Extração líquido-líquido de ácidos naftênicos da água produzida visando a remoção de compostos orgânicos dissolvidos

Abstract

Água produzida (AP) consiste no efluente de plataformas marítimas e onshore de petróleo. A produção média deste efluente em uma plataforma tem proporção média 3:1 em relação ao mesmo volume de petróleo. A legislação em diversas regiões do mundo estipula limites máximos de teor de óleos e graxas (TOG) no seu descarte nos oceanos. Para se adequar, estudos vêm sendo realizados buscando tratamentos eficazes na diminuição do TOG da água produzida. Este trabalho tem como objetivo avaliar a remoção de ácidos naftênicos da água produzida por meio do processo de extração líquido-líquido empregando o petróleo como fluido extrator, visando a remoção de compostos orgânicos dissolvidos e, também, estudar a transferência de massa de ácidos naftênicos da água produzida sintética para uma única gota de n-heptano em coluna de extração. Para a operação de extração líquido-líquido em batelada utilizando o petróleo como fluido extrator, as fases foram agitadas por ultraturrax. Após a separação, o ácido ciclohexanocarboxílico (CHC) presente na água produzida sintética foi quantificado por espectrofotômetro de FTIR. O TOG do efluente real foi determinado pelo método gravimétrico 5520-B do Standard Methods. Observou-se que o pH e a concentração de petróleo são significativamente influentes na remoção de ácido ciclohexanocarboxílico da água produzida sintética (%E > 50% em pH = 2). Quanto maior a quantidade de petróleo presente, maior a eficiência. Ao acidificar o efluente sintético, aumentou-se a eficiência de remoção do ácido CHC da AP sintética. A metodologia utilizada para a extração líquido-líquido de ácido CHC da AP sintética se mostrou eficiente para a redução do TOG do efluente real (%E ? 60% em pH = 5). O uso do modelo UNIFAC permitiu o cálculo dos coeficientes de partição, p, dos ácidos ciclohexanocarboxílico e ciclohexanoacético (CHA) entre n-heptano e AP sintética (pCHC = 4,52 e pCHC = 9,75), que possibilitou a determinação das concentrações de equilíbrio de ácidos naftênicos em uma gota de n-heptano que percorre uma coluna preenchida com a fase contínua água produzida sintética. Desta maneira, pode-se estudar o comportamento da transferência de massa de dois ácidos naftênicos da AP sintética para uma gota de n-heptano em uma coluna de extração de fluxo contínuo. Foram avaliados os seguintes parâmetros na coluna: diâmetro de gota, concentração inicial do soluto, tipo de ácido naftênico utilizado como soluto e tensão interfacial. Avaliou-se a variação dos coeficientes globais de transferência de massa, Kod, frente às mudanças nos parâmetros selecionados. O Kod aumentou com o crescimento do diâmetro da gota formada, com a elevação da concentração inicial dos ácidos naftênicos estudados e foi superior para o ácido CHC do que para o CHA, devido ao menor coeficiente de partição, que implica em menores concentrações de equilíbrio. Como caráter inovador deste trabalho, destacam-se: o uso do petróleo como fluido extrator de ácidos naftênicos da água produzida sintética; o uso deste mesmo extrator para redução do teor de óleos e graxas da água produzida de plataforma marítima; e o estudo da transferência de massa de ácidos naftênicos da água produzida sintética para uma única gota de n-heptano em coluna de extração de fluxo contínuo.

Abstract: Oilfield produced water (OPW) consists of effluent from offshore and onshore oil platforms. The average production of this effluent on a platform has an average ratio of 3:1 to the same petroleum volume. Legislation worldwide stipulates maximum oil and grease content (TOG) limits for discharge in the oceans. Studies have been carried out looking for effective treatments to decrease the TOG of OPW. This thesis aims to evaluate the removal of naphthenic acids from the produced water through the liquid-liquid extraction process using petroleum as the extracting fluid, aiming to remove dissolved organic compounds. Additionally, it seeks to study the mass transfer of naphthenic acids from the synthetic produced water to a single droplet of n-heptane in an extraction column. For the batch liquid-liquid extraction operation using petroleum as extracting fluid, the phases were agitated by ultraturrax. After separation, the cyclohexanecarboxylic acid (CHC) present in the synthetic OPW was quantified by FTIR spectrophotometer. The TOG of the real OPW was determined by the Standard Methods gravimetric 5520-B. It was observed that pH and petroleum concentration significantly influence removing cyclohexanecarboxylic acid from synthetic OPW (%E > 50% at pH = 2). The greater the amount of petroleum present, the greater the efficiency. The efficiency of CHC acid removal from the synthetic AP was increased by acidifying the synthetic effluent. The methodology developed for the liquid-liquid extraction of CHC acid from the synthetic OPW proved efficient in reducing the TOG of the real effluent (%E ? 60% at pH = 5). Using the UNIFAC model allowed the calculation of the partition coefficients, p, of cyclohexanecarboxylic and cyclohexaneacetic (CHA) acids between n-heptane and synthetic OPW (pCHC = 4.52 and pCHC = 9.75), which enabled the determination of the equilibrium concentrations of naphthenic acids in a drop of n-heptane that runs through a column filled with the continuous-phase synthetic OPW. Thus, the mass transfer behavior of two naphthenic acids from synthetic OPW to a drop of n-heptane in a continuous flow extraction column can be studied. The following parameters were evaluated: droplet diameter, initial solute concentration, type of naphthenic acid used as solute and interfacial tension. The variation of the global mass transfer coefficients, Kod, was evaluated given the changes in the selected parameters. Kod increased with the growth of the diameter of the droplet formed, with the increase in the initial concentration of the naphthenic acids studied and was higher for CHC acid than for CHA due to the lower partition coefficient, which implies lower equilibrium concentrations. As innovative features of this thesis, the following stand out: the use of petroleum as the extracting fluid for naphthenic acids from synthetic produced water; the use of the same fluid for reducing the oil and grease content in produced water from offshore platforms; and the study of the mass transfer of naphthenic acids from synthetic produced water to a single n-heptane droplet in a continuous flow extraction column.