análise da viabilidade técnico-econômica nos métodos de

09 a 11 de dezembro de 2015
Auditório da Universidade UNIT
Aracaju - SE
ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA NOS MÉTODOS DE TRATAMENTO
DE ÁGUA PRODUZIDA
ID 115
Ronnie Matos Tavares Feitosa1, Lílian Lima Bomfim2, Yasmin Pires Rocha3, Talita Rebeca Cardoso Souza4, Gildson Farias
Santos5, Lindsay Araújo Goes6, Iasmin Souza Cruz7, Maria das Graças da Silva Correia8.
1
Graduando em Engenharia de Petróleo da Universidade Tiradentes, Aracaju, Brasil, [email protected];
Graduando em Engenharia de Petróleo da Universidade Tiradentes, Aracaju, Brasil, [email protected];
3
Graduando em Engenharia de Petróleo da Universidade Tiradentes, Aracaju, Brasil, [email protected];
4
Graduando em Engenharia de Petróleo da Universidade Tiradentes, Aracaju, Brasil, [email protected];
5
Graduando em Engenharia de Petróleo da Universidade Tiradentes, Aracaju, Brasil, [email protected];
6
Graduando em Engenharia de Petróleo da Universidade Tiradentes, Aracaju, Brasil, [email protected];
7
Graduando em Engenharia de Petróleo da Universidade Tiradentes, Aracaju, Brasil, [email protected];
8
Professor da Universidade Tiradentes, Aracaju, Brasil, [email protected].
2
Resumo
A água está presente como um dos principais fluidos produzidos e ao mesmo tempo como um dos principais problemas na
indústria petrolífera. É obtida durante a extração do petróleo, e com o tempo, sua quantidade tende a aumentar à medida que
os campos petrolíferos se tornam maduros. Esta pode ser livre, emulsionada ou dissolvida. A água produzida (AP) é
altamente salina, podendo ultrapassar a salinidade marinha, gerando sérios problemas. Por ser um dos principais subprodutos
da exploração do petróleo, seu gerenciamento se constitui em um enorme desafio para as empresas petrolíferas, pois, um
descarte inapropriado, poderá gerar sérios danos à natureza, como a poluição em rios, mares, lagos, contaminação em
aquíferos e do solo, danos à flora e à fauna. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo apresentar as resoluções de alguns
órgãos regulamentadores sobre os teores de resíduos que devem estar presentes na AP e uma revisão sobre o tratamento da
água produzida, mostrando as principais tecnologias para o tratamento da mesma. A metodologia aplicada constou da
aplicação de Pesquisa Bibliográfica merecendo destaque as buscas nas bibliotecas, Pergamum e Virtual, da Universidade
Tiradentes para construção do estado da arte. Alguns dos mecanismos mais utilizados por essas empresas são: segregação
gravitacional, filtração, absorção, coagulação e floculação a gás dissolvido e a gás induzido. Os processos de separação por
membranas (PSM) têm se mostrado capazes de tratar efluentes que apresentam elevados teores de óleo em emulsão e de
partículas com tamanhos médios e pequenos, competindo, assim, com tecnologias de tratamento mais complexas. O
tratamento de AP se julga necessário para enquadrá-la nos níveis de exigências dos padrões ambientais, juntamente com os
benefícios de uma recuperação adicional do óleo presente.
Palavras-chave: água produzida, petróleo, tratamento.
1.
INTRODUÇÃO
Atualmente o petróleo tem uma importância fundamental na vida da sociedade. O petróleo é constituído por centenas de
substancias químicas, embora a maioria dos constituintes sejam hidrocarbonetos. Seus derivados estão ligados a varias
1
manufaturas de inúmeros bens de consumo, além de estarem presentes como uma das principais fontes de energia não
renováveis. [1-2].
Um dos principais subprodutos da exploração do petróleo é a água de produção, ou a chamada água produzida [3].
Segundo Thomas (2004), na indústria do petróleo a geração de resíduos é inevitável destacando a quantidade de efluentes
gerados em todas as etapas do processo de produção: extração, transporte e refino.
