DESHIDRATACIÓN Y DESALADO DE CRUDO …

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA,

UNIDAD ALTAMIRA

“DESHIDRATACIÓN Y DESALADO DE CRUDO IMPLEMENTANDO MICROONDAS: APLICACIÓN

EN PEMEX EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN CAMPOS TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES,

ALTAMIRA TAMAULIPAS”

TESIS

Que para obtener el grado de:

DOCTOR EN TECNOLOGIA AVANZADA

Presenta:

M.C. Adrián Vázquez Vázquez

Director de Tesis:

Dr. Arturo López Marure

Altamira, Tamaulipas Mayo 2015

6

EN MEMORIA DE:

Dr. Hilario Vázquez Escobar Dr. Emmanuel Del Ángel Cervantes.

7

AGRADECIMIENTOS

“Y a Aquel que es poderoso para hacer todas las cosas mucho más abundantemente de lo que pedimos o entendemos, según el poder que actúa en nosotros, a él sea gloria en la iglesia en Cristo Jesús por todas las edades, por

los siglos de los siglos. Amén.”

Efesios 3:20,21

A Dios quien es mi sustento, mi guía y mi salvador. A mis Padres: Hilario Vázquez Escobar y Helen Vázquez Ramírez, quienes me instruyeron en el camino de Dios y me animaron aun en medio de las dificultades a continuar con este trabajo. A mis hermanos: Jorge Alberto Vázquez Vázquez e Hilario Vázquez Vázquez quienes son mi ejemplo de perseverancia. A mi asesor el Dr. Arturo López Marure quien confió en mí y me tuvo mucha paciencia. A mis revisores de Tesis: Dr. Jorge Aurelio Lois Correa, Dr. Marco Julio Ulloa Torres, Dr. Eugenio Rodríguez González, Dr. Rogelio Ortega Izaguirre y Dr. David Alberto Rivas Camargo, por sus acertados consejos para mejorar este documento. Al Dr. Ismael Herrera Revilla por enseñarme el mundo de la Modelación Matemática Computacional. A mis compañeros Luis Javier Andrade Cruz y Ariana Vázquez Almaguer de CICATA Altamira por su aportación a este proyecto. A mis compañeros del Grupo de Modelación Matemática Computacional del Instituto de Geofísica de la UNAM. Al CICATA-IPN Unidad Altamira y CONACYT por brindarme la oportunidad de estudiar y desarrollar este proyecto. Y sobre todo a Magaly Berenice Del Ángel Pérez por inyectar a mi vida cariño y amor, para continuar y terminar este proyecto.

8

Contenido

TABLAS 15

RESUMEN 16

ABSTRACT 18

INTRODUCCIÓN 20

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21

OBJETIVOS 22

Objetivo General 22

Objetivos Específicos 22

JUSTIFICACIÓN 22

HIPÓTESIS 23

1.- MARCO TEÓRICO 24

1.1.- ANTECEDENTES 24

1.2.- APLICACIONES INDUSTRIALES 24

1.2.1 Principio de Operación. 24

1.2.2 Calentamiento de Alimentos. 26

1.2.3 Calentamiento de Productos Industriales. 26

1.3.- DESHIDRATACIÓN DE CRUDOS 28

1.4.- MÉTODOS DE TRATAMIENTO PARA LA DESHIDRATACIÓN 30

1.6.- DESALACIÓN DEL PETRÓLEO 31

1.7.- DESHIDRATADO POR MICROONDAS 32

1.7.1 Implementación de microondas en emulsiones de aceite en agua. 32

1.8.- MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DEL DESHIDRATADO POR MICROONDAS 36

1.8.1 Implementación de modelos matemáticos en emulsiones de agua-aceite aplicando microondas. 36

2.- MATERIALES Y DISPOSITIVOS 39

2.1.- MUESTRAS DE CRUDO MAYA 39

2.2.- MEDIDOR DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS 39

2.2.1 Equipo. 39

2.3.- EQUIPO DE IRRADIACIÓN DE MICROONDAS 40

2.3.1 Equipo. 40

2.4.- EQUIPO DE SIMULACIÓN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 41

3.- METODOLOGÍA DE EXPERIMENTACIÓN 43

9

3.1.- MEDICIÓN DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS DE MUESTRAS DE CRUDO DEL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DEL CAMPO TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES. 43

3.2.- MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN EL EQUIPO DE LABORATORIO EXPERIMENTAL PARA IRRADIAR CON MICROONDAS MUESTRAS DE CRUDO DEL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DEL CAMPO TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES. 43

3.3.- SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 DEL EQUIPO DE LABORATORIO PARA MEDIR LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS. 43

3.4.- SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 UN APLICADOR DE MICROONDAS EN PLANTA PILOTO PARA EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO. 44

4.- RESULTADOS 45

4.1.- CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO Y MEDICIÓN DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS 45

4.1.1 Construcción del Equipo de Medición de Constantes Dieléctricas. 45

4.1.2 Medición de Constantes Dieléctricas 53

4.1.2.1 Muestra de Agua Destilada. 54

4.1.2.2 Muestra de Emulsión de Petróleo. 55

4.2.- CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO DE LABORATORIO Y MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS. 58

