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Universidade Federal de Alagoas
Formação de Profissionais em Engenharia Civil e Engenharia Química para
o Setor de Petróleo e Gás – PRH40 UFAL/ANP
Processo De Flotação Com Recirculação Interna
Aplicado À Separação Petróleo-Água
Bolsista: Claudiane dos Santos Marinho
Dissertação de Mestrado em Engenharia Química
Orientador(es)
Prof. João Inácio Soletti, DSc.
Prof. José Luis Gomes Marinho , DSc
Maceió, 2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
UNIDADE ACADÊMICA CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CLAUDIANE DOS SANTOS MARINHO
PROCESSO DE FLOTAÇÃO COM RECIRCULAÇÃO INTERNA APLICADO À
SEPARAÇÃO PETRÓLEO-ÁGUA
Maceió, AL
2015
2
CLAUDIANE DOS SANTOS MARINHO
PROCESSO DE FLOTAÇÃO COM RECIRCULAÇÃO INTERNA APLICADO À
SEPARAÇÃO PETRÓLEO-ÁGUA
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-graduação em Engenharia Química da
Universidade Federal de Alagoas para a obtenção do
título de Mestre em Engenharia Química.
Área de concentração: Sistemas Energéticos e o
meio ambiente
Orientador: Prof. Dr. João Inácio Soletti
Co-Orientador: Prof. Dr. José Luis Gomes Marinho
Maceió, AL
2015
3
Catalogação na fonte Universidade Federal de Alagoas
Biblioteca Central Divisão de Tratamento Técnico
Bibliotecário Responsável: Valter dos Santos Andrade
M338p Marinho, Claudiane dos Santos.
Processo de flotação com recirculação interna aplicada à separação
petróleo-água / Claudiane dos Santos Marinho. – 2015.
56 f. : il.
Orientador: João Inácio Soletti.
Coorientador: José Luis Gomes Marinho.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de
Alagoas. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Química. Maceió, 2015.
Bibliografia: f. 51-56.
1. Petróleo. 2. Água - Produção. 3. Água – Tratamento. 4. Flotação.
I. Título.
CDU: 665.622.4
4
Claudiane dos Santos Marinho
PROCESSO DE FLOTAÇÃO COM RECIRCULAÇÃO INTERNA
APLICADO À SEPARAÇÃO PETRÓLEO-ÁGUA
Dissertação apresentada à Universidade Federal de
Alagoas, como requisito para a obtenção do Título
de Mestre em Engenharia Química.
Aprovada em: Maceió, 30 de março de 2015.
5
AGRADECIMENTOS
A Deus, em primeiro lugar, pela saúde e pela força de concluir mais uma etapa de minha vida;
Aos meus pais, pois eles me fizeram ser quem sou hoje e me incentivaram para que eu
chegasse até aqui;
A minha irmã Claudiene e prima Shirlene, que me apoiaram nesta jornada;
Ao meu noivo Ravignan, que sempre esteve ao meu lado me incentivando e acreditando em
mim, mais do que eu mesma;
Aos professores João Inácio e José Luís, pela paciência e por aceitar me orientar neste
trabalho e por me ajudarem na construção dessa dissertação;
As minhas amigas Jadriane e Társila, pela sua amizade, seus conselhos e apoio;
Aos amigos do mestrado, pela amizade e distrações;
Aos amigos do laboratório, em especial ao Arrarife e os técnicos Felipe e Kleber, pela ajuda
e amizade.
A todos os professores do curso de Engenharia Química da UFAL, que ao longo do
mestrado enriqueceram meus conhecimentos;
Ao PRH 40 e ANP, pela oportunidade de ter uma especialização de Petróleo e Gás, pelas
críticas, apoio e pelo porte financeiro;
Enfim, obrigada a todos!
6
RESUMO
Na indústria petrolífera, durante a extração do petróleo, ocorre uma acentuada produção de
água, oriunda do processo de injeção de poços. Esta água produzida é tratada para posterior
reinjeção, objetivando recuperar o óleo e manter a pressão nos poços, ou descarte, seguindo
normas de acordo com a legislação. Existem vários processos que atualmente são utilizados
no tratamento desta água, sendo a técnica de flotação uma das mais utilizadas, pois consiste
na aderência de microbolhas de ar com partículas oleosas, formando compostos de “partícula-
gás” com densidade menor que a do líquido, possibilitando sua flutuação. O objetivo deste
presente trabalho foi desenvolver uma coluna flotante, com chicanas e com tubos concêntricos
de maneira a aumentar a recirculação do fluxo; estudar diferentes maneiras de alimentação do
efluente (configuração contra-corrente e co-corrente) e investigar a influência das variáveis
independentes: concentração do efluente, vazão de alimentação e vazão de diluição, no
processo de flotação a partir de um planejamento experimental 23. A coluna e configuração
que se destacaram para o planejamento experimental foram à coluna air-lift e a configuração
co-corrente. No espaço experimental estudado, todas as variáveis independentes mostraram
significativas positivamente, com eficiência de remoção de óleo 83% em seus maiores níveis
e análise de variância com R2>95%.
PALAVRAS-CHAVE: Petróleo. Água produzida. Flotação.
7
ABSTRACT
In the oil industry, during the oil extraction, there is a sharp production of water, coming from
the wells injection process. This water produced is treated for later reinjection, aiming to
recover the oil and keep the pressure in the wells, or disposal, following standards in
accordance with the law. There are several processes that are currently used to treat this water,
and the flotation technique is one of the most widely used because consists in the adhesion of
microbubbles of air and oil particles, forming compounds "gas-particle" with a lower density
than the liquid, allowing its fluctuation. The objective of this study was to develop a floating
column with baffles and concentric tubes in order to increase the recirculation flow; study
different ways to feed the effluent (counter-current and co-current configuration) and
investigate the influence of the independent variables: the effluent concentration, feed rate and
dilution flow for the flotation process from an experimental design 23. The column and
configuration that stood out for the experimental design were the air-lift column and co-
current configuration. In the studied experimental space, all independent variables were
significantly positively with oil removal efficiency of 83% in their highest levels and analysis
of variance with R2> 95%.
KEYWORDS: Petroleum. Produced water. Flotation.
