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Uso de VSEP para tratar agua producida Una solución eficaz y económica   Introducción   Cada  pocos  años,  las  compañías petroleras  revalorizan  las  nuevas tecnologías  en  el  mercado  del tratamiento  de  aguas  residuales aceitosas.  Las  mejoras  tecnológicas  han sido  especialmente  significativas  en  el área  de  la  filtración  de membrana. New Logic  Research  ha  desarrollado  un sistema  de  filtración  por  membranas propio  que  es  singularmente  apropiada para  el  tratamiento  de  agua  producida, barcaza y agua amarga, y lodo perforado.   El  uso  del  mecanismo  de  la  membrana vibratoria para evitar el ensuciamiento de la membrana es nuevo, y es precisamente la clase de mejoras necesarias para hacer el  uso  de  la  filtración  por  membranas como  una  efectiva  y  económica  solución  de tratamiento  para  operaciones  de  extracción petrolera.  New  Logic  ha  completado  varias  instalaciones que utilizan este  sistema de membrana vibrante para  tratar  todo  tipo  de  aguas  residuales petroquímica.  Los  resultados  han  demostrado muchas  ventajas  de  esta  nueva  tecnología  de membrana  en  comparación  con  las  técnicas convencionales  de  filtración  de  flujo  cruzado  y otros  métodos  de  tratamiento.  Este  nuevo sistema de membrana se conoce como el Proceso Realzado de Cizalla Vibratorio (VSEP por sus siglas en inglés), y es fabricado por New Logic Research en  su  fábrica  en  Emeryville,  California,  cerca  de San Francisco.  ¿Qué es  agua producida?    Las  operaciones  petroleras  de  perforación pueden  crear  grandes  cantidades  de  agua 

contaminada,  conocido  como  “agua  producida”, o el agua que se produce en el pozo. La mayoría de  los  yacimientos  subterráneos  de  petróleo tienen una capa de agua cruda, llamada “agua de formación”,  que  yace  debajo  de  los hidrocarburos. Mientras  un  pozo  envejece  y  el petróleo  llega  a  ser  difícil  de  eliminar,  agua  o vapor  se  inyecta  en  los  embalses para  ayudar  a impulsar el aceite a  la  superficie. Tanta agua de formación  como  agua  inyectada  eventualmente se dirigen a la parte superior y son producidos en la boca del pozo junto con los hidrocarburos.  Mientras  que  se  bombea  la  mezcla  de petróleo/agua  fuera  del  pozo  se  separa, produciendo  el  producto  de  hidrocarburo  y  el agua  producida.  Como  el  nivel  de  aceite desciende  en  el  embalse  con  la  extracción,  la cantidad de agua  inyectada aumenta para  llenar el vacío. En los Estados Unidos, el agua producida procedente  de  los  pozos  petroleros  llega  a  8 veces más  grande  que  el  volumen  del  petróleo producido.  Estos  volúmenes  representan 

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enormes  cantidades  de  agua  contaminada,  que requieren métodos de  tratamiento económico  y ecológicamente amigable para que pueda ser re‐utilizados o eliminarse de forma segura.  Regulación de agua producida  Los convenios  internacionales han establecido el objetivo provisional de 40 ppm de hidrocarburos en  la  eliminación  de  agua  producida  en  la perforación  en mar.  Esta  cifra  de  40  ppm  sigue siendo  un  objetivo  voluntario  en  casi  todas  las zonas.  En  campos  petrolíferos  submarinos, cualquier  cosa  por  encima  de  100  ppm  es considerado  un  derrame  de  aceite.  En instalaciones en  tierra,  las  compañías petroleras tienen más espacio para el gran equipo pesado, filtros de arena,  los estanques de  solución, y un tiempo largo de proceso para reducir el aceite en la  concentración  de  agua  de  desfonde  y  otros efluentes  tan  bajo  como  a  4ppm.  En  las  aguas costeras de EE.UU.,  la EPA determina  límites en 1993,  un  promedio  mensual  de  29  ppm  de contenido  de  “aceite  y  grasa”  por  agua producida,  con  un  máximo  diario  de  42  ppm. Costa  afuera,  las  descargas  de  agua  producida conteniendo  aceite  no  puede  compararse  con grandes  derrames  de  petróleo,  porque  las pequeñas cantidades de petróleo están dispersas en el mar y no  forman una  superficie  resbalosa. Pero,  casi  todos  los  campos  petrolíferos submarinos  suelen  tener  tenues  pero  visibles depósitos de extenso viso por cientos de metros al alrededor a causa del viento, aun con buenas plantas  depuradoras.  En  aguas  tranquilas  un visible viso pueden formar en 25ppm.  

Volúmenes  de  agua  producida  suelen  aumentar notablemente  mientras  mayores  yacimientos petrolíferos  transcurren  su máxima  producción. Es importante señalar que los informes y sistema de vigilancia para  los vertidos de agua producida están basados casi totalmente en auto‐informes. Visitas  sin  previo  aviso  por  los  inspectores  del gobierno a plataformas  son casi desconocidos y, porque  el  acceso  de  helicóptero  a  las instalaciones  es  controlada  por  la  industria  del petróleo,  casi  imposible  de  planificar.  Los Inspectores  pueden  estar  estacionados  en plataformas individuales por períodos de tiempo, pero  la  inspección  permanente  en  un  lugar  no ocurre.  Agua producida reutilizada y descargada  Para mitigar el problema del agua producida,  se pueden utilizar cuatro enfoques:  1] Evitar la producción de agua del pozo.  2] Inyectar dentro del mismo pozo.  3]  Inyectar  el  agua  dentro  de  los  pozos  de descarga.  4] Tratar el agua para su eliminación.  Durante  las  primeras  etapas  de  producción  de petróleo  de  un  pozo,  agua  de  inyección  no  es necesaria.  En  este  caso,  el  agua  producida presenta  un  problema  de  eliminación.  Para explicar  esto,  perforar  pozos  en  otros  existen vacíos para  la  inyección y  la eliminación de esta agua. Este método de eliminación puede ser muy costoso,  especialmente  en  alta mar.  También  el pozo  de  eliminación  debe  estar  situado  a  una considerable  distancia  de  los  productores  de petróleo  y  así  deberá  ser  bombeada  o transportada  al  punto  de  inyección.  Muy  a menudo el vacío puede ser una zona porosa, y así el  agua  reinyectada  debe  ser  conducida  de  una manera  que  el  agua  inyectada  no  tapone  los poros de la formación.  

