BR122018003621B1 - Composição de fluido hidráulico aquoso - Google Patents

Description

(54) Título: COMPOSIÇÃO DE FLUIDO HIDRÁULICO AQUOSO (51) lnt.CI.: C10M 173/02 (30) Prioridade Unionista: 28/08/2009 US 12/549,579 (73) Titular(es): MACDERMID OFFSHORE SOLUTIONS, LLC (72) Inventor(es): IAN D. SMITH; JOHN C. KENNEDY (85) Data do Início da Fase Nacional: 23/02/2018

1/12 “COMPOSIÇÃO DE FLUIDO HIDRÁULICO AQUOSO” [001 ]Dividido do BR 11 2012 001707 1, depositado em 28/06/2010.

Campo da Invenção [002]Essa invenção está relacionada a composições de fluidos hidráulicos de base aquosa, especialmente a composições de fluidos hidráulicos para uso em dispositivos atuadores associados com a produção de petróleo offshore, em que em algumas modalidades o fluido pode conter pouco ou nenhum glicol.

Fundamentos da Invenção [003]Fluidos hidráulicos são fluidos de baixa viscosidade utilizados para a transmissão de potência útil por meio do fluxo do fluido sob pressão a partir de uma fonte de energia a uma carga. Um fluido líquido hidráulico geralmente transmite energia em virtude de seu deslocamento em um estado de estresse. Os fluidos hidráulicos operam em geral com um baixo coeficiente de atrito. Para serem eficazes, as composições tipicamente possuem suficientes propriedades antidesgaste, antissolda, e propriedades de suportar extrema pressão para minimizar os danos às partes metálicas decorrentes do contato metal-metal sob condições de altas cargas.

[004]Os fluidos hidráulicos são utilizáveis em dispositivos para controle submarino que são empregados para controlar a pressão da cabeça de poço de um poço de petróleo em produção. O equipamento hidráulico pode abrir ou fechar um poço, restringir o fluxo de óleo ou gás, injetar produtos químicos para dentro do poço ou desviar água e/ou gás para dentro do poço para re-pressurizar o sistema. Alguns dos componentes hidráulicos são colocados dentro do poço, tais como a Válvula de Segurança de Subsuperfície e os sistemas de controle de fluxo do tipo “Smart Well”.

[005]Um dos maiores desafios da indústria de petróleo e gás é o de

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2/12 produzir petróleo e gás a partir de ambientes mais rigorosos com alta pressão e temperatura. Uma vez que parte do sistema hidráulico fica dentro do poço, o equipamento hidráulico e o fluido associado precisam ser também adequados para suportar as temperaturas envolvidas e manter o desempenho. Além disso, a demanda por composições de fluidos hidráulicos de base aquosa, tais como as que possam ser usadas em dispositivos submarinos, continua a aumentar devido às vantagens ambientais, econômicas e de segurança (por exemplo, de não inflamabilidade) de tais fluidos sobre os convencionais fluidos hidráulicos não aquosos do tipo óleo.

[006]Muitos dos convencionais fluidos hidráulicos convencionais não são adequados para aplicações marítimas e em águas profundas devido às suas baixas tolerâncias à contaminação por água do mar ou a contaminação por hidrocarbonetos, isto é, eles tendem a facilmente formar emulsões com pequenas quantidades de água do mar. Além disso, em ambientes marinhos, surgem problemas devido à falta de biodegradabilidade do fluido hidráulico e às infestações bacterianas que surgem no fluido hidráulico, especialmente as provenientes de bactérias anaeróbicas tais como as bactérias sulfato-redutoras prevalentes na água do mar.

