Orimulsión: Producción y tecnología

Indice
1.
Introducción
2. ¿Qué es la
orimulsión®?
3. Orígenes
4. Proceso de producción de la
orimulsión®
5. Características de
la orimulsión®
6. Almacenamiento y
manejo
7. Aspectos
Ambientales
8.
Aplicaciones
9.
Comercialización
10. Nuevos
Desarrollos
11.
Bibliografía

1.
Introducción

La Orimulsión® es un combustible
líquido Venezolano producido mediante tecnología de
emulsión desarrollada por PDVSA – INTEVEP, S.A. en
respuesta a la necesidad de explotar los yacimientos de hidrocarburos
extrapesados encontrados en la Faja del Orinoco. Consta de un 70%
de bitumen natural, un 30% de agua
más aditivos para estabilizar la emulsión
(surfactantes).
Comúnmente, la información referente al tema no
está al alcance de todas las personas interesadas,
originando un alto
porcentaje de desconocimiento por parte de la población de Venezuela.
Además, debido a que el proceso de
elaboración y el combustible
Orimulsión® están patentados
exclusivamente por PDVSA–INTEVEP, es de difícil
acceso obtener información técnica y especializada
acerca del proceso de producción de la
Orimulsión® así como también,
de las tecnologías involucradas.
Para analizar el proceso de elaboración del combustible
alternativo Orimulsión®, así como
también las tecnologías involucradas en este, se
realizó una descripción, mediante una investigación
documental, del proceso de elaboración de
Orimulsión®, describiendo además la
tecnología Imulsión® y de Emulsiones
de Viscosidad
Controlada, explicando brevemente sus características. Se trataron, de igual
forma, los aspectos ambientales del combustible, puntualizando
asimismo las aplicaciones de este sin dejar de mencionar los
alcances obtenidos en el ámbito económico o
comercial del combustible. Es necesario destacar que se mantiene
un enfoque hacia la última generación de
Orimulsión® , es decir, la
Orimulsión® 400, la cual está hecha
a base de un nuevo paquete de surfactantes que fue probado a
nivel de laboratorio en
1999 e implantado a nivel industrial en la planta El Morichal en
el año 2000

2. ¿Qué es
la orimulsión®?

La Orimulsión® es un combustible
líquido Venezolano producido mediante tecnología de
emulsión desarrollada por PDVSA – INTEVEP, S.A. en
respuesta a la necesidad de explotar los yacimientos de
hidrocarburos extrapesados encontrados en la Faja del Orinoco.
Consta de un 70% de bitumen natural, un 30% de agua más
aditivos para estabilizar la emulsión (surfactantes). Este
combustible está específicamente diseñado
para uso en empresas
eléctricas y sector industrial. Ha sido usado con éxito
en plantas
generadoras de electricidad en
Canadá, Estados Unidos,
Reino Unido, China,
Alemania,
Japón,
Dinamarca, Italia y
Lituania, así como en plantas de cemento. La
Orimulsión® representa una alternativa
ambiental y económica para que las plantas
eléctricas puedan operar eficientemente frente a otras
fuentes de
energía.

3.
Orígenes

La Orimulsión® se origina por la
necesidad de explotar petróleos extrapesados (ºAPI
< 16º) encontrados en la Faja del Orinoco, cuya
producción y manejo resultan ser procesos
difíciles debido a las altas viscosidades de los mismos
(mayores de 100.000 cPs a 30ºC).
Para la fecha en que fueron descubiertos los yacimientos en la
Faja petrolífera del Orinoco (1936), Venezuela explotaba
crudos livianos y medianos (ºAPI > 22º) de los
cuales se obtenían productos de
gran valor
comercial como lo son la Gasolina, lubricantes, Kerosén,
etc. con gran facilidad y sin problemas de
manejo y transporte de
dichos petróleos hasta las instalaciones de
refinación.
Al momento de realizar las primeras extracciones de crudo en la
Faja del Orinoco, se mantuvo una tecnología en la cual se
inyectaba solvente a fondo de pozo con el fin de diluir,
disminuyendo la viscosidad del crudo para luego ser transportado
y posteriormente fraccionado. El fraccionamiento de estos
hidrocarburos extrapesados produce gran cantidad de residuo que
poseen poco valor comercial; y poca cantidad de combustibles
livianos que son los más comercializados.

Desde finales de la década de los años 70
(1978), en PDVSA – INTEVEP, S.A. centro de investigación y apoyo tecnológico de
Petróleos de Venezuela, se iniciaron actividades de
investigación tendentes a encontrar una manera
económica y técnicamente factible, de extraer los
hidrocarburos presentes en la Faja del Orinoco y transportarlos
hacia los centros de refinación más cercanos a un
menor costo. Bajo el
entorno económico existente para la época, se
propuso la adaptación y optimización de la
tecnología de emulsiones como alternativa a los métodos
convencionales de calentamiento y dilución.
Luego de varios años de investigación en los
laboratorios de PDVSA – INTEVEP, S.A. en conjunto con los
colaboradores de Reserch Center to British Petroleum, el
laboratorio de FIRP de la universidad de
los Andes y la Facultad de Ciencias de la
Universidad Central de Venezuela, en la década de los
años ochenta, se propuso la quema directa de la
emulsión formada con hidrocarburo y agua, con el
propósito de obtener mejores beneficios económicos,
ya que no se obtienen gran cantidad de productos valiosos
mediante la refinación del hidrocarburo. A partir de dicha
propuesta se realizaron estudios que posteriormente dieron origen
a la Orimulsión®, que luego PDVSA –
INTEVEP, S.A. fue afinando la tecnología de
formulación de este, a través de pruebas
pilotos y comerciales desarrollando así la
tecnología Imulsión® que es la base
para la producción, tratamiento y manejo de
bitúmenes (hidrocarburos extrapesados), así como
para la manufactura
del combustible Orimulsión®.