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En  las  etapas posteriores del ciclo  de  vida  de  un  pozo,  se inyecta  el  agua  debajo  de  la capa  de  petróleo,  muy  a menudo  a  través  de  una formación  porosa.  La inyección de agua produce  la presión  necesaria  para empujar  el  aceite  a  la superficie.  Porque  esta  agua necesitará  filtrarse  a  través de  terrenos  y  estructura rocosa, debe ser tratada para que  el  taponamiento  de  la formación no  se produzca. El contenido  de  aceite  y  el ascenso  de  los  minerales deben  ser  controlados  en  esta  agua  para  lograr los mejores  resultados.  Los  aniones que  forman escala,  como  carbonatos y  sulfatos, deben estar bajo  de  un  mínimo  requerido  para  evitar depósitos con metales de  la  tierra en  la zona de inyección, que limitaría la eficacia de la inyección de agua.   Los  pozos  de  eliminación  son  especialmente caros  y  problemáticos  en  el  mar.  También,  la cantidad  de  agua  producida  es,  a  menudo, superior a  la  cantidad de agua de  inyección. No importa  cómo  de  aceptable  el  tratamiento,  el agua  producida  todavía  contiene  rastros  de petróleo y, por ello,  la descarga es estrictamente controlada. En  las zonas áridas esta agua tratada puede  ser  percibida  como  un  recurso  natural. Con  el  fin  de  utilizarse  de  manera  segura,  un método  de  tratamiento  adecuado  debe  ser diseñado sobre la base de la calidad del agua que se necesita.  Tratamiento en tierra vs. de alta mar  En alta mar, no ha existido tiempo ni espacio para desarrollar  los mejores métodos de  tratamiento, mientras  que  en  las  instalaciones  en  tierra,  el tratamiento  de  agua  aceitosa  puede  ser intermitente, permitiendo el tratamiento en  lote 

y  la recirculación. En alta mar, el tratamiento del agua debe depender de  los equipos,  tales  como los precipitadores electrostáticos, separadores de placas, unidades de flote de gas, centrifugadoras, hidrociclones,  filtros de membranas,  y  examinar rápidamente  los  montones  para  obtener  tanto petróleo como sea posible fuera del agua.  En  alta  mar,  las  plataformas  también  están limitadas  a  una  capacidad máxima  de  peso,  de aproximadamente  250  libras  por  pie  cuadrado. Las  plataformas  del  Mar  del  Norte  son generalmente más grandes y tienen más espacio, pero  las  restricciones  son  todavía  reales.  En plataformas mar adentro, no existe ni espacio ni tiempo  para  permitir  que  el  agua  tratada  se encuentre  por  días  en  estanques,  donde  el petróleo puede  ser examinado  rápidamente por completo  y  purificado  utilizando  agentes biológicos. El agua producida descargada en alta mar puede ser, por tanto, de hasta 10 veces más aceitosa que las descargas desde las instalaciones en  tierra.  Algunas  instalaciones  en  alta  mar dependen del  tratamiento del agua  flotante por los  buques,  conocido  como  los  buques  de almacenamiento y descarga (FSOs o FPSOs).  El movimiento del buque anclado en una oleada puede perturbar  los procesos de tratamiento del agua  y  dirigir  las  descargas  considerablemente 

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por  encima  del  nivel  medio.  Este  problema  es particularmente  grave  cuando  las  tormentas generan  grandes  olas,  que  sucederá  en  un promedio de al menos 60 días al año en el norte del Mar del Norte.  Problemas con la descarga   En  el  agua  producida,  también  hay  altas concentraciones  de  metales  pesados,  incluidos bario,  berilio,  cadmio,  cromo,  cobre,  hierro, plomo,  níquel,  plata  y  zinc.  También  hay pequeñas  cantidades de  radio nucleicos natural, radio226  y  radio228  y hasta  varios  cientos ppm de material orgánico volátil disuelto.  Cuando diluido  y mezclado  con  agua de mar, el agua  producida  tratada  no  plantea  un  peligro ambiental.  Sin  embargo,  en  aguas  turbias  poco profundas cerca de  la costa o para descargas en tierra que desembocan en  las corrientes de agua asentadas,  elevadas  concentraciones  de hidrocarburos  y  metales  en  agua  producida pueden ser tóxicas.  

