Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF): aplicação para águas contendo baixas concentrações em óleo

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1 Fernandes Júnior et al. Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF): aplicação para águas contendo baixas concentrações em óleo Treatment of produced waters by means of a new technology (MDIF): application for waters containing oil at low concentrations Tratamiento de aguas producidas mediante una nueva tecnología (el MDIF): aplicación en aguas que contienen bajas concentraciones de petróleo Wilaci Eutrópio Fernandes Júnior João Bosco de Araújo Paulo Norberto Araújo de Moraes Antônio Faria Lima Geraldo de Moura Lacerda Resumo palavraschave: processo de separação tratamento sem adição de produtos químicos misturadordecantador vertical engenharia ambiental O petróleo é extraído normalmente junto com a água existente na formação armazenadora ou água de injeção. Esta água, chamada de água produzida, contém além de óleo livre, óleo emulsionado ou microemulsionado e muitas vezes não pode ser descartada diretamente no ambiente. Os decantadores convencionais podem se mostrar ineficientes na separação de óleo emulsionado na forma de gotículas finamente dispersas. Neste caso, uma alternativa promissora para resolver o problema de separação óleo/água é proposta por meio do método de separação à inversão de fases. Tal método constitui a base do funcionamento de um novo modelo de misturadordecantador de configuração vertical e que ocupa pequena área superficial. Esta última característica tornase especialmente importante quando existe limitação de espaço no layout da planta industrial, por exemplo, uma plataforma marítima para exploração de petróleo. O protótipo de laboratório do equipamento denominado misturadordecantador à inversão de fases (MDIF) tem se mostrado eficaz no tratamento de águas contendo até mg/l de óleo na forma emulsionada. Este equipamento, em escala semiindustrial, foi instalado na entrada do separador de água e óleo (SAO) da Estação de Tratamento de Efluentes de Guamaré, Rio Grande do Norte (ETE/GMR) e trata águas produzidas contaminadas com petróleo em baixas concentrações da ordem de 30 a 150 mg/l e vazões efetivas de 320 m 3 /d (47,4 m 3 m 2 h 1 ). Os bons resultados na separação óleo/água podem fazer que o equipamento seja uma nova tecnologia a ser usada no tratamento de águas contaminadas com óleo a baixas concentrações. Nesta condição, os aparelhos convencionais não apresentam boa eficiência de separação, uma vez que as gotículas dispersas são muito pequenas (abaixo de 100 µm) e requerem um longo tempo de sedimentação. Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez

2 Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF) Abstract keywords: separation process chemicalfree treatment vertical mixersettler environmental engineering The production of oil is associated with waters which exist naturally at the reservoirs or were injected into wells. These waters, named produced waters, contain beside free oil, emulsioned or microemulsioned oil which can not be discharged directly at the environment. The conventional decanters are not efficient to separate this kind of oil dispersed as fine droplets. In this case, a promising alternative to solve the problem of oil/water separation is accomplished by means of the phase inversion method. This method is the basis of working of a new model of mixersettler which has a vertical disposition and occupies a small surface area. The last characteristic becomes especially important when exist a limitation of place, for example, over the maritime platforms to explore oil. The device of laboratory of the equipment named MDIF (mixersettler based on phase inversion) has been efficient for treat waters containing up to mg/l of emulsioned oil. This equipment on a semiindustrial scale was installed in the entrance of oil/water separator (OWS) from effluent treatment plant from Guamaré, Rio Grande do Norte (ETP/GMR) and treats produced waters contaminated with oil at low concentrations (ranging from 30 to 150 mg/l) and throughputs of 320 m 3 /d (47,4 m 3 m 2 h 1 ). Good results were obtained on oil/water separation which leads to the necessary specification to discharge waters. Besides, the non dependence of the efficiency of separation in the face of the salinity of the medium becomes the equipment a new technology to treat wastewaters containing oil at low concentrations. In this condition conventional equipments do not present a good efficiency of separation, till dispersed droplets are very small (less than 100 µm) requiring a long time of sedimentation. Resumen palabras clave: proceso de separación tratamiento sin adición de productos químicos mezcladorsedimentador vertical ingeniería ambiental El petróleo se extrae normalmente acompañado del agua existente en el depósito o del agua que se inyectó al pozo. Esta agua, llamada de agua producida, contiene además del petróleo libre, petróleo emulsionado o microemulsionado y, por lo tanto, muchas veces no es posible descartarla directamente en el ambiente. Los sedimentadores convencionales pueden mostrarse ineficaces en la separación de petróleo emulsionado en la forma de gotículas finamente dispersas. En este caso, se propone una alternativa prometedora para resolver el problema de la separación petróleo/agua mediante el método de separación a la inversión de fases. Este método constituye la base del funcionamiento de un nuevo modelo de mezcladorsedimentador de configuración vertical que ocupa una pequeña área superficial. Esta última característica se vuelve especialmente importante cuando existe una limitación de espacio en el diseño de la planta industrial, como por ejemplo, en una plataforma marítima de exploración de petróleo. El prototipo de laboratorio del equipo denominado mezcladorsedimentador a la inversión de fases (MDIF, por su sigla en portugués) se ha mostrado eficaz en el tratamiento de aguas que contienen hasta mg/l de petróleo en la forma emulsionada. Este equipo, en escala semi industrial, ha sido instalado a la entrada del separador de agua y petróleo (SAO, por su sigla en portugués) de la Estación de Tratamiento de Efluentes de Guamaré, (ETE/GMR), estado de Rio Grande do Norte, y trata las aguas producidas contaminadas con petróleo en bajas concentraciones, del orden de 30 a 150 mg/l, y caudales efectivos de 320 m 3 /d (47,4 m 3 m 2 h 1 ). Los excelentes resultados en la separación petróleo/agua obtenidos con este equipo abren las puertas a una nueva tecnología en el tratamiento de aguas contaminadas por petróleo a bajas concentraciones. Para estas condiciones, los dispositivos convencionales no presentan una buena eficiencia de separación, debido a que las gotículas dispersas son muy pequeñas (inferiores a 100 µm) y requieren un largo período de sedimentación. 74 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez. 2006