4.2.1 Modulo de Temperatura. 58

4.2.1.1 Medición de Temperatura Infrarroja. 59

4.2.1.2 Distancia y Tamaño del Puntero. 59

4.2.1.3 Temperatura Ambiente 60

4.2.1.4 Cualidad Atmosférica 60

4.2.1.5 Interferencia Eléctrica 61

4.2.1.6 Modelo Smart 61

4.2.1.7 Protocolo HART. 61

4.2.1.8 Adaptador HART RS232. 62

4.2.1.9 Configuración del sensor Raytek Thermalert TX 63

4.2.1.10 Desarrollo de la interfaz gráfica en Labview para adquisición de temperatura. 64

4.2.1.11 Seguridad del sistema 66

4.2.1.12 Señal de control al magnetrón 67

4.2.1.13 Reporte con datos 69

10

4.2.2 Modulo de control de disparo y potencia del magnetrón. 70

4.2.2.1 Lógica programada. 71

4.2.2.2 Etapa de optoacoplado y manejo de potencia 72

4.2.2.3 Circuito general en conjunto. 75

4.2.3 Medición de la Temperatura. 77

4.2.3.1 Muestras de Agua Destilada. 79

4.2.3.2 Muestras de Agua de Inyección. 80

4.2.3.3 Muestra de Agua-Crudo (50-50). 83

4.2.3.4 Muestra de Crudo. 85

4.3 SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 DEL EQUIPO DE LABORATORIO PARA MEDIR LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS. 87

4.3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO Y GEOMETRÍA DEL EQUIPO. 87

4.3.2 Desarrollo de la Simulación. 91

4.3.2.1 Geometría. 92

4.3.2.2 Definiciones Particulares: 94

4.3.2.3 Materiales. 95

4.3.2.4 Tipo de Malla. 96

4.3.2.5 Microondas. 97

4.3.2.6 Resolvedores. 98

4.3.3 Simulación del equipo de laboratorio. 100

4.3.3.1 Simulación de Agua Destilada irradiada durante 30 segundos. 101

4.3.3.2 Simulación de Agua Destilada irradiada durante 60 segundos. 105

4.3.3.3 Simulación de agua de inyección irradiada durante 60 segundos. 105

4.3.3.4 Simulación de agua-crudo (50-50) irradiada durante 60 segundos. 106

4.3.3.5 Simulación de Crudo irradiado durante 60 segundos. 107

4.4 SIMULACIÓN DE UN APLICADOR DE MICROONDAS EN PLANTA PILOTO EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4. 109

4.4.1. Agua Destilada. 110

4.4.1.1.- Geometría Cubica. 110

4.4.1.2.- Geometría Cilíndrica. 110

4.4.1.3.- Geometría Esférica. 111

4.4.2. Crudo. 113


11



4.4.3. Agua-Crudo. 116




5.- CONCLUSIONES 119

PRODUCTOS DE LA TESIS 121

BIBLIOGRAFÍA 124

12

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.- Microfotografía de una emulsión agua en petróleo crudo. [23] ........... 29

Figura 2.- Equipo medidor de constantes dieléctricas. Laboratorio CICATA Altamira. .............................................................................................................. 40 Figura 3.- Equipo de Irradiación de Microondas, reconfigurado. Laboratorio CICATA Altamira. ................................................................................................ 41 Figura 4.- Diagrama para simular una Fuente de Corriente Continua aplicada a un capacitor de prueba. ...................................................................................... 46 Figura 5.- Simulación de un capacitor de 1 F. ..................................................... 46 Figura 6.- Simulación de un capacitor de 2 F. ..................................................... 47 Figura 7.- Fuente de Corriente Constante de 195 mA. ....................................... 47 Figura 8.- Foto y Diagrama del Medidor de Constantes Dieléctricas. ................. 49

Figura 9.- Comparador de Precisión a 1.95 V. .................................................... 51 Figura 10.- Relevador de Descarga. ................................................................... 52

Figura 11.- Alambrado del Medidor de Constantes Dieléctricas.......................... 53 Figura 12.- Muestra de agua destilada en el tiempo inicial a una temperatura inicial de 27 °C. ................................................................................................... 54 Figura 13.- Muestra de agua destilada en el tiempo final a una temperatura final de 76.4 °C. .......................................................................................................... 55 Figura 14.- Muestra de emulsión de petróleo agua en el tiempo Inicial a una temperatura Inicial de 27°C. ............................................................................... 56

Figura 15.- Muestra de emulsión de petróleo-agua en el tiempo final a una temperatura final de 83.5 °C. .............................................................................. 57

Figura 16.- Módulo de Medición de Temperatura. .............................................. 59

Figura 17.- Emplazamiento Óptico del Sensor. ................................................... 60

Figura 18.- Adaptador HART RS232. .................................................................. 62 Figura 19.- Instalación típica del modelo SMART usando resistencia externa. . 63

Figura 20.- Instalación típica del modelo SMART usando resistor interno. ......... 63 Figura 21.- Conexión del sensor Raytek. ............................................................ 64

Figura 22.- Conexión y pruebas con el sensor Raytek. ...................................... 64 Figura 23.- Configuración del puerto serie en Labview. ...................................... 65

Figura 24.- a)Variables del sensor mostradas en panel frontal y b) conexión a la gráfica. ................................................................................................................ 66 Figura 25.- Controles del panel frontal. ............................................................... 67 Figura 26.- Tarjeta de desarrollo Arduino UNO. .................................................. 68 Figura 27.- Esquema de la pantalla de labview que representa un envío de un dato por un COM de la PC. ................................................................................. 68 Figura 28.- Ejemplo de reporte HTML con Labview. ........................................... 69