8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Esquema de um reservatório de óleo. ..................................................................... 15
Figura 2 - Esquema de um hidrociclone. ................................................................................. 22
Figura 3 - Esquema básico do processo de flotação. ............................................................... 23
Figura 4 - Flotador de Ar Induzido. ........................................................................................ 26
Figura 5 - Coluna flotante com chicanas. ................................................................................ 28
Figura 6 - Reator air-fift com tubos concêntricos. .................................................................. 29
Figura 7 - Unidade de flotação. ............................................................................................... 34
Figura 8 - Esquema das colunas internas: sem recirculação (a), air-lift (b) e com chicanas
(c)... ........................................................................................................................................... 36
Figura 9 - Chicana de borracha. .............................................................................................. 37
Figura 10-Separação das fases, para posterior determinação do TOG. ................................... 38
Figura 11-Coluna flotante: (a) Efeito air-lift, (b) Com chicanas, (c) Sem recirculação. ........ 42
Figura 12-Avaliação das concentrações iniciais e finais nos primeiros 30 min. ..................... 43
Figura 13-Pareto com os efeitos das variáveis independentes e das interações. ..................... 45
Figura 14-Valores observados versus valores preditos pelo modelo. ..................................... 47
Figura 15-Superfícies de resposta para a remoção de óleo em função da vazão do efluente e
de diluição (a) e em função da concentração do efluente e vazão de diluição (b). .................. 48
Figura 16-Ilustração da unidade flotação operando com (a) 0 min e (b) 5 min. ..................... 50
9
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Característica da água produzida da bacia Sergipe-Alagoas. ................................. 19
Tabela 2 - Classificação das águas de injeção segundo seu teor de óleos e graxas. ................ 20
Tabela 3 - Usos e objetivos da flotação. .................................................................................. 24
Tabela 4 - Análise de Variância............................................................................................... 32
Tabela 5 - Variáveis trabalhadas para estudo das configurações. ........................................... 38
Tabela 6 - Planejamento experimental 23. ............................................................................... 39
Tabela 7 - Densidades e Grau API .......................................................................................... 41
Tabela 8 - Resultados comparativos das colunas. ................................................................... 42
Tabela 9 - Resultados de comparação das configurações na coluna air-lift. ........................... 43
Tabela 10-Planejamento experimental 23
sobre a remoção de óleo......................................... 44
Tabela 11-Efeitos e coeficientes de regressão do planejamento 23. ........................................ 45
Tabela 12-Tabela ANOVA ...................................................................................................... 46
10
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
API American Petroleum Instituto
ANOVA Análise de Variância
ADE Ânodo Dimensionalmente Estável
cm Centímetros
CENPES Centro de Pesquisa da Petrobras
R2
Coeficiente de Correlação
Co Concentração do efluente [mg/L]
Cf Concentração da água tratada [mg/L]
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
Densidade
FAD Flotação por Ar Dissolvido
FAI Flotação por Ar Induzido
GLP Gás Liquefeito de Petróleo
° C Grau Celsius
h Hora
LASSOP Laboratório de Sistemas de Separação e Otimização de Processos
L Litro
L/h Litro por hora
L min-1
Litro por minuto
y Média dos ensaios
MQR Média quadrática da regressão
MQr Média quadrática do resíduo
m Metro
mL Mililitro
mg/L Miligrama por litro
min Minuto
k Números de fatores ou variáveis
p Número de parâmetros
b Número de níveis escolhidos
n Número de observações
pH Potencial hidrogeniônico
11
P Probabilidade de se obter um valor da estatística amostral
P.A Para análise
PM Peso molecular
p Valor máximo para 95% de confiança
kgf/cm2
Quilograma força por centímetros ao quadrado
iy Resposta de cada ensaio
iy
Resultado obtido do modelo para cada ensaio
rpm Rotações por minuto
SQR Soma quadrática da regressão
SQr Soma quadrática do resíduo
SST Sólidos Solúveis Totais
TOG Teor de Óleos e Graxas
TOGo Teor de Óleos e Graxas inicial
TOGf Teor de Óleos e Graxas final
UFAL Universidade Federal de Alagoas
Vb Vazão da água-ar [L/h]
Vt Vazão de alimentação [L/h]
12
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÁO ................................................................................................. 13
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................... 15
2.1 Indústria de petróleo ............................................................................................................. 15
2.2 Água produzida ...................................................................................................................... 17
2.2.1 Impacto ambiental .................................................................................................................... 18
2.2.2 Óleo em efluentes líquidos ...................................................................................................... 20
2.3 Processo de flotação ............................................................................................................... 22
2.3.1 Flotação por Ar Dissolvido ..................................................................................................... 24
2.3.2 Flotação por Ar Induzido ........................................................................................................ 26
2.3.3 Eletroflotação ............................................................................................................................ 27
2.3.4 Configurações de coluna flotante ........................................................................................... 27
2.4 Análise estatística ................................................................................................................... 30
3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................... 33
3.1 Grau API .................................................................................................................................. 33
3.2 Descrição da unidade de flotação ....................................................................................... 33
3.3 Desenvolvimento e análise das colunas internas ............................................................. 36
3.4 Configurações contra-corrente e co-corrente .................................................................. 37
3.5 Teor de Óleos e Graxas (TOG) ........................................................................................... 38
3.6 Planejamento Experimental ................................................................................................ 39
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 41
4.1 Grau API do petróleo ............................................................................................................ 41
4.2 Estudo das configurações flotantes .................................................................................... 41
4.3 Planejamento experimental ................................................................................................. 43
CONCLUSÕES .................................................................................................. 51
REFERÊNCIAS ................................................................................................. 52
13
1 INTRODUÇÁO
Um grande destaque tem sido dado à preservação do meio ambiente, tratando-se
principalmente de recursos naturais não-renováveis. A fiscalização, por partes dos órgãos
públicos, com relação aos impactos ambientais tem sido bastante intensa e as indústrias têm se
preocupado com o tratamento de seus efluentes e, principalmente, com a sua imagem perante
a sociedade (SILVA et al.,2008).
Na indústria petrolífera, na extração do óleo e gás, ocorre uma acentuada produção de
água, oriunda do processo de injeção de poços. Ao longo da vida produtiva de um reservatório
pode coexistir a produção de hidrocarbonetos e água, podendo chegar até 100% em volume de
água, em virtude do decaimento da produção de óleo e gás. Esta água produzida é um dos
principais efluentes ligados às atividades de extração e produção do petróleo e é tratada com o
intuito de recuperar parte do óleo presente e posterior reinjeção ou descarte em mananciais. O
descarte sem um prévio tratamento afetará negativamente o meio ambiente, devido à presença
de elevada quantidade de compostos orgânicos e produtos químicos tóxicos (CAMPOS et al.,
2012; SILVA et al.,2010).
O uso de vasos gravitacionais, flotação, centrifugação e utilização de hidrociclones são
os principais meios de tratamento de água de produção (SILVA et al.,2008).
Vários estudos foram realizados para verificar a remoção de óleo na água produzida
usando algumas operações unitárias. Delin et al. (2007) investigou a separação através de um
filtro biológico aerado, Ebrahimi et al. (2009) estudou a remoção de óleo por membranas de
cerâmica e Bensadok et al. (2007) estudou o processo de separação do óleo por coagulação
seguida de flotação por ar dissolvido.
A flotação se destaca por apresentar simplicidade, flexibilidade e eficiência na sua
operação, requer pouco espaço físico, gera um pequeno e concentrado volume de lama e pode
ser utilizada em pequena, média e larga escala, além de ter o emprego de menores
concentrações de coagulantes e/ou floculantes (MARTINS e CASQUEIRA, 2009). Este
processo é definido, sendo uma separação de partículas via adesão de bolhas, pois as
partículas aderidas nas microbolhas formam compostos de “partícula-gás” com densidade
menor que a do líquido, possibilitando-se com isso a sua flutuação (SCHOENHALS et al.,
2006; COUTINHO e SPERLING, 2007).
Há mais de oito décadas a flotação por ar dissolvido (FAD) vem sendo aplicada no
tratamento de águas residuais e destinadas ao abastecimento. No Brasil, a Estação de
14
Tratamento de Água (ETA) de Meaípe-ES foi uma das primeiras a empregar a FAD como
uma unidade de clarificação, inaugurada oficialmente em 1994 (MORUZZI e REALI, 2007).
Diversos tipos de configuração tem sido realizado na coluna flotante, como maneira de
aumentar a eficiência da mesma, tais como: Patricio et al. (2006) estudou o tratamento de um
efluente sintético de água/óleo em uma coluna em estágios, Santander et al. (2011) apresentou
altas eficiências na separação de água/óleo em uma célula flotante modificada.
Devido à importância do tema e da necessidade de melhora de desempenho, associada à
remoção de óleo, este trabalho visa avaliar a eficiência do tratamento da água produzida
proveniente da indústria de petróleo através do processo de flotação por ar dissolvido,
propondo alterações na concepção do projeto dos processos atualmente desenvolvidas pelo
setor industrial. E assim, desenvolver configurações diferentes de coluna flotante, tais como
coluna com chicanas e com tubos concêntricos (efeito air-lift), estudar diferentes maneiras de
alimentação do efluente, configuração contra-corrente e co-corrente, e realizar um
planejamento 23, para encontrar as condições ótimas de operação, ao verificar a influência da
concentração do efluente, da vazão do efluente e da vazão de diluição (ar saturado na água –
vazão agua/ar).
Nos próximos capítulos estão apresentados os aspectos teóricos do assunto estudado e
pesquisas realizadas por outros autores (Capítulo 2), os materiais e métodos utilizados no
desenvolvimento do trabalho via planejamento experimental 23, bem como estudos
preliminares associados à chicanas e ao air-lift (Capítulo 3) e os resultados experimentais
obtidos para determinação das condições ótimas de operação para o tratamento da água
produzida e sua discussão (Capítulo 4).
15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Indústria de petróleo
A cadeia para formação do petróleo dá-se pelo depósito da matéria orgânica nas
condições termoquímicas submetidas. Petróleo deriva do latim pedra (rocha) e oleum (óleo),
pois é uma mistura de hidrocarbonetos que se encontra no estado sólido, líquido ou gasoso
(THOMAS, 2001).
A classificação do petróleo pode ser determinada através do grau API: Petróleo leve ou
naftênico (ºAPI>30), possui em sua maioria alcanos na sua composição, Petróleo médio ou
aromático (22 >ºAPI>30), além de alcanos, contém 25 a 30% de aromáticos e Petróleo
pesado ou parafínico (ºAPI<22), possui apenas compostos aromáticos. (U.S. Energy, 2012).
Um esquema de um reservatório de petróleo é mostrado na Figura 1, onde seus fluidos
(óleo e água conata) são expandidos devido à alta pressão do poço, assim, acarretando sua
locomoção para a superfície e provocando uma diminuição da porosidade da rocha, devido à
queda de pressão (ROSA et al., 2006).
O Brasil, em 2012, produziu cerca de 754 milhões de barris de petróleo e o estado de
Alagoas, em dezembro produziu 5111 barris de petróleo por dia (ANP, 2013).