4. Proceso de
producción de la
orimulsión®

Tecnología
Imulsión®
Como ya se mencionó, la
tecnología imulsión® es la base en
la manufactura de la Orimulsión® y fue
desarrollada por PDVSA – INTEVEP, S.A. luego de varios
años de investigación en el campo de las emulsiones
de bitumen en agua.
Antes de referir esta tecnología, es necesario puntualizar
en los siguientes aspectos:

• Emulsiones:

Las emulsiones son sistemas
dispersos o suspensiones líquido – líquido,
constituidos por dos líquidos inmiscibles, en el cual la
fase en suspensión (interna) denominada fase dispersa se
encuentra en forma de pequeñas gotas contenidas en una
fase externa denominada fase continua. Los tipos más
comunes de emulsiones son aquellas en las que un aceite es se
dispersa en agua, en cuyo caso el sistema se conoce
como emulsiones oleoacuosas (O/W), o cuando el agua se
dispersa en el aceite para formar emulsiones hidrooleosas (W/O).
El combustible Orimulsión® es una
emulsión de bitumen (fase dispersa) en agua (fase
continua), lo que implica que es una emulsión del tipo
oleoacuosa (O/W), involucrando esto que las emulsiones tratadas a
continuación serán sólo del tipo O/W.
La emulsificación normalmente requiere la presencia de un
tercer componente con actividad interfacial que es adsorbido en
la interfase de las gotas en la fase dispersa, denominado
surfactante, este facilita la formación de la
emulsión y prolonga el tiempo de vida de
esta, manteniendo su estabilidad.

• Surfactantes o Emulsificantes:

Los surfactantes son sustancias complejas que se emplean
para disminuir la tensión interfacial entre la fase
dispersa y la continua ya que cuanto menor es la tensión
interfacial entre las dos fases de una emulsión, tanto
más fácil es la emulsificación.
Los surfactantes se dividen en iónicos y no
iónicos. El surfactante iónico consta de un
grupo
lipófilo orgánico y un grupo hidrófilo. Los
surfactantes iónicos se subdividen en aniónicos y
catiónicos, según sea la naturaleza del
grupo activo. Ordinariamente se considera que la porción
lipófila de la molécula es la porción de
actividad interfacial.
Como es de suponer, no son mutuamente compatibles los agentes
aniónicos y catiónicos de actividad interfacial,
pues en virtud de las cargas iónicas tienden a
neutralizarse entre sí y se incapacita su actividad
interfacial.
Los emulsivos no iónicos son totalmente covalentes y no
tienen ninguna tendencia a la ionización. Por
consiguiente, puede asociarse con otros agentes no iónicos
de actividad interfacial y con agentes aniónicos o
catiónicos. Los emulsivos no iónicos son mas
inmunes contra la acción de electrolitos que los agentes
aniónicos de actividad interfacial.
La función
del surfactante puede ser ilustrada de la siguiente
manera:

Figura 1
Para lograr la formación de gotas y su dispersión
en agua, es necesario comunicarle al sistema cierta cantidad de
energía, dada según la siguiente
expresión:

Donde:

D
G(fe) Energía de formación de la
emulsión, J

s Tensión
interfacial, N/m

D
A Variación del área interfacial,
m2

D
S(conf) Incremento de entropía debido al cambio de
configuración, J/K

T Temperatura,
K

El término representa la energía requerida para expandir
la interfase durante la emulsificación. En ausencia de
surfactante, este término tiene un valor relativamente
alto, ya que s
tiene un valor superior a 20 mN/m.

Para reducir la energía de emulsificación
es necesario disminuir la tensión interfacial, al menos en
un orden de magnitud, lo cual sólo se consigue
añadiendo al sistema una sustancia con actividad
interfacial, cuyas moléculas se adsorban en la interfase
bitumen – agua. El término , representa el aumento de entropía
por cambios en la configuración del sistema, como
resultado de la dispersión de un componente (bitumen) en
un gran número de gotas, dicho término es positivo
y, por lo tanto, ayuda a la formación de la
emulsión. No obstante, para el caso de macro emulsiones,
es siempre mayor
que por lo
tanto D
G(fe) es siempre positivo implicando esto que el
proceso de formulación de emulsiones no es un proceso
espontáneo (necesita energía). Como el proceso de
emulsificación no es espontáneo, las emulsiones son
sistemas termodinámicamente inestables, por lo que debe
existir una barrera de energía que se oponga al
rompimiento (separación de fases); esto implica que las
emulsiones son estables sólo desde el punto de vista
cinético.

Las investigaciones
llevadas a cabo en los laboratorios y plantas piloto de
PDVSA-INTEVEP y, posteriormente, en facilidades diseñadas
especialmente en campo, en las áreas de Jobo y Cerro
Negro, Venezuela, permitieron que en un período de diez
años se estableciera a escala comercial
la tecnología Imulsión®, para la
producción, tratamiento y manejo de bitúmenes,
así como para la manufactura del combustible
Orimulsión®.
La tecnología Imulsión® en un
principio, consistió, en que el bitumen se producía
inyectando una solución acuosa de un surfactante a fondo o
cabezal de pozo, donde se formaba una emulsión primaria,
de muy baja viscosidad (100 cPs a 30°C) con un contenido de
bitumen de 60% (v/v). De esta manera, el bitumen fluía
fácilmente hacia las instalaciones de superficie, donde
era desgasificado, desalado, deshidratado y recuperado de la
emulsión primaria, para luego formar la
Orimulsión®. Más adelante, y por
razonas técnicas y
económicas, se suspendió la formación de
emulsión primaria y el bitumen se comenzó a
producir mediante inyección de diluente a fondo de pozo.
El bitumen diluido es tratado para remover el gas asociado y el
agua salada proveniente de la formación, y para recuperar
el diluente inyectado, lo cual permite usar el bitumen en forma
natural, en la manufactura del combustible
Orimulsión®.
En la formulación de Orimulsión®,
aparte de la presencia en las cantidades apropiadas de agua y
bitumen, se requiere la incorporación de un surfactante.
El producto
formado, mediante la tecnología
Imulsión®, se estabiliza con el Intan-100,
surfactante no iónico, cuya base activa lo constituye el
nonil fenol etoxilado con 17 óxidos de etileno por
molécula.