Mientras  que  se  investiga  sobre  los  efectos ambientales  posibles  a  largo  plazo  de  arrojar grandes  cantidades  de  agua  contaminada, incluso levemente, en las vías navegables cada día,  la  industria ha continuado  la búsqueda de soluciones. Estas  incluyen formas de reducir el volumen de agua producida, de re‐inyectarla a las rocas debajo de la tierra, y de elaborarla lo más  limpia posible  cuando no hay  alternativa para  la  descarga.  La  industria  del  petróleo pudo lograr un promedio para 1998 de 22ppm.   Un  método  de  tratamiento  para  reducir  la cantidad  de  aceite  en  el  agua  ha  sido  de aumentar  el  uso  de  floculantes  polímeros  y productos  químicos.  Esto  trae  consigo  otros 

temas  ambientales,  como  resultado  de  la creación  y  la  eliminación  de  los  materiales químicos.  Además  de  la  amenaza  ambiental, estos productos químicos deben ser almacenados y  manipulados  como  parte  del  proceso  de tratamiento continúo, añadiendo los gastos de la deuda y  los gastos de  funcionamiento. El uso de estos  productos  químicos  añade  millones  de toneladas  de  residuos  adicionales  para  el ecosistema.  El mapa muestra  las concentraciones relativas al total de  sólidos disueltos en aguas producidas a lo  largo  de  Estados  Unidos.  Con  el  fin  de  ser descargados  con  total  seguridad,  estos  sólidos disueltos  primero  deben  ser  retirados  del  agua. Por  eso,  la  producción  normal  del  proceso  de tratamiento de agua es compleja. 

  

Niveles de TSD en agua producida domestica (EE.UU.)

Cristales de sulfato de calcio

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Método de Tratamiento Ventajas Desventajas Costo

Absorción de Carbono                             Sistemas modulares de carbono granular activado.

Elimina hidrocarburos y ácido, compuestos bases y neutrales; bajo consumo energético; mayor capacidad de producción que otros tratamientos (excepto biológicas); trata una amplia gama de contaminantes; muy eficiente en eliminar alto MW Orgánicos.

Ensuciamiento de gránulos de carbono es un problema; produce residuos de carbono y repercusión; requiere algun pretratamiento del flujo de agua producida.

Moderado

Extracción con Aire                                  Torre de embalados  con aire burbujeante mediante el fluido de agua producida.

Elimina el 95% de VOCs así como benceno, tolueno, naftaleno y fenoles; H2S y amoníaco puede ser despojado con la adaptación de pH; la mayor temperatura mejora la eliminación de semi‐volátiles; pequeño tamaño; bajo peso y necesidades energéticas baja.

Puede ser ensuciado por petróleo; riesgo de hierro y formación de escala de calcio; genera un flujo de residuos de gas, que pueden requerir tratamiento; requiere algunos pretratamiento de flujo de  agua producida.

Baja capital y gastos de funcionamiento; el tratamiento cuestan hasta $0.10/1,000 gal más $1.50/k gal si se controla el off‐gas  por carbón activado

Filtración por Membranas                      Membranas poliméricas de Nanofiltración y Osmosis Inversa.

Retirada efectiva de partículas y aceite emulsionado y dispersado; huella pequeña, bajo peso y bajo consumo de energía; ratio alto de rendimiento.

No elimina los volátiles o componentes de bajo peso molecular. Petróleo, sulfuros o bacterias pueden ensuciar la membrana, que exige limpieza diaria; rechazo puede contener materiales radiactivos; requiere pretratamiento de alimentación.

Bajos costos de operación

Luz ultravioleta                                         Irradiación por las lámparas ultravioletas.

Destruye los componentes orgánicos disueltos y orgánicos volátiles y no volátiles, incluso orgánicos biocidas; no genera flujo de residuos adicionales; manejo molesto o condiciones de carga alta. 

No tratar amoníaco, petróleo dispersado, metales pesados, o la salinidad; relativamente altas necesidades de energía; las lámparas UV (ultravioleta) pueden llegar a ser viciado; los residuos pueden ser tóxicos si se utiliza peróxido; requiere algunos pretratamiento de flujo de agua producida. 

Similares los costos de capital a la oxidación química con ozono, pero los gastos de funcionamiento menores porque no flujos de residuos.

Oxidación química                                   Oxidación de Ozono y/o de peróxido de hidrógeno.

Elimina H2S y partículas; trata hidrocarburos, ácido, orgánicos bases y neutrales, volátiles y no volátiles; necesidad energética baja si se utiliza el sistema peróxido; fácil de operar. 

Entradas de alta energía para el sistema de ozono; el petróleo puede ensuciar el catalizador; puede producir lodos y residuos tóxicos; requiere algún tratamiento previo de flujo de agua producida.

Moderados costos de operación

Tratamiento biológico                             Sistema aeróbico con una capa de biotower fija o crecimiento suspendido (por ejemplo eje profundo).

Trata hidrocarburos biodegradables y compuestos orgánicos, H2S, algunos metales y, en algunas condiciones, amoniaco; las necesidades de energía moderadas; maneja cargas  variables, si aclimatada. 

Grandes, maquinaria pesada necesaria para largo tiempo residiendo; la acumulación de aceite y hierro obstaculiza la actividad biológica; la aireación hace que la escala de calcio se forme; produce gas y requiere tratamiento de lodo; requiere pretratamiento de alimentación. 

Similares los costos de capital a la oxidación química con ozono, pero los costes de explotación menor porque no flujos de residuos.

Entre  las dificultades para  tratar agua producida están  los  ingredientes  tóxicos,  frecuentemente asociada con hidrocarburos. Los metales pesados, partículas radiactivas, y   carbono orgánico volátil representan las amenazas más importantes. Además,  el  agua  producida  contiene  muchos otros  productos  químicos  no  deseados,  que deben  ser  eliminados  antes  de  la  descarga,  o incluso antes de  re‐utilizarlos en  las operaciones de perforación. Altos niveles de sólidos disueltos son difíciles para  los dispositivos  convencionales que se encargan de la separación de la gravedad. DAF, centrifugadora, clarificadores, hidrociclones y otro  similar equipo de  resolución y  separación es ineficaz para eliminar los sólidos disueltos. 