Figura 1-Esquema de um reservatório de óleo.
Fonte: FOGAÇA, 2014.
16
Segundo Curbelo et al. (2002), a exploração, a produção, o transporte, o refino e a
distribuição estabelecem os cinco segmentos básicos da indústria de petróleo.
Exploração
A partir da geologia de uma área e das formações rochosas, é possível determinaras rochas
reservatório. As estruturas e composições das rochas são dadas por medidas gravimétricas,
magnéticas e sísmicas. A geologia, a geofísica e a geoquímica define o local com grande
acúmulo de gás e óleo.
Produção
A produção estuda as propriedades, comportamento dos fluídos, o escoamento no poço
e nos dutos do gás e do óleo. As instalações terrestres e marítimas, a separação do gás, óleo e
água, o controle de processos, o projeto do desenvolvimento de campo e gestão da produção
também são essenciais nesse segmento.
Transporte
Como os campos petrolíferos não são em áreas próximas dos terminais e refinarias de
petróleo, o transporte da produção é realizado por embarcações em caminhões, vagões, ou
tubulações (oleodutos e gasodutos).
Refino
A destilação, craqueamento térmico, alquilação e craqueamento catalítico são as etapas
mais importantes nesse processo, na qual, obtêm-se a partir da mistura de hidrocarboneto, os
componentes que são utilizados como combustíveis, tintas, lubrificantes, plásticos, entre
outros.
Distribuição
Os produtos finais das refinarias, tais como: GLP, gasolina, nafta, e outros destilados,
são distribuídos até o consumidor final.
17
2.2 Água Produzida
Quando o processo de extração do óleo é em terra (onshore) ou mar (offshore), produz
um efluente líquido chamado de água produzida (FIGUEREDO et al., 2013).
Esta água contém componentes corrosivos, tais como os cloretos e os altos níveis de
sólidos dissolvidos (DEYAB E EL-REHIM, 2014). Diversos fatores influenciam no volume
de formação desta água, tais como: características e idade do reservatório; métodos de
recuperação utilizados (THOMAS, 2001).
A depender da idade do poço o volume da água produzida varia, quando novo produz de
5 a 15% de volume e quando sua vida econômica se esgota, produz de 75 a 90% (LIMA et al.,
2008). Esta água pode ser reinjetada ou descartada.
A injeção de água tem sido um dos principais meios de recuperação secundária de
campos de petróleo, porém, a fim de evitar comprometer o poço, a água necessita ser tratada
para redução do teor de óleo emulsionado e remoção: de H2S e CO2 dissolvidos, evitando a
corrosão; de sedimentos, evitando o tamponamento dos reservatórios; e de bactérias redutoras
de sulfato, evitando a corrosão pela formação de H2S (BRASIL et al., 2012).
Para descarte desta, deve-se ser tomados os devidos cuidados para não agredir o meio
ambiente, em função (THOMAS, 2001):
Volume: gera-se em média 3 a 4 m³/dia de água para cada m³/dia de petróleo
produzido, em um poço com vida econômica esgotada. Esta água equivale a 98% de
todos os efluentes gerados nos campos petrolíferos;
Composição: presença de sais, óleos, entre outros, causando ausência de oxigênio em
mares ou elevadas temperaturas em tubulações, provocando corrosões;
Disponibilidade: a água é o fluido mais utilizado na reinjeção dos poços para
recuperação do óleo, pois seu custo e características são bastante relevantes.
18
2.2.1 Impacto Ambiental
Nos acidentes com derramamento de petróleo em grandes extensões no mar, alguns dos
principais impactos negativos estão relacionados à formação de uma camada de óleo sobre a
área atingida. A camada de óleo atinge diretamente o plâncton, produtor primário da cadeia
trófica oceânica, que é a principal fonte de produção primária para o ambiente marinho.
Sendo assim, o óleo que impede a passagem de luz interfere tanto na fotossíntese, resultando
o desequilíbrio de toda a cadeia alimentar, quanto na menor produção de oxigênio.
Dentro deste contexto, destaca-se a água produzida, pois é um dos maiores efluentes da
indústria química, pois possui uma elevada concentração de compostos orgânicos e
inorgânicos e sua disposição inadequada ou tratamento insuficiente pode representar sérias
ameaças ao meio ambiente e a saúde humana (HU et al., 2013).
No Brasil, o descarte de água produzida é regido pela resolução 393/07 do Conselho
Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) que prevê em seu artigo 4º que esta água só pode
ser descartada de acordo com as condições desta resolução, na qual o único parâmetro com
limites definidos para descarte e o Teor de Óleo e Graxas (TOG) que deve obedecer a
concentração média mensal de até 29 ppm, com valor máximo diário de 42 ppm (THOMAS,
2001). A composição da água produzida é dada de acordo com a região de formação, a Tabela
1 descreve as composições com seus limites de concentrações da bacia de Sergipe-Alagoas.
19
Tabela 1 – Característica da água produzida da bacia Sergipe-Alagoas.
Característica Concentração Mínima
(mg/L)
Concentração Máxima
(mg/L)
Salinidade 28.445 142.914
Densidade a 20/4 1.020 1.125
pH 6,4 7,2
Bário 10 868
Alcalinidade Total 72 638
Dureza Total 5.240 50.336
Cloretos 17.240 86.614
Ferro Total 0,2 46,2
Cálcio 1.318 17.808
Magnésio 459 1.440
Estrôncio 25 846
Sódio 13.009 60.348
Potássio 245 1.149
Bicarbonatos 88 684
Sulfatos 5 227
Alumínio Total 3,2 7,7
Cromo Total < 0,01 0,1
Manganês Total 0,6 20,5
Cádmio < 0,01 0,01
Chumbo < 0,01 0,07
Cobre Total < 0,01 0,20
Níquel < 0,01 0,04
Zinco < 0,01 2,42
TOG 100 500
Fonte: ANP, 2013.
20
O TOG na água de injeção analisado pelo CENPES (Centro de Pesquisa da Petrobras)
teve as seguintes sugestões para sua classificação (Tabela 2):
Tabela 2 - Classificação das águas de injeção segundo seu teor de óleos e graxas.
TOG (mg/L) Classificação
0,0 – 2,40 Boa
2,50 – 5,00 Tolerável
>5,00 ruim
Fonte: Adaptado de CURBELO et al., 2002.
Rubio et al. (2002) discute o tratamento de efluentes oleosos, pois é um dos mais graves
problemas ambientais enfrentados pelas indústrias minerais e metalurgia, por meio da
flotação, pois mostra um grande potencial devido à elevada taxa de transferência de massa e
uma baixa geração de lamas. Exemplos de técnicas emergentes promissores e dispositivos
também são relatados no tratamento de águas contendo metais pesados e resíduos de óleo.
2.2.2 Óleo em Efluentes Líquidos
Segundo Oliveira (1995), o óleo pode ser encontrado nos efluentes líquidos de quatro
formas: livre, disperso, dissolvido e emulsificado.
Óleo livre: dispersões grosseiras com Diâmetro (D) > 150μm. Nesta forma, as
partículas oleosas são extraídas por processos convencionais;
Óleo disperso: com tamanho de partículas com intervalo de 50<D< 150μm, também
extraídas por processos convencionais com presença de agentes desestabilizantes.
Óleo dissolvido: de remoção extremamente difícil, sua remoção requer o uso de
processos químicos e biológicos (FONSECA, 2010 adaptado por SANTANDER,
1998).
Óleo emulsificado: normalmente D < 50μm, para tratamento deste óleo é necessário
processos como flotação.
21
Uma emulsão é um sistema heterogêneo formado por um líquido disperso no outro, sob a
forma de gotículas. A emulsão é formada porque a tensão interfacial entre os dois líquidos é
fraca. Isto é obtido pela adição de emulsionantes anfifílicos, ou agentes surfactante, presentes
também no petróleo (BENSADOK et al., 2007). Segundo Silva (2004), a emulsão da água e
do óleo é decorrência do bombeamento, transporte e expansão dos fluidos produzidos.
De acordo com Manning et al. (1995) os parâmetros que descrevem a instabilidade da
emulsão, são:
Tensão Interfacial: ocorre quando há a coalescência entre as bolhas, ou seja, quando
bolhas menores colidem assumindo formas maiores, mas quando se tem a ação de um
agente emulsificante no meio, impede tal ocorrência, pois diminui a sua tensão
interfacial;
Envelhecimento da emulsão: a resistência da película interfacial da partícula
emulsionada aumenta com o envelhecimento, a partir disto, a emulsão atinge sua
estabilidade, logo, é necessário rapidamente seu tratamento para evitar tal
envelhecimento;
Temperatura: a viscosidade do óleo diminui com a presença de calor, desestabilizando
a emulsão, porém adicionando calor na corrente, os componentes mais leves são
evaporados tornando o óleo mais pesado.