Emulsiones de Viscosidad Controlada (EVC):
La Orimulsión® formada en sus inicios,
constaba de una emulsión de 70 % de bitumen en 30 % de
agua, la cual presentaba una distribución de diámetro de gotas
monomodal o normal, cuyo comportamiento
reológico será descrito a
continuación:

• Comportamiento reológico de emulsiones de
  bitumen en agua con distribución monomodal:

El comportamiento reológico de las emulsiones
depende fundamentalmente del diámetro promedio de las
gotas de la fase interna (bitumen) así como de la
concentración de esta. Obviamente al aumentar la
concentración de la fase dispersa, aumenta la viscosidad
de la emulsión ya que la viscosidad del bitumen es mucho
mayor que la viscosidad del agua. Con respecto al diámetro promedio de
gotas, los investigadores obtuvieron que al disminuir el
diámetro promedio de gotas, ocurre un aumento pronunciado
de la viscosidad de la emulsión y, esto se debe
a

Figura 2
que ocurre un elevado aumento del área interfacial lo cual
promueve mayor interacción entre la fase dispersa. Al
monitorear la viscosidad de diferentes emulsiones monomodales en
el tiempo, se observó poca variación de esta,
indicando de esta manera que las emulsiones monomodales son
estables.
Por otra parte las emulsiones con distribución normal se
comportan como un fluido no – Newtoniano del tipo
seudoplástico (la viscosidad disminuye al aumentar la tasa
de deformación), el cual se acentúa más a
medida que disminuye el diámetro promedio de gotas.
A partir del año 90, la investigación se ha
enfocado en mejorar la calidad de la
Orimulsión® , en términos de sus
propiedades reológicas, características
ambientales, entre otras. Es así como se ha desarrollado
una tecnología que permiten incrementar el contenido de
bitumen en la emulsión sin aumentar la viscosidad del
producto, dicha tecnología es la que se conoce como
Emulsiones de Viscosidad Controlada.

Las emulsiones de viscosidad controlada se caracterizan
por poseer una distribución de diámetro de gotas
bimodal. Estas emulsiones se forman mezclando en ciertas
proporciones emulsiones con distribuciones de diámetros
monomodales que tienen diámetros promedios bien
diferenciados, generando de esta manera emulsiones que poseen
características reológicas completamente diferentes
a las emulsiones de partida.
Estas emulsiones se denominan "de Viscosidad Controlada" ya que
la viscosidad de estas se puede controlar con un alto grado de
precisión variando la relación
Dg/Dp (Diámetro de gota grande a
diámetro de gota pequeña).

• Preparación de emulsiones de bitumen en agua
  con distribución bimodal:

Las
emulsiones se preparan a partir de bitumen despojado el cual se
produce mediante la inyección de diluente (Kerosén)
a fondo de pozo hasta tener un hidrocarburo con una ºAPI de
14 Aprx. Este se desala y se deshidrata en un sistema de
separación electrostática (figura 3). El diluente
añadido posteriormente se separa en una columna de
Destilación atmosférica, hasta
obtener un producto con características muy similares a
las del bitumen original presente en la
formación.

Figura 3
Luego se procede a formar las emulsiones (Fig. 4), las cuales se
forman preparando de manera separada en dos ramales, emulsiones
monomodales de diámetro bajo (Dp<6 micras) y
de diámetro grande (Dg>6 micras) mediante
una técnica patentada por PDVSA – INTEVEP, S.A. y
Reserch Center to British Petroleum, denominada High Internal
Phase Ratio (HIPR). En cada caso, se mezcla el bitumen con una
solución acuosa de surfactante el cual se conoce como
Itan-400 (siendo este, una mezcla de surfactantes naturales
activados con monoetanolamina (Itan-300) y el tridecanol
etoxilado (Itan-200) formando estos dos una mezcla de
surfactantes aniónicos y no-aniónicos), en
relaciones iniciales de bitumen/Agua (RBA), que varían
entre 95/5 y 80/20 (p/p) a una temperatura aproximada de
60ºC. La mezcla se somete a agitación variando la
velocidad de
mezclado y el tiempo de residencia, de forma que se puedan
obtener las emulsiones con el diámetro promedio de gotas
requerido en cada una de las ramas del circuito de
formación. Seguidamente, tanto las emulsiones de
diámetro pequeño como las de diámetro
grande, se diluyen con agua hasta lograr relaciones de bitumen /
Agua de 70/30, 75/25, y 80/20 (p/p). Una vez diluidas estas
emulsiones, cuya característica fundamental es poseer una
distribución de diámetros monomodal, se mezclan
entre si en diferentes proporciones, para obtener un producto
final con distribución bimodal.

Figura
4

• Comportamiento reológico de emulsiones de
  bitumen en agua bimodales:

Al estudiar los cambios de viscosidad para una
emulsión con un contenido total de bitumen de 70% (p/p)
formada mezclando emulsiones de 4 y 20 micras de diámetro
promedio de gotas se observa, que a medida que aumenta, la
fracción de emulsión con un diámetro
promedio de gotas de 4 micras en la mezcla, la viscosidad
disminuye progresivamente, hasta alcanzar un valor mínimo
a partir del cual comienza a aumentar nuevamente. El valor
mínimo de viscosidad corresponde al de una mezcla que
contiene aproximadamente 25% (p/p) de emulsión, con gotas
de 4 micras, y 75% (p/p) de emulsión con gotas de 20
micras.

Cabe añadir que el mínimo de viscosidad
observado, corresponde a un valor de viscosidad que es al menos
dos órdenes de magnitud menor que el de la emulsión
de partida con menor viscosidad; es decir, al de la
emulsión de 20 micras de diámetro promedio de
gotas. A manera de ilustración podemos decir que si la
viscosidad de la emulsión de 20 micras fue de unos 2000
mPa.s a 30°C y 1/s, la de la mezcla, en el mínimo de
viscosidad fue de 60 mPa.s, bajo las mismas
condiciones.

