ES2244022T3 - Hidrocarburo en agua y metodo para la formacion del mismo. - Google Patents
Hidrocarburo en agua y metodo para la formacion del mismo.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UNA EMULSION ESTABLE DE HIDROCARBURO EN AGUA, LA CUAL INCLUYE UNA FASE HIDROCARBONADA QUE TIENE UN CONTENIDO DE ELECTROLITO SUPERIOR A 100 PPM (PESO) CON RESPECTO A LA FASE ACUOSA. SE DESCRIBE ASIMISMO UN ADITIVO TENSIOACTIVO QUE INCLUYE UNA AMINA Y UN ALCOHOL ETOXILADO EN CANTIDADES EFECTIVAS PARA ACTIVAR AL TENSIOACTIVO NATURAL Y ESTABILIZAR LA EMULSION.
Description
Hidrocarburo en agua y método para la formación
del mismo.
La invención se refiere a una emulsión de un
hidrocarburo en agua, preferentemente bitumen en agua, que es
estable y que es adecuada para ser utilizada como combustible. La
invención se refiere a un método para formar una emulsión de
hidrocarburo en agua, y a un aditivo tensioactivo para la misma.
Las emulsiones de bitumen en agua representan una
fuente de combustible en el mercado de la energía mundial.
Típicamente, la emulsión se forma utilizando tensioactivos, que
pueden constituir un coste añadido importante al coste de la
emulsión. Adicionalmente, algunos tensioactivos tales como
alquil-fenol etoxilado se consideran indeseables
desde el punto de vista medioambiental, y una serie de
organizaciones, tales como la Comunidad Económica Europea, ha
planteado regulaciones que pueden prohibir el uso de
alquil-fenol etoxilado tanto en combustibles como en
otras aplicaciones.
El documento
US-A-4.976.745 describe un
procedimiento para estabilizar una emulsión de hidrocarburo en agua
mediante la mezcla de un hidrocarburo seleccionado del grupo
consistente en crudos pesados y bitumen - con una viscosidad a 50ºC
de aproximadamente o mayor o igual a 1.000 (CST), y una viscosidad a
23,33ºC de aproximadamente o igual a o mayor que 9.000 (CST), y una
gravedad APIº menor que 18 - agua, un emulsionante y un aditivo
estabilizador e hidrosoluble de Al^{3+} en una concentración
mayor que 30 ppm, con respecto al volumen total de la emulsión.
Dicho emulsionante se selecciona del grupo consistente en
tensioactivos aniónicos y no iónicos y sus mezclas, tensioactivos
catiónicos, y mezclas de tensioactivos catiónicos y tensioactivos no
iónicos. Dicho emulsionante puede ser un tensioactivo no iónico
seleccionado del grupo consistente en alcoholes polioxietilenados,
alquil-fenoles polioxietilenados, y sus mezclas.
Dicho emulsionante puede ser un tensioactivo catiónico seleccionado
del grupo consistente en aminas etoxiladas,
amido-aminas, compuestos de amonio cuaternario, y
sus mezclas.
En el documento
US-A-2.928.752 se muestra una
emulsión acuosa que está adaptada para ser utilizada como
recubrimiento de protección en superficie de albañilería, durante
el período de asentamiento, consistente esencialmente en agua,
2-50% en peso de parafina, aproximadamente 10% en
peso de un producto aditivo de 5-50 moles de óxido
de etileno, y 1 mol de alcohol oleílico, 2-20% en
peso de una sal de amina de ácido oleico, con una longitud de
cadena de 12 a 18 átomos de carbono en el radical amina,
aproximadamente 4% en peso de al menos un alcohol graso que tiene 16
a 20 átomos de carbono, y de 0-10% en peso de
aceite mineral. En este documento se describe una composición
prevista para ser empleada en emulsiones acuosas como recubrimiento
de superficies de albañilería durante el período de asentamiento,
consistente esencialmente en una mezcla de los siguientes
componentes no acuosos: aproximadamente 80 partes de parafina;
aproximadamente 20 partes de un emulsionante consistente en
aproximadamente 50 partes de un producto de adición de
5-50 moles de óxido de etileno, y 1 mol de alcohol
oleílico, aproximadamente 30 partes de una sal de amina de ácido
oleico, con una longitud de cadena de 12 a 18 átomos de carbono en
el radical amina, y aproximadamente 20 partes de al menos un
alcohol graso con 16 a 20 átomos de carbono; y de 0 a 40 partes de
aceite mineral.
En consonancia, permanece la necesidad de una
emulsión de hidrocarburo en agua, y de un método para su producción,
en la que la emulsión se forma y estabiliza utilizando materiales
económica y medioambientalmente aceptables.
Por lo tanto, el objeto principal de la presente
invención es proporcionar una emulsión en la que se activen y
utilicen tensioactivos naturales contenidos en la fase de
hidrocarburo o bitumen para formar y estabilizar la emulsión.
Un objeto adicional todavía de la presente
invención es proporcionar un método para producir una emulsión de
hidrocarburo en agua, en el que se requieran cantidades reducidas
de aditivos tensioactivos.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un aditivo tensioactivo que sea útil para formar
emulsiones de hidrocarburo o bitumen viscoso en agua, en el que la
emulsión no sea sensible a variaciones de pH o salinidad de la fase
acuosa.
Todavía otro objeto de la presente invención es
proporcionar una emulsión de hidrocarburo en agua y un método para
su producción, en los que se pueda utilizar un espectro más amplio
de agua de dilución.
Todavía un objeto adicional de la presente
invención es proporcionar un método para formar emulsiones de
hidrocarburo o bitumen viscoso en agua.
A continuación, se referirán otros objetos y
ventajas adicionales.
De acuerdo con la invención, los mencionados
objetos y ventajas se alcanzan con facilidad.