Devido a esta instabilidade de emulsão, tem-se dificuldade do tratamento da água
produzida. Meysami et al. (2005) estudaram a desestabilização de emulsões utilizando
polieletrólitos. Vários estudos têm sido realizados para tratamento desta água, tais como,
processos biológicos, químicos, de oxidação, vasos gravitacionais, sistemas de filtração em
meio granular, flotação, centrifugação e utilização de hidrociclones (SHOKROLLAHZADEH
et al., 2012).
Os flotadores e hidrociclones se destacam quando se visa o aumento da velocidade de
sedimentação, pois os flotadores se baseiam na diferença de densidade entre as fases,
enquanto os hidrociclones se baseiam da força de campo “g”, assim, acarretando o aumento
desta velocidade. A Figura 2 ilustra um esquema de um hidrociclone, especificando a entrada
da água oleosa e saída da água limpa.
22
Figura 2–Esquema de um Hidrociclone.
Fonte: ALVARO, 2014.
2.3 Processo de flotação
A flotação tem se apresentando como uma tecnologia promissora na remoção de óleos e
graxas provenientes de refinarias, plantas petroquímicas, metalúrgicas, indústrias alimentícias
e etc., reduzindo a carga poluente de efluentes.
Esta é uma operação usada para separar sólidos ou líquidos de partículas de uma fase
líquida. As partículas que são separadas constituem a fase dispersa enquanto que a fase
líquida, (geralmente água), a fase contínua. O método de flotação inclui várias técnicas tal
como o ar dissolvido, o ar induzido, e eletroflotação.
O processo de flotação consiste em quatro passos básicos: (1) geração de bolhas de ar, e
como mostra a Figura abaixo, (2) contato entre as gotas de bolhas de gás e petróleo, (3) a
aderência de gotículas de óleo nas bolhas de gás, e (4) elevação da combinação ar-óleo. Este
fato ocorre, porque o óleo é hidrofóbico e tem pouca afinidade com a água, e com aderência
das microbolhas de ar, o mesmo é conduzido até o topo do flotador (BENSADOK et al.,
2007; EL-KAYAR et al., 1993).
23
Figura 3 - Esquema básico do processo de flotação.
Fonte: Adaptado de WANG, 2005.
Normalmente, a flotação é utilizada quando a aplicação de sedimentação não é viável,
devido à presença de partículas ou glóbulos extremamente fina que não possuem uma taxa de
sedimentação significativa, porque as fases não diferem apreciavelmente suas densidades.
Este processo é, portanto, muito semelhante aos separadores API (American Petroleum
Institute) sendo os equipamentos principais, flotação a ar dissolvido, quebra de emulsão,
coagulação, floculação e tratamento biológico - lagoas aeradas, lodos ativados e biodiscos
(POMBO, 2011).
A flotação é eficaz para a remoção de gotículas de óleo emulsionado, porque a diferença
de flutuabilidade é reforçada por adesão às bolhas (ZOUBOLIS, 2000). A Tabela 3 apresenta
os principais usos e objetivos da flotação como processo unitário.
24
Tabela 3 – Usos e objetivos da flotação.
Uso da flotação Objetivos
Águas
• abastecimento
• lazer (lagos, rios e barragens)
- remoção de ferro, manganês, cor, SST e
turbidez
- remoção de algas, SST, turbidez, cor, óleos,
etc.
Esgotos
• pré-tratamento
• pós-tratamento
- remoção de gorduras, SST, particulados
grosseiros.
- remoção de nutrientes (amônia e fósforo),
algas, SST, cor e turbidez.
Efluentes Industriais
- remoção de gorduras, particulados
grosseiros, SST e fibras.
- remoção de nutrientes (NH3 e P), algas, cor,
SST, turbidez, metais precipitados, óleos
(emulsificado ou não), microorganismos,
pigmentos, compostos orgânicos e
macromoléculas.
- reuso ou reaproveitamento de águas de
processo
Outros
- tratamento de minérios, celulose e papel,
reutilização de tintas, plásticos, química
analítica, etc. Fonte: Adaptado de MATIOLO e RUBIO, 2003.
Segundo Luz et al. (2004), a remoção do flotado aumenta com a vazão de ar na coluna,
e isso dá-se pela quantidade de bolhas na coluna, pois um aumento brusco desta vazão pode
retardar o processo, devido a presença de turbulências.
A seguir estão descritos os diversos tipos de flotadores que diferem pela forma que o ar
é injetado no processo.
2.3.1 Flotação por ar dissolvido
Flotação por Ar Dissolvido (FAD) é a técnica mais utilizada nas indústrias de petróleo
com formação de microbolhas entre 50 e 100 μm, e a quantidade de ar disponível depende da
pressão de operação do sistema (RUBIO et al., 2002). Este processo é utilizado para remoção
de uma série de poluentes: colóides, partículas finas e ultrafinas, íons, microorganismos,
proteínas, e óleos dispersos emulsionados em água.
25
A FAD pode ser operado de três formas diferentes (HENRIQUE et al., 2008):
Flotação com pressurização total – o efluente é liberado no tanque sob pressão e as
bolhas são geradas. Utilizada para efluentes que não precisa de floculação, mas requer
uma elevada quantidade de ar.
Flotação com pressurização parcial – uma fração do efluente é pressurizado e
colocado na coluna. Utilizada para efluentes com baixa concentração de partículas,
necessitando de pouca bolhas no processo;
Flotação com reciclo – uma fração do efluente retorna, para a coluna, sobre pressão.
Empregado, quando necessita de coagulação e floculação.
Na literatura são encontrados vários estudos com a FAD, tais como:
Bensadok et al. (2007) estudou o processo de separação do óleo por coagulação seguida de
flotação por ar dissolvido, resultando o uso de cloreto de cálcio como melhor desestabilizante
do óleo na água e um diâmetro de microbolhas de ar de 50 μm, obtida por uma pressão de
saturação igual a 6,5 bares, dão lugar a uma ótima eficiência de flotação.
Younker e Walsh (2014) estudaram o tratamento da água produzida por coagulação química
com cloreto férrico e adsorção com argila organofílica, como pré - tratamento para a flotação
por ar dissolvido, atingindo uma remoção máxima de óleo de 93%, usando apenas coagulação
obteve uma eficiência de 90% e usando apenas a adsorção alcançou 85% de remoção de óleo,
ambas seguida da flotação;
Al-Shamrani et al. (2002) investigou a separação do óleo da água pelo processo de flotação
por ar dissolvido ao estudar a pressão de saturação, a taxa de reciclagem e a razão ar/óleo.
Com base nos resultados, verificou-se que o aumento da pressão de trabalho do saturador teve
um efeito menor na separação de gotículas de óleo que o aumento da taxa de reciclagem, e as
condições ideais para a separação ótimas foi ao trabalhar com uma razão ar/óleo de 0,0075 a
uma taxa de reciclo de 10%, assim, alcançando uma remoção de óleo de 72% utilizando
sulfato de alumínio como desestabilizante;
26
FÉRIS et al. (2004) verificou que a FAD mostrou-se bastante eficiente na remoção de
minérios, apresentando boas características de adsorção e flotação.
2.3.2 Flotação por ar induzido
Na Flotação por Ar Induzido (FAI) o ar é disperso diretamente no líquido, às vezes com
auxilio de ventiladores ou compressores, através de dispositivos porosos que propiciam a
geração de bolhas com diâmetros geralmente inferiores a 10 mm. Segundo Couto et al.(2003),
os mecanismos de produção de bolhas por ar induzido são: mecânico e hidráulico. No
mecânico (Figura 4), tal produção ocorre com o uso do rotor; e no hidráulico, as mesmas são
geradas em ejetores direcionadas por bomba centrífuga.
Figura 4 – Flotador de Ar Induzido.
Fonte: PROCESSAMENTO, 2014.
Segundo Brasil (2012), o FAD é mais eficiente do que o FAI, por gerar bolhas menores,
porém a FAI necessita de menor tempo de residência, pois está diretamente ligado à
velocidade de ascensão das bolhas. Vários estudos são realizados com tal operação, tais como:
Ramaswany et al. (2007) avaliaram a recuperação de petróleo a partir de lamas contendo óleo
sintético utilizando a técnica de flotação por ar induzido, ao utilizar um surfactante comercial.