Otro aspecto importante es que a pesar de que las
emulsiones de partida utilizadas para formar la mezcla con
distribución bimodal, presentaron un comportamiento
claramente no-Newtoniano, la mezcla cuya composición
corresponde al mínimo de viscosidad, se comporta como un
fluido Newtoniano.
Con la finalidad de investigar el efecto de las diferencias entre
los diámetros promedios de gotas de las emulsiones
monomodales utilizadas para preparar las mezclas
bimodales, sobre las propiedades reológicas de dichas
mezclas, se procedió a realizar las combinaciones
indicadas en la Tabla 1 en donde la relación de
bitumen/Agua (RBA) es de 70/30. Al estudiar
específicamente las emulsiones A, B y C de la Tabla, en
donde todas estas contienen 25% (p/p) de la emulsión con
el diámetro de gotas pequeño, ya que esta
proporción fue considerada óptima según el
estudio descrito anteriormente. En todos los casos se observaron
viscosidades extremadamente bajas, entre 65 y 150 mPa.s
aproximadamente, las cuales no variaron considerablemente con el
tiempo de almacenamiento,
lo que indica que no sufrieron signos de
desestabilización.

Tabla 1. Emulsiones bimodales con contenido de bitumen
de 70% (p/p).

Otro hecho importante de resaltar, en relación a
la tabla 1, es que la viscosidad de cada emulsión bimodal
aumenta al incrementar el diámetro promedio de la
fracción de menor diámetro. No obstante, todas
ellas mostraron un comportamiento típicamente
Newtoniano.

Además de las emulsiones A, B y C de
diámetro promedio de gotas grandes (Dg) de 20,7
micras se estudiaron también las emulsiones D, E y F de la
tabla 1, en donde la fracción con gotas grandes tiene un
diámetro promedio de 30 micras; es decir, unas 10 micras
por encima del valor de esa fracción en las emulsiones A,
B y C de la misma tabla. Las viscosidades observadas en este caso
son relativamente menores a las presentadas por las emulsiones A,
B y C, a pesar de que poseen la misma relación
bitumen/agua.

Los resultados analizados hasta el momento, permiten
concluir que para una relación dada bitumen/agua, en
emulsiones bimodales, el comportamiento reológico del
sistema resulta muy afectado por la relación de
diámetros entre las fracciones de diámetros grandes
y pequeños. Al aumentar la diferencia entre los
diámetros de dichas fracciones la viscosidad de la
emulsión bimodal obtenida se hace menor.
Además del estudio realizado con una RBA de 70/30, se
investigó el comportamiento reológico de emulsiones
con una RBA de 75/25 y un diámetro promedio de gotas
grandes (Dg) de 30 micras (Emulsiones D, E y F), las
cuales presentan el mismo comportamiento reológico de
emulsiones D, E y F antes descritas, pero en este caso con un
porcentaje de bitumen mayor, es decir 75% (p/p). En este caso, a
pesar de haber aumentado la viscosidad con respecto a las de las
emulsiones con 70% (p/p) de bitumen, los valores
obtenidos siguen siendo muy bajos, cuando se comparan con los
valores
encontrados para emulsiones con las mismas características
(contenido de bitumen y diámetro promedio de gotas), pero
con distribución de diámetro de gotas monomodal, en
cuyo caso los valores reportados han sido superiores a los 10.000
mPa.s.

También es evidente, que las viscosidades de las
emulsiones se hacen mayores, a medida que aumenta el
diámetro promedio de gotas de la fracción de menor
diámetro (Dp). Igualmente en este caso, todas
las emulsiones estudiadas mostraron un comportamiento Newtoniano,
a pesar del alto contenido de fase interna (75%).
Finalmente, se evaluaron emulsiones bimodales con 80% (p/p) de
bitumen en la fase interna y con diámetro promedio de
gotas grandes de 30 micras. Se obtuvo que sólo cuando se
mezclan emulsiones de 2 y 30 micras de diámetro promedio
de gotas, se obtiene un producto con viscosidades relativamente
bajas y comportamiento Newtoniano. Para las otras combinaciones
de diámetro de gotas, las emulsiones resultaron bastante
viscosas y claramente seudoplásticas.

• Aspectos Geométricos de las emulsiones de
  bitumen en agua bimodales:

Es evidente, de los resultados discutidos anteriormente,
que aparte de las consideraciones físico-químicas
que rigen el proceso de formación y posterior
comportamiento de las emulsiones de bitumen en agua, deben
existir factores de tipo geométrico, que tienen que ser
tomados en cuenta a la hora de explicar las
características reológicas observadas en las
emulsiones con distribución de diámetro de gotas
del tipo bimodal.

En efecto, si admitimos hipotéticamente que las
emulsiones son monodispersas; es decir, que en ellas todas las
gotas poseen el mismo diámetro, las mismas podrían
esquematizarse como se muestra en la
figura 5,

Figura 5
donde cada círculo negro representa un corte transversal
de las gotas de bitumen presentes en la emulsión
Cuando se trata de emulsiones diluidas, donde la
concentración de la fase interna es inferior al 50% (p/p).
hay una clara separación entre las gotas (Fig. 5), ya que
éstas se encuentran sumergidas en la fase acuosa y
rodeadas de una película de agua, la cual tiene un espesor
suficientemente grande como para evitar la interacción
entre las gotas. Lo anterior reduce la probabilidad de
floculación, con lo cual la viscosidad del sistema se
aproxima al valor del de la fase continua, en este caso a la del
agua.
Al aumentar la concentración de la fase dispersa a valores
iguales o mayores al 70% (p/p), los sistemas dispersos
(monomodales) muestran un incremento exponencial de viscosidad.
En estos casos, la geometría
del sistema obliga a que las gotas se toquen unas

Figura 6
con otras (Fig. 6), llegando incluso a producirse sobre
posición entre ellas. Al ponerse las gotas en contacto,
desaparece la película de agua que las rodea y ésta
se ve obligada a confinarse en las aberturas entre las gotas, las
cuales pueden llegar a ocupar hasta el 30% del volumen total de
la emulsión.
Cuando se mezclan dos emulsiones con una diferencia apreciable en
sus diámetros promedios de gotas, 2 y 30 micras por
ejemplo, es de esperar que las gotas pequeñas en vez de
quedar atrapadas entre las grandes, migren espontáneamente
hacia las aberturas ocupadas por la fase continua, forzando el
agua atrapada en esos intersticios a migrar de allí y
formar una película alrededor de las gotas, lo cual obliga
a que éstas se separen y se debiliten o eliminen las
interacciones intra-moleculares. Al mismo tiempo, las gotas
pequeñas se introducen en la película de agua que
rodea las gotas grandes (fig. 7), actuando como una especie de
lubricante que elimina la fricción entre éstas.
Todo esto trae como consecuencia lógica,
una rápida disminución de la viscosidad puesto que
disminuyen las interacciones directas entre las gotas.