“A produção excessiva de água é um problema sério nos campos de petróleo maduros, isto é, nos campos que têm
permanecido em operação por um longo período de tempo” [4]. Isso se dá pelo fato que, por ser o investimento caro, é
preciso desenvolver tecnologias mais rentáveis para poder tratá-la de modo que atenda às exigências do CONAMA sem ter
um elevado custo operacional. De acordo com Thomas (2004), o tratamento de água produzida visa à redução do TOG (teor
de óleos e graxas) presente na emulsão para condicionar a mesma para reinjeção ou descarte.
O derrame de água produzida de forma inadequada pode ocasionar sérios problemas ambientais, como a inibição do
crescimento das plantas, a contaminação de lençóis freáticos, o aumento da erosão e perda da superfície do solo [5].
Portanto é necessário que as indústrias, além de buscarem desenvolver métodos de tratamento de água produzida com
baixo custo operacional, possam conscientizar-se do grave problema que pode ser gerado pelo seu derrame, de modo que
possam fazer o uso da reutilização e da tecnologia limpa.
2.
OBJETIVOS
A partir de dados provenientes da bibliografia, o presente estado da arte visa analisar e estudar a eficiência de diferentes
processos de tratamento de água produzida e a uma relação custo-eficiência de cada método. Além de analisar os métodos
convencionais e apontar novos tipos de tecnologias para o tratamento de água produzida.
3.
METODOLOGIA
Para elaboração do estado da arte, o uso do meio virtual tornou-se imprescindível para a busca de artigos que tratassem
sobre o presente título. Junto a isso, o Pergamum da Universidade Tiradentes foi de grande importância para a construção do
mesmo.
4.
HISTÓRIA DO PETRÓLEO NO BRASIL
“A descoberta do petróleo no Brasil remonta aos anos 30. Esse período coincide com o esgotamento do modelo de
crescimento econômico pautado no setor agroexportador” [6]. Segundo Bezerra (2007), devido à escassez de tecnologias e
prospecção e exploração, algumas dificuldades foram encontradas, como por exemplo, o longo tempo para explorar minérios
no subsolo.
O campo de Carmópolis (SE), descoberto em 1963, representa a maior acumulação de petróleo bruto em terra da
Petrobras. O pico de produção foi alcançado em 1989 quando produziu 27 mil barris por dia (bpd). Como alternativa, em
dezembro de 2006 visando aumentar a produção diminuindo os custos foram feitos estudos e investimentos com o intuito de
aumentar os níveis de injeção de água, centralizar e racionalizar as instalações de injeção, produção e tratamento de água
produzida [7-8].
No dia 3 de outubro de 1953 foi sancionada pelo então Presidente da República, Getúlio Vargas, a Lei nº
2.004, que estabelecia o monopólio da União Federal sobre aquelas atividades relacionadas à indústria do
petróleo. Essa Lei autorizava ainda a criação de uma empresa estatal de petróleo, que seria responsável pela
execução do referido monopólio. Neste momento, nascia a Petróleo Brasileiro S.A - PETROBRAS,
constituída em 12 de março de 1954 [9].
5.
ÁGUA PRODUZIDA
A água produzida é assim chamada devido a ser toda a água carreada junto com o óleo durante a produção do petróleo.
Em geral, a quantidade que acompanha o gás é pequena, mas quantidades maiores acompanham o óleo na sua produção,
podendo alcançar proporções consideráveis, especialmente em enormes campos de produção de petróleo que se aproximam
do fim de suas vidas produtivas [10-11].
A produção do petróleo é geralmente acompanhada pela produção de água, muitas vezes com alta salinidade, gás,
sedimentos e outros contaminantes, que devem ser retirados para que o petróleo possa se adequar às normas especificadas
dentro de certos parâmetros para o envio às refinarias [12].
De acordo com Thomas (2004, p.264), “a quantidade de água produzida associada com o óleo varia muito, podendo
alcançar valores da ordem de 50% em volume ou até mesmo muito próximo de 100% ao fim da vida econômica do poço”.
2
Desse modo, observa-se então o desenvolvimento de pesquisas que visam recuperar a pequena parcela de óleo ainda restante
através do tratamento de água produzida.