[007]0utros problemas associados com o uso de fluidos hidráulicos convencionais sob as condições extremas encontrados em dispositivos marinhos e de águas profundas incluem: (1) alguns fluidos hidráulicos convencionais podem induzir a corrosão dos metais em contato com o fluido; (2) alguns fluidos hidráulicos convencionais são reativos com as tintas ou outros revestimentos metálicos ou tendem a reagir com as substâncias elastoméricas ou pelo menos provocar a expansão das substâncias elastoméricas; (3) fraca estabilidade de longo prazo, especialmente em temperaturas elevadas; (4) alguns fluidos hidráulicos

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3/12 necessitam de antioxidantes para evitar a oxidação dos componentes contidos; (5) alguns fluidos hidráulicos não são facilmente concentrados para facilitar o transporte; e (6) muitos fluidos hidráulicos convencionais têm um pH não-neutro, potencializando a oportunidade quanto à reação com materiais em contacto com ele. Por todas estas razões, tornou-se vantajoso usar fluidos hidráulicos de base aquosa em certas marinhas e em águas profundas e diversas formulações aquosas têm sido desenvolvidas, as quais são utilizáveis em tais aplicações.

[008]A Convenção para a Proteção do Ambiente Marinho do Nordeste Atlântico (OSPAR) fornece um escopo para as exigências ambientais dos produtos químicos utilizados no ambiente ‘offshore’. Existem até agora poucos; senão nenhum, fluidos de base aquosa que possam manter lubrificação sob altas temperaturas e atenderem ao exigido perfil ambiental.

Sumário da Invenção [009]É um objetivo da presente invenção fornecer uma aperfeiçoada composição de fluido hidráulico aquoso para uso sob extremas condições térmicas encontradas nos dispositivos de controle submarinos.

[010]É outro objetivo da presente invenção fornecer uma composição de fluido hidráulico aquoso que mantenha sua capacidade lubrificante após exposição a altas temperaturas e pressões.

[011]É ainda outro objetivo da presente invenção fornecer um concentrado de fluido hidráulico aquoso que possua boa estabilidade, mesmo em presença de 10% v/v água do mar sintética e possa prevenir ou minimizar a formação de “hidratos” problemáticos.

[012]É ainda outro objetivo da presente invenção fornecer uma composição de fluido hidráulico aquoso que possua maior estabilidade térmica durante um longo período de tempo.

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4/12 [013]É ainda outro objetivo da presente invenção fornecer uma composição de fluido hidráulico que contenha materiais que sejam substâncias ambientalmente aceitáveis.

[014]É ainda outro objetivo desta invenção fornecer um aperfeiçoado sistema tampão para tais composições de fluido hidráulico aquoso.

[015]É ainda outro objetivo dessa invenção fornecer uma composição de fluido hidráulico que possa ser substancialmente livre de glicóis.

[016]Para essa finalidade, a presente invenção em uma modalidade está relacionada a uma aperfeiçoada composição de fluido hidráulico aquoso, compreendendo:

(i) água;

(ii) um sal ou sais de ácido fórmico;

(iii) um sal ou sais ou de um ácido dicarboxílico; e (iv) hidróxido de amônio ou de metal alcalino, tal que o pH do fluido fique entre 7 e 10, de preferência entre 8 e 10 ou de cerca de 9.

[017]O fluido também opcionalmente compreende inibidores de corrosão secundários e lubrificantes secundários.

Descrição Detalhada da Invenção [018]A presente invenção está direcionada a uma composição de fluido hidráulico aquoso que é ambientalmente segura e de preferência não contém óleos minerais, óleos de hidrocarbonetos (natural ou sintético). O fluido hidráulico aquoso também preferivelmente não contém glicóis. Por conseguinte, a presente invenção está relacionada a uma composição de fluido hidráulico aquoso que compreende:

(i) água;

(ii) pelo menos um sal de ácido fórmico;

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5/12 (iii) pelo menos um sal de um ácido dicarboxílico;

(iv) hidróxido de amônio ou de metal alcalino, tal que o pH do fluido fique entre 7 e 10, de preferência entre 8 e 10 ou de cerca de 9;

em que a composição do fluido hidráulico é substancialmente livre de óleos minerais, óleos de hidrocarbonetos (natural ou sintético), e misturas desses. A composição do fluido hidráulico pode também ser preferencialmente livre de glicóis em algumas modalidades.