 Métodos de tratamiento de agua producida   En 1995, el Instituto Estadounidense del Petróleo (API),  hizo  su  recomendación  sobre  la  mejor tecnología  disponible  para  la  gestión  del  agua producida  sobre  las  instalaciones  petrolíferas  y de  gas  en  alta  mar.  El  informe  identificó  los siguientes factores que contribuyen a la toxicidad del  agua  producida:  muy  pequeñas  partículas, salinidad  (9%  o  superior),  compuestos  volátiles, materiales  orgánicos  extraíbles  (ácido,  básico, neutral),  amoníaco  y  sulfuro  de  hidrógeno.  Seis de  las  tecnologías  de  tratamiento  de  agua,  ya probadas en tierra, fueron evaluados y calculados 

Conclusiones del Informe del Instituto Americano del Petróleo sobre la mejor tecnología disponible para la Gestión y Tratamiento del Agua Producida, 1995

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su  coste  para  uso  en  alta mar.  El  informe  dejó claro  que,  utilizando  combinaciones  de tecnologías  diferentes,  es  posible  reducir  los contaminantes  en  agua producida  a niveles  casi indetectables.  El  cuadro muestra  las  tecnologías evaluadas  por  el  grupo.  Cabe  señalar  que  los importantes  avances  tecnológicos  han  sido realizados desde 1995, incluyendo la introducción de VSEP.  

Filtración por Membranas  Las ventajas de  la separación  iónica pura que  las membranas  pueden  dar,  ha mantenido  siempre el  interés  de  los  que  desean  tratar  agua producida. Muchos  estudios  han  sido  realizados tratando  de  optimizar  el  uso  de  membranas convencionales. En el pasado,  las  limitaciones de los  sistemas  de  membranas  convencionales  en espiral  han  impedido  el  uso  generalizado  del tratamiento  del  agua  producida,  por  la  rápida contaminación  debido  a  la  formación  de  escala 

coloidal.  La  contaminación  coloidal  obstruye  los poros de la membrana y reduce enormemente el rendimiento, y aumenta la frecuencia de limpieza necesaria.   Para  combatir  este problema,  el pretratamiento complejo  se  usa  para  prevenir  la  formación  de escala  dentro  del  sistema  de  la  membrana, mediante  el  uso  de  dosificación  de antiincrustante.  Además,  las  empresas  de 

membranas  en  espiral  han  desarrollado  nuevas membranas,  que  son  extremadamente hidrofílicas  para  que  el  petróleo  es  rechazado. Aun  con  estas  mejoras,  las  limitaciones  de  las membranas  convencionales  en  espiral  no  han permitido  su uso generalizado en el  tratamiento de agua producida. Algunas de las desventajas de las membranas convencionales en espiral de flujo cruzado,  en  el  tratamiento  de  agua  producida, incluyen las siguientes: 

• Contaminación  desde  la  formación  de escala coloidal 

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• Pretratamiento  complejo  (elaborado) requiriendo  una  larga  sucesión  de tratamiento multifacético 

• Huella  grande  y  diseño  del  sistema  de tratamiento complejo 

• Alto uso de energía como en caballos de fuerza por metro cuadrado de membrana  

• Antiincrustantes  y  otros  productos químicos  de  pretratamiento  requieren manipulación y almacenamiento 

Ventajas  de  VSEP  comparadas  con membranas convencionales   Un  nuevo  sistema  de  membrana llamado VSEP  (proceso  realzado de cizalla  vibratorio),  emplea vibraciones  en  torsión  de  la superficie  de  la  membrana,  los cuales  crean  muy  alta  energía  de cizalla en la superficie y cerca de los poros.  El  resultado  es  que  en ensuciamiento  coloidal  y  la polarización  de  la  membrana,  debido  a  la concentración  de  materiales  rechazados,  son muy  reducidas.  Porque  el  ensuciamiento  de escala coloidal es evitado debido a la vibración, el pretratamiento para evitar la formación de escala no es necesario. Además, el ratio de flujo de VSEP es  de  5‐15  veces  superior  en  términos  de  LMH (litros  por  metro  cuadrado  de  membrana  por día).  La  cizalla  sinusoidal  ondea  propagándose desde  la  superficie,  actúa  para  mantener  las partículas suspendidas encima de la superficie de la membrana, permitiendo el transporte  libre de los medios líquidos a través de la membrana. Esto representa el mayor rendimiento de filtración de 

membrana de VSEP,  comparada  con  la  filtración de  membrana  convencional  en  espiral  de  flujo cruzado.   El  sistema  de  membrana  VSEP  es  una  placa vertical y se encuadra en el tipo de construcción donde  las hojas de  la membrana  se  amontonan por  centenares  encima  una  de  la  otra.  El resultado de esto es que la huella horizontal de la unidad  es  muy  pequeña.  Tanto  como  185  m2 (2000  pies  cuadrados)  de  la  membrana  está 

contenida en un módulo VSEP, con una huella de sólo  4'  x  4´.  Esto,  combinado  con  el muy  bajo consumo  de  energía,  hace  a VSEP  una  atractiva alternativa,  especialmente  para  instalaciones marítimas  donde  el  espacio  es  una  prima. Recientes  estudios  realizados  utilizando  VSEP para  el  tratamiento  de  agua  producida  han demostrado los beneficios de la vibración.  Cuando  ocurre  la  escala  en  un  sistema  de membrana,  se  forman  los  coloides  de  las  sales minerales insolubles. Mientras que algo de escala puede ocurrir en  la membrana en  sí,  la mayoría se  producirá  en  otros  sitios  más  eficientes,  y luego se convertirán en coloides suspendidos que 

