Ozonização aplicada ao tratamento de água produzida em plataformas de produção de petróleo e gás

Abstract

O gerenciamento da água produzida (AP) gerada durante a extração de petróleo e gás é um desafio para a indústria petroquímica, devido aos grandes volumes gerados diariamente e à dificuldade em atingir o limite de descarte do teor de óleos e graxas (TOG) estabelecidos pela legislação ambiental. O TOG é diretamente influenciado pela presença de compostos orgânicos solúveis, tais como os ácidos naftênicos. Dessa forma, esta tese investigou a aplicação da ozonização como método de degradação do ácido ciclohexanocarboxílico (CHC, usado nesse estudo como composto modelo para os ácidos naftênicos) presentes em amostras sintéticas de AP e para a redução do TOG da AP real. O objetivo principal foi determinar os parâmetros operacionais aplicados durante o processo de ozonização para obter a maior eficiência de tratamento da AP e avaliar a viabilidade técnica e econômica do processo em diferentes escalas. Para tanto, foram realizados ensaios em quatro protótipos de ozonização com diferentes capacidades de volume de efluente: um protótipo de bancada simplificado (200 mL), um protótipo de bancada ampliado (400 mL a 800 mL), um reator de cavitação hidrodinâmica com Venturi (5 L) e uma unidade piloto (25 L a 80 L). Os resultados obtidos em protótipo de bancada ampliado foram realizados utilizando uma coluna de borbulhamento para avaliar a cinética da degradação do CHC. Variáveis como volume da amostra (400, 600 e 800 mL), pH (8, 10 e 12) e concentração de ozônio foram testadas. Os melhores resultados de degradação foram obtidos em pH 12 com uma concentração de O3 na fase gasosa de 63,6 mg L -1 , alcançando 100% de remoção do ácido CHC em 15 min de reação. O estudo avançou para um reator de cavitação hidrodinâmica, que permite maior transferência de massa entre as fases líquida e gasosa. Em experimentos com 5 L de AP sintética, foi possível obter 91% de degradação do ácido CHC em 60 min. O teste em escala piloto, com a ozonização de 80 L de AP sintética, resultou em 97% de degradação do CHC em 200 min de reação, demonstrando a eficácia do processo mesmo em escalas maiores. Na avaliação do tratamento da água produzida real em protótipo de bancada ampliado, observou-se uma redução de 90 % do TOG em 15 min de reação. Além disso, o tratamento por ozonização empregado é suficiente para atender os requisitos legais de descarte de AP em ambiente marinho, obtendo teor de óleos e graxas (pelo método gravimétrico) inferior a 29 mg L -1 , após 30 min de reação. O consumo de energia requerido para a degradação de uma determinada concentração do contaminante (ERC) variou de 729 kWh m-3 a 46 kWh m-3 ao transitar de um sistema simplificado para escala piloto tratando 80 L de AP. Para a AP real, obteve-se um ERC ainda menor, foi de 34 kWh m-3 . Esses resultados demonstram a efetividade da ozonização no tratamento de AP e destacam a importância dos estudos em diferentes escalas para avaliar a viabilidade técnica e econômica de uma tecnologia de tratamento, contribuindo para os avanços da gestão sustentável dos recursos hídricos em unidades de produção de petróleo e gás.

Abstract: The management of oilfield produced water (OPW) generated during oil and gas extraction presents significant challenges for the petrochemical industry due to the large volumes produced daily and the difficulty in achieving the discharge limits for Total Oil and Grease (TOG) stipulated by environmental regulations. TOG levels are directly influenced by the presence of soluble organic compounds, such as naphthenic acids. This thesis investigates the application of ozonation as a method for degrading cyclohexanecarboxylic acid (CHC, used in this study as a model compound for naphthenic acids) in synthetic PW samples and for reducing TOG in real PW samples. The primary objective is to determine the operational parameters during the ozonation process to maximize treatment efficiency and to evaluate the technical and economic feasibility of the process across various scales. This study includes experiments conducted on four different ozonation prototypes with varying effluent volumes: a simplified bench-scale prototype (200 mL), an expanded bench-scale prototype (400 mL to 800 mL), a hydrodynamic cavitation reactor with Venturi (5 L), and a pilot-scale unit (25 L to 80 L). Initial experiments with the expanded bench-scale prototype involved a bubbling column to understand the kinetics of CHC degradation. Variables such as sample volume (400, 600, and 800 mL), pH (8, 10, and 12), and ozone concentration were tested. Optimal degradation was achieved at pH 12 with an ozone concentration of 63.6 mg L -1 , reaching 100% removal of CHC within 15 minutes of reaction. The study progressed to a hydrodynamic cavitation reactor, which allows for enhanced mass transfer between liquid and gas phases. In experiments with 5 L of synthetic PW, 91% degradation of CHC was achieved within 60 minutes. Pilot-scale testing with the ozonation of 80 L of synthetic OPW demonstrated 97% CHC degradation in 200 minutes, indicating the process's effectiveness at larger scales. For real PW treatment in the expanded bench-scale prototype, a 90% reduction in TOG was observed within 15 minutes of reaction. Furthermore, the ozonation treatment proposed is sufficient to meet the legal requirements for the disposal of OPW in a marine environment, obtaining an oil and grease content (by gravimetric method) of less than 29 mg L-1 , after 30 min of reaction. Energy consumption required for degrading a specific concentration of contaminants (ERC) varied significantly, from 729 kWh m-3 in the simplified system to 46 kWh m-3 in the pilot-scale system treating 80 L of PW. For real OPW, an even lower ERC of 34 kWh m-3 was achieved. These findings highlight the effectiveness of ozonation in PW treatment and underscore the importance of scalability studies in assessing the technical and economic viability of a treatment technology, contributing to advancements in sustainable water resource management in oil and gas production units.