Figura 29.- Módulo de Medición de Temperatura. .............................................. 70 Figura 30.- Secuencia de instrucciones en la lógica programada del control digital .................................................................................................................. 72 Figura 31.- Comparativa de la salida del control digital contra la señal de sincronización ..................................................................................................... 73

Figura 32.- Encapsulado y diagrama esquemático del transistor NPN BC547 .. 74 Figura 33.- Encapsulado y diagrama esquemático del optoacoplador MOC8050 ............................................................................................................................ 74

13

Figura 34.- Encapsulado y terminales del triac MAC12 ...................................... 74

Figura 35.- Diagrama general de la etapa de optoacoplado y manejo de potencia ............................................................................................................................ 75

Figura 36.- Visualización del circuito final para el control de potencia del magnetrón utilizando la herramienta POV-RAY®................................................ 76 Figura 37.- Montaje final de la tarjeta de control de potencia del magnetrón ...... 77 Figura 38.- Magnetrón de 950 W. ....................................................................... 77 Figura 39.- Muestra de 50 mL en el porta-muestras y cavidad de irradiación..... 78

Figura 40.- Muestras de agua destilada. ............................................................. 79 Figura 41.- Muestra de agua destilada irradiada durante 30 segundos. ............. 79 Figura 42.- Muestra de agua destilada irradiada durante 60 segundos. ............. 80 Figura 43.- Muestras de agua de inyección. ....................................................... 80 Figura 44.- Muestra de agua de inyección irradiada durante 30 segundos. ....... 81

Figura 45.- Muestra de agua de inyección irradiada durante 60 segundos. ....... 82 Figura 46.- Muestras de Agua-Crudo (50-50). .................................................... 83

Figura 47.- Muestra de Agua-Crudo Irradiada durante 30 segundos. ................. 83

Figura 48.- Muestra de agua-crudo irradiada durante 60 segundos. .................. 84 Figura 49.- Muestras de crudo. ........................................................................... 85 Figura 50.- Muestra de crudo irradiada durante 30 segundos. ........................... 85

Figura 51.- Muestra de crudo irradiada durante 60 segundos. ........................... 86 Figura 52.- Diagrama de bloques del simulador COMSOL. ................................ 91

Figura 53.- Definiciones globales. ....................................................................... 92 Figura 54.- Geometría del equipo. ...................................................................... 93 Figura 55.- Definición del dominio agua. ............................................................. 94

Figura 56.- Contenido del material agua. ............................................................ 95

Figura 57.- Asignación de malla fina en el dominio agua .................................... 96

Figura 58.-Módulo de calentamiento por microondas ......................................... 97 Figura 59.-Resolvedor GMRES y MUMS. ........................................................... 98

Figura 60.- Visualización 3D. .............................................................................. 99 Figura 61.- Visualización en 3D del equipo de irradiación de microondas. ....... 100 Figura 62.- Equipo de irradiación de microondas. ............................................. 101

Figura 63.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada (vista diagonal). ................................................................................................. 102 Figura 64.- Grafica de Temperatura de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada. .......................................................................................................... 102

Figura 65.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada (Plano X,Y)........................................................................................................ 103

Figura 66.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada (Plano Y,Z). ....................................................................................................... 104 Figura 67.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada (Plano Z,X). ....................................................................................................... 104

14

Figura 68.- Visualización en 3D de la irradiación de agua destilada durante 60 segundos. ......................................................................................................... 105 Figura 69.- Visualización en 3D de la irradiación de agua de inyección durante 60 segundos. ......................................................................................................... 106 Figura 70.- Visualización en 3D de la irradiación de agua-crudo (50-50) durante 60 segundos. .................................................................................................... 107 Figura 71.- Visualización en 3D de la irradiación de crudo durante 60 segundos. .......................................................................................................................... 108

Figura 72.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos. .......................................................................................................................... 110 Figura 73.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua destilada durante 60 segundos. .................................................................................................... 111 Figura 74.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría esférica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de crudo durante 60 segundos. ......................................................................................................... 112 Figura 75.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de crudo durante 60 segundos. .... 113

Figura 76.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de crudo durante 60 segundos. ......................................................................................................... 114 Figura 77.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría esférica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de crudo durante 60 segundos. ......................................................................................................... 115

Figura 78.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos. .......................................................................................................................... 116

Figura 79.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos. ......................................................................................................... 117

Figura 80.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos. ......................................................................................................... 118

15

TABLAS Tabla 1.- Crudo Tamaulipas-Constituciones. Datos del Laboratorio Arenque…..35

16

RESUMEN

Existen dos tipos de emulsiones, las del tipo agua en aceite y aceite en

agua, su composición es de una mezcla de aceite, agua, lodo y otros

componentes. Estas emulsiones son comúnmente encontradas en la industria

petrolera, plantas procesadoras de aceite de consumo, industrias farmacéuticas,

industrias de alimentos, etc [1]. En la industria petrolera mexicana este tipo de

emulsiones se encuentran en los campos Tamaulipas-Constituciones se cuenta

con 18 baterías las cuales producen 12,102 BPD (Barriles de petróleo diarios),

de los cuales 3,841 son petróleo y 8,260 es agua con una pérdida económica de

380,161.07 dólares diarios, al no poder separar correctamente el agua del

petróleo.