[019]O sal ou sais de ácido fórmico são considerados a atuarem como um depressor do ponto de fluidez para ao fluido. Preferivelmente, o sal é o formiato de potássio. A concentração do sal formiato é de preferência de 15% a 50% em peso do fluido.

[020]Em uma modalidade, a presente invenção utiliza uma solução aquosa de um sal de um ácido dicarboxílico. Em uma modalidade preferida, o ácido dicarboxílico é um ácido alquildicarboxílico C21 ou C18 e o sal é um sal de potássio ou sal amina do ácido alquildicarboxílico C21 ou C18. É considerado que o sal de potássio deste ácido dicarboxílico é mais solúvel em água do que o próprio ácido dicarboxílico sendo, portanto, preferível. Um composto preferível a este respeito é o ácido 2-cicloexen-1-octanóico, 5-carbóxi-4-etila e seus sais. No geral, os ácidos dicarboxílicos (ou seus sais) utilizados nesta invenção preferivelmente possuem comprimentos de cadeia carbônica (lineares, ramificadas ou cíclicas) de 2 a 30 átomos de carbono. Preferivelmente, o fluido hidráulico da invenção compreende mais que um ácido dicarboxílico ou seu sal. A concentração do sal de ácido dicarboxílico no fluido hidráulico da invenção deverá variar preferivelmente na faixa de 0,1% a 35% em peso. Um preferido ácido dicarboxílico é o ácido succínico e os seus sais de metal alcalino, amina, ou alcanolamina. Uma função do sal de ácido dicarboxílico é atuar como o inibidor primário de

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6/12 corrosão do fluido e como um lubrificante primário.

[021 ]Além disso, o inventor da presente invenção determinou que as propriedades de lubrificação, corrosão e outras propriedades físicas do(s) sal(s) de ácido dicarboxílico nas formulações do fluido hidráulico se mantêm após exposição a altas temperaturas, tais como, por exemplo, 190 °C, durante um período considerável de tempo (30 dias ou mais). Certas aminas e outros sais de tais ácidos dicarboxílicos na formulação são também considerados apresentar alta estabilidade térmica e em água do mar.

[022]Além disso, a composição do fluido hidráulico da invenção pode também preferivelmente compreender um segundo lubrificante, o referido segundo lubrificante selecionado a partir do grupo que compreende ésteres fosfato de alquila/arila, ésteres fosfato de alquila/arila, fosfolipídios, sais de ácidos carboxílicos mono, di, tri, ou poliméricos e combinações dos mencionados. Fosfolipídios utilizáveis nas formulações da invenção incluem qualquer lipídio contendo um derivado ácido fosfórico, tal como lecitina ou cefalina, preferivelmente lecitina ou seus derivados. Exemplos de fosfolipídios incluem fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol, fosfatidiletanolamina, ácido fosfatídico e misturas desses mencionados.

[023]Os fosfolipídios podem ser também glicerofosfolipídios, mais preferivelmente, glicero-derivados dos fosfolipídios listados acima. Tipicamente, tais glicerofosfolípidos possuem um ou dois grupos acila em um resíduo glicerol, e cada grupo acila contém uma carbonila e um grupo alquila ou alquenila. Os grupos alquila ou alquenila contêm geralmente de cerca de 8 a cerca de 30 átomos de carbono, de preferência de 8 a cerca de 25, mais preferivelmente de 12 a cerca de 24. Exemplos destes grupos incluem octila, dodecila, hexadecila, octadecila, dodecadienila, octenila, dodecenila, hexadecenila e octadecenila. A

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7/12 concentração do lubrificante secundário no fluido hidráulico da invenção de preferência varia de 0,1 a 20% em peso.

[024]Os grupos acila nos glicerofosfolipídios são geralmente derivados de ácidos graxos, os quais são ácidos graxos possuindo de cerca de 8 a cerca de 30 átomos de carbono, de preferência de cerca de 12 a cerca de 24, mais preferivelmente de cerca de 12 a cerca de 18 átomos de carbono. Exemplos de ácidos graxos incluem os ácidos mirístico, araquídico palmítico, esteárico, oléico, linoléico, linolênico, ácido araquidônico, ou suas misturas, de preferência os ácidos esteárico, oléico, linoléico e linolênico ou misturas desses.

