Pesquisa sobre a aplicação da tecnologia de membrana líquida de fibras no tratamento prévio de petróleo bruto

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Resumo: Este artigo apresenta os princípios de separação por transferência de massa no pré-tratamento de petróleo bruto por meio de membranas líquidas fibrosas, e realiza testes industriais e estudos sobre a adaptabilidade dessas membranas ao petróleo bruto. Os resultados mostram que, após o pré-tratamento do petróleo bruto com uma membrana líquida de fibras em três etapas, o teor de sal fica abaixo de 3,0 mg de NaCl/L, o teor de água abaixo de 0,2%, o teor de cálcio e ferro abaixo de 10,0 μg/g, e o teor de óleo em água abaixo de 150 mg/L. Todos esses indicadores atendem aos requisitos da produção industrial, sendo assim, esse método é superior ao processo de dessalinização elétrica. 1. Introdução A tecnologia de separação por membrana líquida (Liquid membrane permeation, LMP) é uma técnica de separação que utiliza as diferenças nas capacidades de permeação dos diferentes componentes de uma mistura, a fim de realizar a separação, purificação ou concentração desses componentes. Trata-se de um novo método de separação que simula a função de transferência de massa das membranas biológicas, resolvendo assim problemas relacionados aos fatores de separação e à seletividade. Foi proposto em 1968 pelo Dr. Li Nianzhi, um americano de origem chinesa que trabalhava para a empresa americana Exxon. A tecnologia de separação por membranas líquidas possui vantagens em relação à tecnologia de separação por membranas sólidas, como maior eficiência, velocidade, seleção mais precisa e menor consumo de energia. Além disso, ela supera a extração líquido-líquido, pois permite que a extração e a reextração ocorram simultaneamente, resultando em fatores de separação e concentração mais altos, uso menor de solventes e perda reduzida de solventes. Dentre elas, a tecnologia de separação por membrana líquida de fibras tem visto um rápido desenvolvimento na área de refino de petróleo em nosso país nos últimos anos. 2. O princípio de separação por transferência de massa no pré-tratamento do petróleo bruto com membrana líquida de fibras consiste no uso de um grande número de fibras hidrofílicas especiais como suporte. A diferença na tensão superficial entre as fases oleosa e aquosa permite que a água forme uma camada líquida extremamente fina sobre a superfície das fibras. Durante o fluxo do petróleo bruto ao longo das fibras, dentro dessa camada líquida, é criada uma superfície de transferência de massa eficiente, sem dispersão, e a distância de transferência é pequena. Isso evita os problemas relacionados à separação das duas fases que ocorrem quando há mistura dispersa. Nos petróleos brutos, as substâncias salinas, devido à diferença de concentração, são empurradas em direção à membrana líquida da fase aquosa. As substâncias inorgânicas solúveis em água entram diretamente nessa membrana, enquanto as substâncias orgânicas solúveis em óleo reagem primeiro com os agentes desalinizantes presentes na superfície da membrana, transformando-se em substâncias inorgânicas solúveis em água. Depois disso, essas substâncias entram na membrana líquida da fase aquosa, permitindo assim a desalinização do petróleo bruto. Em comparação com o processo tradicional de dessalinização de petróleo por eletrólise, o processo de dessalinização de petróleo por membrana líquida de fibras possui as seguintes características técnicas: processo simples, sem necessidade de campo elétrico externo ou agentes desemulsionantes ； Alta eficiência na transferência de massa; bom desempenho na desidratação, dessalinização e remoção de cálcio e ferro ； Há pouco arrasto entre as duas fases; o teor de água e óleo no petróleo bruto após a separação, bem como o valor de COD, são baixos ； Velocidade do ar alta, grande capacidade de processamento ； Custo de operação baixo, alta viabilidade técnico-econômica ； Processo ecológico, alta segurança intrínseca. Figura 1: Fluxo básico do processo de pré-tratamento de petróleo bruto por meio de membranas líquidas fibrosas. 3. Testes industriais: A filial Changleing da Sinopec utilizou a tecnologia de pré-tratamento de petróleo bruto por membranas líquidas fibrosas para construir um sistema de dessalinização por membranas com capacidade de 8×10³ kt/a. Esse sistema foi colocado em operação com sucesso em maio de 2014, e desde então tem funcionado bem. Os materiais utilizados nesse dispositivo são derivados do petróleo bruto transportado pelo oleoduto Yichang. As propriedades desses materiais estão apresentadas na Tabela 1.