De acuerdo con la invención, se proporciona una
emulsión estable de hidrocarburo en agua, que comprende: una fase de
hidrocarburo que contiene un tensioactivo natural; una fase acuosa
que tiene un contenido en electrolitos mayor que 10 ppm (en peso) y
menor o igual a 100 ppm (en peso) con respecto a la fase acuosa; y
un aditivo tensioactivo que comprende una amina y un alcohol
etoxilado, en cantidades eficaces para activar dicho tensioactivo
natural, y estabilizar la emulsión. La amina se encuentra presente
en una cantidad mayor o igual a 300 ppm (en peso), y dicho alcohol
etoxilado está presente en una cantidad mayor o igual a 100 ppm (en
peso), con respecto a dicha fase de hidrocarburo.
Adicionalmente, de acuerdo con la invención, se
proporciona un método para formar la emulsión, el cual comprende las
etapas de proporcionar una fase de hidrocarburo que contiene un
tensioactivo natural; proporcionar una fase acuosa con un contenido
en electrolitos mayor que 10 ppm (en peso) y menor o igual a 100 ppm
(en peso), con respecto a la fase acuosa; mezclar dicha fase de
hidrocarburo y dicha fase acuosa con un aditivo tensioactivo que
comprende una amina y un alcohol etoxilado, en cantidades eficaces
para activar dicho tensioactivo natural y estabilizar la
emulsión.
Aún más, de acuerdo con la invención se
proporciona una emulsión que comprende un aditivo tensioactivo para
la preparación de una emulsión de hidrocarburo en agua, que
comprende una amina y un alcohol etoxilado en una relación en peso
de amina a alcohol etoxilado de entre 5:1 hasta 1:2.
Ventajas, características y detalles adicionales
de la invención resultan evidentes de la siguiente descripción de
realizaciones preferidas, así como con la ayuda de los dibujos, que
muestran:
La Fig. 1 ilustra la tensión interfacial en
emulsiones de bitumen en agua que incluyen sólo tridecanol
polietoxilado, y emulsiones que incluyen una mezcla de tridecanol
polietoxilado, monoetanolamina y iones sodio;
La Fig. 2 ilustra la tensión interfacial para
emulsiones de bitumen en agua que tienen diferentes concentraciones
de monoetanolamina y 5667 ppm de tridecanol polietoxilado;
La Fig. 3 ilustra el diámetro medio de gota de
emulsiones que tienen diferentes concentraciones de monoetanolamina
y 20 ppm de iones sodio, para emulsiones que tienen una relación de
bitumen a agua de 85:15;
La Fig. 4 ilustra el diámetro medio de gota de
emulsiones que tienen diferentes concentraciones de tridecanol
etoxilado en relaciones de bitumen a agua de 85:15 y 70:30,
agregándose monoetanolamina y sodio durante la formación de la
emulsión, y agregando tridecanol etoxilado durante la dilución;
La Fig. 5 ilustra la distribución del diámetro de
gota para emulsiones, una de las cuales tiene sólo monoetanolamina
y sodio, y la otra tiene monoetanolamina, sodio y tridecanol
etoxilado;
La Fig. 6 muestra la proporción de la relación
Df/Di al tiempo de cizallamiento para emulsiones que tienen 800 ppm
de monoetanolamina, 20 ppm de sodio y cantidades variables de
tridecanol etoxilado;
La Fig. 7 muestra la proporción de la relación
Df/Di al tiempo de cizallamiento para emulsiones que tienen 600 ppm
de monoetanolamina, 20 ppm de sodio y cantidades variables de
tridecanol etoxilado;
La Fig. 8 muestra la proporción de la relación
Df/Di al tiempo de cizallamiento para emulsiones que tienen 1.000
ppm de tridecanol etoxilado y cantidades variables de
monoetanolamina con 20 ppm de iones sodio;
La Fig. 9 muestra el tamaño medio de gota en
relación con el tiempo de almacenamiento para emulsiones que tienen
800 ppm de monoetanolamina, 20 ppm de iones sodio, y cantidades
variables de tridecanol etoxilado, cuando la emulsión de almacena a
25ºC;
La Fig. 10 muestra la relación entre el diámetro
medio de gota y el tiempo de almacenamiento para emulsiones que
tienen 800 ppm de monoetanolamina, 20 ppm de iones sodio, y
cantidades variables de tridecanol etoxilado, cuando la emulsión se
almacena a 45ºC;
La Fig. 11 muestra las relaciones de superficie
específica con respecto al tiempo de almacenamiento para emulsiones
que tienen 800 ppm de monoetanolamina, 20 ppm de iones sodio, y
diferentes concentraciones de tridecanol etoxilado, cuando la
emulsión se almacena a 45ºC;
La Fig. 12 muestra la relación entre la
superficie específica y el tiempo de almacenamiento para emulsiones
que tienen 800 ppm de monoetanolamina, 20 ppm de iones sodio, y
diferentes concentraciones de tridecanol etoxilado, cuando la
emulsión se almacena a 25ºC;
La Fig. 13 muestra la distribución del tamaño de
gota para una emulsión que tiene 800 ppm de monoetanolamina, 20 ppm
de iones sodio, y 1.000 ppm de tridecanol etoxilado, en el día 0 y
en el día 30 después de almacenar a 25ºC;
La Fig. 14 ilustra la distribución del diámetro
de gota para una emulsión que tiene 800 ppm de monoetanolamina, 20
ppm de iones sodio, y 1.000 ppm de tridecanol etoxilado, en el día
0 y en el día 30 después de almacenar a 45ºC;
La Fig. 15 ilustra la viscosidad en el tiempo
para emulsiones que tienen 800 ppm de monoetanolamina, 20 ppm de
iones sodio, y diferentes concentraciones de tridecanol etoxilado,
durante el almacenamiento a 25ºC; y
\newpage
La Fig. 16 muestra la relación entre viscosidad y
tiempo para emulsiones que tienen 800 ppm de monoetanolamina, 20
ppm de iones sodio, y diferentes concentraciones de tridecanol
etoxilado, durante el almacenamiento a 45ºC.
