática (Figura 3) mostraron que las suspensiones formuladas con mezclas cuyos diámetros de partícula son menores a 100 mieras tienen viscosidades mayores a las requeridas para transporte por tubería (400 cSt 100 s-1 ), sin embargo resultan mejor en términos de estabilidad. Contrario a esto, las suspensionescon mezclas de granulometrias cuyo diámetro son mayores a 300 mieras, tienen viscosidades menores a 200 cP a 100 (s-1 ), pero son menos estables bajo condiciones estáticas, lo que significa una mayor velocidad de precipitación de sólidos. Finalmente fueron tomadas mezclas bimodales cuyo tamaño de partícula osciló entre d50< 90pm y d50< 150 μητι (mieras), estas permiten obtener suspensiones con viscosidades menores a 300 cP a 25°C, y una mejor estabilidad. Es de gran importancia que en las mezclas formuladas se minimice la estratificación de sólidos ya sea para su almacenamiento en un tanque o para su transporte por tubería. Adicionalmente, mantener una gran movilidad y conservar un buen comportamiento de flujo son necesarios para asegurar la integridad de los procesos.

Una vez definido el rango de tamaño de partícula de las mezclas bimodales, se prepararon combinaciones a diferentes relaciones de gruesos a finos (ver Figura 4). Se tomaron relaciones de sólidos de mayor granulometría a menor granulometría de 90/10, 80/20, 70/30, 60/40, 50/50, y a partir de pruebas de comportamiento reológico se pudo establecer que las formulaciones bimodales con relación 60/40 de sólidos de mayor a menor granulometría permitieron la mejor carga de sólido a líquido con buena movilidad, presentan mejor estabilidad y el comportamiento reológico exhibido resulta más favorable dado el tipo de flujo y viscosidad obtenidos. EJEMPLO 2. Efecto de la concentración de sólidos en la viscosidad de suspensiones de carbón coque y asfáltenos

A partir de las distribuciones combinadas de tamaño de partícula seleccionadas se prepararon suspensiones de diferentes tipos: coque/agua y asfaltenos/agua con concentraciones del 30% hasta el 60% w/w de sólidos, se realizaron mediciones de comportamiento reológico a fin de determinar el efecto de la concentración de sólidos en la viscosidad; los resultados se muestran en las Figuras 5 y 6.

De ellas se puede observar, que es significativo el incremento de la viscosidad cuando la concentración de sólidos excede el 50%. Por tal razón se ajustaron las formulaciones a esta condición de carga solido a líquido y con ello llegar al umbral de viscosidad fijado como referente para transporte; menor a 400 cSt.

La dispersión aumentó su carácter pseudo-plástico a medida que aumentó la concentración de sólidos. Contrario a esto, baja concentración de sólidos mantienen un patrón de flujo de características similares a un fluido líquido de naturaleza newtoniana, pudiendo ser considerado como flujo de una sola fase.

Los valores de viscosidad tomados como referencia fueron los medidos a velocidades de deformación de hasta 100 s-1 equivalente a ductos mayores a 4 pulgadas con velocidades de flujo entre 1 y 2 m/s. EJEMPLO 3. Selección de aditivo viscosante estabilizante

Debido a que tanto la velocidad terminal como la velocidad crítica de depósito están relacionadas directamente con la viscosidad de la fase continua, se utilizó un agente viscosante-estabilizante denominado AE, este fue seleccionado entre una serie de productos ya que presentó la mejor relación de aumento en la viscosidad por unidad de masa utilizada. Los productos utilizados y los resultados del análisis se muestran en la tabla 1. Tabla 1. Selección de agente estabilizante: Viscosidad dinámica

Goma Guar: Polímero no iónico (carbohidrato polimerizado), agente espesante y/o viscosante.

Bermocol: Producto comercial formulado a partir de hidroxietil celulosa no iónica Galactasol: Producto comercial formulado a partir de hidroxyetil celulosa (HEC) no iónica Cellosize: Producto comercial formulado a partir de hidroxyetil celulosa (HEC) no iónica

Las dosificaciones empleadas y comportamiento reológico de la fase continua formulada empleada en el estudio (formulación de suspensiones) se muestran en la Figura 7.

EJEMPLO 4. Efecto de la concentración de agente dispersante (surfactante) en la viscosidad de suspensión solidas de coque del petróleo y asfáltenos Una vez definida la selección granulométrica y la viscosidad de la fase continua se realizaron pruebas de optimización de aditivo dispersante, mediante pruebas de estabilidad estática y dinámica. El agente dispersante utilizado fue seleccionado entre dos surfactantes comerciales, amidas etoxiladas (Ethomid HP60, Ethomid HT23) con rangos de adición entre 2000 a 15000 ppm y un producto in-House Dodecilbenceno sulfonato de sodio, denominado - AD) empleando igualmente rangos de concentración entre 2000 y 15000 ppm. La curva de concentración micelar crítica (CMC) de los productos se muestra en la Figura 8.