3 Fernandes Júnior et al. Introdução O protótipo de um equipamento em escala semiindustrial, desenvolvido pelo Programa de Pósgraduação em Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), foi instalado na ETE do Pólo Industrial de Guamaré (RN). O equipamento denomidado misturadordecantador à inversão de fases (MDIF) trata, por meio da extração líquidolíquido (sem reação química), parte da água afluente à ETE onde os processos atualmente adotados têm se mostrado de alto custo. A operação conduzida no equipamento consiste em transferir o óleo disperso na água de formação para um solvente orgânico por meio de agitação mecânica. Depois da transferência, acontece a separação das fases água tratada/solvente carregado em petróleo. Esta separação ocorre através de decantador de disposição vertical e suficientemente compacto. A extrapolação de escala foi realizada utilizandose os dados obtidos em um protótipo de laboratório desenvolvido para tratar vazões de até 100 L/h. Utilizandose o equipamento de laboratório, foram tratadas as águas produzidas provenientes dos campos de Xaréu e Atum (PXA01) na Bacia do Ceará, com salinidade aproximada de mg NaCl/L e, também, a água proveniente da entrada do SAO da ETE do Pólo Industrial de Guamaré com salinidade aproximada de mg NaCl/L (Chiavenato, 1999; Fernandes Jr., 2002). O equipamento apresentou bons resultados de eficiência de separação, mesmo em condições de diferentes teores de salinidade da água produzida nos campos produtores. O solvente utilizado em ambos os casos foi a aguarrás mineral. O protótipo de laboratório mostrou uma eficiência de separação de até 92% no tratamento de águas oleosas na faixa de concentração de 500 a mg/l. A eficiência obtida foi de até 76% quando a faixa de concentração do óleo em água foi de 50 a 150 mg/l. O equipamento de campo foi projetado levandose em conta um fator de escala de 100 vezes, o que representa uma vazão média de 10 m 3 /h. Todos os cálculos de extrapolação de escala levaram em consideração o tratamento de águas oleosas com concentrações de óleo na faixa entre 50 e 150 mg/l e tendo como solvente a aguarrás mineral. Os dados obtidos na operação com o MDIF semiindustrial foram tratados pelo método de análise da superfície de resposta utilizandose um software de planejamento estatístico experimental. Devido a problemas de abastecimento, o solvente orgânico utilizado foi o querosene de aviação (QAV), disponível em Guamaré, cujas propriedades físicoquímicas se mostraram semelhantes àquelas da aguarrás mineral. Os resultados preliminares são promissores, pois, nas condições mais favoráveis do planejamento experimental e concentrações de óleo em água na entrada do equipamento variando entre 30 e 50 mg/l, foram obtidas águas de qualidade especificada para descarte, de acordo com a legislação ambiental vigente. Materiais e métodos Sistema estudado A fase aquosa, objeto deste trabalho, é uma água contaminada com petróleo denominada água de formação ou água produzida, proveniente da entrada do SAO da ETE/ Guamaré (RN). A fase orgânica utilizada é uma mistura complexa de hidrocarbonetos denominada querosene de aviação (QAV), obtida da Unidade U270 de QAV do Pólo Industrial de Guamaré (RN). As propriedades físicoquímicas de ambas as fases são mostradas na tabela 1. O princípio de funcionamento do misturadordecantador à inversão de fases pode ser observado na figura 1 (Paulo et al. 1994; Hadjiev e Kuychoukov, 1989). De acordo com esta figura, a dispersão primária (1), produzida na câmara de mistura, é forçada a passar através de um dispersor tipo prato perfurado (2) que separa o decantador do misturador. A fase originalmente contínua passa a ser a fase dispersa no interior do decantador sob a forma de grandes gotas (6), que contém pequenas gotas da fase preliminarmente dispersa. Durante o percurso das grandes gotas transportadoras em direção à interface, as pequenas gotículas transportadas se deslocam no sentido ascendente e coalescem no leito orgânico (3) de mesma natureza. As gotículas não liberadas durante o percurso através da fase orgânica podem ainda ser recuperadas próximo à interface (4). A fase orgânica sai pelo alto do decantador (ORG), enquanto a fase aquosa é retirada na base do decantador (5). Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez

4 Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF) Produto Densidade (r) Viscosidade (m) Tensão superficial (g) Tensão interfacial (g) 10 3 kg/m Pa.s 10 3 N/m 10 3 N/m Água de formação 1,0022 0,851 70,48 Aguarrás mineral 0,7429 0,769 25,30 26,50 QAV 0,7841 0,910 27,14 32,67 Tabela 1 Propriedades físicoquímicas do sistema estudado. Table 1 Physicalchemical properties of the studied system. Tabla 1 Propiedades fisicoquímicas del sistema estudiado. Com o método de separação à inversão de fases pretendese aumentar a taxa de coalescência e diminuir a distância entre as gotas dispersas e a interface, uma vez que cada gota transportadora funciona como um microdecantador. Segundo Hadjiev e Aurelle (1995), para a separação de dispersões com gotículas maiores que 100 mm, decantadores são mais usados devido ao seu projeto simples. Para emulsões secundárias, tendo um tamanho médio de gota de 20 mm ou menos, leito fibroso ou granular, um coalescedor de cartucho ou dinâmico são os mais apropriados. O maior problema é achar equipamentos que trabalhem com diâmetro médio entre 20 e 100 mm, porque requerem grandes vasos e coalescedores 2 U d D t=0 Figura 1 Princípio de funcionamento do misturadordecantador à inversão de fases (Paulo et al. 1994). ORG U c 6 t=1 3 H t=2 Figure 1 Operation principle of the mixersettler based on phase inversion (Paulo et al. 1994). t=3 4 5 U d Figura 1 Principio de funcionamiento del mezcladorsedimentador a la inversión de fases (Paulo et al. 1994). 76 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez. 2006

5 Fernandes Júnior et al. que são caros e fortemente influenciados pela presença de matéria suspensa. Nesta situação, o MDIF é indicado pelos autores como uma alternativa viável para a separação de fases em sistemas líquidolíquido. A disposição vertical do aparelho representa um ganho ao economizar espaço no layout da planta de operação. O MDIF mantém ainda as características gerais dos misturadoresdecantadores convencionais: grandes cargas operacionais, facilidade de operação e manutenção e partidas operacionais simples. Na figura 2 é mostrado o fluxograma de processo do MDIF, apresentando todos os fluxos, controles e equipamentos utilizados durante a realização dos ensaios experimentais com a unidade de tratamentomdif (UTMDIF) no campo. A emulsão óleo em água é succionada a partir da entrada do SAO e bombeada através da B01 para a câmara de mistura do MDIF na parte superior do equipamento. Esta fase aquosa é a primeira a ser admitida no equipamento, tornandose, assim, o meio contínuo na câmara de mistura. O agitador mecânico do MT01 é acionado e, em seguida, a fase orgânica é bombeada através da B02 do vaso acumulador V01 para a câmara de mistura, de forma que as duas fases aquosa e orgânica são admitidas em fluxo cocorrente. A agitação do sistema (orgânico/água de produção) é realizada com o objetivo de transferir o óleo bruto da fase aquosa para a fase orgânica. A dispersão do solvente carregado em óleo/água transborda e atinge o leito orgânico puro sobre o prato perfurado. A dispersão passa pelo prato perfurado al M LC 3 MT01 MISTURADO DO MDIF Figura 2 Fluxograma de processo da UTMDIF. V01 VASO ACUMULADOR DE ORGÂNICO B02 BOMBA DO ORGÂNICO 3 2 (Q=5,0 m /h P=5,0 kgf/cm ) B T01 MISTURADOR DECANTADOR A INVERSÃO DE FASES LC Figure 2 UTMDIF process flowchart. Figura 2 Flujograma de proceso de la UTMDIF. M FC 4 2 Flotador Orgânico Água oleosa Água tratada 3 Vazão volumétrica (m /h) Vazão mássica (Kg/h) 3 Densidade (Kg/m ) Viscosidade (cp) Temperatura 2 Pressão (Kgf/cm ) Diâmetro da linha Estado físico BALANÇO MATERIAL B BOMBA DO AQUASO 3 2 (Q=12 m /h P=5,0 kgf/cm ) EQUIPAMENTOS 10,3 10, , , ,5 2" L 3,3 3,3 2451, , ,5 2" L 3,3 3,3 2451, , ,2 2" L 10,3 10, , , ,5 2" L B M SAO SEPARADOR ÁGUA ÓLEO 1 FC T01 V01 MT01 B01 B02 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez

6 Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF) cançando, assim, a câmara de decantação que está totalmente preenchida pelo orgânico. Obtémse, desta forma, a cascata de gotas de água denominada de gotas transportadoras, contendo, no seu interior, gotículas de solvente carregado em óleo e chamadas de gotas transportadas. O sistema possui, no interior da câmara de decantação T01, o solvente orgânico constituindo a fase contínua e as gotas transportadoras de água como fase dispersa. Deste modo, ocorre uma inversão de fases em relação às fases admitidas na câmara de mistura. As gotas transportadoras, ao percorrerem a câmara de decantação, vão liberando as gotas transportadas até atingir a interface entre o orgânico e o aquoso na câmara de separação, na base do MDIF, onde coalescem. Para uma eficiente separação, as gotas transportadoras, ao chegarem à câmara de decantação, devem conter no seu interior poucas ou nenhuma gota transportada. A água tratada sai pela base da câmara de separação e retorna ao SAO, alternativamente esta água pode seguir para o flotador, como mostrado na figura 2. O orgânico carregado em óleo sai pelo topo da câmara de decantação T01 do MDIF e retorna para o vaso acumulador de orgânico V01. Neste vaso, o orgânico é separado de algum aquoso arrastado e é bombeado novamente para a câmara de mistura, operando em circuito fechado até a sua completa saturação. A eficiência de separação óleo/água é calculada de acordo com a equação 1: adotado pelo Centro de Pesquisas da Petrobras (Cenpes) para este tipo de acompanhamento. As amostras a serem analisadas são coletadas em dois pontos distintos: um deles é na entrada do equipamento, onde é feita a coleta da amostra de água contaminada, o outro ponto de coleta é na saída da base da câmara de separação, onde é extraída a amostra de água tratada. As amostras de água contaminada e tratada são coletadas após terem atingido o tempo de operação do sistema (t o ), conforme equação 2. Esta equação é recomendada pela literatura (Trambouze et al. 1984) como regra prática para cálculo do tempo necessário para o aparelho atingir o regime estacionário, considerando que o escoamento se caracteriza como do pistão (pluginflow): Onde: t o = tempo para o sistema atingir o regime estacionário; t r = tempo de residência no interior da coluna (h). O cálculo de t r pode ser feito por meio da equação 3: Onde: t 0 = 7t r t r = V c / Q t (2) (3) Onde: E C C = e S C e (1) V c = volume de controle do MDIF = 3,8 m 3 ; Q t = vazão efetiva total (m 3 /h) = vazão orgânico + vazão aquoso. C e = concentração de óleo em água na entrada do equipamento; C s = concentração de óleo em água tratada na saída do equipamento. Ambas as concentrações são expressas em mg/l. Estas concentrações são obtidas usandose o método padrão de determinação do teor de óleo e graxas (TOG) por radiação na região do infravermelho. O equipamento utilizado para estas determinações é o InfraCal TOG/TPH Modelo HATRT2 da Wilks Enterprise, Inc. Vale ressaltar que tal método tem sido Planejamento estatístico experimental Para o estudo de modelagem da eficiência de separação do novo equipamento foi utilizado um software de planejamento estatístico experimental. Este programa tem por objetivo planejar atividades de forma que dados apropriados sejam coletados em tempo e custo mínimos. A análise destes dados por técnicas estatísticas fornecerá resultados confiáveis (Werkema e Aguiar, 1996). 78 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez. 2006

7 Fernandes Júnior et al. A metodologia estatística escolhida é a das superfícies de respostas. Esta técnica de otimização se baseia no emprego de planejamentos fatoriais (Myers e Montgomery, 1995). Neste trabalho empregouse um planejamento do tipo central composto, tendo como porção fatorial o planejamento fatorial completo do tipo 2 3, com seis repetições no ponto central e ampliação do tipo estrela (Barros Neto et al. 2001). No planejamento, foram analisadas três variáveis independentes que influenciam na eficiência de separação do MDIF: vazão efetiva, relação volumétrica orgânico/aquoso (O/A) e velocidade de agitação na câmara de mistura. A altura da câmara de decantação foi mantida constante em 2 m e a concentração de óleo na alimentação do equipamento variou na faixa entre 30 e 50 mg/l. O software Statistica Experimental Design versão 5.5 foi utilizado para o tratamento dos resultados obtidos. Os valores reais e os codificados são apresentados na tabela 2. Resultados e discussão Todos os experimentos com o MDIF foram realizados com réplica, assim, pôde ser feita a confirmação dos resultados. Nas tabelas 3 e 4 são apresentados os resultados das análises de concentração de óleo em água na alimentação e na saída da UTMDIF, respectivamente. Os resultados de eficiência de separação dos testes válidos são apresentados na tabela 5. Analisandose esta tabela, observase que o teste em que se obteve a maior eficiência de separação foi o teste 8, com 80,95% de eficiência, enquanto que o teste 9 teve o menor desempenho, com 19,92%. Comparandose os resultados, observase que um aumento na vazão efetiva total bem como no volume de solvente orgânico são fatores determinantes para o aumento na eficiência de separação. Valores codificados Valores reais das variáveis independentes Relação volumétrica Vazão efetiva (m 3 /h) Velocidade de agitação O/A [específica m 3 m 2 h 1 ] (rpm) X rel X vaz X agit 1,682 1/6 6,6 [23,3] /5 8,0 [28,3] /3 10,0 [35,4] /5 12,0 [42,5] 97 1,682 1/2 13,4 [47,4] 102 Tabela 2 Valores reais e respectivos valores codificados para as variáveis independentes. Table 2 Codified real values and respective values for the independent variables. Tabla 2 Valores reales y respectivos valores codificados para las variables independientes. Testes Concentração na entrada (mg/l) 6, 14, 7, 19, 9, 5, , 13, 1, 39 3, 12, 11, 18, 15, 8, , 20, 10, 51 Tabela 3 Valores das concentrações de óleo em água na entrada da UTMDIF. Table 3 Values of the oil concentration in water at the UTMSPI entrance. Tabla 3 Valores de las concentraciones de petróleo en el agua a la entrada de la UTMDIF. Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez

8 Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF) Testes 6, 16, 3, 14, 2, 19, 12, 11, 13, 18,15, 20, 8*, 10, 17, 4* Concentração na saída (mg/l) 7, 9, 5, 1, > 20 * apresentaram resultados < 10 mg/l < 20 Tabela 4 Valores das concentrações de óleo em água na saída da UTMDIF. Table 4 Values of the oil concentration in water at the UTMSPI exit. Tabla 4 Valores de las concentraciones de petróleo en el agua a la salida de la UTMDIF. Número teste Vazão efetiva (m 3 /h) Relação volumétrica O/A Velocidade de agitação (rpm) Eficiência de separação (%) / , / , / , / , / , / , / , , / , / , / ,49 9 6,6 1/ , / , / , / , / , / , ,4 1/ , / , / ,25 Tabela 5 Resultados dos testes válidos, obtidos para o planejamento central composto para o MDIF. Table 5 Valid test results obtained for the central planning designed for the MSPI. Tabla 5 Resultados de las pruebas válidas, obtenidos para el planeamiento central compuesto para el MDIF. 80 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez. 2006

9 Fernandes Júnior et al. Equação do modelo A partir dos dados obtidos com os experimentos, alimentouse o programa Statistica Experimental Design para a obtenção de um modelo empírico capaz de prever a eficiência de separação para o aparelho, dentro do intervalo de estudo (1,682 a 1,682, valores codificados), para as três variáveis trabalhadas (equação 4). O coeficiente de regressão (R 2 ), obtido entre os valores observados e os valores preditos pelo modelo estatístico de segunda ordem, é de 0, Desta forma, a equação ajustada pelo programa é estatisticamente significante e útil para fins preditivos (Box et al. 1978). Na figura 3 é apresentada a relação entre os valores preditos e os valores observados para a eficiência de separação da UTMDIF. Existe uma boa correlação entre tais valores e isso pode ser confirmado quando se verifica com o valor obtido do coeficiente de regressão. E=63, ,76672X vaz 5,43785X vaz2 +3,53079X rel 0,39035X rel2 +1,15807X agit 3,64047X agit2 +1,39875X rel X agit 2,51125X rel X vaz +1,12625X vaz X agit (4) Valores preditos fatores, 1 bloco, 20 testes; MQ residual = 38, Valores observados Figura 3 Valores preditos x Observados para a eficiência de separação da UTMDIF. Figure 3 Estimated vs. Observed values for UTMSPI separation efficiency. Figura 3 Valores previstos vs. Observados para la eficiencia de separación de la UTMDIF. Análise das superfícies de resposta Apresentase, a seguir, a análise das superfícies de resposta geradas pelo programa Statistica Experimental Design, com base na variável eficiência de separação do MDIF. Na figura 4 é mostrada a superfície de resposta para a eficiência de separação aplicada a uma vazão efetiva de 13,4 m 3 /h. Esta foi a melhor condição de desempenho obtida, pois a elevada eficiência de separação foi observada em toda a faixa de relação volumétrica O/A estudada. É interessante notar que, nesta condição, o melhor resultado da velocidade de agitação se manteve próximo ao ponto central (90 rpm), o que representa menor custo energético. Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez

10 Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF) Figura 4 Superfície de resposta para a eficiência de separação da UTMDIF. Velocidade de agitação x Relação volumétrica O/A (vazão 13,4 m 3 /h; altura 2 m; concentração óleo/água 30 a 50 ppm). Figure 4 Surface response for the UTMSPI separation efficiency. Agitation speed vs. O/W volume relationship (flow 13.4 cu.m/h; height 2 m; oil/water concentration 30 to 50 ppm). Figura 4 Superficie de respuesta para la eficiencia de separación de la UTMDIF. Velocidad de agitación vs. Relación volumétrica O/A (caudal 13,4 m 3 /h; altura 2 m; concentración óleo/agua 30 a 50 ppm). Nas figuras de 5 a 9 são apresentadas as curvas de nível da eficiência de separação em função das variáveis estudadas. Estas curvas mostram a elevação gradual da eficiência de separação do equipamento à medida que ocorre o acréscimo na vazão efetiva. Observase que o aumento da vazão efetiva de 6,6 para 13,4 m 3 /h proporciona o aumento da eficiência de separação de 29% para 76%. Quanto maior a vazão, maior eficiência. Este fato pode ser explicado pela formação de gotas transportadoras de menor diâmetro, o que favorece a separação da gota transportada. Acima de 13,4 m 3 /h, tornase difícil a manutenção do regime estacionário do equipamento, impossibilitando, assim, a estabilidade dos níveis de interface. Na figura 5 são apresentas as curvas de nível para a eficiência de separação aplicada à menor vazão efetiva estudada (6,6 m 3 /h). Sob tal condição, observase a menor eficiência de separação da UTMDIF, próxima a 29%. Este baixo desempenho só é minimizado na região de mais alta relação volumétrica O/A (> 2/5) para toda a faixa de agitação pesquisada. Verificase que a baixa relação O/A (1/6), associada com alta velocidade de agitação (102 rpm), implica em um pior desempenho. É possível que o maior tempo de residência na câmara de mistura, associado a uma velocidade de agitação mais alta, produza gotas dispersas menores que podem não ser recuperadas para a altura de leito orgânico estudada (2 m). Esta condição é bastante desfavorável ao desempenho do equipamento, pois para os níveis de concentração óleo em água de entrada, a água tratada não é especificada. Na figura 6 são mostradas as curvas de nível para a eficiência de separação aplicada a uma vazão efetiva de 8 m 3 /h, o que corresponde a um valor intermediário. Nesta condição, verificase um aumento para 48% na eficiência de separação da UTMDIF em relação à vazão de 6,6 m 3 /h. Para a obtenção deste desempenho, os parâmetros devem ser deslocados para a região de mais alta relação volumétrica O/A (> 2/5) associada à velocidade de agitação acima de 83 rpm. Conforme tendência anterior, observase que a baixa relação O/A (1/6), associada com alta velocidade de agitação (102 rpm), implica em um pior desempenho para esta condição de vazão efetiva. Verificase que o aumento na vazão efetiva de 6,6 para 8 m 3 /h proporcionou um maior rendimento do equipamento. 82 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez. 2006