La invención se refiere a una emulsión de
hidrocarburo en agua estable, y a un método para formar emulsiones
utilizando el aditivo tensioactivo para activar el tensioactivo
natural contenido en el hidrocarburo.
De acuerdo con la invención, se forman y
proporcionan emulsiones estables de hidrocarburo en agua utilizando
un aditivo tensioactivo que resulta conveniente tanto económica
como medioambientalmente. Emulsiones preferidas son aquéllas que se
forman de un hidrocarburo bitumen, idealmente bitumen tal como
bitumen "Cerro Negro", que incluye tensioactivos naturales. El
aditivo tensioactivo sirve, de manera conveniente, para activar los
tensioactivos naturales del bitumen para formar la emulsión de
hidrocarburo en agua deseada y, adicionalmente, sirve para
estabilizar la emulsiones contra factores tales como variaciones
del pH y/o salinidad de la fase acuosa.
Una fase de hidrocarburo típica para utilizar
según la presente invención es un bitumen "Cerro Negro", que
exhibe típicamente una composición como la que se representa en la
Tabla 1:
| Componentes | |
| Gravedad API | 8,1 |
| Saturados (%) | 29,4 |
| Aromáticos (%) | 35,6 |
| Resina (%) | 18,9 |
| Asfalteno | 16,1 |
| Ácido (mg KOH/g) | 3,02 |
| Carbono (%) | 80,3 |
| Hidrógeno (%) | 9,9 |
| Nitrógeno (ppm) | 6188 |
| Azufre (%) | 3,7 |
| Vanadio (ppm) | 367,4 |
| Níquel (ppm) | 95,5 |
| Sodio (ppm) | 11,8 |
| Residuos de Conradson (%) | 17,2 |
| Contenido en agua (%) | 0,1 |
El bitumen como el que se describe en la anterior
Tabla 1 se utiliza en la preparación de una emulsión de hidrocarburo
en agua, comercializada por Bitor, S.A., bajo la marca registrada
Orimulsion, y esta emulsión es adecuada para la combustión en forma
de combustible líquido y otros usos finales, tales como transporte a
una refinería para posterior procesamiento y similares. De acuerdo
con la presente invención, se proporciona una emulsión similar
utilizando un aditivo tensioactivo que ofrece una emulsión con
propiedades reológicas y estabilidad adecuadas, siendo dicho aditivo
apto desde los puntos de vista económico y medioambiental.
Adicionalmente, aunque se ha observado que las
emulsiones formadas de manera convencional son sensibles al
contenido en electrolitos en el agua de la emulsión mayor que 10
ppm, las emulsiones formadas con el empleo del aditivo tensioactivo
se pueden preparar usando agua con un contenido en electrolitos de
hasta 100 ppm. Esto permite, convenientemente, el uso de un espectro
más amplio de agua para preparar la emulsión de la presente
invención.
La mayor parte del material hidrocarburo viscoso
que se encuentra en la naturaleza, incluido el bitumen "Cerro
Negro" descrito anteriormente, contiene tensioactivos inactivos,
entre los que se incluyen ácidos carboxílicos, fenoles y ésteres
que, bajo condiciones apropiadas, se pueden activar como
tensioactivos. El aditivo tensioactivo activa estos tensioactivos
naturales, que sirven, adicionalmente, para estabilizar la emulsión
formada con el uso de los tensioactivos naturales, de modo que
reducen la sensibilidad de la emulsión a las variaciones del pH y
de la salinidad del agua. Además, el aditivo tensioactivo se puede
utilizar para sustituir aditivos tensioactivos medioambientalmente
indeseables, tales como el alquilfenol etoxilado.
El aditivo tensioactivo comprende una amina y un
alcohol etoxilado. De acuerdo con la invención, se ha observado que
la amina activa los tensioactivos naturales del bitumen, y que la
porción de alcohol etoxilado sirve para estabilizar la emulsión y
reducir la sensibilidad de la emulsión a las variaciones de pH y a
los cambios de salinidad en la fase acuosa de la emulsión.
Adicionalmente, tal como se pondrá de manifiesto seguidamente, el
aditivo tensioactivo se puede usar para proporcionar emulsiones
estables empleando cantidades de amina y porciones de alcohol
suficientemente pequeñas, de manera que el aditivo tensioactivo
también resulta conveniente desde el punto de vista económico.
De acuerdo con la invención, la amina se
selecciona, preferentemente, del grupo consistente en
monoetanolamina, etilendiamina, etilamina, dietilamina,
trietilamina, propilamina, sec-propilamina,
dipropilamina, iso-propilamina, butilamina,
sec-butilamina, hidróxido de tetrametilamonio,
hidróxido de tetrapropilamonio, y sus mezclas. Preferentemente, la
amina es una etanolamina y, de forma especialmente preferida,
monoetanolamina.
El componente alcohol etoxilado del aditivo
tensioactivo de la presente invención se selecciona,
preferentemente, del grupo consistente en C12-C14
polietoxilados, C16-C18 polietoxilados saturados,
C16-C18 polietoxilados insaturados, y sus mezclas y,
de forma especialmente preferida, tridecanol polietoxilado
(C13).
Un alcohol etoxilado particularmente adecuado
para utilizar de acuerdo con la presente invención es un tridecanol
polietoxilado comercializado por Hoechst de Venezuela bajo la marca
registrada Genapol X-159, que posee las siguientes
propiedades físicas: equilibrio hidrófilo y lipófilo de 15,4;
número medio de moles, óxido de etileno, de 15; punto de opacidad
de 83º; activo en 90%.
Según la invención, la emulsión se suministra
preferentemente con un aditivo tensioactivo que incluye amina en una
cantidad de al menos 300 partes por millón (ppm) (en peso), y con
alcohol etoxilado en una cantidad de al menos 100 ppm (en peso) con
respecto a la fase de hidrocarburo. Más preferentemente, se ha
encontrado que la amina es particularmente eficaz en una cantidad
entre 500 ppm y 1500 ppm y, de forma especialmente preferida, de 800
ppm. El alcohol etoxilado se encuentra presente, preferentemente, en
una cantidad entre 100 ppm y 3000 ppm y, de manera especialmente
preferida, entre 500 ppm y 1500 ppm, también sobre la base del peso
con respecto a la fase de hidrocarburo.