De las pruebas de concentración miscelar crítica y de estabilidad estática (figuras 8 y 9), fue seleccionado el aditivo dispersante in house, denominado - AD (Dodecilbenceno sulfonato de sodio), ya que a una misma concentración se logró la menor separación de fases, 24 horas.

A partir de esto se evaluó el comportamiento reológico de una mezcla de 50% de sólidos, 2000 ppm de aditivo (Goma Guar-AE) variando la concentración del aditivo in house -AD (Dodecilbenceno sulfonato de sodio) en un rango entre 2000 a 15000 ppm. La Figura 10 muestra el reograma obtenido.

Con el fin de ajustar la dosificación de aditivo químico surfactante se definió 4000 ppm de aditivo AD (Dodecilbenceno sulfonato de sodio lineal) como la concentración óptima de formulación; ya que según se observó, con menores dosificaciones a ésta se incrementa la viscosidad debido a una perdida en la lubricidad de la fase continua y mayores concentraciones de aditivo -AD (Dodecilbenceno sulfonato de sodio lineal) no se logra un descenso considerable de viscosidad o un incremento en la estabilidad estática o dinámica de la mezcla.

Finalmente la fase continua formulada utilizada para la preparación de las suspensiones corresponde a agua con una concentración de 2000 ppm +/- 100 de aditivo viscosante-estabilizante AE (Carbohidrato polimerizado -Goma Guar) y 4000 ppm +/- 200 de aditivo dispersante AD-(surfactante in house, Dodecilbenceno sulfonato de sodio). EJEMPLO 5. Prueba de histéresis

El comportamiento no newtoniano dependiente del tiempo (tixotrópico y reopéctico) encontrado en gran variedad de fluidos, es frecuentemente estudiado en términos de lo que llamamos comúnmente curvas de histéresis, las cuales resultan de someter un fluido a un incremento en la velocidad de deformación (y/o caudal) por un tiempo dado, tras el cual después de un reposo, hacer descender la velocidad de deformación durante un tiempo equivalente al inicial. Estos estudios son útiles para proyectar como se comportara el fluido durante su transporte, lo cual aporta información relevante para establecer de manera indirecta la estabilidad, efecto de la reacomodación y orientación de partículas suspendidas en un líquido; entre otras. Al graficar estas curvas de viscosidad bajo el incremento de la velocidad de deformación -reposo-descenso se puede establecer si hay histéresis o no. Si las curvas resultantes superponen una sobre la otra se puede decir que el "fluido tiene memoria". Para el caso de estudio, las curvas de tixotropía obtenidas muestran una disminución de viscosidad en la curva de descenso de la velocidad de deformación (o caudal); lo cual significa, que las partículas una vez la suspensión se somete a cizallamiento se reacomodan orientándose de tal forma que ejercen menor fricción interna entre las ellas, consecuencia de esto, menor viscosidad. Al reiniciar el bombeo después de una eventual parada, la viscosidad resultante será menor que cuando se inicia el bombeo. Esto resulta en un factor de alta conveniencia teniendo en cuenta un caso crítico en el que se presente una parada durante el bombeo en tubería, y posteriormente re inicie el bombeo. Los resultados obtenidos para uno de las suspensiones de asfaltenos-agua definido por la formulación anteriormente mencionada se muestran en las figuras 11 y 12.

Ya que la curva de incremento no es superpuesta por la curva de decrecimiento se puede ver que las suspensiones preparadas a partir de estas formulaciones presentan comportamiento tixotrópico, las suspensiones de coque del petróleo presentaron el mismo comportamiento, estas características son tenidas en cuenta en los diseños de las operaciones e infraestructura de transporte por tubería, ya que esto se ve reflejado en una disminución en el esfuerzo de corte o en la viscosidad aparente al someter a un fluido a una deformación continua. Lo que representaría una disminución en la potencia de bombeo comparado con un fluido de la misma viscosidad y densidad pero de naturaleza no tixotrópica.