A Água Produzida é potencialmente perigosa ao meio ambiente por causa dos vários elementos que a compõe e apresenta
de um modo geral, características muito corrosivas aos equipamentos de superfície e aos de subsuperfície, devido à elevada
salinidade e elevados teores de gases dissolvidos (H2S e CO2), sólidos em suspensão e óleo residual. A combinação de um ou
mais desses elementos e a quantidade e as características do local onde o efluente for descartado devem ser levados em conta
para avaliar um possível impacto ambiental. Poderá ocorrer poluição em rios, mares, lagos, contaminação em aquíferos e do
solo, danos à flora e à fauna [13-14-15].
Os componentes inorgânicos da água produzida são similares aos encontrados na água do mar [16]. Os elementos
inorgânicos mais abundantes são os íons cloreto, sódio, cálcio, magnésio, amônia e sulfeto. O mecanismo predominante da
origem do sulfeto nas águas de formação parece ser a atividade de bactérias redutoras de sulfato (BRS) [17].
6.
IMPACTO E LEGISLAÇÃO AMBIENTAL
O tratamento e o descarte inadequado de água produzida podem gerar danos significativos para os residentes, animais e
vegetação locais. A água produzida pode também conter elevados níveis de sal e, se lançada ao solo, pode ser extremamente
prejudicial ao crescimento das plantas nos ecossistemas locais [18-19].
Segundo Silva (2008) o impacto ambiental originado pelo descarte de água produzida é geralmente avaliado pela
toxicidade dos constituintes e pela quantidade de compostos orgânicos. O autor também comenta que em relação às
concentrações de óleos e graxas livres, o EPA (Environment Protection Agency) dos EUA estabelece como limite a média de
29 mg/L e o máximo diário de 42 mg/L.
A PARCOM (Convenção para Prevenção da Poluição Marinha de Origem Telúria) classifica os metais pesados dividindoos em duas listas. Uma é a chamada “lista negra”, que engloba substâncias altamente tóxicas, como mercúrio, o cádmio e
seus compostos. A outra é a “lista verde”, em que estão os compostos que necessitam de um estrito enquadradamento dentro
dos limites estabelecidos para descarte, e incluem outros metais pesados, alguns radinuclídeos e os hidrocarbonetos presentes
em níveis de mg/L [1].
A legislação brasileira [20] determina que o TOG máximo para o descarte de água produzida no mar seja de 20 mg/L, ou
seja, ela é mais restritiva que a de outros países. Entretanto é importante que também seja averiguado, além do TOG, outros
contaminantes como fenóis, amônia e sulfetos, entre outros presentes na legislação para o enquadramento ambiental [1].
7. MÉTODOS DE TRATAMENTO USUAIS DA ÁGUA PRODUZIDA
Há uma real necessidade em realizar o devido tratamento da água produzida a fim de enquadrar tal efluente em níveis de
exigência dos padrões ambientais [21]. Assim, segundo Thomas (2004), tal tratamento de água irá proporcionar uma
recuperação significativa do óleo ainda presente, e ainda permitirá o condicionamento da água produzida para ser
posteriormente injetada ou descartada.
Dentre os mecanismos de tratamento de água produzida usuais utilizados pela indústria de petróleo destacam-se a
segregação gravitacional, filtração, adsorção, coagulação e floculação convencionais; flotação e uso de hidrociclones. No
entanto, novas tecnologias vêm sendo desenvolvidas no intuito aperfeiçoar os métodos usuais citados ou de elaborar um novo
mecanismo de tratamento [21].
7.1.
MECANISMOS DE TRATAMENTO USUAIS
7.1.1.
SEGREGAÇÃO GRAVITACIONAL E FILTRAÇÃO
Tal método ocorre devido à decantação, processo ao qual se dá a separação de partículas sólidas suspensas e de óleo livre
na água através da ação da gravidade. Em seguida, realiza-se uma filtração convencional a fim de remover tais compostos
decantadados.
7.1.2.
ADSORÇÃO
“O fenômeno de adsorção é caracterizado pela habilidade de sólidos porosos reterem, através de interações físicas ou
químicas, as moléculas de um componente de uma mistura, separando assim os componentes dessa mistura” [22]. Desse
modo, na indústria de petróleo, são utilizados diversos adsorventes, mas dentre os principais destacam-se o carvão ativado, a
sílica-gel, a alumina ativada, as peneiras moleculares etc. [2-19].
3
7.1.3.
COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃO
A coagulação consiste em realizar a desestabilização das cargas das partículas desestabilidade das cargas. Através da
adição de produtos químicos específicos, ocorre a anulação das forças repulsivas [23]. Já a floculação será a aglutinação de
tais partículas em torno de núcleos formados pela coagulação. Desse modo, na indústria petroquímica, são utilizados como
coagulantes os polieletrólitos, policloreto de alumínio (PAC) [21].
7.1.4.
HIDROCICLONES
Segundo Thomas (2004), através da energia centrífuga gerada devido à forma como se dá o escoamento da água
produzida, uma boa parte do óleo presente é separada. Em tal equipamento, a água oleosa entra tangencialmente sob pressão
na câmara cilíndrica, como mostra a Figura 1. Assim, sob a ação da força centrífuga, água e sedimentos acumulam-se ao
redor das paredes, pelo fato de possuírem maior densidade e saem pelo orifício de menor diâmetro da seção cônica do
equipamento. Já o óleo, de menor densidade, migra em direção ao centro e é expelido pelo orifício de maior diâmetro.
Figura 1 – Esquema de funcionamento de um hidrociclone
FONTE: http://images.pennwellnet.com/ogj/images/ogj3/9712jve01.gif
7.1.5.
FLOTADOR A GÁS DISSOLVIDO
De acordo com Souza Filho (2002), a Flotação em si se baseia numa operação unitária a fim de proporcionar a separação
entre as fases líquidas. Sendo assim, a Flotação a gás dissolvido consiste em saturar previamente gás pressurizado na água
oleosa e então, dirigir tal mistura até a câmara de flotação, sob pressão atmosférica. Em tal tanque, existirá a presença de uma
válvula capaz de gerar bolhas com tamanhos expressivamente reduzidos (< 102 µm). Desse modo, como o óleo presente na
água é hidrofóbico, isso irá promover a adesão do mesmo na superfície das bolhas de ar e a posterior ascensão da nova fase
óleo-gás devido ao diferencial de densidade entre as fases [24]. A Figura 2 a seguir demonstra o esquema de funcionamento
do flotador a gás dissolvido.
Figura 2 – Funcionamento do Flotador a gás dissolvido
FONTE: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe1aIAG/tratamento-agua-descarte-reinjecao-almir-candido#
4
7.1.6.
FLOTADOR A GÁS INDUZIDO
Segundo Souza Filho (2002), tal mecanismo possui o mesmo princípio de funcionamento da flotação a gás dissolvido, no
entanto, as bolhas não são previamente dissolvidas no meio líquido e sim são diretamente injetadas na mistura. Tais bolhas
são geradas por meio do sistema mecânico ou hidráulico e as mesmas possuem diâmetro maior se comparado com as bolhas
formadas no mecanismo a gás dissolvido. O esquema da Figura 3 a seguir, mostra o funcionamento do flotador a gás
induzido.
Figura 3 – Funcionamento do Flotador a gás Induzido
FONTE: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe1aIAG/tratamento-agua-descarte-reinjecao-almir- candido#
8.
NOVAS TECNOLOGIAS PARA TRATAMENTO DE ÁGUA PRODUZIDA
Uma das principais tecnologias que vêm sendo estudadas faz referência ao uso de membranas para ultrafiltração de
partículas contidas na água produzida, inclusive o óleo emulsionado. Tais membranas, inclusive, são eficientes com relação a
gotas em que o diâmetro encontra-se na faixa de micrômetros e submicrômetros [25].
Outro avanço tecnológico está relacionado ao uso de materiais como a casca de noz como adsorventes naturais na
indústria petroquímica. Em filtros de casca de noz, a água é introduzida em um fluxo descendente onde o óleo é adsorvido e
sólidos suspensos são filtrados [2-26].
Além disso, vem sendo estudado o uso da Moringa oleífera Lam como agente de coagulação natural, ao qual o uso de
coagulantes ambientalmente corretos apresenta uma alternativa viável para o tratamento da água e têm demonstrado
vantagens em relação aos químicos, principalmente em relação à biodegrabilidade, baixa toxicidade e baixo índice de
produção de lodos residuais [19].