Las emulsiones de petróleo generan una gran variedad de problemas en

su transporte y refinación tales como: agua en la recuperación del crudo, costos

de productos químicos, tráfico de agua en instalaciones, corrosión y fallas en los

equipos del sistema, perdida de crudo en desagües, contratación en el

tratamiento de aguas congénitas, tiempo de desestabilización, contratación del

tratamiento químico de emulsiones y tiempo de separación de emulsiones de

crudo. Entre los métodos tradicionales para separar las emulsiones se

encuentran la aplicación de calentamiento convencional, centrifugación y adición

de químicos. Los calentamientos convencionales tienen problemas por la lenta

transferencia de calor. Los desemulsificantes químicos están sujetos a

regulaciones de descarga en aguas públicas. El calentamiento por Microondas

es una alternativa altamente viable para el tratamiento de emulsiones con

calentamiento rápido y libre de químicos.

En el caso particular del deshidratado y desalado de emulsiones de

petróleo, el calentamiento de la emulsión a una frecuencia de microondas

depende de la naturaleza química de la emulsión, de la frecuencia de la onda

electromagnética y de las propiedades dieléctricas de la emulsión, así como de

17

la acumulación de energía interna que va ligada a la profundidad de penetración

del campo dentro del material.

De este modo, el conocimiento preciso tanto del comportamiento de la

naturaleza química de la emulsión como de la propagación de las ondas

electromagnéticas en el interior de las emulsiones es fundamental para hacer un

buen estudio del deshidratado y desalado de crudo [1].

Para ello se construyó un equipo de laboratorio para irradiar muestras de

petróleo obtenidas de los Campos Tamaulipas-Constituciones y en conjunto con

una interfaz gráfica se visualiza en tiempo real, el comportamiento de la

temperatura durante el proceso de calentamiento al ser expuestas a un campo

electromagnético. Mediante una técnica innovadora de medición de capacitancia

fue posible construcción un equipo de medición de constantes dieléctricas de

muestras de petróleo que posteriormente serían irradiadas con microondas.

Mediante la implementación del simulador Comsol Multiphysics 4.4 y sus

módulos: De convección y conducción de calor, y Radio Frecuencia se simulo el

equipo de laboratorio con diferentes muestras de petróleo para validar el modelo

matemático que emplea y posteriormente simular distintas geometrías a escala

planta piloto y de esta forma encontrar que la geometría cilíndrica es la más

viable a construir.

Palabras Claves: Microondas, Petróleo, Deshidratación, Desalado, Simulación.

18

ABSTRACT

Two types of emulsions of water in oil and oil in water type, the

composition is a mixture of oil, water, mud and other components. In industrial

processes as they are commonly found in the oil industry, oil processing plants

consumer, pharmaceutical industries, food industries, etc..In the case of the

Mexican oil industry in the fields of extraction Tamaulipas-Constituciones has 18

batteries which produce 12,102 BPD (Barrels per day) which is 3841 and 8260

Oil is water with an economic loss of $ 380,161.07 per day, unable to properly

separate water from oil.

Oil emulsions generate a variety of problems in transportation and refining.

Among the traditional methods to separate the emulsion is the application of

conventional heating, centrifugation and addition of chemicals. Conventional

heaters have problems because of slow heat transfer. The chemical demulsifiers

regulations are subject to discharge into public waters. Microwave heating is a

highly viable alternative for the treatment of emulsions with rapid heating and

chemical free.

In the particular case of dehydration and desalting of emulsions of oil,

heating the emulsion at a microwave frequency depends on the chemical nature

of the emulsion, the electromagnetic wave, the dielectric properties, energy

storage and the depth of penetration of electromagnetic field inside the material.

Thus, precise knowledge of the behavior of the chemical nature of the

emulsion and the propagation of electromagnetic waves inside the emulsion is

essential for a good study of dehydration and desalting of crude oil.

The reason why this project will provide the necessary knowledge for a

dehydrated and desalted crude optimal from an energy and economic terms, by

building a laboratory using microwave. Of particular importance is that from the

19

results of equipment designed to simulate the process in the laboratory for further

validation of simulation results on an industrial scale for dehydration and

desalting of crude oil in the Campos Tamaulipas-Constituciones.

Keywords: Dehydratation, Desaliring, Microwave.

20

INTRODUCCIÓN

En la extracción de petróleo y refinación se forman emulsiones de agua

en aceite o aceite en agua en las diferentes etapas del proceso. Se puede

mencionar procesos en los cuales se producen también emulsiones estables,

por ejemplo, en la industria de alimentos, en la industria química, industria

farmacéutica, industria de cosméticos, pesticidas y herbicidas empleados en el

sector agrícola, entre otros [1].

Durante su extracción, el petróleo crudo, está mezclado con agua, cuya

presencia genera una gran variedad de problemas en su transporte y refinación

en las plantas procesadoras. El agua que acompaña al petróleo crudo viene

generalmente de dos maneras: Una parte es agua sin mezclar que puede

descartarse rápidamente, y la otra parte se mezcla con el crudo y se producen

emulsiones [1].

Estas emulsiones presentan altas viscosidades y son difíciles de separar

por lo que deben ser tratadas para quitar el agua dispersa en el aceite crudo,

para así satisfacer las especificaciones necesarias de transportación del crudo

por tuberías y posteriormente obtener mayores eficiencias en su refinación en

planta. Además, se debe disminuir la corrosión en los equipos por causa de la

presencia del agua expuesta [2,3].