EJEMPLO 6. Resultados plantas piloto mini circuito de pruebas fluido dinámicas (MCPFD)

Previo a las pruebas de transporte de suspensiones sólidas, se realizaron pruebas utilizando agua modificada con aditivo espesante polímero no iónico Goma Guar (AE) cuyas características reológicas fueron similares a una suspensión de 300 cP (20-1 ) con una dosificación de 6000 ppm, esto con el fin de asegurar la idoneidad del sistema ^s a las condiciones de flujo y realizar la calibración de medidores. El reograma obtenido para esta mezcla se observa en la Figura 13. Determinación de caídas de presión y cálculo de viscosidad a partir de datos experimentales

Con el fin de reproducir o verificar el comportamiento fluido dinámico de la formulación obtenida en laboratorio fueron preparados 10 galones de suspensión coque agua y suspensión asfáltenos agua y llevados a un minicircuito de pruebas fluidodinámicas - MCPFD- donde fueron determinadas las caídas de presión de las suspensiones preparadas a partir de la formulación anteriormente definidas. Los resultados obtenidos a nivel planta piloto se muestran en la Figura 14.

Se pudo observar que las caídas de presión por unidad de longitud obtenidas con la suspensión de coque fueron menores a las obtenidas con la suspensión de asfáltenos, esto está directamente relacionado con la viscosidad de cada uno de ellos; con lo que se corroboraron los resultados obtenidos al nivel de laboratorio. Adicionalmente estos presentan una mayor caída de presión en el inicio del bombeo lo que se ve reflejado en incrementos en la potencia inicial de arranque debido a que las suspensiones formadas por asfáltenos presentan un esfuerzo de cedencia más alto que aquellos formados por coque del petróleo. Se ha podido establecer que debido a la estructura química y física de los asfáltenos, estos presentan mayor compactacion y debido a su fragilidad, estos sufren fraccionamiento durante su transporte lo cual aumenta su densidad empacada a medida que transcurre el tiempo en el circuito. A partir de las ecuaciones que describen flujo en estado estable y laminar en tubería circular y derivada de manera análoga a la ecuación de Hagen-Poiseuille para un fluido pseudo-plástico tipo ley de la potencia (Govier 1972) fue calculada la viscosidad aparente de la mezcla por medio de los datos experimentales. Estos se compararon con los realizados al nivel de los reómetros TA- AR1500X y Haake RS600 del laboratorio Fenómenos Interfaciales y Reología del Instituto Colombiano del Petróleo-Ecopetrol; mostrando valores dentro del rango +/- 5%. Se pudo determinar que el comportamiento de la suspensión en el MCPFD se asimila a un fluido de una sola fase y con esto, utilizar las correlaciones y ecuaciones para flujo homogéneo sin que se tengan significativas desviaciones en los cálculos. Para todas las pruebas realizadas, el régimen de flujo exhibido fue Laminar debido a los bajos caudales y diámetro de tubería 3/4", se estimó una velocidad de deformación de (400 s-1); mostrando equivalencia con los datos hallados al nivel de reómetros en laboratorio; cuyo valor de viscosidad a dicha velocidad de deformación fue 80 cP.

La Figura 15 muestra los resultados obtenidos y en ella se puede observar que los valores de viscosidad que corresponden a velocidades de deformación entre 0-400 s-1 obtenidos a nivel de laboratorio, fueron superpuestos por los valores de viscosidad aparente obtenida con los datos a nivel piloto, debido a las condiciones de flujo (alta velocidad de deformación) los datos presentaron una buena aproximación.

Lo anterior demuestra que las formulaciones a escala mantienen el comportamiento pseudo-plástico establecido en pruebas realizadas al nivel laboratorio; por tanto, la viscosidad de la suspensión dependerá del diámetro de tubería a utilizar y de la velocidad de flujo por su carácter no newtoniano. Parada y re-arranque del bombeo

Con el fin de determinar estabilidad de la suspensión bajo condiciones dinámicas y estáticas, fueron efectuadas pruebas de paradas versus re-bombeo con tiempos de 1 , 2, 3, 14, 24 hasta 72 horas, manteniendo el esquema recirculación. En todos los casos anteriores el re bombeo fue posible, observándose que los incrementos en potencia no llegaron a ser significativos para tiempos de parada inferiores a 24 horas. Para tiempos de parada superiores a 24 horas, se apreció variación en la potencia hasta valores cercanos a un 80% con respecto a la obtenida durante una operación normal de bombeo con la mezcla totalmente homogenizada. La Figura 16 muestra estos resultados.

Con el fin de determinar si bajo condiciones de mínima velocidad se llega a la condición de sedimentación crítica del material particulado en la línea a las condiciones de la prueba, se realizó prueba de flujo a 0,2 m/s y no se observaron cambios en la potencia de bombeo, en todos los casos fue posible reiniciar satisfactoriamente el sistema.