actuarán como cualquier  otro sólido  en 

suspensión durante  el proceso  de filtración.  Las 

membranas convencionales  son 

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propensas  a  escala  coloidal,  como  materia  en suspensión puede  pegarse    a  la  superficie  de  la membrana  y obstruir la filtración.  El  flujo  cruzado  es  utilizado  para  reducir  los efectos  de  esta  acumulación.  El  principal problema  con  la  escala  para  sistemas  de membrana es que el proceso  introduce una gran cantidad  de  potenciales  ensuciadores  en  el sistema, que puede  reducir el  flujo. Al  igual que las  membranas  convencionales  tienen  límites sobre TSD, debido a  los  límites de solubilidad de los diversos componentes, también tienen límites de  TSS,  como  ensuciamiento  coloidal  se producirá si estos niveles son demasiado altos.  VSEP  emplea  oscilación  de  torsión  a  una velocidad  de  50  Hz  en  la  superficie  de  la membrana,  para  inhibir  la  difusión  de polarización  de  coloides  suspendidos.  Este es  un  método  muy  eficaz  de  repulsión coloidal,  porque  oleadas  de  cizalla sinusoidal de  la superficie de  la membrana ayuda a  repeler  la  llegada de partículas. El resultado  es  que  los  sólidos  suspendidos son  mantenidos  en  suspensión,  flotando encima de  la membrana como una capa en paralelo, donde pueden ser arrastrados por el flujo cruzado tangencial. Este proceso de 

arrastre  por  la  corriente ocurre  en  equilibrio.  La presión  y  el  ratio  de filtración  determinarán el  espesor  y  la masa  de la  capa  suspendida.  Las partículas  de  coloides suspendidos  serán arrastrados  por  el  flujo cruzado    y,  al  mismo tiempo,  nuevas partículas  llegarán.  La eliminación  y el  ratio de llegada  serán  diferentes al principio, hasta que se cumpla  la  parodia,  y  se alcance  un  estado  de equilibrio con respecto a 

la  capa  difusión.  (También  conocida  como  una capa límite).  Esta  capa  es  permeable  y  no  se  pega  a  la membrana, y es realmente suspendida sobre ella. En  VSEP,  esta  capa  actúa  como  un  sitio  de nucleación  para  la  escala  mineral.  La  escala mineral  que  se  deposita  actuará  en  la  misma forma como cualquier otro coloidal que llegue. Si se  forman  demasiadas  escalas  de  coloides, más serán  desprendidos  para mantener  el  equilibrio de  la  capa  difusión.  Como  lo  han  documentado por otros estudios, VSEP no  se  limita  cuando  se trata de las concentraciones de TSS, como está el sistema de membrana convencional. Los sistemas 

Figure 1Proceso de etapa múltiple con módulos de membrana en espiral para inhibir la formación del ensuciamiento y la escala mineral de sales poco solubles 

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de  membrana  convencionales  podrían  elaborar apelmazado  de  coloides,  que  aumentaría  lo suficientemente  grande  para  dejar  sin  salida completamente a la membrana convencional.   En VSEP, no  importa  cuántos  coloides  llegan,  se desprende  un  número  igual  porque  la  capa difusión es limitada en tamaño y no puede crecer lo  suficientemente  grande  para  bloquear  el sistema. De hecho, VSEP es capaz de  la filtración de  cualquier  solución  líquida  mientras  sigue siendo  líquida. En  cierto punto, mientras que  se elimina  el  agua  o  disolvente,  la  solución  llegará en forma de gel. Esta es la limitación de VSEP.  En el sistema de membrana de VSEP, la escala se producirá en  los  líquidos a granel y se convertirá en  otro  coloide  suspendido.  Otra  ventaja significativa es que  la vibración y oscilación de  la superficie  de  la  membrana  en  sí  inhibe  la formación  de  cristales.  Tal  como  una  vasija agitada no hervirá, el desplazamiento lateral de la 

membrana  contribuye  a  disminuir  la  superficie disponible  de  energía  para  la  formación  de núcleo.  La  energía  libre  está  disponible  en perturbaciones y características no uniformes de la  interfase  líquido/sólido. Con el movimiento de la membrana de va y ven a una velocidad de 50 veces  por  segundo,  cualquier  valles,  picos, cordilleras, o cualquier otro micro imperfecciones se  convierten  en  más  uniforme  y  menos prominente.  A mayor  suavidad  y más  uniforme una  superficie,  menos  energía  libre  está disponible  para  la  cristalización.  En  ausencia  de cualquier otro sitio de formación de núcleo, esto conduciría a una solución súper saturada.  En  realidad,  lo  que  pasa  es  que  la  nucleación ocurre al principio  y,  sobre  todo, en otros  sitios de  formación  de  núcleo  que  no  están  en  la membrana,  que  presente  condiciones  mucho más favorables para  la nucleación. Los cristales y la escala  también llevan tiempo para formarse. El movimiento de  la  superficie de  la membrana no 

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deja  tiempo  suficiente  para  una  correcta germinación y desarrollo.   Otros  sitios  fijos  en  VSEP  ofrecen  un  lugar  de nucleación mucho más  favorable. Mientras que, con  membranas  convencionales  que  son estáticas,  la  formación  de  escala  sobre  la membrana es posible y tiene mucho tiempo para desarrollarse y crecer. Otra característica de VSEP es que  la filtración ocurre en una dramática tasa más  alta  por  m2  que  con  membranas convencionales,  debido  a  la  suspensión  de coloides  por  encima  de  la  membrana.  Los estudios  han demostrado  tanto como  una  15x  mejora en  flujo  por  zona.  El resultado  de  esto  es que  tanto  como  un quinceavo de la zona de la  membrana  está obligada  a  hacer  el mismo  trabajo  como  la membrana convencional  de  flujo cruzado.  Esto es beneficioso por muchas  razones, una de las  cuales  es  sostener  el  volumen  de  aguas alimentadas. Debido a esto, el uso de separación de  membrana  para  el  tratamiento  del  agua producida es ahora una opción económica eficaz. 