En general, entre los métodos tradicionales para separar las emulsiones

se encuentran la aplicación de calentamiento convencional, centrifugación,

electroquímicos y adición de químicos [4, 5]. Los calentamientos convencionales

tienen problemas por la lenta transferencia de calor. Los desemulsificantes

químicos están sujetos a regulaciones de descarga en aguas públicas y además

no logra altos niveles de separación. Por tal razón, es necesario buscar

alternativas de tratamiento de emulsiones [1]. Un aspecto a resaltar es el hecho

de que el calentamiento por microondas presenta una alternativa de separación

21

más eficiente con tecnología más limpia sin el uso de químicos y/o calentamiento

convencional con respecto a los métodos tradicionales.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la industria del petróleo el crudo se encuentra en pozos que contienen

tanto agua como aceite y generalmente el agua contiene sales disueltas

formando salmueras. Si esta mezcla de aceite y agua pasa a través de una

válvula parcialmente abierta o choca, pueden formarse emulsiones estables,

generalmente del tipo agua en aceite [6-8]. Las emulsiones más comunes en la

industria del petróleo son del tipo agua en aceite, con un porcentaje de agua

entre un 5% y 30%. Las emulsiones del tipo aceite en agua son menos

frecuentes y comúnmente son conocidas como emulsiones inversas [6,8,9]. En

muchos otros casos se producen emulsiones en forma espontánea y no pueden

ser evitadas, y es necesario separar las fases para cumplir con las

reglamentaciones medioambientales antes de depositarlas en los sistemas de

alcantarillado y/o incorporarlas nuevamente en las diferentes etapas de los

procesos industriales [1].

Los métodos tradicionales para separar emulsiones O/W (Agua/Aceite), o

W/O (Aceite/Agua) incluyen la aplicación de calentamiento, ruptura microbiana,

centrifugación y adición química, muchos de los cuales no recuperan parte del

producto comercial, sino solo proveen de separaciones parciales dejando

grandes cantidades de producto sin aprovechar [9,10, 11]. Con base en lo

anterior, resulta atractivo el empleo de microondas para efectuar el deshidratado

y desalado de petróleo con el menor tiempo y mínimo consumo energético.

22

OBJETIVOS

Objetivo General Construir un equipo de laboratorio para irradiar con microondas muestras

de hidrocarburo tomadas de los campos Tamaulipas – Constituciones, y

mediante una simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 validar los resultados del

equipo de laboratorio, para proponer una alternativa de diseño de un aplicador

de microondas en planta piloto del deshidratado y desalado de petróleo.

Objetivos Específicos Concepción, diseño y construcción de un equipo para medir la constante

dieléctrica de muestras de petróleo.

Concepción, diseño y construcción de un equipo de laboratorio, para

implementar la deshidratación y el desalado de crudo utilizando microondas.

Simular en COMSOL Multiphysics 4.4 el proceso de laboratorio para

validar los resultados obtenidos en el equipo.

Simular COMSOL Multiphysics 4.4 un aplicador de microondas en planta

piloto para la deshidratación y desalado de crudo en los Campos Tamaulipas-

Constituciones.

JUSTIFICACIÓN

El empleo de las microondas es una de las tecnologías que se proponen

en el procesamiento de emulsiones puesto que resulta una alternativa de

separación efectiva, con tecnología limpia, a bajo costo energético y libre de

químicos.

23

HIPÓTESIS Usando la tecnología de microondas para la deshidratación y desalado de

crudo se puede obtener una mejor recuperación de crudo en los campos

Tamaulipas-Constituciones.

Mediante la simulación del proceso, se establecerán las condiciones

ideales para simular un equipo de laboratorio y así sugerir una alternativa de

construcción de una planta piloto.

24

1.- MARCO TEÓRICO

1.1.- ANTECEDENTES El descubrimiento de que la radiación de alta frecuencia podía calentar

alimentos se atribuye a Percy l,. Spencer, un ingeniero de la compañía Raytheon

[11]. Entre 1949 y 1950, General Electric y Raytheon patentaron distintos

sistemas para calentar materiales que absorben energía electromagnética

provocando calor en su interior con radiación electromagnética de alta

frecuencia. General Electric se concentró en los sistemas de calentamiento

industrial y Raytheon prestó más atención al entorno doméstico [12]. Fue la

patente de Spencer de 1949 la primera en proponer el uso de las microondas

para el calentamiento de alimentos. De hecho, Raytheon fue la compañía que

comenzó a fabricar los primeros hornos de microondas, los cuales eran costosos

y de grandes dimensiones. En 1967, Amana, una compañía subsidiaria de

Raytheon, fue la primera en comercializar estos hornos para el entorno

doméstico.