Como se ha señalado anteriormente, para la fase
acuosa se puede utilizar agua con un contenido en electrolitos
mayor que 10 ppm, y de hasta 100 ppm (en peso), con respecto a la
fase acuosa, proporcionando, de esta forma y de manera ventajosa,
una mayor gama de agua adecuada para producir la emulsión. El
aditivo tensioactivo de la presente invención sirve para mantener
la estabilidad de la emulsión, a pesar de la presencia de un mayor
contenido en electrolitos.
Las emulsiones según la invención se
proporcionan, preferentemente, con una relación de fase de
hidrocarburo o de bitumen a la fase acuosa de entre 90:10 hasta
70:30. Como se analizará más adelante, en relación con el
procedimiento de preparación de la emulsión, se prefiere preparar
una emulsión intermedia que posee una relación de 85:15, diluyendo
subsiguientemente la emulsión a una relación de 70:30. Estas
relaciones se basan en el volumen de hidrocarburo y agua.
La emulsión final de la presente invención tiene,
preferentemente, un tamaño medio de gota menor o igual a 30
micrómetros, y una viscosidad a 30ºC y 1 seg^{-1} menor o igual a
1500 cp.
La emulsión de la presente invención se forma
mezclando el bitumen con una fase acuosa o de agua y el aditivo
tensioactivo, con una energía de mezcla suficiente, y proporcionar
una emulsión de la fase discontinua de bitumen en la fase acuosa
continua, con un tamaño de gota y viscosidad deseables.
Según una realización de la invención, se ha
observado que la estabilidad de la emulsión resultante se ve
potenciada por la formación de la emulsión en un procedimiento de
dos etapas, en el que la primera etapa comprende mezclar la fase de
hidrocarburo o bitumen con una porción de la fase de agua, con un
contenido en electrolitos menor o igual a 10 ppm, y el aditivo
tensioactivo, generando, de este modo, una emulsión intermedia. En
una segunda etapa subsiguiente, la emulsión intermedia se diluye con
el resto de la fase acuosa o de agua deseada, que puede tener un
contenido mayor en electrolitos, de hasta 100 ppm, proporcionando
así la emulsión de hidrocarburo en agua estable, final y deseada,
de acuerdo con la presente invención.
En el procedimiento de dos etapas, la etapa de
formación de la emulsión intermedia se puede llevar a cabo de modo
que se proporciona la emulsión intermedia con una relación de
bitumen a agua, en volumen, de 90:10, más preferentemente de 85:15,
y la etapa de dilución incluye, preferentemente, diluir la emulsión
intermedia hasta una relación final de hidrocarburo a agua, en
volumen, de 70:30.
De acuerdo con la invención, el aditivo
tensioactivo incluye, en sí mismo, una amina y un alcohol etoxilado,
preferentemente en una relación de la porción amina a la porción de
alcohol etoxilado de entre 5:1 y 1:2, más preferentemente 2:1 hasta
1:2.
Como se ha señalado anteriormente, el
procedimiento de la presente invención produce una emulsión que
tiene una estabilidad potenciada y una sensibilidad reducida a las
variaciones de pH y salinidad, así como a un contenido en
electrolitos mayor del agua de emulsión.
La etapa o etapas de mezclado de la presente
invención se llevan a cabo, preferentemente, para suministrar
suficiente energía a la mezcla para proporcionar una emulsión que
posee las características físicas deseadas del producto final, en
especial tamaño de gota y viscosidad. En general, tamaños de gota
menores requieren una mayor energía de mezcla, mayores
concentraciones de aditivo tensioactivo, o ambas. De acuerdo con la
invención, la emulsión se mezcla, preferentemente, con suficiente
energía de mezcla para dar un tamaño medio de gota de 30 \mum o
menor. Una emulsión de este tipo tendrá una viscosidad menor que
1500 cp a 30ºC y 1 seg^{-1}. Por ejemplo, se puede utilizar una
mezcladora convencional para mezclar la emulsión a una velocidad de
al menos 500 rpm.
El aditivo tensioactivo de amina y alcohol
etoxilado es adecuado, según la invención, para formar emulsiones
estables con propiedades reológicas deseadas, utilizando cantidades
de amina y de alcohol etoxilado significativamente menores que las
necesarias para formar una emulsión con cualquiera de las porciones
del aditivo sola. Además, en la emulsión formada de acuerdo con la
presente invención, disminuye la sensibilidad de la emulsión a
variaciones de pH, concentración de sales bivalentes y/o al
contenido en electrolitos, que constituye un problema
característico en las emulsiones formadas mediante la activación de
tensioactivos naturales del bitumen.
Los siguientes ejemplos ilustran adicionalmente
los aspectos y características ventajosos de la emulsión y del
procedimiento para formar una emulsión con un aditivo tensioactivo,
según la presente invención.
Este Ejemplo ilustra la tensión interfacial
mejorada que exhibe un sistema con una interfase que utiliza
monoetanolamina (MEA) y tridecanol etoxilado según la invención
(bitumen/H_{2}O MEA/Na/tridecanol etoxilado), en comparación con
un sistema con una interfase que utiliza sólo tridecanol etoxilado
(bitumen/H_{2}O tridecanol etoxi-
lado).
lado).
La interfase (bitumen/H_{2}O MEA/Na/tridecanol
etoxilado) se preparó utilizando 4533 mg/l de MEA, con 20 mg/l de
Na^{+} en el agua de formación, y con cantidades crecientes de
tridecanol polietoxilado, y se analizó la tensión interfacial
empleando un tensiómetro interfacial de gota rotatorio diseñado por
la Universidad de Tejas y designado UTSDT-500.