Las ventajas de VSEP incluyen:  • Más  alto  rendimiento  por  metro 

cuadrado de membrana, comparado con otros sistemas de membrana  

• No requiere ningún producto químico de pretratamiento  para  prevenir  la formación de escala 

• Extremadamente  bajo  consumo energético  (.27  Kw.  por  1000  galón  de filtrado) 

• Huella pequeña y amplia gama de diseño • Amplia  variedad  de  membranas  de 

Microfiltración para la ósmosis inversa 

  Nanofiltración   El agua producida, que es tratada por reinyección en el pozo de producción o su eliminación, debe ser al menos suavizada con los aniones y cationes que  forman  escala  eliminados.  Además,  el 

petróleo  y  otros materiales  orgánicos deben  ser  eliminados. Las  membranas nanofiltración  son capaces  de  eliminar prácticamente  todo  el petróleo  y  son  muy eficaces  en  rechazar iones  bivalente  y multivalente. La mayoría de  las membranas están cargadas negativamente. Aniones  con  dos  o  más 

Resultados Típicos de VSEP: Sin Tratamiento Filtrado NF Filtrado OICarbono orgánico total, COT 810mg/L 120mg/L 20mg/LTotal de sólidos suspendidos, TSS 9000mg/L ND NDDemanda química de oxígeno, DQO 2600mg/L 270mg/L 71mg/LAceite y Grasa 580mg/L 16mg/L NDCloruros, Cl 4700mg/L 2900mg/L 15mg/LSulfatos, SO4 210mg/L ND NDCalcio, Ca 400mg/L 8mg/L NDMagnesio, Mg 50mg/L ND NDZinc, Zn 100mg/L 5mg/L ND

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expuestos los electrones son fácilmente repelidos por  la  estructura  de  la  membrana  de nanofiltración.   Membranas  de  nanofiltración  y  osmosis  inversa actúan ambas por difusión de  líquidos mediante su  estructura  molecular.  Las  membranas  de ultrafiltración  tienen  poros  actuales  o  pequeñas aberturas en los medios, y el rechazo está basado en la clasificación del tamaño. Las membranas NF y  OI  tienen  un  método  más  sofisticado  de rechazar  sustancias.  Puede  ser muy  difícil  para aniones multivalentes con menos dos cargas para difundir  por  la  estructura  de membrana matriz con carga negativa.  Los aniones monovalentes  son capaces de pasar más  fácilmente  debido  al  menor  potencial eléctrico  y  el  hecho  de  que  son  generalmente más  pequeños  que  los  iones  divalentes  o polivalentes. Como los aniones multivalentes son retenidos,  los  cationes  cargados  positivamente son  necesarios  para  mantener  el  equilibrio 

eléctrico.  Debido  a  esto,  los  iones  de  metal divalente  permanecen  en  el  lateral  del  rechazo de  la  membrana  en  proporción  a  las  especies aniónicas rechazadas. Iones como el calcio, bario, estroncio,  magnesio,  cobre,  zinc,  e  hierro  son retenidos muy  eficazmente  por  las membranas nanofiltración.  Reteniendo  metales,  sulfatos, carbonatos,  y  fosfatos  producen  permeado atenuado,  que  es  el  agua  baja  en  especies  que forman escala.  Porque  la  filtración  ocurre  por  difusión,  las membranas  de  nanofiltración  son  capaces  de rechazar partículas muy pequeñas  sin  carga.  Las membranas NF  tienen  un  tamaño  de  capacidad específico  de  rechazo,  conocido  como  “peso molecular  cortado”  (mwco).  El  valor  de  este  se mide con Dalton.   Esto  significa  que  incluso  moléculas  orgánicas muy  pequeñas  pueden  ser  rechazadas.  Las membranas NF  tienen  buenas  características  de rechazo  de  benceno,  tolueno  (metilbenceno),  y 

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otros  carbonos  orgánicos  volátiles.  El  uso  de permeado NF para agua de re‐inyección es  ideal, como  el  agua  tiene  muchas  de  las  mismas características del agua natural,  salvo que  se ha atenuado. La reinyección de agua que es también la  misma  temperatura,  como  el  agua  de formación  natural,  también  reducirá  la posibilidad  de  formación  de  escala  y taponamiento  de  las  áreas  porosas  de  la formación.   La nanofiltración de VSEP puede ser seguida por un  número  de  otros  métodos  de  tratamiento para  fomentar  tratar el  filtrado o el rechazo. Las membranas  de  ósmosis  inversa  pueden  ser utilizadas para hacer el filtrado NF casi tan bueno como  el  agua  potable,  adecuado  para  casi cualquier  uso.  Puede  ser  utilizada  donde  la descarga  a  las  vías  fluviales  locales  tiene reglamentos  estrictos  y  fuerte  criterio  para  la descarga.  La  extracción  con  aire  puede  ser utilizada  para  eliminar  carbonos  orgánicos volátiles  más  allá  de  las  capacidades  de  la membrana  de  nanofiltración.  Radiación  UV, resinas  de  intercambio iónico,  y  EDI  son  otros métodos  de  purificación de  agua  que  también pueden ser utilizados.  Tratamiento  VSEP  del agua producida  VSEP  puede  emplearse para  todo  tipo  de procesos  de  separación de  agua  aceitosa, incluidas  agua producida, agua  de  sentina,  lodo  de perforación,  agua  para lavar,  cisterna  de enjuague,  y  cualquier otro  proyecto  de  aguas residuales  aceitosas.  La ilustración muestra varios escenarios  para  la 