Os efeitos de vários parâmetros, como, o tempo de flutuação, a quantidade inicial de óleo na
alimentação e a quantidade de surfactante utilizado na recuperação de óleo foram
investigados. O máximo de óleo recuperado foi de aproximadamente 55%. Também realizou-
27
se um estudo cinético com base na recuperação do óleo, seguindo uma cinética de primeira
ordem.
Meyssami e Kasaeian (2005) estudaram a influência da vazão de ar, do tempo de aeração e da
temperatura no processo de separação do óleo de oliva coagulado da suspensão utilizando o
sistema de flotação com ar induzido. Eles observaram que em 3 min de floculação, com
quitosana, reduziram 90 % da turbidez da emulsão e acima de 45 segundos ocorreu a
desintegração dos flocos.
2.3.3 Eletroflotação
A eletroflotação é um processo com pequenas bolhas de hidrogênio e oxigênio ou cloro,
produzidas por eletrólise da água, em um reator eletroquímico. As bolhas de gás formadas no
eletrodo entram em contato com as partículas oleosas, sendo adsorvidas para a superfície,
ocorrendo à retirada do óleo. Este processo é mais eficiente que a FAD e a FAI. E a mesma
foi adotada devido à produção de eletrodos estáveis e ativos na geração de oxigênio
(CURBELO et al., 2002).
2.3.4 Configurações de Coluna Flotante
Uma coluna com chicanas, Figura 5, aumenta o contato bolha-gota, através da criação
de uma zona de baixa pressão na região central da coluna de flotação, possibilitando a
recirculação do fluido que se encontra próxima às paredes da coluna, evitando o arraste da
bolha para a base da coluna.
28
Figura 5 – Coluna flotante com chicanas.
Fonte: GU e CHIANG, 1999.
Gu e Chiang (1999) desenvolveu uma coluna multi-estágio para separações de
partículas finas de óleo. A eficiência de separação mostrou-se altamente dependente das
condições hidrodinâmicas fornecidos na coluna. Para a operação em lotes, a eficiência de
remoção chegou à 96-97%, dentro de 5 min de flotação e para o funcionamento contínuo, as
eficiências de remoção de óleo variam 90 a 93% para as taxas de alimentação de 1 a 3,8 L
min-1
e concentração de 500 ppm.
Uma coluna com mesmo efeito de um reator air-lift, apresentada na Figura 6, causa um
movimento cíclico do fluido, aumentando a mistura do gás no líquido e diminuindo a
coalescência das bolhas. Qi et al. (2013) desenvolveu uma coluna de flotação com estágios,
com ação air-lift, resultando em um maior tempo de residência e colisões mais frequentes
entre as partículas e as bolhas.
29
Figura 6 – Reator Air-lift com tubos concêntricos.
Fonte: Adaptado de CHISTI, 1989.
Patricio et al. (2006) estudou o diâmetro das bolhas de ar e a vazão de borbulhamento de uma
coluna em estágios de efluente sintético de água/óleo e observou-se que quanto menor o
diâmetro das bolhas, maior é a interação entre a bolhas e as gotículas oleosas, e quando maior
a vazão de borbulhamento maior é o numero de bolhas dentro dos sistema, assim, acarretando,
uma maior eficiência na remoção de óleo.
Santander et al. (2011) apresentou resultados de remoção rápida de óleo com eficiência
máxima de 85% na emulsão óleo/água por floculação seguida por flotação em uma célula
flotante modificada.
30
2.4 Análise estatística
Baseado nos fundamentos estatísticos, o planejamento experimental é uma ferramenta
poderosa para se chegar às condições otimizadas de um processo, é um desenvolvimento da
formulação de produtos dentro das especificações desejadas ou simplesmente avalia-se os
efeitos ou impactos que os fatores têm nas respostas desejadas. E tem como vantagens:
Reduzir o número de experiências ou repetições e melhora a qualidade da informação
obtida através dos resultados;
Os fatores são analisados simultaneamente;
É possível otimizar mais de uma resposta ao mesmo tempo;
Permite calcular e avaliar o erro experimental;
Em muitas situações práticas podemos ter interesse em estudar o efeito de dois ou mais
fatores, nestas situações um planejamento experimental deve ser utilizado. Nos experimentos
fatoriais, em que os fatores variam de forma simultânea especificamente, onde cada tentativa
ou replicação do experimento são investigadas todas as combinações dos níveis dos fatores.
Segundo Rodrigues e Lemma (2009), a metodologia do planejamento fatorial,
associada à analise de superfícies de respostas, é uma ferramenta fundamentada na teoria
estatística, que mesmo sendo proposta por Box na década de 50, apenas nos últimos anos
houve um aumento crescente e exponencial do número de artigos que utilizaram esta
metodologia.
Este tipo de planejamento normalmente é representado por bk, sendo que k representa
o números de fatores ou variáveis e “b” o numero de níveis escolhidos, normalmente é
utilizado 2 níveis, o nível superior (+1) e o inferior (-1), sendo representado na forma 2k.
Segundo Montgomory (1991), para analisar os resultados de um planejamento fatorial é
utilizado a tabela ANOVA (Análise de variância) para determinar quais efeitos diferem de
zero. Esse método permite definir quais fatores são estatisticamente significantes ou
importantes em um experimento, assim como se existe interação entre eles.
Na investigação de dados estatísticos, quando se deseja saber se o fenômeno é descrito
por algum modelo, considera-se de que o modelo sugerido é adequado. Um método de teste
de hipótese é o do valor P. Segundo Santana (2012), o valor P é a probabilidade de se obter
um valor da estatística amostral de teste no mínimo tão extremo como o que resulta dos dados
amostrais, na suposição da hipótese nula (hipótese a ser validada pelo teste) ser verdadeira.
31
Enquanto a abordagem tradicional do teste de hipótese resulta em uma conclusão do tipo
“rejeitar/não rejeitar”, os valores de P dão o grau de confiança ao rejeitarmos uma hipótese
nula. Os valores de P são interpretados da seguinte forma:
P < 0,01 – elevada significância estatística (evidência forte contra a hipótese nula);
0,01 ≤ P ≤ 0,05 – estatisticamente significante (evidência adequada contra a hipótese
nula);
P > 0,05 – evidencia insuficiente contra a hipótese nula.
O software Statistica 9.0 foi utilizado para realizar as análises de regressão, variância
(ANOVA) e para obtenção das superfícies de resposta no planejamento experimental.
Segundo Bandeira (2008), a equação polinomial de segunda ordem (Equação 1) correlaciona
as variáveis dependentes e independentes, sendo os dados ajustados aos resultados
experimentais (nível de confiança de 95%).
∑ ∑
∑ ∑
(Eq. 1)
Para avaliar o comportamento dos dados estatístico pelo modelo sugerido, observa-se
o pareto e a superfície de resposta, que são resultados do software utilizado.
Uma superfície de resposta é um gráfico que mostra o comportamento da resposta
como função de dois ou mais fatores. Esta superfície oferece uma maneira conveniente de
visualizar como os fatores afetam as medidas do sistema.
Para verificar se o modelo estatístico obtido é adequado ao sistema que queremos
descrever e analisar a qualidade de seu ajuste, Santana et al. (2012) afirma que o método mais
utilizado é a ANOVA. Para o teste do modelo linear, obtêm-se os parâmetros necessários para
a construção da tabela ANOVA (análise de variância). Esses parâmetros são calculados de
acordo com as equações apresentadas na Tabela 4.
32
Tabela 4 – Análise de Variância.
Fonte de variação Soma quadrática N° de graus de
liberdade
Média Quadrática
Regressão 2
ˆ yySQ iR
p - 1 1
p
SQMQ R
R
Resíduos 2
ˆ iir yySQ
n - p pn
SQrMQ R
r
Total 2
yyi
n - 1
Fonte: SANTOS, 2013.
onde: iy é o resultado obtido do modelo para cada ensaio; y é a média dos ensaios; iy é a
resposta de cada ensaio; p é o número de parâmetros; n é o número de observações; MQR é a
média quadrática da regressão; MQr é a média quadrática do resíduo; SQR é a soma quadrática
da regressão; SQr é a soma quadrática do resíduo.
Santana e Melo (2012) estudou o tratamento da água produzida por flotação usando um
planejamento fatorial completo 24 com ponto central, tendo como variáveis independentes:
concentração do desemulsificante, teor de óleo em água, salinidade e pH e as variáveis de
respostas para avaliar a eficiência da separação foi a remoção de óleo e turbidez. A ANOVA
mostrou-se significante com R2
> 90% e apresentou superfície de resposta com remoção
máxima de óleo de 90%.