Asimismo, se analizó la interfase (bitumen/H_{2}O tridecanol
etoxilado) con cantidades crecientes de tridecanol etoxilado. Con
referencia a la Figura 1, se presenta la tensión interfacial para
el sistema fabricado con el uso exclusivo de tridecanol etoxilado,
y para el sistema preparado utilizando el aditivo tensioactivo según
la presente invención, que incluye tridecanol etoxilado y
monoetanolamina. Como se muestra, el aditivo tensioactivo
proporciona, de manera ventajosa, una tensión interfacial
sustancialmente menor que la proporcionada por tridecanol etoxilado
solo. La Figura 1 muestra, igualmente, que por encima de
determinados niveles, la tensión interfacial para ambos sistemas se
torna sustancialmente estable, independientemente de las cantidades
en aumento de tridecanol
etoxilado.
etoxilado.
La Figura 2 muestra la tensión interfacial para
sistemas preparados de la forma anteriormente descrita, que tienen
cantidades variables de monoetanolamina e hidróxido sódico
(Na^{+}) en el agua de formación, y 5667 ppm de tridecanol
polietoxilado en el agua de dilución. Para el sistema representado
en la Figura 2, los iones sodio estuvieron presentes en una
concentración de 281 partes por millón, sobre la base de la fase
acuosa. Las concentraciones de monoetanolamina y tridecanol
polietoxilado se indican en términos de partes por millón en peso,
con respecto al agua, en la emulsión 85:15.
Las mediciones de tensión interfacial se
realizaron a 60ºC. Como se observa, para valores de monoetanolamina
de 1000 ppm y superiores, la tensión interfacial es sustancialmente
constante con 0,2 dinas/cm.
Se preparó una serie de emulsiones, utilizando
una paleta de Rushton acoplada con un motor de pH de Heidoi. Las
emulsiones se formaron utilizando bitumen "Cerro Negro"
reconstituido, como se ha descrito anteriormente en la Tabla 1. Las
emulsiones se formaron con una relación inicial de bitumen:agua de
85:15, a una temperatura de formación de 60ºC, mezclando a 200 rpm
durante dos minutos, seguido de 1500 rpm durante un minuto. Después
de haber formado las respectivas emulsiones, las emulsiones 85:15
se diluyeron hasta una emulsión final con una relación de
bitumen:agua de 70:30. EN un primer grupo de emulsiones, éstas se
prepararon agregando tridecanol polietoxilado al agua de formación,
a concentraciones de 500, 1000 y 1500 ppm, en combinación con 800
ppm de monoetanolamina. Estas concentraciones se indican en términos
de ppm en peso con respecto a la fase de
bitumen.
bitumen.
Se preparó un segundo grupo de emulsiones
agregando monoetanolamina al agua de formación, junto con una fuente
de hidróxido sódico, y agregando, subsiguientemente, tridecanol
etoxilado en la porción de dilución del agua. Se prepararon
emulsiones que tuvieron 0, 150, 250, 350, 550, 1000 y 1500 ppm de
tridecanol polietoxilado por cada 600 y 800 ppm de monoetanolamina,
y se prepararon, también, con 1000 ppm de tridecanol etoxilado con
300, 400 y 500 ppm de monoetanolamina. En cada caso, se agregó
hidróxido sódico al agua de formación a una concentración de 20 ppm
de iones sodio, con respecto a la emulsión final.
Se determinaron el diámetro medio de gota y las
distribuciones de los diámetros de gota en las emulsiones
preparadas de la forma indicada. La Figura 3 muestra el tamaño de
gota para una emulsión 85:15 formada utilizando sólo monoetanolamina
con 20 ppm de iones sodio en el agua de formación. Se demuestra que
a concentraciones de monoetanolamina de 800 ppm o más, se forma una
emulsión que tiene un diámetro medio de gota menor que 15 \mum.
Sin embargo, tras la dilución de estas emulsiones con agua fresca
hasta la relación final deseada de bitumen:agua de 70:30, el
diámetro medio de gota de estas emulsiones aumentó de manera
indeseable. Sin atenerse a ninguna teoría, se cree la adición de
agua fresca determina un descenso del pH de la fase acuosa y,
además, que el agua fresca que contiene una cierta cantidad de
electrolitos Ca^{2+} da como resultado un descenso de la
actividad del tensioactivo natural del bitumen.
La Figura 4 muestra el diámetro medio de gota de
las emulsiones intermedias, preparadas de la forma anteriormente
descrita, con una relación de 85:15, y de una emulsión final con
una relación de 70:30, para emulsiones formadas utilizando 800 ppm
de monoetanolamina y 20 ppm de iones sodio en el agua de formación,
y cantidades variables de tridecanol etoxilado en el agua de
dilución. Como se muestra, la emulsión final 70:30 proporcionó
diámetros medios de gota deseables de aproximadamente 15 \mum con
un nivel de tridecanol etoxilado de 200 ppm y superiores. Cabe
destacar que el valor del diámetro medio de gota para la emulsión
70:30 con 0 ppm de tridecanol etoxilado, es de aproximadamente 30
\mum.
La Figura 5 muestra la distribución del tamaño de
gota para emulsiones finales que tienen una relación, en volumen,
de bitumen:agua de 70:30 para dos emulsiones: una preparada con 800
ppm de monoetanolamina y 20 ppm de iones sodio en el agua de
formación, y 1000 ppm de tridecanol etoxilado en el agua de
dilución, y la otra preparada con 800 ppm de etanolamina y 20 ppm
de iones sodio en el agua de formación, y 0 ppm de tridecanol
etoxilado en el agua de dilución. Como se observa, la emulsión
formada de acuerdo con la presente invención, utilizando el aditivo
tensioactivo, exhibe una distribución de tamaño de gota bastante
más estrecha y más deseable.