filtración  de  agua  producida.  Mientras  que  se saca el petróleo del pozo, el agua que viene con ello es separada del aceite utilizando separadores de gravedad. El petróleo  y el agua  se  separarán con bastante facilidad, a menos que ellos existan como una emulsión. En cuyo caso,  los productos químicos  pueden  ser  utilizados  para  romper  la emulsión. El agua es removida de la parte inferior del  decantador,  ya  que  es  más  pesada  que  el aceite.  Esta  agua  es  conocida  como  agua producida y es el material de alimentación para el VSEP en este estudio de caso.  Al  tratar  agua  producida  es  importante determinar cómo el agua tratada será utilizada y qué  necesidades  hay  para  los  niveles  de contaminantes,  como  el  petróleo  y  la  escala formada por compuestos. El agua que se  inyecta en un pozo debe  simplemente no crear ninguna formación de escala, ya que es  introducido en  la zona  porosa  geológica.  El  agua  inyectada necesitará filtrar para llenar los huecos pequeños y,  debido  a  esto  el  ensuciamiento  y  el taponamiento de  la estructura porosa  impedirán 

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los  resultados. Aceite  y  grasa  también  debe  ser reducida  en  el  agua  de  inyección,  ya  que  éstas son también capaces de taponar.   En el esquema de arriba, hay  tres opciones para el  agua  producida  que  haya  sido  tratada utilizando  nanofiltración.  El  agua  puede  ser utilizada  en  el  mismo  pozo  para  empujar  el petróleo a la superficie, o puede ser eliminada en otro  pozo,  perforado  con  el  propósito  de deshacerse  del  agua  producida  no  deseada.  La tercera  opción  es  la  eliminación  en  el mar,  una vez que cierto criterio se reúna para satisfacer los límites de evacuación.  Con el fin de ser utilizados para descarga en tierra o  para  reuso  de  agua  potable,  el  filtrado  NF requeriría otro  tratamiento.  En  el  caso  anterior, la membrana de filtración VSEP RO es mostrado. El agua de este sería adecuada para el riego, agua de  proceso,  descarga  de  vía  fluvial,  o  cualquier otra  necesidad  de  agua.  Otros  métodos  de tratamiento  pueden  ser  utilizados  dependiendo de  la  situación.  Resinas  de  intercambio  iónico, aire  disolvente,  filtros  de  carbono,  electro‐deionización,  radiación UV, u otros  tratamientos similares  pueden  ser  empleados.  Cada  uno  de estos se destinarían a especies iónicos concretos, que son el objetivo para eliminar. En ambos casos por  encima  del  rechazo  del  sistema  VSEP  sería necesario un tratamiento ulterior de la aplicación de  la  tierra  como  lodo.  Otra  opción  no  se muestra,  es  una  tercera  fase  de  VSEP  para  la reducción del volumen adicional.  Condiciones del proceso  Un esquemático del proceso para el tratamiento típico de aguas residuales aceitosas utilizando un sistema  de  VSEP  se  presenta  en  la  figura  de  la derecha. Cuando el residuo aceitoso de las aguas residuales ha sido resuelto, así que el petróleo y el  agua  pueden  separarse  de modo  natural,  el resultado es un efluente proceso, de un 1 a 2% en peso  total de  sólidos  (TS). Este efluente proceso normalmente  es  enviado  a  una  serie  de  varias 

etapas del equipo de  tratamiento químico, a  fin de  desaguar  las  aguas  residuales.  La  adición  de VSEP para concentrar el efluente proceso mejora la eficiencia del proceso. El permeado puede ser reutilizado en el proceso o descargado.   Para  un  módulo  de  VSEP,  el  agua  residual aceitosa es alimentada al sistema de tratamiento VSEP a una velocidad de 12.5m3/hora (55 gpm) y una  presión  de  17  bares  (250  psi).  Una  unidad VSEP a escala industrial utilizando membranas de nanofiltración es instalada para tratar el efluente proceso. La secuencia de concentrado producido en  un  nivel  de  flujo  de  2.5m3/hora  (11  gpm)  y una  concentración  de  sólidos  del  5%  TS  es enviado  a  un  coalescente  y  almacenados  para arrastrarlo  o  eliminarlo.  VSEP  genera  una corriente  de  permeado  de  unos  10m3/hora  (44 gpm),  que  es  reciclado  para  el  proceso  o descargado  para  una  inyección  al  pozo  o  al océano.  La  concentración  de  permeado  es reducido  a  ~  1  mg/L  del  total  de  sólidos suspendidos  (TSS),  y  un  bajo  nivel  de  sólidos disueltos totales (TSD), todos muy por debajo de los  requisitos  del  diseño  para  el  proceso  de reciclado  o  de  descarga.  La  selección  de  la membrana  está  basada  en  la  compatibilidad material,  el  ratio  de  flujo  y  los  requisitos  de concentración. En este ejemplo,  la  reducción de TSS es más del 99%, mientras el agua aceitosa se concentra desde una alimentación inicial de 1‐2% a un concentrado  final del 5%  según el peso. La calidad  del  permeado  desde  el  VSEP  puede  ser controlada, aunque la selección de laboratorio de los materiales de  la membrana disponibles para ajustarlos a los parámetros de aplicación.  Se han llevado a cabo exitosas pruebas pilotos en New Logic   para muchos tipos de tratamiento de aguas  residuales  aceitosas.  Dependiendo  de  la temperatura  del  proceso,  la  selección  de  la membrana y el requisito para la concentración de sólidos  o  la  eliminación  de  DBO/DQO  para corrientes  efluentes,  el  nivel  de  flujo  de permeado  en  el  VSEP  puede  oscilar  entre  3.4 LMH (15gfd) y más de 34LMH (150 gfd). 