[025]Derivados de fosfolipídios, incluindo os fosfolipídios acilados ou hidroxilados podem ser também utilizados na prática da invenção. Por exemplo, a lecitina, bem como lecitina acilada e hidroxilada podem ser usadas na presente invenção como um lubrificante primário ou secundário.

[026]Os fosfolipídios podem ser preparados sinteticamente ou derivados de fontes naturais. Fosfolipídios sintéticos podem ser preparados por métodos conhecidos por aqueles usualmente versados na técnica. Os fosfolipídios de origem natural são extraídos por procedimentos conhecidos por aqueles usualmente versados na técnica. Os fosfolipídios podem ser derivados de origem animal ou vegetal. Fontes animais incluem peixe, óleo de peixe, marisco, cérebro de bovinos e qualquer ovo, especialmente ovos de galinha. Fontes vegetais incluem canola, girassol, amendoim, dendê, semente de abóbora, trigo, cevada, arroz, azeitona, manga, abacate, palash, mamão, jangli, bodani, cenoura, soja, milho e algodão. Fosfolipídios também podem ser derivados de microrganismos, inclusive algas azuis-verdes, algas verdes, bactérias cultivadas em metanol ou metano e leveduras cultivadas em alcanos. Em uma modalidade preferida, os fosfolipídios são derivados de fontes vegetais, incluindo soja, milho, semente de

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8/12 girassol e caroço de algodão.

[027]O lubrificante secundário preferido é um éster fosfato de ácido etoxilado, tal como o fosfato de ácido 2-etilexílico com uma média de 3 moles de etoxilação. A concentração do lubrificante secundário no fluido é preferencialmente de cerca de 0,1% a cerca de 5% em peso do fluido. Outros lubrificantes adequados incluem amidas graxas monoetanol ou amidas graxas dietanol.

[028]O lubrificante secundário pode também compreender um sal alcoxilato como um lubrificante secundário para a composição de fluido hidráulico. Os inventores da presente invenção determinaram que uma melhoria na capacidade de lubrificação e estabilidade em água do mar pode ser conseguida mediante adição de um sal alcoxilato (de preferência um sal amina ou metálico de um alcoxilato mono, di, tri ou polimérico) à composição. Adequados sais alcoxilato incluem sais de alcoxilatos com de 2 a 30 átomos de carbono na cadeia carbônica alcoxilato (linear, ramificada ou cíclica). É também sabido que composições típicas podem ser muito difíceis de estabilizar termicamente. O inventor da presente invenção descobriu de forma surpreendente que o uso de sal(s) alcoxilato na composição aquosa de fluido hidráulico estabiliza a composição do fluido com relação à degradação térmica, mesmo na presença de 10% v/v de água do mar sintética o que dá às composições de fluido uma vida útil muito mais prolongada sob condições extremas de utilização.

[029]Preferivelmente, o fluido também contém um inibidor de corrosão secundário. Um preferido inibidor de corrosão secundário é um sal ácido capróico, mais de preferência um sal de alcanolamina de um ácido capróico, mais preferivelmente um sal de alcanolamina de um ácido capróico, muito preferivelmente, um sal de alcanolamina de ácido arilsulfonamido capróico. Se utilizado, a concentração do inibidor de corrosão secundário é, de preferência de cerca de

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1% a cerca de 20% em peso do fluido.

[030]As composições aquosas de fluido hidráulico da invenção podem também conter um biocida. O biocida é escolhido de forma a ser compatível com os componentes lubrificantes; ou seja, ele não afeta as propriedades lubrificantes. Em uma modalidade, um sal contendo boro, tal como decaidrato de bórax, é usado simultaneamente como o biocida e como um tampão pH . Em uma outra modalidade, o biocida pode ser um biocida contendo enxofre ou um biocida contendo nitrogênio. Biocidas contendo nitrogênio incluem glutaraldeído, triazinas, oxazolidinas, e guanidinas, bem como compostos selecionados a partir de sais de amônio quaternário de ácidos graxos, tais como sal quaternário de cloreto de didecil-dimetil-amônio. A concentração do biocida é suficiente para prevenir, pelo menos substancialmente, o crescimento bacteriano no fluido hidráulico e preferivelmente para aniquilar a bactéria presente.