33
3 MATERIAIS E MÉTODOS
O presente trabalho é dividido em quatro etapas. A primeira foi determinar o °API do
petróleo utilizado na emulsão; a segunda etapa foi desenvolver a configuração interna da
coluna flotante, que possibilitará a recirculação das bolhas presente no meio pela adição de
chicanas e tubos concêntricos (semelhante ao reator air-lift); na terceira etapa foi realizar o
estudo da configuração co-corrente e contra-corrente e a quarta etapa, o objeto de estudo foi
avaliar o efeito das variáveis do processo, concentração do efluente, vazão do efluente e vazão
de diluição (ar saturado na água), sobre a remoção de óleo, a partir do planejamento
experimental.
3.1 Grau API
Inicialmente foi determinada a densidade do petróleo e da água através do processo de
picnometria. O método consiste em pesar o picnômetro vazio e em seguida colocar a amostra
a ser analisada no picnômetro calibrado. O picnômetro cheio é pesado e a densidade ( ) da
amostra é calculada com base na Equação 2. Ao encontrar as densidades do óleo e da água,
ambas com temperatura de 15,6°C, substitui seus valores para determinar o grau API do
petróleo, como mostra a Equação 3.
(Eq.2)
(Eq.3)
3.2 Descrição da unidade de flotação
Todas as etapas deste trabalho foram executadas no Laboratório de Sistemas de
Separação e Otimização de Processos (LASSOP) localizado no Campus A.C. Simões da
Universidade Federal de Alagoas em Maceió. A unidade de separação foi construída no
próprio laboratório com o objetivo de estudar técnicas para o tratamento de efluentes oleosos.
34
A Figura 7 apresenta o esquema de operação da unidade de separação com configuração
contracorrente, sendo constituída basicamente, de: um tanque de alimentação de 150 litros;
uma bomba centrífuga (DANCOR 150) para recirculação e homogeneização do efluente; um
vaso de pressão para geração das micro-bolhas; uma bomba de deslocamento positivo para
alimentação do vaso de pressão; um compressor, para injeção de ar; dois rotâmetros (COLE
PARMER) para medição de vazão na linha de entrada e saída de água da coluna; válvulas
globo e redutora de pressão; e a coluna de flotação. A unidade foi operada em circuito aberto
para não acarretar alteração da concentração do tanque de alimentação e de maneira contínua.
Figura 7 – Unidade de Flotação.
Fonte: Adaptado de FONSECA, 2010.
O sistema de geração de emulsão sintética óleo/água foi desenvolvido para se obter uma
concentração de óleo pré-definida que simule um efluente industrial. Características como:
salinidade, presentes nas emulsões reais foram negligenciadas por não ser objeto de estudo
nesta etapa do trabalho.
Para gerar a emulsão, 100 L de água acidificada com pH 2 e petróleo foram recirculados
através da bomba centrífuga para uma melhor homogeneização do meio. O petróleo
homogeneizado com 100 mL de água destilada à 80 °C, foi dosado em linha a partir de uma
bomba peristáltica em 5 rpm. Ao inserir todo o petróleo, o tanque foi deixado por 2 h agitando
a 440 rpm por um agitador mecânico.
35
Enquanto o tanque era agitado por 2 h, foi preparado o vaso de pressão, de aço
inoxidável, medindo 13,5 cm de diâmetro interno e 50 cm de altura, munido de manômetro e
visor de nível. O ar comprimido, proveniente do compressor, era injetado no vaso diretamente
na fase líquida, mantendo a pressão no vaso entre 5 e 6,0 kgf/cm2, dissolvendo o ar na água,
até sua saturação. Na realidade, a geração de bolhas começou a ocorrer a partir de 4,0
kgf/cm2, apresentando uma melhor produção entre 4,5 e 5,0 kgf/cm
2 (SOLETTI, 2004). O
vaso foi alimentado com água limpa, pois água oleosa implicaria flotação do óleo na célula e
nas tubulações, consequentemente em paradas frequentes para limpeza.
A entrada da água no vaso de pressão foi através do controle da válvula V3, ao
trabalhar com a válvula V2 totalmente aberta. No vaso de pressão, o nível de água e a pressão
são controlados pela válvula V3, tanto para manter o nível, tanto para aliviar a pressão do
vaso. Preparado o vaso de pressão, a água diluída (ar saturado na água) foi liberada através da
válvula (V1) para encher a coluna de flotação, pela base do tubo interno. Ao encher toda
coluna, pré-estabelece uma vazão de diluição no rotâmetro (R1), que se encontra na saída da
coluna externa e controla-se a válvula do vaso de pressão (V1), observando o nível de água na
coluna; quando esse nível era mantido, a vazão estabelecida no rotâmetro R1 era a mesma que
entrava na coluna.
Ao concluir às 2 h de emulsão no tanque do efluente, foi aberto o rotâmetro R2 a uma
vazão pré-estabelecida, para alimentação da emulsão na coluna, pela base da coluna quando
se trabalhava em configuração co-corrente ou pelo topo da coluna quando em configuração
contra-corrente. A vazão estabelecida no rotâmetro R2 foi somada com a vazão de diluição e
o resultado era a vazão estabelecida no rotâmetro R1, nesta forma, mantendo o nível na
coluna.
No interior da coluna de flotação, de seção transversal circular, construído em acrílico, o
contato das bolhas com o óleo faz com que o mesmo fique aderido na superfície das bolhas
que, por flotação, são arrastadas até o topo da coluna, assim sendo separado o óleo da água,
onde o óleo sai pelo topo da coluna, e a água tratada sai pela base, na região anular entre as
colunas interna e externa. No início e no final da operação foram coletados 10 mL de amostra
do tanque de alimentação do efluente e da água tratada, para análise do Teor de Óleos e
Graxas (TOG).
36
3.3 Desenvolvimento e análise das colunas internas
Inicialmente foram desenvolvidas três configurações internas para a coluna: com
chicanas, com tubos concêntricos (air-lift) e outra sem recirculação. As três colunas interna
foram construídas com tubo acrílico dentro de outro tubo com diâmetro de 9,4 cm e altura de
1,55 m. Os detalhes das dimensões das colunas internas estão descritas na Figura 8. A Figura
8a apresenta a coluna interna sem recirculação. Na coluna air-lift, Figura 8b, ocorre
recirculação do fluxo na região anelar entre os tubos e na coluna com chicanas, Figura 8c, tal
recirculação só ocorre através dos orifícios abaixo de cada chicana. A Figura 9 mostra a
imagem da chicana de borracha e o orifício na coluna abaixo da chicana, onde as três chicanas
construídas foram espaçadas igualmente na coluna.
Figura 8 – Esquema das colunas internas: (a) sem recirculação, (b) air-lift, e (c) com chicanas .
Fonte: Autor, 2014.
37
Figura 9 – Chicana de borracha.
Fonte: Autor, 2014.
O estudo inicial com as colunas consistiu apenas em um escoamento água-ar, para
observação da distribuição de velocidade das bolhas, para a partir desta, haver o estudo com o
efluente sintético. Este último estudo foi realizado para uma concentração do efluente (Ce) de
50mg/L, vazão do efluente (Ve) de 80L/h, vazão de diluição (Vd) de 40L/h e configuração co-
corrente. Os resultados foram descritos em termos do percentual de remoção de Teor de Óleos
e Graxas (TOG), como mostra a Equação 4, onde a remoção de óleo é calculado a partir do
TOGo (inicial) e TOGf (final), que representa a concentração do efluente e da água tratada,
respectivamente.
(Eq.4)
3.4 Configurações contra-corrente e co-corrente
Foram investigadas estas configurações em ensaios com o efluente sintético, para
verificar a influência de cada configuração sob a eficiência de remoção de óleo. Para tal
estudo, fixou-se a concentração do efluente de 50mg/L e vazão de diluição de 40L/h, e variou
a vazão do efluente (80 e 120L/h), como mostra a Tabela 5. O objetivo deste estudo não foi
investigar a influência da vazão do efluente (Ve), mas o mesmo foi variado para verificar a
influência das configurações diante de variações no sistema.
38
Tabela 5 – Variáveis trabalhadas para estudo das configurações.
Configuração Co- Corrente Contra-Corrente
Ve(L/h) 80 120 80 120
Fonte: Autor, 2014.
3.5 Teor de Óleos e Graxas (TOG)
A determinação do TOG foi realizada segundo Silva (2009), onde a concentração de
óleo é determinada no HORIBA OCMA-350. Para determinação do TOG, utilizou uma
proporção de 1:1 de amostra e solvente S-316, para a extração do óleo presente na amostra. A
mistura foi agitada e deixada em repouso até a formação de duas fases visualmente distintas:
uma fase composta basicamente de água e a outra, a fase mais pesada, de solvente e óleo,
como mostra a Figura 10. Após a separação das fases, foi efetuada a filtração da fase (óleo +
solvente), na presença de sulfato de magnésio seco P.A (MgSO4.xH2O, PM: 120,37) para que
possíveis gotículas de água fossem absorvidas e não interferissem no resultado da análise.