1.2.- APLICACIONES INDUSTRIALES

1.2.1 Principio de Operación.

Un horno de microondas está formado esencialmente por un generador

de alta potencia y una cavidad de paredes metálicas. Los hornos de microondas

tienen un rendimiento del orden de un 50%, bastante superior al que presenta un

horno clásico de convección. A diferencia de los hornos convencionales, en un

horno de microondas el calentamiento actúa directamente sobre el interior de los

alimentos. Este calentamiento se produce esencialmente por las elevadas

pérdidas dieléctricas que presentan prácticamente todos los tejidos orgánicos a

frecuencias de microondas. Por otra parte, las pérdidas dieléctricas de estos

tejidos disminuyen al aumentar la temperatura y por tanto el calentamiento por

25

microondas es parcialmente autoregulable. El agua experimenta una reducción

de la parte imaginaria de la permitividad dieléctrica relativa de 20 a 5 cuando se

calienta de 5°C a 60°C. Asimismo, se ha verificado experimentalmente que

muchos alimentos también experimentan reducciones significativas de sus

pérdidas dieléctricas al calentarse, fundamentalmente como consecuencia de la

pérdida en el contenido del agua [13,14].

Todos los dieléctricos tienen frecuencias características denominadas

frecuencia de relajación. A esta frecuencia, los átomos y moléculas constitutivas

del material se hacen especialmente eficaces en la absorción de radiación,

presentando un máximo en la parte imaginaria de la permitividad dieléctrica.

Existen distintos mecanismos de relajación dieléctrica. Para las frecuencias de

microondas, el mecanismo más importante es la relajación dipolar, la cual

aparece en todos aquellos materiales constituidos por moléculas que tienen un

momento dipolar neto. Este mecanismo está presente en el agua, cuyas

moléculas tienen dos enlaces polares que forman un ángulo de unos 105°. De

hecho, el agua libre presenta pérdidas máximas a 10 GHz como consecuencia

de la relajación dipolar.

El agua está presente en los tejidos orgánicos en forma de agua ligada

cuando sus moléculas están unidas a otras moléculas orgánicas. En estas

circunstancias, tanto el mecanismo de máximas pérdidas como las frecuencias

de relajación pueden cambiar significativamente. El agua de cristalización y el

hielo, presentan máximas pérdidas dieléctricas en frecuencias del orden de 1 a

100 kHz, mientras que en el agua ligada las pérdidas son máximas a frecuencias

intermedias, en torno a unas decenas de MHz. Se podría pensar en optimizar el

proceso de calentamiento utilizando alguna de las frecuencias de relajación más

habituales en los materiales orgánicos, pero en la práctica también es

conveniente tener en cuenta que una absorción excesiva puede dar lugar a un

calentamiento muy superficial: si el cuerpo a calentar es excesivamente

voluminoso la radiación apenas llega a las partes más internas del mismo.

26

1.2.2 Calentamiento de Alimentos.

La banda de 2.4-2.4853 GHZ es particularmente útil en el calentamiento

por microondas en entornos domésticos, pues a estas frecuencias se consigue

un buen compromiso entre la eficiencia del calentamiento y la homogeneidad del

mismo. En algunas aplicaciones industriales es común utilizar hornos que emiten

frecuencias más bajas, generalmente de 915 MHz. A estas frecuencias es

posible calentar de forma más homogénea productos de grandes dimensiones

y/o con muy elevadas pérdidas dieléctricas.

1.2.3 Calentamiento de Productos Industriales.

Algunas de las aplicaciones más interesantes de la radiación de alta

frecuencia como medio de transmisión de energía se encuentran en las técnicas

de calentamiento a nivel industrial. La industria de productos de alimentación no

es la única que se ha beneficiado del desarrollo de la tecnología de microondas.

De hecho, un estudio detallado de las primeras patentes relacionadas con el

calentamiento de dieléctricos mediante microondas revela que los primeros

sistemas industriales de secado son contemporáneos a los primeros hornos de

microondas empleados para el calentamiento de alimentos.

La difusión de la tecnología de microondas en tantas y tan diversas

industrias se debe en gran medida a la capacidad de los sistemas de

calentamiento de microondas para calentar todo tipo de productos con un

consumo de energía muy bajo. Asimismo, estos sistemas permiten catalizar

numerosas reacciones químicas de interés para muchas industrias [15].

El secado de materiales es un proceso largo y costoso en numerosas

industrias, como por ejemplo, en la industria de alimentos. Los secadores

convencionales de pasta alimenticia tienen que calentar el producto durante un

27

tiempo elevado (unas 10 horas), con la desventaja añadida de que ocupan un

gran volumen y por tanto es difícil realizar en ellos un control bacteriológico

exhaustivo sin un elevado incremento en el coste de producción. El secado por

radiación de microondas no sólo se puede hacer en menor tiempo y espacio,

sino que también permite realizar el proceso a temperaturas muy superiores sin

correr el riesgo de agrietar la superficie de la pasta. El secado a temperaturas

altas tiene la ventaja de que genera microporos en la pasta durante la

evaporación del agua, los cuales permiten al consumidor realizar posteriormente

la cocción en menor tiempo [16]. El secado de papel es otra importante

aplicación de la radiación por microondas [17]. En promedio, para fabricar 1 kg

de papel debe evaporarse alrededor de 1.5 litro de agua. Esta operación

consume una gran cantidad de energía y por tanto encarece notablemente el

producto. Asimismo, el proceso de secado determina muchas de las propiedades

finales del papel, tales como la calidad de la superficie y su permeabilidad al

aire. El uso de microondas permite conseguir un considerable ahorro de tiempo y

un menor consumo de energía (hasta un 50%) en el proceso de fabricación.