[031 ]O fluido hidráulico pode também incluir um aditivo anticongelante capaz de rebaixar o ponto de congelamento do fluido hidráulico a pelo menos cerca de -34,4 °C (-30 °F), que é abaixo da temperatura mínima esperada a ser encontrada em tais ambientes. Se usado, o aditivo anticongelamento é escolhido de modo a ser não-reativo com os componentes lubrificantes e biocida, sendo, portanto não prejudicial às propriedades lubrificantes do fluido hidráulico. Em uma modalidade, o aditivo anticongelante compreende pelo menos um álcool possuindo de 2 a 4 átomos de carbono em uma quantidade suficiente para reduzir o ponto de congelamento para abaixo de -34,4 °C (-30 °F). Álcoois adequados incluem monoetileno glicol, glicerol, propileno glicol, 2-buteno-1,4-diol, éteres de poliglicol, polietileno glicóis ou polipropileno glicóis. Em uma modalidade preferida, o monoetileno glicol, que é aprovado PLONOR é usado como o aditivo anticongelante da invenção numa quantidade suficiente para reduzir o ponto de

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10/12 congelamento da composição de fluido hidráulico até a temperatura desejada ao mesmo tempo em que previne a formação de “hidratos” no equipamento submarino durante o uso. Todavia, o fluido hidráulico pode preferivelmente ser livre de glicol em algumas modalidades.

[032]O fluido hidráulico pode também incluir um ou mais tensoativos, como um etoxilato alcoólico para ajudar com a estabilidade em água do mar (tolerância).

[033]Além dos ingredientes acima mencionados, é importante para manter o pH do fluido hidráulico preferencialmente entre 8 e 10, de preferência entre 9 e 9,5, a manutenção do pH do fluido hidráulico na faixa prescrita é importante por muitas razões, que incluem: (i) minimizar a corrosão ou degradação de metal e/ou peças de plástico que entram em contato com o fluido hidráulico, (ii) facilidade de manuseio do fluido hidráulico, e (iii) estabilidade dos componentes do fluido hidráulico. Assim, é importante fornecer um tampão no fluido hidráulico para ajudar na manutenção do pH dentro da faixa preferencial, Neste contexto, o tampão deve ser estável e eficaz nas temperaturas experimentadas pelo fluido hidráulico que variam de cerca de -6,7 °C (20 °F) a cerca de 215 °C (420 °F). Os presentes inventores descobriram que aminas terciárias de base cíclica ou anelares sem funcionalidade hidroxila são tampões eficazes com respeito a isso. Bórax (ou decaidrato de bórax) é também um tampão adequado. Bórax pode ser eficazmente usado como um tampão caso o fluido hidráulico contenha glicóis ou não. Os compostos mencionados efetivamente tamponam o pH do fluido hidráulico dentro de 8 a 9,5 e são estáveis nas temperaturas experimentadas pelos fluidos hidráulicos. Na escolha de uma preferida amina terciária de base cíclica ou anelar sem funcionalidade hidroxila, é melhor escolher estruturas anelares que não se quebrem ou se abram em temperaturas de até cerca de 215 °C (420

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11/12 °F). Uma preferível amina terciária de base anelar sem funcionalidade hidroxila que é particularmente estável em altas temperaturas é a 1,4-dimetil piperazina. Outras aminas terciárias de base anelar adequadas sem funcionalidade hidroxila incluem o ácido 2-morfolinoetano sulfônico; N-metil morfolina; N-metil piperazina; N-metilpirrolidina; ácido 1,4-piperazin-bis-etano sulfônico. A concentração do tampão no fluido hidráulico é preferivelmente de 0,1 a 6% em peso, muito preferivelmente de 0,5 a 3,0%p.