Para producir los efectos deseados en cuanto a la
disminución de viscosidad, mediante la formación de
emulsiones bimodales es necesario que exista una relación
crítica entre los diámetros promedios de las
emulsiones por mezclar, por lo tanto, se requiere que
los

Figura 7
diámetros promedios de la fracción de gotas
pequeñas sean tales que les permita colocarse holgadamente
y sin interacciones entre los espacios libres dejados por las
gotas grandes. De no ser así, ambas fracciones
interactúan produciendo efectos hidrodinámicos que
mantienen valores altos de viscosidad. Por esta razón,
mientras mayor es la diferencia entre los diámetros
promedios de las gotas grandes y pequeñas, menor es la
viscosidad de la emulsión obtenida.

Es importante señalar que la existencia de una
relación en peso óptima (25% de emulsión con
gotas pequeñas) entre las fracciones de gotas grandes y
pequeñas, requerida para obtener la mínima
viscosidad de la mezcla, se debe a que a esa relación los
intersticios existentes entre las gotas grandes, se encuentran
completamente ocupados por las gotas pequeñas, de forma
tal que la fase continua se distribuye uniformemente por toda la
emulsión. A fracciones menores de gotas pequeñas,
no habrá suficiente cantidad de gotas para forzar la
salida de toda el agua de los intersticios, mientras que a
fracciones mayores, el número de gotas pequeñas es
lo suficientemente elevado para interactuar entre sí y con
las gotas grandes, lo que origina por tanto, altas
viscosidades.

• Estabilidad de las emulsiones de bitumen en
  agua:
• Estabilidad estática
  de las emulsiones de bitumen en agua:

Estabilidad estática se refiere a los cambios que
sufren las emulsiones de bitumen en agua, durante su
almacenamiento, el cual es reflejado por un aumento del
diámetro promedio de gotas acompañado de un aumento
de la viscosidad de esta.

En la figura 8, se esquematizan los tipos más
comunes de desestabiliza-ción normalmente observa-dos en
emulsiones, los cuales se discuten brevemente a
continuación:

Figura 8

• Floculación: Proceso de agregación de
  gotas sin que éstas pierdan su identidad, y
  sin cambio en el diámetro promedio de las mismas. La
  floculación es el resultado de las atracciones de Van
  der Waals y de las interacciones electrostáticas y
  esféricas, entre moléculas de surfactante
  adsorbidas sobre la superficie de gotas adyacentes.
• Sedimentación: Agregación de las gotas
  bajo la influencia de la gravedad, como consecuencia de una
  diferencia de densidad
  apreciable entre las fases continua y dispersa. Cuando la
  fuerza de
  gravedad excede el movimiento
  térmico de las gotas, se desarrolla un gradiente de
  concentración en el sistema, en el que las gotas
  más grandes se mueven a mayor velocidad hacia la
  superficie (si la densidad de la fase dispersa es menor que la
  de la continua), o hacia el fondo (si la densidad de la fase
  dispersa es mayor que la de la continua). En los casos
  extremos, las gotas se concentran en la superficie ("creaming")
  o en el fondo (sedimentación). En ninguna de estas
  situaciones, las gotas pierden su individualidad y el proceso
  es reversible.
• Coalescencia: Proceso de coalescencia en una
  emulsión, que implica la unión de varias gotas
  para formar otras más grandes, lo que finalmente conduce
  a la separación de las fases. Para que se produzca la
  coalescencia, es necesario que la película
  líquida interfacial que rodea las gotas, así como
  la monocapa de surfactante adsorbida sobre la superficie de las
  mismas sufran un completo deterioro. La coalescencia es un
  proceso irreversible, difícil de explicar
  teóricamente. Este, es monitoreado a través del
  diámetro promedio de las gotas.
• Inversión: Cambio de una emulsión de
  aceite en agua a otra de agua en aceite. La inversión puede ser promovida por varios
  factores entre los cuales destacan la temperatura, cambios en
  la formulación del sistema y efectos de tipo
  mecánico, entre otros.

La estabilidad estática de una emulsión de
bitumen agua, está afectada por los siguientes
aspectos:

• Efecto de la temperatura:

En la tabla 2, se muestra la variación del
diámetro promedio de gotas, en función del tiempo
de almacenamiento a 25, 40 y 60°C, respectivamente, para
emulsiones de bitumen en agua, estabilizadas con 2500 ml,
respecto al bitumen, de Intan-100 (surfactante de la
formulación anterior a la
Orimulsión® 400).
Tabla 2. Efecto de la temperatura y el tiempo de almacenamiento
sobre el diámetro promedio de gotas(Dp),
estabilizadas con 2500 mg/lt de Itan-100

En todos los casos estudiados, se observa un ligero
incremento en el diámetro promedio de gotas, durante los
primeros 20 días del almacenamiento, signo evidente de que
ocurrió un cierto grado de coalescencia. Indudablemente
que la causa del incremento en el diámetro promedio de
gotas y, por consiguiente, de la coalescencia, debe atribuirse a
una deficiencia inicial de surfactante.
La concentración de surfactante existente al momento de
formar la emulsión, no fue lo suficiente alta como para
recubrir toda el área interfacial (bitumen/agua) generada
durante el proceso de emulsificación, como consecuencia,
se produjo espontánea y progresivamente una
disminución en el área interfacial, hasta que el
surfactante presente fue capaz de saturar completamente la
interfase. La disminución del área interfacial,
implica un aumento en el diámetro promedio de gotas.
La ocurrencia de coalescencia durante los 20 primeros días
de almacenamiento de estas emulsiones, puede comprobarse
también al analizar los cambios con el tiempo de la
distribución de diámetros de gotas.
La temperatura tiene cierto efecto sobre la velocidad de
coalescencia. Como se observa en la tabla 2, a 60°C, el
diámetro promedio de gotas aumenta más
rápidamente que a 25 ó 40°C, respectivamente.
Este comportamiento se debe a cambios en las propiedades del
surfactante con la temperatura, ya que al incrementar ésta
el mismo se hace más hidrofóbico y tiende a
separarse de la interfase. Si la temperatura se aumenta a valores
aun mayores (80°C o más), el surfactante se separa
totalmente de la interfase y la emulsión se deteriora por
completo.