El tratamiento del caucho es también una de las numerosas aplicaciones

que se benefician del uso de la tecnología de microondas. Los primeros

productos industriales de caucho presentaron inicialmente numerosos problemas

como consecuencia de la rapidez con la que estos productos perdían la forma y

sus propiedades mecánicas. En 1839, Charles Goodyear realizó un

descubrimiento que permitiría posicionar definitivamente la industria de los

productos basados en caucho. Goodyear observó que cuando se trataba el

caucho con azufre y se sometía a temperaturas superiores a su punto de fusión,

se obtenía una considerable mejora de sus propiedades térmicas y mecánicas.

De esta manera, se pudieron fabricar productos de caucho con formas estables.

Este proceso de calentamiento recibe el nombre de vulcanización. La

vulcanización crea enlaces intermoleculares que permiten fijar la estructura del

caucho. A nivel industrial, este proceso se realiza habitualmente con hornos de

microondas.

28

Las técnicas de calentamiento por microondas también se han utilizado

en la fabricación de leche deshidratada, procesado del carbón, fijado de tintes,

fabricación de tabaco y secado de tejidos textiles [18,19,20,21,22]. En todas

estas aplicaciones se utilizan habitualmente generadores de 2.45 GHz con

potencias de salida que varían de 500 W a 3 kW.

1.3.- DESHIDRATACIÓN DE CRUDOS

La deshidratación de crudos es el proceso mediante el cual se separa el

agua asociada con el crudo, ya sea en forma emulsionada o libre, hasta lograr

reducir su contenido a un porcentaje previamente especificado. Generalmente

este porcentaje es igual o inferior al 1 % de agua.

Una parte del agua producida por el pozo petrolero, llamada agua libre, se

separa fácilmente del crudo por acción de la gravedad tan pronto como la

velocidad de los fluidos es suficientemente baja. La otra parte del agua está

íntimamente combinada con el crudo en forma de una emulsión de gotas de

agua dispersadas en el aceite, la cual se llama emulsión agua/aceite (W/O),

como se muestra en la Figura 1.

29

Figura 1.- Microfotografía de una emulsión agua en petróleo crudo. [23]

La cantidad de agua remanente emulsionada varía ampliamente desde 1

a 60 % en volumen. En los crudos medianos y livianos (>20 °API (American

Petroleum Institute)) las emulsiones contienen típicamente de 5 a 20 % volumen

de agua, mientras que en los crudos pesados y extrapesados (<20 °API) tienen

a menudo de 10 a 35 % de agua. La cantidad de agua libre depende de la

relación agua/aceite y varía significativamente de un pozo a otro. Al referirse a la

palabra “agua” significa agua producida misma que se genera con el agua

inyectada y el agua contenida en el pozo, y es una salmuera conteniendo cloruro

de sodio y otras sales. Cabe resaltar el hecho de que la inyección de vapor y la

inyección de agua a yacimientos son factores que promueven la formación de

emulsiones [23].

30

1.4.- MÉTODOS DE TRATAMIENTO PARA LA DESHIDRATACIÓN

Dependiendo del tipo de aceite y de la disponibilidad de recursos se

combinan cualquiera de los siguientes métodos típicos de deshidratación de

crudo: Químico, térmico, mecánico y eléctrico. En general se usa una

combinación de los métodos térmicos y químicos con uno mecánico o eléctrico

para lograr la deshidratación efectiva de la emulsión W/O.

El tratamiento químico consiste en aplicar un producto desemulsificante

sintético denominado en las áreas operacionales de la industria petrolera como

“química deshidratante”, el cual debe ser inyectado tan temprano como sea

posible a nivel de superficie o en el fondo del pozo. Esto permite más tiempo de

contacto y puede prevenir la formación de emulsión corriente abajo. La inyección

del desemulsificante antes de una bomba, asegura un adecuado contacto con el

crudo y minimiza la formación de emulsión por la acción de la bomba.

El tratamiento por calentamiento consiste en el calentamiento del crudo

mediante equipos de intercambio de calor, tales como calentadores de crudo y

hornos.

El tratamiento mecánico se caracteriza por utilizar equipos de separación

dinámica que permiten la dispersión de las fases de la emulsión y aceleran el

proceso de separación gravitacional. Entre ellos se encuentran los tanques de

sedimentación llamados comúnmente tanques de lavado.

Para el tratamiento eléctrico se utilizan equipos denominados

deshidratadores electrostáticos, y consiste en aplicar un campo eléctrico para

acelerar el proceso de acercamiento de las gotas de fase dispersa [23].

31

1.6.- DESALACIÓN DEL PETRÓLEO

El proceso de desalación consiste en la remoción de las pequeñas

cantidades de sales inorgánicas, que generalmente quedan disueltas en el agua

remanente, mediante la adición de una corriente de agua fresca (con bajo

contenido de sales) a la corriente de crudo deshidratado. Posteriormente, se

efectúa la separación de las fases agua y crudo, hasta alcanzar las

especificaciones requeridas de contenido de agua y sales en el crudo.

Las sales minerales están presentes en el crudo en diversas formas:

como cristales solubilizados en el agua emulsionada, productos de corrosión o

incrustación insolubles en agua y compuestos organometálicos como las

porfirinas.

Después de la deshidratación o del rompimiento de la emulsión, el

petróleo crudo todavía contiene un pequeño porcentaje de agua remanente. Los

tratamientos típicos anteriormente mencionados (adición de desemulsificante,

calentamiento, sedimentación y tratamiento electrostático) pueden reducir el

porcentaje de agua del crudo a rangos de 0,2-1 % volumen.