11 Fernandes Júnior et al ,965 9,152 4,339 0,473 5,286 10,099 14,912 19,724 24,537 29,35 above Velocidade de agitação (rpm) /6 1/5 1/3 2/5 1/2 Relação volumétrica O/A Figura 5 Curvas de nível para a eficiência de separação da UTMDIF. Velocidade de agitação x Relação volumétrica O/A (vazão 6,6 m 3 /h; altura 2 m; concentração óleo/água 30 a 50 ppm). Figure 5 Level curves for the UTMSPI separation efficiency. Agitation speed vs. O/W volume relationship (flow 6.6 cu.m/h; height 2 m; oil/water concentration 30 to 50 ppm). Figura 5 Curvas de nivel para la eficiencia de separación de la UTMDIF. Velocidad de agitación vs Relación volumétrica O/A (caudal 6,6 m 3 /h; altura 2 m; concentración óleo/agua 30 a 50 ppm) ,636 15,706 19,776 23,846 27,917 31,987 36,057 40,127 44,198 48,268 above Velocidade de agitação /6 1/5 1/3 2/5 1/2 Relação volumétrica O/A Figura 6 Curvas de nível para a eficiência de separação da UTMDIF. Velocidade de agitação x Relação volumétrica O/A (vazão 8 m 3 /h; Altura 2 m; concentração óleo/água 30 a 50 ppm). Figure 6 Level curves for the UTMSPI separation efficiency. Agitation speed vs. O/A volume relationship (flow 8.0 cu.m/h; height 2 m; oil/ water concentration 30 to 50 ppm). Figura 6 Curvas de nivel para la eficiencia de separación de la UTMDIF. Velocidad de agitación vs Relación volumétrica O/A (caudal 8 m 3 /h; altura 2 m; concentración óleo/agua 30 a 50 ppm). Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez

12 Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF) Na figura 7 são apresentas as curvas de nível para a eficiência de separação aplicada a uma vazão efetiva de 10 m 3 /h. Sob tal condição, notase um aumento na eficiência de separação da UTMDIF para 67%. Para a obtenção deste desempenho, os parâmetros devem ser deslocados para a região de alta relação volumétrica O/A (> 1/3) associada à velocidade de agitação acima de 83 rpm. Conforme tendência anterior, observase que a baixa relação O/A (1/6) associada com alta agitação implica em um pior desempenho para esta condição de vazão efetiva. Ressaltese, no entanto, que se consegue obter bons desempenhos (> 60%) para relações volumétricas acima de 1/5 e velocidades de agitação próximas a 90 rpm. Verificase que o aumento na vazão efetiva de 8 para 10 m 3 /h proporcionou um maior rendimento do equipamento (48 para 67%). Constatase que esta condição é favorável ao desempenho do equipamento, pois, para os níveis de concentração estudados de óleo em água de entrada, já é possível especificar a água tratada. Na figura 8 são mostradas as curvas de nível para a eficiência de separação aplicada a uma vazão efetiva de 12 m 3 /h. Nesta condição, observase um aumento na eficiência de separação da UTMDIF para 74%. Para a obtenção deste desempenho, os parâmetros são observados para toda a extensão de relação volumétrica O/A (> 1/6), associada à velocidade de agitação, na faixa entre 85 e 97 rpm. Conforme tendência anterior, verificase que a baixa relação O/A (1/6), associada com alta agitação, implica em um pior desempenho para esta condição de vazão efetiva. Observase, no entanto, que se consegue obter bons desempenhos (> 72%) para relações volumétricas acima de 1/6 e velocidades de agitação próximas a 90 rpm. Constatase que o aumento na vazão efetiva de 10 para 12 m 3 /h proporcionou um maior rendimento do equipamento (67 para 74%). O aumento da vazão efetiva total para a UTMDIF é condição interessante, pois possibilita um maior processamento da carga por meio do equipamento, proporcionando uma maior vazão especifica (m 3 m 2 h 1 ). A condição é bastante favorável ao desempenho do equipamento, porque para os níveis de concentração estudados de óleo em água de entrada, especifica a água tratada ,048 43,052 46,055 49,058 52,061 55,064 58,058 61,071 64,074 67,077 above Velocidade de agitação (rpm) /6 1/5 1/3 2/5 1/2 Relação volumétrica O/A Figura 7 Curvas de nível para a eficiência de separação da UTMDIF. Velocidade de agitação x Relação Volumétrica O/A (vazão 10 m 3 /h; altura 2 m; concentração óleo/água 30 a 50 ppm). Figure 7 Level curves for the UTMSPI separation efficiency. Agitation speed vs. O/W volume relationship (flow 10 cu.m/h; height 2 m; oil/ water concentration 30 to 50 ppm). Figura 7 Curvas de nivel para la eficiencia de separación de la UTMDIF. Velocidad de agitación vs. Relación volumétrica O/A (caudal 10 m 3 /h; altura 2 m; concentración óleo/agua 30 a 50 ppm). 84 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez. 2006