• Efecto de los electrolitos:

La influencia de cationes mono y bivalentes sobre la
estabilidad estática de las emulsiones de bitumen en
aguas, fue estudiada añadiendo a la fase acuosa de las
mismas, nitrato de sodio y de calcio, en las concentraciones
requeridas para generar fuerzas iónicas de 0,1 y 0,2,
respectivamente. Así, 708 mg/l de Na+ y 403
mg/l de Ca++ corresponden a una fuerza iónica
de 0,1. mientras que 1416 mg/l de Na+ y 826 mg/l de
Ca++ originan un valor de fuerza iónica de
0,2.

Con base en la información obtenida, se pudo
observar que los electrolitos con cationes mono y bivalente no
tienen una marcada influencia sobre la estabilidad de estas
emulsiones frente a la coalescencia, puesto que se observó
un ligero incremento en los diámetros promedios de gotas
pero este aumento es prácticamente igual en todas las
emulsiones estudiadas.

• Estabilidad estática durante el almacenamiento
  prolongado:

Tal como se discutió en las secciones anteriores,
las emulsiones muestran incrementos en el diámetro
promedio de gotas durante los primeros días del
almacenamiento. Ese aumento inicial en el diámetro
promedio, es atribuible a cambios y rearreglos internos, que
ocurren durante el proceso a través del cual se alcanza el
equilibrio
entre el surfactante adsorbido sobre la superficie de las gotas
de bitumen dispersas y el que se encuentra disuelto en la fase
acuosa. También durante los primeros días del
almacenamiento ocurre el bien conocido efecto llamado "Oswald
Rippening", a través del cual las gotas pequeñas
son absorbidas por las grandes con el consiguiente aumento en el
diámetro promedio.

Si después de este incremento inicial del
diámetro promedio de gotas que ocurre durante las dos o
tres primeras semanas del almacenamiento, el diámetro
permanece constante en el tiempo, podemos asegurar que la
emulsión es estable desde el punto de vista
estático. Caso contrario, si el diámetro
continúa incrementándose, se trata de una
emulsión inestable, en la cual finalmente se separan las
fases, en un período que depende de la velocidad de
coalescencia.
En emulsiones concentradas, las cuales contienen 70% (p/p) de
bitumen o más, bajo condiciones estáticas las gotas
se deforman y se mantienen separadas una distancia (H) por una
película muy fina de líquido (fase continua) que
existe entre ellas (Fig. 9). En el caso de las emulsiones que no
sufrieron cambios en el diámetro promedio de gotas durante
el almacenamiento, el surfactante que recubre las superficie de
las gotas genera una fuerza de repulsión entre ellas,
conocida como "presión de
separación", que permite que la película de fase
continua que separa las gotas (película líquida
interfacial) sea lo más gruesa y estable posible, lo que
evita de esta manera que las gotas se toquen y
coalescan.

La presencia de un desemulsificante, o cualquier otro
agente desestabilizante, hace que el surfactante se desorba de la
superficie de las gotas, con lo cual la presión de
separación entre ellas se hace menor que la presión
capilar (presión en la zona del menisco). Como
consecuencia, la película líquida interfacial se
drena progresivamente, se hace cada vez más delgada, hasta
que las gotas se tocan y calecen.

Figura 9

Si bien el fenómeno de coalescencia, responsable
por el deterioro de las emulsiones, normalmente se mide
determinando el diámetro promedio de gotas, éste es
responsable también por cambios que ocurren en otras
propiedades de las emulsiones, tales como la
viscosidad.

• Estabilidad dinámica de las emulsiones de bitumen en
  agua:

La determinación de la estabilidad
dinámica de emulsiones ha sido una actividad compleja, en
la que se han utilizado diferentes métodos, ninguno de
ellos estándar o reconocido internacionalmente ya que
entre las emulsiones conocidas, sólo la
Orimulsión® es transportada por oleoductos
y tanqueros y pasada a través de numerosas bombas, lo que
somete al producto a un alto cizallamiento, cuando se maneja en
las complicadas instalaciones de una planta generadora de
electricidad que es la principal aplicación de
Orimulsión®.

Por consiguiente, para determinar la estabilidad
dinámica de la Orimulsión® fue
necesario realizar una extensa labor de investigación, la
cual concluyó en el diseño
y construcción de un equipo especial el
denominado "reómetro de coalescencia".

Con este reómetro se puede someter una
emulsión a un campo de flujo similar al que recibe durante
el transporte, desde el sitio de su formación hasta el
quemador en una planta eléctrica. Se postula, pues, que
una emulsión es estable dinámicamente, si no sufre
cambios significativos en su distribución y
diámetro promedio de gotas, cuando se pasa un cierto
número de veces a través del reómetro de
coalescencia.
En la figura 10, se muestra un diagrama
esquemático de reómetro de coalescencia, el cual
consta de una celda, provista de un arreglo rotor-estator de
excentricidad y velocidad variable. La muestra de emulsión
llega a la celda desde una bomba presurizada, con la cual se
puede controlar el campo de flujo y el tiempo nominal de
residencia.
Al variar la excentricidad y la velocidad rotacional,
también varían los patrones de flujo y con ello se
pueden variar, los parámetros capaces de generar
inestabilidad dinámica en las emulsiones. Estos
parámetros son: la tasa nominal de corte, los gradientes
de distribución de presión, el flujo rotacional,
así como expansiones y contracciones violentas.

En
síntesis, la prueba consiste en pasar una
muestra de dos litros de Orimulsión® a
30°C a través de la celda, a un flujo tal que el
tiempo de residencia en la celda sea de unos 3
segundos.