[034]Além disso, embora a modalidade acima descrita seja preferida para aplicações tais como em fluido hidráulico para fluidos de controle submarinos encontrados nas plataformas ou com as plataformas de perfuração de petróleo ‘offshore’, outras modalidades são adequadas para muitas aplicações. Por exemplo, em um ambiente substancialmente livre de corrosão, um inibidor de corrosão não precisa estar incluso na composição do fluido hidráulico. Do mesmo modo, em um ambiente no qual a infestação bacteriana não seja um problema, o biocida pode ser omitido. Para aplicações em temperaturas mornas ou elevadas, um depressor do ponto de congelamento não é necessário.

[035]Em uma modalidade particularmente preferida, o fluido hidráulico é preparado como um concentrado pronto para uso que não necessita diluição para alcançar o desempenho de trabalho.

Exemplo I [036]Um fluido hidráulico aquoso foi preparado possuindo a seguinte formulação^

Componente	Porcentagem em peso
Formiato de potássio (75% em peso)	46,67
Ácido succínico	2,0
Sal de alcanolamina de ácido arilsulfonamido capróico*	10,0
Fosfato de ácido 2-etilexílico com 3 moles de etoxilação	0,5
Água	37,03

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12/12 * Cas. No. 93981-14-7 disponível como Becrosan 2129 [037]Esta composição foi testada como um fluido hidráulico de alta pressão. Ela manteve sua capacidade de lubrificação sob carga e foi capaz de tolerar a contaminação com 10% de p/p de água do mar. O pH do fluido hidráulico foi de 9 e foi mantida em cerca de 9 por meio do uso prolongado do mencionado. Os resultados dos testes de desgaste foram de 13 dentes desgastados usando um teste antidesgaste Falex. A amostra também passou ao teste de lascas IP 28% para resistência à corrosão.

Exemplo II [038]Um fluido hidráulico aquoso foi preparado possuindo a seguinte formulação;

Componente	Porcentagem de água
Ácido succínico	3,0
Ácido 2-cicloexeno-1-octanóico, 5carbóxi-4-hexila	4,0
Hidróxido de potássio	9,5
Decaidrato de bórax	4,0
Água	35,5
Monoetileno glicol	46,0

[039]Essa composição foi testada como um fluido hidráulico de alta pressão. Ela manteve sua capacidade de lubrificação após uso prolongado (30 dias) a 190 °C e foi capaz de tolerar a contaminação com 10% p/p de água do mar. O pH do fluido hidráulico foi de 9 e foi mantido em cerca de 9 por meio do uso prolongado do mencionado. Os resultados do desgaste foram aceitáveis. A amostra também passou no teste de lascas IP 28% para resistência à corrosão.

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Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Composição de fluido hidráulico aquoso, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende:

   (i) água (ii) pelo menos um sal de um ácido dicarboxílico;

   (iii) bórax;

   (iv) íons hidróxido tais que o pH do fluido esteja entre 8 e 10, em que o fluido é livre de óleos minerais e óleos hidrocarbonetos.
2. 2. Composição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição adicionalmente compreende monoetilenoglicol.
3. 3. Composição, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que o ácido dicarboxílico compreende ácido succínico.
4. 4. Composição, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que o ácido dicarboxílico compreende um ácido alquildicarboxílico com 18 ou 21 átomos de carbono.
5. 5. Composição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição também compreende um sal de alcanolamina de ácido arilsulfonamido capróico.
6. 6. Composição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição também compreende um éster de fosfato de ácido etoxilado.
7. 7. Composição, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADA pelo fato de que o ácido dicarboxílico compreende ácido succínico.
8. 8. Composição, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição também compreende um sal de alcanolamina de ácido arilsulfonamido capróico.

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9. 9. Composição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição é livre de glicóis.
10. 10. Composição, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição também compreende um sal de ácido fórmico.

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