13 Fernandes Júnior et al ,993 55,397 57,801 60,205 62,608 65,012 67,416 69,819 72,223 74,627 above Velocidade de agitação (rpm) /6 1/5 1/3 2/5 1/2 Relação volumétrica O/A Figura 8 Curvas de nível para a eficiência de separação da UTMDIF. Velocidade de agitação x Relação volumétrica O/A (vazão 12 m 3 /h; altura 2 m; concentração óleo/água 30 a 50 ppm). Figure 8 Level curves for the UTMPSI separation efficiency. Agitation speed vs. O/W Volume Relationship (flow 12 cu.m/h; height 2 m; oil/ water concentration 30 to 50 ppm). Figura 8 Curvas de nivel para la eficiencia de separación de la UTMDIF. Velocidad de agitación vs. Relación volumétrica O/A. (caudal 12 m 3 /h; altura 2 m; concentración óleo/ agua 30 a 50 ppm) ,829 52,541 55,254 57,966 60,679 63,391 66,103 68,816 71,528 74,241 above Velocidade de agitação (rpm) /6 1/5 1/3 2/5 1/2 Relação volumétrica O/A Figura 9 Curvas de nível para a eficiência de separação da UTMDIF. Velocidade de agitação x Relação volumétrica O/A (vazão 13,4 m 3 /h; altura 2 m; concentração óleo/água 30 a 50 ppm). Figure 9 Level curves for the UTMPSI separation efficiency. Agitation speed vs. O/W volume relationship (flow 13.4 cu.m/h; height 2 m; oil/water concentration 30 to 50 ppm). Figura 9 Curvas de nivel para la eficiencia de separación de la UTMDIF. Velocidad de agitación vs. Relación volumétrica O/A (caudal 13,4 m 3 /h; altura 2 m; concentración óleo/agua 30 a 50 ppm). Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez

14 Tratamento de águas produzidas por meio de nova tecnologia (MDIF) Na figura 9 são apresentas as curvas de nível para a eficiência de separação aplicada a uma vazão efetiva de 13,4 m 3 /h. Nesta condição, observase uma tendência de aumento na eficiência de separação da UTMDIF acima de 74%. Para a obtenção deste desempenho, os parâmetros são observados em toda faixa de relação volumétrica O/A, inclusive 1/6, associada à velocidade de agitação na faixa de 85 a 97 rpm. Esta condição é bastante interessante, pois possibilita obter rendimentos elevados utilizando uma baixa vazão de orgânico circulante. Conclusões O equipamento apresentou bons resultados com a utilização de um solvente orgânico querosene de aviação diferente do solvente orgânico aguarrás mineral utilizado para os ensaios de laboratório e cálculos de extrapolação. Por outro lado, observase que ambos os orgânicos têm propriedades físicoquímicas semelhantes. Este fato é positivo no caso de necessidade de diversificação do extratante. O melhor desempenho do equipamento, representado por uma eficiência de separação maior que 74%, foi obtido com vazões efetivas de 13,4 m 3 /h (47,4 m 3.m 2 h 1 ). Para o sistema estudado, esta eficiência de separação atende a uma qualidade de água dentro dos padrões de especificação desejados pelo órgão ambiental (< 20 mg/l). Tais resultados estão de acordo com valores reportados na literatura. Concluise que é possível operar a baixas relações O/A em elevadas vazões efetivas. Esta condição operacional é altamente favorável do ponto vista industrial, porque representa, além da economia no volume de solvente utilizado, a possibilidade de tratar um maior volume de água, concorrendo para um melhor rendimento do aparelho. Verificase também que para uma mesma vazão, a eficiência aumenta com o acréscimo da relação volumétrica O/A. Tal eficiência também está associada ao acréscimo na velocidade de agitação. Os bons resultados na separação óleo/água, obtendose a especificação necessária para descarte, ou seja, uma concentração em óleo abaixo de 20 mg/l, podem tornar o MDIF uma nova tecnologia a ser adotada no tratamento de águas contaminadas com óleo a baixas concentrações (30 a 50 mg/l). Nesta condição, os aparelhos convencionais não apresentam boa eficiência de separação e requerem um longo tempo de sedimentação. Referências Bibliográficas BARROS NETO, B.; SCARMÍNIO, I. S.; BRUNS, R. E. Como fazer experimentos: pesquisa e desenvolvimento na ciência e na indústria. Campinas: Unicamp, p. BOX, G. E. P.; HUNTER, W. G.; HUNTER, J. S. Statistic for experimenters: an introduction to design, data analysis and model building. New York: J. Wiley, p. (Wiley series in probability and mathematical statistics). CHIAVENATO, M. C. Utilização de um novo design de mixersettler à inversão de fases para tratamento de dispersões e/ ou emulsões do tipo óleo bruto/água de formação f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, FERNANDES JR, W. E. Planejamento experimental aplicado a um novo separador líquidolíquido utilizado no tratamento de águas residuais contaminadas com petróleo f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, HADJIEV, D.; AURELLE, Y. Phase inversion: a method for separation of fine liquidliquid dispersions. The Chemical Engineering Journal and The Biochemical Engineering Journal, Lausanne, v. 58, n. 1, p. 4551, June HADJIEV, D.; KUYCHOUKOV, G. A separator for liquidliquid dispersions. The Chemical Engineering Journal, Lausanne, v. 41, n. 2, p , July MYERS, R. H.; MONTGOMERY, D. C. Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. New York: J. Wiley, p. (Wiley series in probability and statistics). PAULO, J. B. A. et al. Desempenho de um novo tipo de mixersettler na extração de cobre. In: CONGRESSO ÍTALOBRASILIANO D INGEGNERIA MINERARIA, 3, 1994, Verona. Atti... Parma: Pei, p TRAMBOUZE, P.; VAN LANDEGHEM, H.; WANQUIER, J. P. Les réacteurs chimiques: conception, calcul, mise en oeuvre. Paris: Technip, p. (Publications de l institut français du pétrole). WERKEMA, M. C. C.; AGUIAR, S. Otimização estatística de processos: como determinar a condição de operação de um processo que leva ao alcance de uma meta de melhoria. Belo Horizonte: Fundação Christiano Ottoni, p. (Série Ferramentas da Qualidade, 9). 86 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez. 2006