Figura 10
Durante el pase por la celda, el rotor gira a unas 6.500 rpm, lo
cual genera una tasa de corte en la emulsión de unos 8.000
s-1 . Si una emulsión soporta 7 pases a través del
rotor, sin que incremente significativamente su diámetro
promedio de gotas, significa que el cizallamiento aplicado no ha
sido capaz de inducir coalescencia entre las gotas y, por
consiguiente, que la emulsión es dinámicamente
estable. Para el estudio de una emulsión estabilizada con
Intan-400, se observa que el diámetro disminuye con el
número de pases. Si el diámetro promedio de gotas
disminuye, significa que existe suficiente surfactante en la fase
acuosa para recubrir la nueva área interfacial creada y
que la película de surfactante adsorbida sobre la
superficie de las gotas es suficientemente rígida para no
romperse por acción del cizallamiento aplicado. Por
consiguiente, la emulsión es dinámicamente
estable.

También se pudo observar que para otra
emulsión preparada para el estudio, el diámetro se
incrementa durante su paso por el reómetro significando
que esta última emulsión es inestable
dinámicamente, ya que la película de surfactante
adsorbida no resiste el cizallamiento, se rompe y ocurre
lógicamente la coalescencia entre gotas.

Para que una emulsión sea estable, la superficie
de las gotas, debe estar completamente recubierta por las
moléculas de surfactante. Dichas moléculas de
surfactante adsorbidas sobre la superficie de las gotas
están en equilibrio con un exceso de surfactante existente
en la fase acuosa. Durante el cizallamiento, las gotas de bitumen
se deforman y sufren un incremento en el área interfacial
(Fig. 11), como consecuencia de este aumento de área, la
interfase se satura de moléculas de surfactante, quedando
lógicamente zonas desprotegidas, a través de las
cuales se puede producir coalescencia, una vez que la
película interfacial se drene. Si existe suficiente
surfactante en la fase acuosa, éste se difunde
rápidamente hacia la interfase y se adsorbe sobre las
zonas desprotegidas, lo que evita el drenaje de la
película líquida interfacial y la coalescencia de
las gotas. Si la concentración de surfactante es baja, en
nuestro caso específico 2000 mg/Lt o menos, la velocidad
de difusión del surfactante hacia la superficie de la gota
deformada, no es lo suficientemente rápida para lograr
recubrir la gota antes de que se produzca la coalescencia. Como
consecuencia al drenar la película interfacial, las gotas
se unen y favorecen el aumento en el diámetro promedio, y
por ende, la coalescencia.

Figura 11

Se ha comprobado, que una emulsión que pase
más de siete veces a través del reómetro,
girando a 6.500 rpm, se puede someter a las más adversas
condiciones de manejo, sin que sufra deterioro alguno. Este es el
caso de la Orimulsión® estabilizada con
Intan-400.

Descripción del proceso de producción de
Orimulsión®.
Luego de conocer las bases fundamentales en la formulación
del combustible Orimulsión® así como
también las tecnologías desarrolladas, es preciso
destacar el proceso de elaboración a nivel industrial, se
realiza en la planta MPE-1, en Morichal Edo. Monagas, el cual, en
principio, consta de cuatro pasos fundamentales, que serán
puntualizados a continuación:

1. EXTRACCIÓN DE BITUMEN NATURAL.
2. TRATAMIENTO.
3. DESPOJAMIENTO.
4. EMULSIFICACIÓN.

Descripción:
PASO 01: EXTRACCIÓN DE BITUMEN NATURAL:
Por medio de maquinarias de perforación y
extracción se realiza el método de
Levantamiento Artificial e Inyección de diluente, el cual,
consiste en inyectar kerosén a fondo de pozo hasta obtener
una mezcla de 14 ºAPI Aproximadamente, con el fin de hacer
más fácil de manejar y bombear el bitumen hasta las
estaciones de flujo J-20 y O-16 para luego enviar dicha mezcla al
área de tratamiento.

PASO 02: TRATAMIENTO:
Esta segunda etapa consiste en almacenar y separar parte del agua
del bitumen húmedo diluido proveniente de las estaciones
de flujo J-20 y O-16, mediante el precalentamiento de dicha
mezcla, que luego es desalada y deshidratada mediante separadores
electrostáticos los cuales mediante celdas inducen una
corriente
eléctrica que produce la separación de la sal
junto con el agua, que luego es decantada, obteniendo un producto
con un contenido máximo de agua del 1% y una
concentración máxima de 15 a 20 PTB de cloruro de
sodio. La temperatura de operación mínima es de
60°F.

PASO 03 DESPOJAMIENTO:
En esta etapa, el bitumen diluido seco, proveniente de los
equipos de desalación (ubicados en el área de
tratamiento), se somete a calentamiento para despojarlo del
diluente en una torre de fraccionamiento atmosférico que
emplea vapor vivo como suministro de energía; en la cual,
el producto de fondo es el bitumen empleado para el proceso de
emulsificación, teniendo este una gravedad API inferior a
8°(muy similar al bitumen natural inicial). Luego, por el
tope del fraccionado, se obtiene una mezcla de solvente y agua
los cuales son decantados para recuperar el solvente que
posteriormente se envía nuevamente al área de
extracción de bitumen.