Após a filtração de toda a fase, a solução foi analisada no HORIBA OCMA-350, utilizando o
solvente como padrão para o “zero”.
Figura 10 – Separação das fases, para posterior determinação do TOG.
Fonte: Autor, 2014.
39
3.6 Planejamento Experimental
Inicialmente foi realizado um estudo para verificar o tempo em que a concentração de
óleo, no efluente (Co) e na água tratada (Cf) permanecia constante, a fim de determinar o
tempo ótimo para coleta das amostras para posterior leitura de seu TOG.
Em seguida, foi realizado um planejamento experimental 2³, em duplicata totalizando
16 ensaios. Este procedimento teve como objetivo determinar as variáveis que influencia no
processo e avaliar os efeitos associado a cada variável.
Inicialmente foram especificados os valores de cada variável independente, isto é, as
faixas dos valores assumidos pela vazão de diluição (40 e 60 L/h), vazão do efluente (80 e
100 L/h) e concentração do efluente (60 e 110 mg/L). Os valores das variáveis foram
escolhidos no limite exposto por Pugliesi et al. (2013).
Para avaliar o efeito das variáveis independentes do processo frente à remoção de óleo,
foi proposto o planejamento experimental apresentado na Tabela 6. Devido à dificuldade em
se manter constante a concentração do óleo em solução, foi adotado uma faixa de diluição de
aproximadamente 5%. Este fato ocorre devido às perdas de petróleo nas tubulações e nas
paredes do tanque, também devido à agitação e bombeamento do óleo.
Tabela 6 – Planejamento experimental 23.
Ensaios Vazão de diluição
(L/h)
Vazão do efluente
(L/h)
Concentração do
efluente (mg/L)
1 40 (-) 80 (-) 60 (-)
2 60 (+) 80 (-) 60 (-)
3 40 (-) 100 (+) 60 (-)
4 60 (+) 100 (+) 60 (-)
5 40 (-) 80 (-) 110 (+)
6 60 (+) 80 (-) 110 (+)
7 40 (-) 100 (+) 110 (+)
8 60 (+) 100 (+) 110 (+)
Fonte: Autor, 2014.
O software Statistica 9.0 foi utilizado para determinar os efeitos associado ao
planejamento experimental proposto.
40
Fonseca e Soletti (2010), também realizaram um estudo com planejamento fatorial e
investigou os efeitos individuais e de interação de algumas variáveis operacionais para uma
coluna flotante utilizada na separação da emulsão sintética petróleo-água, visando aumentar a
eficiência do processo de flotação por ar dissolvido – FAD. As variáveis estudadas para escala
piloto foram à concentração inicial do efluente, a vazão de alimentação e a razão de
recirculação. A utilização de chicanas na coluna de flotação aumentou a eficiência do
processo de flotação por ar dissolvido.
41
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Grau API do petróleo
Na primeira etapa, a partir das equações apresentadas no item 5.1, foi possível
classificar o tipo de petróleo estudado. Como mostra a Tabela 7, observa-se que o petróleo
usado para emulsão foi um petróleo leve com 37,75 °API.
Tabela 7 – Densidades e Grau API
Amostra Densidade
(g/ml)
° API
Petróleo 0,8358 37,75
Água 0,999007
Fonte: Autor, 2014.
4.2 Estudo das configurações flotantes
Na segunda etapa, ao projetar as colunas internas, os experimentos foram conduzidos
apenas com água e ar, em configuração co-corrente, nas colunas com chicanas e air-lift e foi
verificado que ao utilizar chicanas, houve uma recirculação do escoamento das bolhas pelos
orifícios abaixo de cada chicana, bem como uma maior concentração de bolhas no topo da
coluna, Figura 11b. Muito provavelmente esta concentração deve-se a presença das chicanas,
pois na operação com a coluna sem recirculação houve um arraste das bolhas para a base da
coluna, Figura 11c. O mesmo efeito com chicanas foi verificado na coluna air-lift, Figura 11a.
Logo, as colunas com chicanas e air-lift, proporcionam a recirculação do fluido, evitando o
seu arraste para a base da coluna, e reduzindo a coalescência das bolhas.
42
Figura 11– Coluna flotante: (a) Efeito Air-lift, (b) Com chicanas, (c) Sem recirculação.
(a) (b) (c)
Fonte: Autor, 2014.
No término da segunda etapa, observou-se o efeito das colunas com chicanas, air-lift, e
sem recirculação na presença do efluente sintético. A Tabela 8 mostra os resultados do estudo
da comparação de tais colunas.
Tabela 8 – Resultados comparativos das colunas internas.
Colunas Air-lift Chicanas Sem recirculação
TOGo 45,4 48,8 48,8
TOGf 24,3 20,8 31,0
% Remoção 46,4 57,2 36,4 Fonte: Autor, 2014.
Observa-se, a partir da Tabela 8, que os melhores resultados foram obtidos para as
colunas com recirculação do fluido, as colunas com chicanas e air-lift, com 57,2% e 46,4%,
respectivamente, de remoção de óleo, comprovando os resultados verificados visualmente
com escoamento água-ar. Apesar da operação com chicanas apresentar melhores resultados,
optou-se pelo estudo com a coluna air-lift por ser uma técnica inovadora, ainda não explorada
na literatura.
Estudos realizados no laboratório LASSOP, como de Fonseca e Soletti (2010), já
haviam estudado a configuração com chicanas, porém com uso de coagulantes para melhor
eficiência de remoção de óleo.
43
Na terceira etapa, foi realizado um estudo comparativo das configurações co-corrente e
contracorrente, objetivando identificar aquela que apresenta os melhores resultados de
separação.
Tabela 9 – Resultados de comparação das configurações na Coluna Air-lift.
Configuração Co-Corrente Contra-Corrente
Ve(L/h) 80 120 80 120
% Remoção de Óleo 59,2 47,8 46,2 39,4
Fonte: Autor, 2014.
Observa-se, a partir da Tabela 9, que para as duas vazões trabalhadas, a configuração
co-corrente mostrou-se mais eficiente do que a configuração contracorrente. Este resultado
pode ser explicado pelo fato que a configuração co-corrente promove um maior tempo de
residência do óleo com a água.
4.3 Planejamento experimental
Antes de realizar o planejamento experimental, foi avaliado a concentração inicial do
efluente (Co ou TOGo) e da água tratada (Cf ou TOGf) nos primeiros 30 min no Ensaio 1 (Co =
60mg/L) e Ensaio 5 (Co = 110mg/L).
Figura 12 - Avaliação das concentrações iniciais e finais nos primeiros 30 min.
Fonte: Autor, 2014.
Observa-se na Figura 12, que após 2h de emulsão do efluente, a concentração do
efluente apresentou constante nos primeiros 30min de operação, e durante o mesmo tempo de
0
15
30
45
60
75
90
105
120
5 10 15 20 25 30 35
TOG
Tempo (min)
Co=60mg/L
Co=110mg/L
Cf de 60mg/L
Cf de 110mg/L
44
operação, as concentrações da água tratada também apresentaram-se constantes para os dois
ensaios, logo se pode afirmar que o estado estacionário foi atingindo neste intervalo, assim,
fixou-se o tempo intermediário de 20 min para coleta das amostras, durante a realização do
planejamento experimental. Diante disto, pode-se provar que o efluente sendo agitado por 2 h,
sua concentração se mantém constante, podendo dá inicio a operação, e a mesma pode ser
finalizada ao concluir os 20 min, pois não há diferença significativa nas concentrações finais,
quando comparado nos tempos de 20 e 30 min. Ao determinar o tempo de coleta, realizou-se
o planejamento experimental.
Os resultados da remoção de óleo obtidos a partir do planejamento experimental são
apresentados na Tabela 10, com posterior tratamento no Statistica. Observar-se nesta Tabela,
que a maior remoção de óleo é atingida em seus maiores níveis (Ensaio 8).
Tabela 10 – Planejamento experimental 23 sobre a remoção de óleo.