15 Fernandes Júnior et al. Autores Wilaci Eutrópio Fernandes Júnior João Bosco de Araújo Paulo UNE&P Rio Grande do Norte e Ceará Ativo de Produção Mossoró wilaci@petrobras.com.br Universidade Federal do Rio Grande do Norte Programa de Pósgraduação em Engenharia Química jbosco@eq.efrn.br Wilaci Eutrópio Fernandes Júnior é graduado em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (1998). Concluiu o Mestrado (2002) e o Doutorado (2006) em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte com ênfase nos Processos de Separação e Meioambiente. Trabalha na Petrobras como Engenheiro de Processamento desde Norberto Araújo de Moraes Universidade Federal do Rio Grande do Norte Programa de Pósgraduação em Engenharia Química norberto@eq.ufrn.br Norberto Araújo de Moraes possui graduação em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (2003) e Mestrado em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (2005). Atualmente é Doutorando em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte com ênfase na linha de pesquisa Processos de Separação e Meioambiente. Geraldo de Moura Lacerda Unidade de Negócio de Exploração e Produção do Rio Grande do Norte e Ceará Gerência de Engenharia de Instalações, Processamento e Automação geraldoml@petrobras.com.br João Bosco de Araújo Paulo possui graduação em Engenharia de Minas pela Universidade Federal de Pernambuco (1979), Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Minas pela Universidade Federal de Minas Gerais (1989) e Doutorado em Engenharia de Processos (Génie de Procédés) pelo Institut National Polytechnique de Toulouse, França (1996). Atualmente é professor associado e pesquisador do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Tem experiência na área de Engenharia Ambiental, com ênfase em Técnicas Avançadas de Tratamento de Águas, atuando principalmente nos seguintes temas: equipamentos, engenharia ambiental, método da inversão de fase, extração liquidoliquido, flotação por ar dissolvido (FAD), desenvolvimento de novos coagulantes/ floculantes para tratamento de água. Antônio Faria Lima Unidade de Negócio de Exploração e Produção do Rio Grande do Norte e Ceará Gerência de Engenharia de Instalações, Processamento e Automação farialima@petrobras.com.br Antônio Faria Lima é graduado em Engenharia Química pela Universidade Federal de Sergipe (1981) e Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (1995). Especializouse em Química de Petróleo pela Petrobras em 1980 onde trabalha até o dia de hoje na área de tratamento de óleo e efluentes, com design de estações de tratamento e desenvolvimento e implantação de novas tecnologias. Ingressou na Petrobras em 1980, especializandose em Química de Petróleo, com ênfase no tratamento de efluentes, estações de tratamento e desenvolvimento e implantação de novas tecnologias. Geraldo de Moura Lacerda é graduado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal da Bahia (1987), com Especialização em Engenharia de Manutenção pela Universidade Federal da Bahia/Petrobras (1987). Especializado em Engenharia de Automação pela Universidade Federal de Campina Grande (2000). Desde 1987 trabalha na Petrobras como Engenheiro de Equipamentos. Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v.49, n.1/3, dez