Este Ejemplo demuestra la estabilidad dinámica de
emulsiones formadas de acuerdo con la presente invención. Se preparó
una serie de emulsiones según la presente invención, que se
sometieron a cizallamiento a una velocidad de 5000 rpm durante 60
min, a una temperatura de 30ºC. Durante este tiempo, se tomaron
muestras cada 5 minutos durante los primeros 20 minutos, y, a
continuación, cada 10 minutos, analizando las muestras para
determinar la distribución y el diámetro medio de gota, así como la
viscosidad, antes y después del cizallamiento. Las mediciones de
viscosidad se efectuaron usando un viscosímetro modelo Haaje RV 20
con cilindros concéntricos del tipo MV-1. La
distribución del diámetro medio de gota se determinó empleando un
analizador de partículas (Mastersize/E. Malvern), y el cizallamiento
se aplicó usando una mezcladora (T.K. Mixing Analyzer
MA-2500), con una hoja de alta viscosidad. Con
respecto a la Figura 6, se ilustran los resultados de la
estabilidad dinámica, empleando una emulsión final de relación
70:30, que se preparó usando 800 ppm de monoetanolamina y 20 ppm de
iones sodio en el agua de formación, y que se diluyó con agua fresca
que contuvo tridecanol etoxilado en concentraciones entre 150 y
1500 ppm. Los resultados de estas mediciones se representan también
en la siguiente
Tabla 2.
Tabla 2.
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\vskip1.000000\baselineskip
Con respecto a la Figura 6, resulta evidente que
la relación del diámetro final de gota al diámetro inicial de gota
Df/Di se mantiene sustancialmente constante durante el período de
mezcla, como se desea, lo que indica una emulsión estable.
En cuanto a la Figura 7, se obtuvieron resultados
similares para una emulsión formada según el mismo procedimiento,
pero con un contenido en monoetanolamina de 600 ppm. La siguiente
Tabla 3 contiene también estos datos.
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\vskip1.000000\baselineskip
Como se muestra en la Figura 7, la relación Df/Di
sigue siendo sustancialmente constante cuando se utilizan 600 ppm de
etanolamina. También, haciendo referencia a las Tablas 2 y 3, los
valores de viscosidad final son aceptablemente próximos a la
viscosidad inicial, antes de la aplicación del cizallamiento.
La Figura 8 y la siguiente Tabla 4 muestran datos
adicionales para emulsiones preparadas y analizadas del modo
anteriormente descrito, utilizando concentraciones de tridecanol
etoxilado de 1000 ppm en dilución, y 20 ppm de Na^{+} en el agua
de formación, con monoetanolamina en concentraciones de 300, 400 y
500 ppm.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Con respecto a la Figura 8, es evidente que la
relación Df/Di se mantiene sustancialmente constante para los
diversos niveles analizados de monoetanolamina. Además, la Tabla 4
muestra que los valores de viscosidad inicial y final son también
aceptablemente próximos a los niveles iniciales de viscosidad.
Las emulsiones analizadas de acuerdo con las
Figuras 6-8 demuestran claramente que las emulsiones
de bitumen en agua formadas utilizando el aditivo tensioactivo, y
conforme con el procedimiento de la presente invención, dan como
resultado emulsiones que tienen una elevada estabilidad dinámica
sobre grandes variaciones tanto de monoetanolamina como de
tridecanol etoxilado. Este hecho es ventajoso, puesto que se ofrece
un elevado grado de flexibilidad operativa que permite la selección
de niveles de monoetanolamina y/o de tridecanol etoxilado adecuados
para otras características deseadas de la emulsión.
Este Ejemplo ilustra la estabilidad estática de
emulsiones preparadas de acuerdo con la presente invención. Se
prepararon emulsiones que tuvieron diversos contenidos en
monoetanolamina, iones sodio y tridecanol polietoxilado, conforme
con el procedimiento de la presente invención, y se almacenaron en
recipientes de vidrio herméticamente cerrados en baños
termostáticos a 25ºC y 45ºC. A intervalos regulares de tiempo, se
tomaron muestras de los recipientes, que se analizaron para
determinar las distribuciones de los diámetros de gota, el diámetro
medio de gota, y la viscosidad, utilizando los equipos
anteriormente mencionados.
Las Figuras 9 y 10 muestran, respectivamente, el
diámetro medio de gota en función del tiempo de almacenamiento para
emulsiones formadas que tienen 800 ppm de monoetanolamina, 20 ppm
sodio procedente de hidróxido sódico, y 500, 1000 y 1500 ppm de
tridecanol etoxilado, almacenadas respectivamente a 25ºC y 45ºC. Las
Figuras 9 y 10 muestran un ligero incremento del diámetro medio de
gota durante el primer día, seguido por un diámetro medio de gota
sustancialmente estable durante el resto del período de
almacenamiento.
También se midió la superficie específica de las
emulsiones, cuyos resultados se recogen en la Figura 11 para el
almacenamiento a 45ºC, y en la Figura 12 para el almacenamiento a
25ºC. Como se ve en estas figuras, las emulsiones preparadas de
acuerdo con la presente invención exhiben una superficie específica
sustancialmente constante durante todo el período de almacenamiento,
lo que indica escasa o nula coalescencia y, por consiguiente, una
excelente estabilidad de la emulsión.
Las Figuras 13 y 14 muestran la distribución de
gotas para emulsiones formadas utilizando 800 ppm de monoetanolamina
y 20 ppm de iones sodio en el agua de formación, y 1000 ppm de
tridecanol etoxilado en el agua de dilución, almacenándose las
emulsiones a 25ºC y 45ºC, respectivamente. Como se puede observar,
la distribución del día 30 no ha variado de manera significativa de
la medida el día 0, indicando, es esta manera, que las emulsiones
formadas de acuerdo con la presente invención poseen una excelente
estabilidad.