O uso da eletroquímica no tratamento de água também é outro método que está em contínuo desenvolvimento. Ela
permite que haja a transformação das partículas tóxicas em menos nocivas, por meio da própria ação do elétron através de
reações de óxido-redução [27].
Por fim, há o desenvolvimento do mecanismo da biorremediação para remoção do óleo presente na água produzida. Tal
método é baseado no uso de microorganismos que utilizam como fontes energéticas longas cadeias de carbono, e desse modo,
metabolizam os hidrocarbonetos presentes, transformando-os depois em gás carbônico e água para tratamentos aeróbios, ou
metano para tratamentos anaeróbios [28].
9.
RELAÇÃO CUSTO-EFICIÊNCIA NOS MÉTODOS DE TRATAMENTO DE ÁGUA PRODUZIDA
Fazendo então uma análise no mecanismo de ultrafiltração utilizando membranas, percebe-se a elevada eficiência em seu
uso, visto que ele é capaz de remover boa parte das emulsões óleo-água. No entanto, o custo de construção de tais membranas
é bastante alto, e outro problema recorrente é o fenômeno do fouling, caracterizado pela deposição de partículas retidas dentro
ou sobre a superfície das membranas [25].
Além do fato de que os adsorventes geralmente empregados pela indústria de petróleo, como sílica-gel e carvão ativado,
terem um custo relativamente à maioria deles são tóxicos e poluentes e alguns também são difíceis de serem reutilizados. Por
isso, o uso da casca de noz como meio adsorvente e filtrante mostra-se mais viável, pois o material é de baixo custo,
reaproveitável após sua utilização, e ecologicamente sustentáveis, sem comprometer o meio ambiente. O alto custo e a
5
toxicidade também são observados com relação aos coagulantes usuais utilizados pela indústria. E assim, a Moringa oleífera
Lam surge como solução, ao passo que propicia uma maior coalescência das gotículas de óleo e tem baixo custo [2-19].
O Hidrociclone, como forma de tratamento de água, tem seu uso bastante habitual na indústria. Isto se deve a
simplicidade em seu funcionamento, requerendo pouca manutenção e acompanhamento operacional. Contudo, o hidrociclone
apenas não é capaz de remover grande parte da emulsão de óleo, a fim de atender aos teores de óleo estabelecidos pela
legislação. Dessa forma, o uso apenas de hidrociclones para tratamento de água não se mostra suficiente, sendo necessária a
inserção de outros métodos a fim de que haja a eficiente redução nos teores de óleo [21].
Já com relação aos flotadores de gás, sua eficiência dependerá da distribuição dos diâmetros das gotas e das condições de
operação empregados. Sob esse aspecto, o Flotador a gás dissolvido mostra-se mais eficiente, pelo fato de o diâmetro de suas
bolhas estarem na faixa de micrômetros, entretanto, tal mecanismo necessita de mais espaço para acomodar seus
equipamentos, como compressores e tubulações de recirculação de gás. Devido a isso, em plataformas offshore, dá-se
preferência ao uso de flotador a gás induzido, que apesar de gerar maior diâmetro de bolhas, necessita de um espaço bem
menor para instalação de seus equipamentos [21-24].
10. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Esta pesquisa, de modo geral, sugere o uso de tecnologias limpas nos métodos de tratamento de água produzida, tendo
como base a relação custo-eficiência, já que na indústria petrolífera a formação de resíduos é inevitável devido a quantidade
de efluentes em todo processo de produção.
O tratamento de água produzida se julga de necessária realização para enquadra-la nos níveis de exigências dos padrões
ambientais, juntamente com os benefícios de uma recuperação adicional do óleo presente.
Os resultados da pesquisa comprovam que de fato o objetivo foi alcançado, tendo em vista os novos mecanismos que vem
sendo estudados, como a casca de noz, que além de ser viável economicamente, pode ser reutilizada, e sem trazer prejuízos
ao ambiente. Em ambientes offshore, o mecanismo mais utilizado são os flotadores a gás induzido, pois necessita de pouco
espaço na instalação de seus equipamentos, já que os flotadores a gás dissolvido necessitam de mais espaços para
acondicionar seus equipamentos. O uso de tais métodos comprova que é possível reduzir os custos operacionais e ao mesmo
tempo estar a par com a legislação.
11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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