**Tabela 1: Propriedades do petróleo bruto transportado pelo oleoduto Yichang**

| Parâmetro | Valor |
|-----------|-------|
| Densidade (Kg/m³) | 963,8 |
| Enxofre (m%) | 0,9271 |
| Viscosidade a 100°C (mm²/s) | 56,3 |
| Nitrogênio (m%) | 0,5558 |
| Resina (m%) | 21,3 |
| Níquel (μg/g) | 35,5 |
| Asfalteno (m%) | 11,5 |
| Vanádio (μg/g) | 245,0 |

3.1. O efeito de dessalinização é mostrado na Figura 2. Nos testes industriais, após o pré-tratamento com membranas fibrosas em três etapas, o teor de sal no petróleo bruto ficou abaixo de 3,0 mgNaCl/L; a média foi de apenas 1,5 mgNaCl/L, o que atende aos requisitos da produção industrial. Figura 2: Teor de sal no petróleo bruto após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras, em testes industriais – 3,2%. O efeito de desidratação é mostrado na Figura 3. Nos testes industriais, o teor de água no petróleo bruto, após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras, ficou abaixo de 0,2%, atendendo assim aos requisitos da produção industrial. Figura 3: Teor de água no petróleo bruto após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras, em testes industriais – valor de 3,3. O efeito de remoção de metais é mostrado na Figura 4. Nos dispositivos utilizados nos testes industriais, foi empregado o agente desmetalizante especial KJ-FMT1. Após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras, os teores de cálcio e ferro no petróleo bruto foram mantidos abaixo de 10,0 μg/g. A taxa de remoção de cálcio foi superior a 80%, e a taxa de remoção de ferro foi superior a 70%. Isso atende, basicamente, aos requisitos da produção industrial. Figura 4: Teores de cálcio e ferro no petróleo bruto após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras de três estágios. Os valores são 3,4. O teor de óleo separado da água, conforme mostrado na Figura 5, é inferior a 150 mg/L após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras de três estágios. Esse valor atende aos requisitos da produção industrial. Figura 5: Teor de água e óleo no petróleo bruto após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras de terceiro nível. Os dados coletados em instalações industriais mostram que, após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras de terceiro nível, todos os indicadores atendem aos requisitos da produção industrial. Em comparação com o processo de dessalinização elétrica, a injeção de emulsificantes e o uso de campo elétrico externo são eliminados, o que reduz significativamente os custos operacionais ； Os teores de óleo em água e de COD são significativamente mais baixos no processo de dessalinização elétrica, o que resulta em benefícios ambientais significativos. 4. Estudo da adaptabilidade da tecnologia de pré-tratamento de petróleo bruto por membrana líquida de fibras: foram realizados estudos de adaptabilidade em relação aos tipos mais típicos de petróleo bruto de baixa qualidade, processados pelas refinarias nacionais. Como mostrado na Figura 6, após o pré-tratamento com membrana líquida de fibra em três etapas, o teor de água no óleo de Mari é de 0,03% ； Teor de sal: 6,20 mg de NaCl/L; taxa de dessalinização: 97,05% ； Teor de óleo em água: 118,50 mg/L. Figura 6: Efeito do pré-tratamento com membrana líquida de fibras de Ma Rui. Como mostrado na Figura 7, após o pré-tratamento com membrana líquida de fibras em três etapas, o teor de água no petróleo bruto de Tahe permanece estável em 0,2% ； O teor médio de sal é de 7,9 mg de NaCl/L, e a taxa de dessalinização é superior a 98% ； O teor de óleo em água varia de 6,8 mg/L no mínimo, até 93,8 mg/L no máximo; a média é de 36,9 mg/L. Todos os indicadores são superiores aos dos equipamentos industriais de dessalinização do mesmo período. Figura 7: Efeitos do pré-tratamento com membrana líquida de fibras no petróleo bruto do rio Ta. Os resultados dos testes acima mostram que a tecnologia de membrana líquida de fibras apresenta vantagens significativas no campo do pré-tratamento de petróleo bruto, como alta adaptabilidade ao petróleo bruto, bom desempenho na remoção de sal e água, além de um baixo teor de água e óleo no produto final. 5. Conclusão: À medida que o petróleo bruto se torna cada vez mais pesado e de qualidade inferior, as refinarias nacionais enfrentam cada vez mais problemas ao utilizarem a tecnologia de dessalinização elétrica do petróleo bruto. A tecnologia de membrana líquida de fibras, como um novo método eficiente de transferência de massa, mostrou, em estudos aplicados no campo do pré-tratamento de petróleo bruto, que pode reduzir significativamente o consumo de energia durante o processo de transferência de massa. Além disso, ela diminui a ocorrência de misturas indesejadas. Essa tecnologia oferece vantagens como economia de investimentos, redução da área necessária para sua implementação e diminuição dos custos operacionais. Por fim, o petróleo bruto se adapta bem a essa tecnologia, o que garante bons prospects para seu uso. Seleção de artigos apresentados pela Hunan Changling Petrochemical Technology Development Co., Ltd. na Conferência Nacional de Tecnologias Avançadas para a Indústria Petroquímica em 2016