PASO 04 EMULSIFICACIÓN:
En esta sección de manufactura de
Orimulsión® que es la más
importante, el bitumen natural proveniente de la torre de
despojamiento es mezclado con una solución acuosa de agua
y surfactante Itan-400, las cuales son separadas en dos
líneas de flujo distintas, en donde la primera
línea está destinada a formar la emulsión de
diámetro promedio de gotas grande (Dg) y la
segunda a formar la emulsión de diámtro promedio de
gotas pequeñas (Dp), en las cuales cada una de
estas, forma una dispersión de bitumen y agua mediante
mezcladores estáticos, consistiendo estos en un lecho tipo
empaque
acomodado (colmena) por el cual circula el bitumen, el agua y la
cantidad inicial de Itan-400 generando así dos emulsiones
iniciales produciendo dos emulsiones concentradas con una RBA
aproximada de 80/20. Luego la línea de alto
diámetro es enviada a una unidad especial de mezclado
(dinámico) diseñada específicamente para
este fin, dicho equipo fue denominado Orimixer®
que se considera es el corazón
del sistema de manufactura de Orimulsión®.
Paralelamente, en la línea bajo diámetro, la
emulsión formada inicialmente en el mezclador
estático, es enviada a un equipo comercial de mezclado
(dinámico) denominado Homomixer el cual imparte mayor
revoluciones por cada minuto (rpm) a la mezcla que el
Orimixer® con el fin de disminuir mucho más
el diámetro promedio de gotas. Luego de los procesos de
mezclado dinámico las emulsiones formadas en cada
línea, se mezclan nuevamente agregando más cantidad
de agua y surfactante que luego atraviesa dos mezcladores
estáticos en series en los cuales se forma la
emulsión más diluida con una RBA de 70/30 que
conforma o recibe el nombre de Orimulsión®
y luego de este paso es transportada 305 kilómetros hasta
el Terminal de Orimulsión® JOSE (TOJ)
dispuesto para su exportación.
Es prudente resaltar, que en Septiembre de 1999, la Empresa
certificadora Bureau Veritas Quality International otorgó
la Certificación ISO 9002 para
el proceso Orimulsión®, el cual incluye el
proceso de Extracción de Bitumen natural (Faja Bituminosa
del Orinoco), Manufactura de Orimulsión (Planta MPE-1,
Morichal, Edo. Monagas), Transporte (Desde la Planta MPE-1 a el
Terminal de Orimulsión® Jose en el Edo.
Anzoategui) hasta el Almacenamiento y Embarque (Terminal de
Orimulsión® Jose)

La Certificación ISO 9002 del Proceso de
formulación de la Orimulsión® a
consolida la labor que ha venido desarrollando Bitor para
fortalecer la presencia de este combustible en el mercado
energético mundial. El logro alcanzado significa para
Bitor la culminación exitosa del arduo trabajo que
implicó un cambio de cultura en
todo su personal, el cual
es su principal fortaleza: un recurso humano adaptado a la
dinámica del entorno y a la creciente necesidad de mejorar
continuamente el producto para cumplir con las exigencias de sus
clientes.

Figura 12

Producción y reservas.

• Producción:

Actualmente en el estado
Monagas, en la planta El Morichal (MPE-1) se están
produciendo entre 105 y 125 mil barriles diarios de
Orimulsión. Esta producción se traslada al terminal
Marino de Exportación de José a través de un
oriducto de 305 Km.

La Faja petrolífera del Orinoco contiene una sola
segregación de crudo extrapesado, con varios rangos de
gravedad y un amplio intervalo que cubre desde 5° hasta
20° API; la gravedad promedio esta cerca de los 9° API.
La profundidad de los yacimientos disminuye desde 7000 en el
límite norte hasta el acuñamiento en el río
Orinoco. Los yacimientos atendiendo a su dimensión y
continuidad regional han sido agrupados en dos categorías
que no significan prioridad en la explotación:

• Acumulación en Primer Orden: Cerro Negro y el
  Pao (Hamaca) separados por el alto Hamaca; el Pao y San Diego
  (Zuata) divididos por el alto de Hato Viejo; mas al Oeste la
  acumulación de Zuata se extiende y pasa gradualmente a
  la de Machete. Las acumulaciones de primer orden muestran
  grandes volúmenes de rocas
  arenosas de origen fluviodeltaico en la base de oficina
  /chaguaramas en acuñamientos progresivos de paquetes de
  arena con entrampamiento básicamente
  estratigráfico y sin contactos agua-petróleo bien definidos.
• Acumulaciones de Segundo Orden: Ubicadas
  principalmente hacia el norte, donde las arenas disminuyen su
  espesor con notable efecto de lenticularidad y gradualmente
  predomina la Lutita. En la mayoría de los casos un
  contacto agua-petróleo cierra el depósito hacia
  el norte. La intercalación de lutitas facilita la
  determinación de los límites
  horizontales y verticales de cada arena, identificando
  yacimientos separados, diferencia importante con las
  acumulaciones de primer orden.

Los cuatro sectores asignados a las filiales de PDVSA
presentan características distintivas:

• El sector Cerro Negro: Está ubicado tan cerca
  del campo Jobo-Morichal que desde el punto de vista de la
  geología de producción e ingeniería de yacimientos la gigantesca
  acumulación podría considerarse como parte del
  Área Mayor de temblador. Durante la fase de evolución se llegó a producir
  petróleo a una tasa promedio de 107 barriles diarios
  pozo del Miembro Jobo y 234 barriles diarios pozo del Miembro
  Morichal.
• El sector Hamaca: Contiene al sur una de las
  acumulaciones de primer orden, que es la del Pao; el recipiente
  es la arena basal de formación oficina. En el
  área Hamaca norte existen yacimientos que por el tipo de
  entrampamiento, el volumen limitado y la gravedad del crudo se
  comparan en sus características
  estratigráfico-estructurales y se desarrollan como parte
  integral de los campos Merey, Melones y lejos del área
  mayor de oficina.
• El sector Zuata: El
  petróleo se encuentra en arenas basales poco
  consolidados de la formación oficina, en la mayor
  acumulación de primer orden de la Faja. Tiene arenas
  altamente productivas, además es de gran rendimiento
  bajo estimulación por inyección alternada de
  vapor.
• El sector Machete: Se destacan dos altos
  estructurales: el arco de Monasterio y el Alto de Machete. Gran
  parte del petróleo migró hacia el sur y los
  hidrocarburos llegaron hasta el borde del macizo formando los
  yacimientos de la faja petrolífera. El estado
  Monagas es una región altamente privilegiada en el campo
  de la exploración, procesamiento y explotación de
  gas, petróleo y de la actividad de la Orimulsión.
  Es el segundo estado productor del país y en pocos
  años se convertirá en el primero, producto de los
  desarrollos que actualmente se adelantan. BITOR y LAGOVEN
  producen 100 mil barriles diarios de este producto en
  Monagas.
• Reservas:

Las vastas reservas de Venezuela, de bitumen natural, en
la Faja del Orinoco superan los 42 mil millones de toneladas
métricas, las cuales producirían, en principio, 267
mil millones de barriles de Orimulsión®,
garantizan el suministro confiable de
Orimulsión® hasta bien entrado el siglo
XXII. La magnitud de las reservas de hidrocarburos venezolanos
refleja la importancia del país como suplidor seguro y
confiable de las necesidades futuras de energía del
mundo.