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 Diseño compacto  La máquina de VSEP  incorpora un diseño  modular  que  lo  hace compacto. Debido a que el diseño básico  es  vertical  más  que horizontal,  la  superficie  útil necesitada  por  unidad  es intrínsecamente  inferior  a  otros tipos de sistemas de separaciones. El VSEP  requiere hasta 5,1 metros (17´)  en  distancia  al  techo.  En  la mayoría  de  las  aplicaciones industriales la distancia al techo es amplia, es un espacio útil limitado. Esto  es  especialmente  cierto  con plataformas  de  perforaciones petrolíferas,  donde  el  espacio  es sumamente  valioso  y  el  tema  de gran examen.  Los  beneficios  del  diseño compacto de VSEP:  1]  Fácil  de  añadir  a  un  sistema existente para mejorar el rendimiento  2]  Puede  ser  instalado  en  las  zonas  donde  el espacio es escaso  3]  Es  fácilmente  transportable  y  puede  ser trasladado de planta a planta  4]  Puede  ser  instalado  como  sistema  de múltiples etapas o como única etapa  5]  Puede  ser  “escalonado”  a  cualquier  número de cualquier proceso de demanda de flujo   Muy  a menudo  espacio  está  tan  limitado,  o  el sistema  diseñado  es  tan  grande  que  una estructura  independiente  se  construye  para acomodar  el  sistema  de  tratamiento.  En  esos casos, el hecho de que las unidades de VSEP sean verticales  y  compactas,  puede  ser  capaz  de ajustarse a una zona de la construcción o reducirá los costes de  la nueva construcción por  requerir menos espacio.  

Los costos de construcción son de 7 dólares a 11 dólares  por  metro  cuadrado  ($80‐120  por  pie cuadrado) para que nuevos edificios  industriales 

puedan  agregarlo,  y  son  una  estimación  al calcular  la  carga  de  coste  global  de  un  sistema completo. Además de  las  limitaciones de espacio para  los  componentes  mecánicos,  el  área  del filtro actual ha sido diseñada de tal forma que sea extremadamente compacta y con poco consumo eléctrico. En el modelo más extenso, el paquete de filtros contiene 185,8 metros cuadrados (2000 pies  cuadrados)  de  superficie  de  membrana, sobre  el  tamaño  del  tamaño  medio  de  una habitación. Estos 185,8 m2 de membrana se han instalado  en  un  recipiente  con  un  volumen  de 0,4m3 (15 pies cúbicos).  Valor económico  El  sistema  de  VSEP  de  New  Logic  ofrece  una alternativa  para  las  aplicaciones  de  tratamiento de aguas residuales aceitosas. En un solo paso de operación,  VSEP  proporcionará  fango  aceitoso concentrado y  también  reducirá DBO, DQO, TSS, TSD y color, para proporcionar una alta calidad de 

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fluido permeado para descargar o para reutilizar en el proceso. En muchas aplicaciones,  la adición de  VSEP  puede  eliminar  los  equipos  de tratamiento  convencional,  incluido  la  necesidad de  los  tratamientos  químicos.  La  justificación para el uso del  sistema de  tratamiento VSEP en su  proceso  se  determinará mediante  el  análisis del sistema costos y beneficios, entre ellos:  

• Reducción  de  sólidos  de  la  descarga  de flujos & costo del tratamiento asociado.  

• Reducción de DBO, DQO, TSS, TSD y color de los flujos efluentes.  

• Provisión de alta calidad del agua para  la reintroducción en el proceso.  

• Compensar  la demanda de agua dulce  y el costo del pretratamiento. 

• Conservar  calor  en  proceso  de  reciclaje del  agua  como  un  posible método  para reducir las necesidades energéticas.  

• Eliminación de crecimiento biológico y el olor de efluentes.  

• Simplificar  el  tratamiento  de  efluentes con  un  compacto,  sistema  de  poco consumo eléctrico. 

 Su  ingeniero  de  ventas  de  New  Logic  puede ayudar  con  el  análisis  económico  para  su proyecto  y  puede  demostrar  los  gastos  de funcionamiento,  ahorros  y  los  cálculos  del rendimiento  de  las  inversiones.  El  Cuadro anterior  muestra  los  costos  típicos  de  la operación,  asociados  con  la  instalación  de  un módulo de VSEP. Las unidades son modulares, así que  los  gastos  de  funcionamiento  son proporcionales al número de VSEP instalado.   

Resumen  New  Logic  Research  ha suministrado  la  tecnología  de separación  de  VSEP  con  éxito en  numerosos  procesos industriales.  La  disponibilidad de  nuevos  materiales  de membrana  y  la  tecnología  de VSEP  hacen  posible 

económicamente  tratar  agua  producida  y  otras aguas residuales petroquímicas.   Contactarse  con un  representante de New  Logic para  desarrollar  un  análisis  económico  para  su sistema de VSEP. Para  información adicional y  la eventual  aplicación  de  esta  tecnología  a  su proceso,  visite  nuestra  página  Web: http:/www.vsep.com   

 

Descripción Costo UnidadesConsumo de Electricidad del Sistema VSEP* 6,935 U$DMantenimiento y Limpieza del Sistema 28,470 U$DCosto del Reemplazo del Paquete de Filtros 70,000 U$DCostos de Operación del Sistema Anual Total** 58,738 U$D

Producción Anual (a 49 gfd) 16,819,200 gal/añoCostos de Operación por 1000 gal de Permeado 3.49 $/1000 gal*basado en un costo de electricidad de 0.05 $/kW 

**basado en un flujo de alimentación de 40 GPM, 80% recuperación, una vida de paquete de filtros de 3 años

Agua Producida ‐ Costos de Operación Anual de VSEP