Por último, en las Figuras 15 y 16 se muestra la
viscosidad de emulsiones formadas de acuerdo con la presente
invención, con 800 ppm de monoetanolamina y 20 ppm de iones sodio
en el agua de formación, y diferentes concentraciones de tridecanol
etoxilado, en función del tiempo de almacenamiento para emulsiones
formadas, respectivamente a 25ºC y 45ºC. Las Figuras 15 y 16
demuestran que la viscosidad de las emulsiones formadas conforme con
la presente invención, y utilizando el aditivo tensioactivo,
aumenta ligeramente durante el día de inicio, estabilizándose a
continuación hasta un valor prácticamente constante a partir del
segundo día de almacenamiento. El incremento inicial de viscosidad
se puede atribuir a la tendencia natural a la floculación que
muestran los sistemas dispersos, siendo la viscosidad
sustancialmente constante resultante un indicador de una emulsión
esta-
ble.
ble.
Este Ejemplo ilustra la estabilidad de las
emulsiones según la presente invención, en las que el agua de
emulsión tiene niveles de electrolitos mayores que 10 ppm y de
hasta 100 ppm.
Se prepararon emulsiones de acuerdo con la
invención, utilizando agua de emulsión que contuvo niveles de
electrolitos de 20 ppm, 40 ppm y 60 ppm de Mg^{2+}. Las
emulsiones se formaron de acuerdo con el procedimiento de la
presente invención, usando 800 ppm de monoetanolamina y 1000 ppm de
tridecanol etoxilado. En las emulsiones formadas de este modo se
analizó, entonces, la estabilidad estática durante el tiempo de
almacenamiento, a temperaturas de almacenamiento de 30ºC y 45ºC. Los
resultados de estos ensayos se representan en la siguiente
Tabla 5.
Tabla 5.
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\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
Como se muestra en la anterior Tabla 5, las
emulsiones formadas de acuerdo con la invención, utilizando agua de
dilución que tiene niveles de electrolitos de 20, 40 y 60 ppm de
Mg^{2+}, exhiben una excelente estabilidad estática, como lo
demuestra el diámetro de gota sustancialmente constante, y la
viscosidad en el tiempo, tanto a 30ºC como a
45ºC.
45ºC.
Asimismo, se prepararon emulsiones según la
invención, utilizando agua de emulsión con diversos niveles de
electrolito, analizándose en estas emulsiones la estabilidad
dinámica.
Se preparó una serie de emulsiones según la
invención, utilizando 800 ppm de monoetanolamina y 1000 ppm de
tridecanol etoxilado, así como agua de emulsión con niveles de
electrolito de 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 y 100 ppm de
Mg^{2+}. Se analizó la estabilidad dinámica de las emulsiones
según el procedimiento expuesto en el anterior Ejemplo 3. La Tabla
6 muestra los resultados de estos ensayos.
Como se muestra en la anterior Tabla 6, las
emulsiones preparadas de acuerdo con la invención, utilizando
monoetanolamina y tridecanol etoxilado, exhiben una excelente
estabilidad para las emulsiones formadas usando agua de dilución que
tiene un contenido en electrolito mayor que 10 ppm de Mg^{2+} y
de hasta 100 ppm de Mg^{2+}.
Esto contrasta con las emulsiones formadas con el
uso de solamente monoetanolamina, las cuales no son estables cuando
se forman con un agua de emulsión que tiene un contenido en
electrolito de incluso 10 ppm de Mg^{2+}.
De esta forma, el presente Ejemplo demuestra
claramente la naturaleza ventajosa del procedimiento y del aditivo
tensioactivo, en el que se puede utilizar agua de dilución con un
nivel de electrolitos mayor que el normalmente aceptado.
Evidentemente, este hecho representa una ventaja económica, dado
que se pueden formar emulsiones según la presente invención sin el
gasto añadido de garantizar un suministro de agua con un nivel de
electrolitos menor que 10 ppm.
Los ejemplos anteriores demuestran,
adicionalmente, que las emulsiones, procedimiento y aditivo
tensioactivo proporcionan una emulsión de bitumen en agua estable,
con una muy elevada estabilidad y propiedades reológicas aceptables,
obtenidas gracias al uso de un aditivo tensioactivo, y que poseen
ventajosas características económicas y medioambientales. Además,
las emulsiones formadas de esta manera son estables y
sustancialmente menos sensibles a las variaciones de pH, salinidad
y/o contenido en electrolitos del agua, en comparación con
emulsiones estabilizadas empleando sólo monoetanolamina y el
tensioactivo natural del bitumen.
A la luz de lo anteriormente expuesto, resulta
evidente que, de acuerdo con la invención, se proporcionan una
emulsión y un procedimiento para formar la emulsión con el aditivo
tensioactivo que satisfacen de forma manifiesta los objetos y
ventajas anteriormente mencionados.
Esta invención se puede realizar de otras
maneras, o llevar a cabo de otras formas, sin apartarse de sus
características esenciales. La presente realización se debe
considerar, por lo tanto, como ilustrativa, y no restrictiva, en
todos los aspectos, en donde el alcance de la invención se indica
en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (22)
1. Una emulsión estable de hidrocarburo en agua,
que comprende
- una fase de hidrocarburo que contiene un tensioactivo natural;
- una fase acuosa con un contenido en electrolitos mayor que 10 ppm (en peso), y menor o igual a 100 ppm (en peso) con respecto a la fase acuosa; y
- un aditivo tensioactivo que comprende una amina y un alcohol etoxilado, en cantidades eficaces para activar dicho tensioactivo natural y estabilizar la emulsión, en donde dicha amina está presente en una cantidad mayor o igual a 300 ppm (en peso), y dicho alcohol etoxilado está presente en una cantidad mayor o igual a 100 ppm (en peso), con respecto a dicha fase de hidrocarburo.
2. Una emulsión según la reivindicación 1, en la
que dicha amina está presente en una cantidad entre 300 ppm (en
peso) y 1500 ppm (en peso), preferentemente en una cantidad de 800
ppm (en peso), con respecto a dicha fase de hidrocarburo.