Ensaios Vazão de
Diluição
(x1)
Vazão do
Efluente
(x2)
Concentração
do Efluente
(x3)
Remoção de Óleo (%)
Duplicatas
Média
1 -1 -1 -1 62 64,4 63,2
2 1 -1 -1 80,1 81,9 81,0
3 -1 1 -1 79,7 77,2 78,5
4 1 1 -1 71,4 75,6 73,5
5 -1 -1 1 73 75 74,0
6 1 -1 1 82 83,7 82,8
7 -1 1 1 81 80,5 80,8
8 1 1 1 82,3 83,7 83,0
Fonte: Autor, 2015.
Tais resultados quando ajustado a um modelo linear, permite a obtenção de correlações
empíricas para descrever esta remoção. A Tabela 11 apresenta o efeito das variáveis do
processo, sob a remoção de óleo dentro da faixa de estudo pré-determinada, o erro, que está
associado aos experimentos que foram realizados em duplicata, os coeficientes de regressão,
para construção da equação representativa do modelo, e o fator P que identifica as variáveis
significativas no processo, para valores de P < 0,01. Logo, de acordo com o fator P, todas as
variáveis são significativas, exceto as variáveis destacadas de vermelho.
45
Tabela 11 – Efeitos e Coeficientes de regressão do Planejamento 23.
Fonte: Autor, 2015.
A Figura 13 representa as variáveis significativas como já identificadas na Tabela 11, de
acordo com o valor máximo (p) de 0,05 para 95% de confiança (MONTGOMERY, 1991;
MYERS e MONTGOMERY,1995).
Figura 13 – Pareto com os efeitos das variáveis independentes e das interações.
Fonte: Autor, 2015.
De acordo com a Figura 13, pode-se observar que os efeitos significativos são:
concentração do efluente (3), vazão do efluente (2), vazão de diluição (1), interação das
vazões (1by2) e interação das três variáveis (1*2*3). Todas as variáveis independentes
Fator Efeito Erro Coeficientes P
Média 77,17500 0,433464 77,17500 0,000000
(1) Vd 6,15000 0,866927 3,07500 0,000103
(2) Ve 3,50000 0,866927 1,75000 0,003750
(3) Ce 6,27500 0,866927 3,13750 0,000089
(1)*(2) -7,50000 0,866927 -3,75000 0,000025
(1)*(3) -0,27500 0,866927 -0,13750 0,759203
(2)*(3) -0,37500 0,866927 -0,18750 0,676757
(1)*(2)*(3) 3,87500 0,866927 1,93750 0,002084
46
apresentaram valores positivos, significando que o processo de remoção de óleo é
influenciado positivamente quando se aumenta suas dosagens.
A Equação 5 descreve o comportamento associada à remoção de óleo previsto pelo
modelo em função das variáveis codificadas, nas quais apenas os coeficientes (da Tabela 11)
estatisticamente significativos estão presentes.
( ) (Eq.5)
onde, x1, x2 e x3 representam as variáveis independentes, vazão de diluição, vazão do efluente
e concentração do efluente, respectivamente, nas suas formas codificadas.
Embora estatisticamente significativo, dentre as variáveis estudadas, a vazão do efluente
não foi capaz de alterar a remoção de óleo em mais de 1,75%, para toda a faixa experimental
usada. Para verificar a validação do modelo foi construída a Tabela 12 que apresenta a
Análise de Variância.
Tabela 12– Tabela ANOVA
Fonte de
Variação
Soma
Quadrática (SQ)
Nº de Grau de
Liberdade
Média
Quadrática
(MQ)
Fcalculado
Regressão 643,75 5 128,75 5,17
Resíduos 24,92 10 2,49
Total 668,67 15
R2 0,964 96,4%
Fonte: Autor, 2015.
A partir desses resultados, verifica-se que a regressão é significativa na descrição dos
resultados e que o modelo é adequado, com valor do coeficiente de correlação (R2), igual a
0,964 o que explica a variação total das respostas e para um nível de confiança de 95%, o
valor tabelado (Anexo A) do teste Ftab(5,10;5%) é 3,33 (BARROS et al., 2003), ou seja,
Fcal>Ftab, validando o modelo.
A adequação do modelo para representar os dados experimentais, já demonstrada
pelos valores dos coeficientes de correlação (R2), também pode ser observada nos gráficos
que correlacionam os valores observados experimentalmente com aqueles preditos pelo
modelo, como mostra a Figura 14. Nestes gráficos vê-se que há uma boa concordância entre
estes valores, corroborando com os valores de R2 apresentados.
47
Figura 14 - Valores observados versus valores preditos pelo modelo.
Fonte: Autor, 2015.
Ao se analisar um modelo empírico na qual a influência das variáveis está na forma
linear, é de grande utilidade construir superfícies de resposta tridimensionais de modo a
visualizar melhor o efeito dessas variáveis sobre a resposta desejada, a remoção de óleo. Estas
superfícies estão apresentadas na Figura 15, as quais foram obtidas fixando-se uma das três
variáveis, no caso a concentração do efluente (x3 = 1) e vazão do efluente (x2 = 1),
respectivamente, variando-se as outras duas variáveis em estudo.
A superfície de resposta foi então gerada para o modelo linear, apresentada na Figura
15, que se adequou ao sistema, sendo desnecessária a busca por outro modelo.
Analisando-se as superfícies de respostas obtidas é possível observar, dentro do espaço
experimentado, que a concentração do efluente e a vazão de diluição são as variáveis mais
influentes, sendo o nível mais alto dessas variáveis aquele que leva à máxima remoção de
óleo.
48
Figura 15 – Superfícies de Resposta para a remoção de óleo em função da vazão do efluente e de
diluição (a) e em função da concentração do efluente e vazão de diluição (b).
(a)
(b)
Fonte: Autor, 2015.
49
Observa-se na Figura 15, a completa confirmação do que foi apresentado na Tabela 10:
à medida que os fatores significativos vão do nível inferior para o superior há um aumento na
resposta. Pode-se então concluir que a maior remoção de óleo com 83% é alcançada quando
os fatores estão em seus níveis superiores, no espaço experimental estudado, com
concentração do efluente de 110mg/L, vazão do efluente de 100L/h e vazão de diluição de
60L/h. Isso é totalmente aceitável uma vez que em maiores concentrações ou vazões do
efluente acarretará numa maior presença de gotículas oleosas na coluna para separação da
água e em maiores vazões de diluição tem-se uma maior quantidade de microbolhas no
processo para a aderência das gotículas oleosas. Como estudado por Luz et al. (2004), o
aumento da eficiência de remoção dá-se pelo aumento da vazão de ar, pois aumenta a área
superficial total das bolhas na coluna.
Tal resultado de remoção de óleo foi bastante satisfatório, pois na literatura em sua
maioria encontram-se altas eficiências, com uso de coagulantes que são usados para quebra de
emulsões, e a eficiência alcançada neste trabalho, diante do espaço experimental estudado, foi
resultado da projeção da coluna interna air-lift e da configuração co-corrente, promovendo
uma maior recirculação da microbolhas na coluna e um maior tempo de residência das bolhas
e das gotículas oleosas.
Henrique et al. (2008) estudou o tratamento de efluentes oleosos provenientes da
unidade de processamento de gás natural (UPGN), utilizando uma coluna de flotação com ar
dissolvido com e sem coagulantes operando em contracorrente. A flotação apresentou
eficiência máxima de 72%, quando se fez uso de coagulantes, e sem coagulante remoção de
32%.
O ensaio 3 com remoção de óleo de aproximadamente 78% é apresentado na Figura 16,
para se verificar a concentração de óleo no topo da coluna durante a operação. A Figura 16a
apresenta o efluente na coluna no início da operação e a Figura 16b mostra o óleo se
concentrando no topo da coluna, 5 minutos após a entrada de microbolhas no processo.
50
Figura 16 – Ilustração da unidade flotação operando com (a) 0 min e (b) 5 min.
(a) (b)
Fonte: Acervo do Autor.
51
CONCLUSÕES
O processo de flotação e a coluna inovadora que foi trabalhada mostraram-se eficientes
para o tratamento da água produzida, com alta eficiência e sem uso de produtos químicos.
Diante dos resultados obtidos, podem-se tomar tais conclusões:
A coluna air-lift mostrou-se viável, alcançando seu objetivo de mostrar uma
distribuição mais uniforme das bolhas; um maior contato entre as bolhas e a gotículas
de óleo, evitando seu arraste para a base da coluna.
A configuração co-corrente promoveu um maior contato de residência entre as
microbolhas e as gotículas oleosas.
A partir do planejamento experimental, observou que ao aumentar a concentração,
vazão do efluente e a vazão de diluição a remoção de óleo também aumenta,
resultando numa remoção de óleo de 83% para os maiores níveis.
O modelo linear representou bem os dados experimentais, onde a ANOVA validou o
ajuste corroborando com um R2> 95%.
52
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