3. Una emulsión según la reivindicación 1 ó 2, en
la que dicho alcohol etoxilado está presente en una cantidad entre
100 ppm (en peso) y 3000 ppm (en peso), preferentemente en una
cantidad entre 500 ppm (en peso) y 1500 ppm (en peso), con respecto
a dicha fase de hidrocarburo.
4. Una emulsión según una de las reivindicaciones
1 a 3, en la que dicha amina se selecciona del grupo consistente en
monoetanolamina, etilendiamina, etilamina, dietilamina,
trietilamina, propilamina, sec-propilamina,
dipropilamina, iso-propilamina, butilamina,
sec-butilamina, hidróxido de tetrametilamonio,
hidróxido de tetrapropilamonio, y sus mezclas.
5. Una emulsión según la reivindicación 1, en la
que dicha amina es una etanolamina.
6. Una emulsión según la reivindicación 1 ó 5, en
la que dicha amina es una monoetanolamina.
7. Una emulsión según una de las reivindicaciones
1 a 6, en la que dicho alcohol etoxilado se selecciona del grupo
consistente en C12-C14 polietoxilado,
C16-C18 polietoxilado saturado,
C16-C18 polietoxilado insaturado, y sus mezclas,
preferentemente en la que dicho alcohol etoxilado es tridecanol
polietoxilado (C13).
8. Una emulsión según una de las reivindicaciones
1 a 7, en la que dicha fase de hidrocarburo final es bitumen,
preferentemente bitumen "Cerro Negro".
9. Una emulsión según una de las reivindicaciones
1 a 8, en la que dicha fase de hidrocarburo final y dicha fase
acuosa están presentes en una relación en volumen de dicha fase de
hidrocarburo a dicha fase acuosa de entre 90:10 hasta 70:30.
10. Una emulsión según una de las
reivindicaciones 1 a 9, en la que dicha emulsión tiene un tamaño
medio de gota menor o igual a 30 micrómetros.
11. Un método para formar una emulsión estable de
hidrocarburo en agua, preferentemente una emulsión de hidrocarburo
en agua como se ha descrito en las reivindicaciones anteriores, que
comprende las etapas de:
- proporcionar una fase de hidrocarburo que contiene un tensioactivo natural;
- proporcionar una fase acuosa con un contenido en electrolitos mayor que 10 ppm (en peso) y menor o igual a 100 ppm (en peso), con respecto a dicha fase acuosa;
- mezclar dicha fase de hidrocarburo y dicha fase acuosa con un aditivo tensioactivo que comprende una amina y un alcohol etoxilado, en cantidades eficaces para activar dicho tensioactivo natural y estabilizar la emulsión, en donde dicha amina está presente en una cantidad mayor o igual a 300 ppm (en peso), y dicho alcohol etoxilado está presente en una cantidad mayor o igual a 100 ppm (en peso), con respecto a dicha fase de hidrocarburo.
12. Un método según la reivindicación 11, en el
que dicha amina está presente en una cantidad entre 300 ppm (en
peso) y 1500 ppm (en peso), preferentemente en una cantidad de 800
ppm (en peso), con respecto a dicha fase de hidrocarburo.
13. Un método según la reivindicación 11 ó 12, en
el que dicho alcohol etoxilado está presente en una cantidad entre
100 ppm (en peso) y 3000 ppm (en peso).
\newpage
14. Un método según una de las reivindicaciones
11 a 13, en el que dicho alcohol etoxilado está presente en una
cantidad entre 500 ppm (en peso) y 1500 ppm (en peso), con respecto
a dicha fase de hidrocarburo.
15. Un método según una de las reivindicaciones
11 a 14, en el que dicha amina se selecciona del grupo consistente
en monoetanolamina, etilendiamina, etilamina, dietilamina,
trietilamina, propilamina, sec-propilamina,
dipropilamina, iso-propilamina, butilamina,
sec-butilamina, hidróxido de tetrametilamonio,
hidróxido de tetrapropilamonio, y sus mezclas.
16. Un método según una de las reivindicaciones
11 a 15, en el que dicha amina es una etanolamina, preferentemente
monoetanolamina.
17. Un método según una de las reivindicaciones
11 a 16, en el que dicho alcohol etoxilado se selecciona del grupo
consistente en C12-C14 polietoxilado,
C16-C18 polietoxilado saturado,
C16-C18 polietoxilado insaturado, y sus mezclas,
preferentemente en el que dicho alcohol etoxilado es tridecanol
polietoxilado (C13).
18. Un método según una de las reivindicaciones
11 a 17, en el que dicha fase de hidrocarburo es bitumen "Cerro
Negro".
19. Un método según una de las reivindicaciones
11 a 18, en el que dicha fase de hidrocarburo y dicha fase acuosa
están presentes en una relación en volumen de dicha fase de
hidrocarburo a dicha fase acuosa de entre 90:10 hasta 70:30.
20. Un método según una de las reivindicaciones
11 a 19, en el que dicha etapa de mezcla comprende mezclar dicha
fase de hidrocarburo con una porción de dicha fase acuosa, que
tiene un contenido inicial en electrolitos menor o igual a 10 ppm
(en peso), y dicho aditivo tensioactivo para activar dicho
tensioactivo natural y formar una emulsión intermedia y,
subsiguientemente, diluir dicha emulsión intermedia con un resto de
dicha agua, que tiene un contenido secundario en electrolitos mayor
que 10 ppm (en peso) y menor o igual a 100 ppm (en peso), para
diluir dicha emulsión intermedia y proporcionar una emulsión final
de hidrocarburo en agua.
21. Un método según la reivindicación 20, en el
que dicha emulsión intermedia tiene una relación de fase de
hidrocarburo a fase acuosa, en volumen, de 85:15, y dicha emulsión
de hidrocarburo en agua tiene una relación de fase de hidrocarburo a
fase acuosa de 70:30.
22. Un método según una de las reivindicaciones
11 a 21, en el que dicha etapa de mezcla proporciona una emulsión
final de hidrocarburo en agua que tiene un tamaño medio de gota
menor o igual a 30 micrómetros.
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