La salinidad de la fase acuosa varía desde 100 ppm hasta la saturación,

que es de 300.000 ppm (30 % peso); sin embargo lo usual es encontrar

salmueras en el rango de 20.000-150.000 ppm (2 a 15 % peso). Por

comparación, el agua de mar contiene de 30.000-43.000 ppm (3 a 4,3 % peso)

de sales disueltas. El contenido de sal en el crudo normalmente es medido en

libras de cloruro, expresado como cloruro de sodio equivalente por 1.000 barriles

de crudo limpio (Libras por Mil Barriles, LMB o en inglés Pounds per Thousand

Barrels, PTB) [23].

Cuando el crudo es procesado en las refinerías, la sal puede causar

numerosos problemas operativos, tales como disminución de flujo,

32

taponamiento, reducción de la transferencia de calor en los intercambiadores,

taponamiento de los platos de las fraccionadoras. La salmuera es también muy

corrosiva y representa una fuente de compuestos metálicos que puede

envenenar los costosos catalizadores. Por lo tanto, las refinerías usualmente

desalan el crudo de entrada entre 15 y 20 PTB para el caso de refinerías

sencillas, en aquellas de conversión profunda las especificaciones pueden ser

más exigentes, alcanzando valores de 1 PTB [24].

El desalado en campo reduce la corrosión corriente aguas abajo

(bombeo, ductos, tanques de almacenamiento). Adicionalmente la salmuera

producida puede ser adecuadamente tratada para que no cause los daños

mencionados en los equipos y sea inyectada al yacimiento, resolviendo un

problema ambiental [23].

1.7.- DESHIDRATADO POR MICROONDAS

1.7.1 Implementación de microondas en emulsiones de aceite en agua.

De las primeras investigaciones realizadas acerca de la aplicación de las

microondas en la separación de emulsiones, se pueden mencionar las patentes

de Klaila US.4067683 [25], “Métodos y Aparatos para controlar el flujo de fluidos

de hidrocarburos de alta viscosidad” y “Uso de Microondas en la Separación de

Emulsiones y Dispersiones de Hidrocarburos y Agua”, realizada por Wolf

US.4582629 [26]. En particular, se estudia el mejoramiento en la separación de

emulsiones y dispersiones de aceite en agua, mediante la aplicación de

radiación de microondas, ya sea sola o en conjunto, con los tratamientos

convencionales de separación.

En otras patentes de aplicación como la de Nilsen US WO 0112289[27] de

“Método para separar emulsiones por el uso de microondas” se propone un

sistema de separación de emulsiones W/O (agua en líquido orgánico) basado en

33

el calentamiento por microondas, usando frecuencias en un rango de 300MHz a

100GHz ; y la de Owens US 5911885 [28] con “Aplicación de microondas y

centrifugación para la separación de emulsiones y dispersiones” quien desarrolló

un método y un dispositivo para aplicar microondas a materiales fluidos dentro

de un equipo de centrifugación, lo que le permitió separar rápidamente

componentes inmiscibles de emulsiones y dispersiones.

Fang et al [29], realizaron pruebas de laboratorio y de campo con

emulsiones de aceite en agua (O/W) y agua en aceite (W/O) en presencia de

sólidos. Su trabajo con emulsiones mostró que, en general, las muestras

tratadas con microondas se calentaron más rápidamente que por calentamiento

convencional. Adicionalmente, las emulsiones que fueron calentadas con

microondas demulsificaron más que las calentadas con hornos convencionales.

Estos investigadores llegaron a la conclusión de que el cambio de calentamiento

es un factor importante en la demulsificación y que las rotaciones moleculares

producidas por las microondas pueden reducir el potencial de la superficie y las

fuerzas de repulsión entre las moléculas (potencial zeta), lo cual separa las

gotas de agua y las partículas sólidas en la emulsión.

Fang et al. [30] publicaron otro artículo, basado en sus trabajos anteriores

con varias modificaciones. Primero, analizaron una emulsión con aceite vegetal,

agua y tierra diatomácea para comparar los resultados del calentamiento con

microondas y el calentamiento convencional, encontrando que si calentaban las

dos emulsiones llegando a la misma temperatura, una con cada método, la

emulsión que calentaron con microondas registraba mejor recuperación de

aceite. Paralelamente, analizaron más detalladamente la reducción del potencial

zeta que resulta de la exposición a las microondas; sin embargo, este

decrecimiento no seguía un modelo que se pudiera reproducir aunque las

reducciones del potencial zeta estaban entre el 5 y 20%.

34

Pal y Masliyah [31] investigaron la importancia de variar las propiedades

de las emulsiones al aplicar las microondas como sistema de demulsificación y

mostraron que el factor más importante es la temperatura de la emulsión;

además, notaron que una concentración mayor (2%) de sal (NaCl) en la fase

acuosa, incrementa la variación de temperatura en la emulsión y disminuye por

ende el tiempo de exposición a microondas; igualmente investigaron los efectos

de la concentración del surfactante descubriendo que, al subir la concentración

del tensoactivo no iónico, disminuye la recuperación del aceite. Además

concluyeron que la recuperación de la fase dispersa en una emulsión es un

factor importante para evaluar la efectividad de una técnica de demulsificación.

En particular cuando compararon la demulsificación con microondas y la

demulsificación con calor convencional, el tratamiento con microondas siempre

reportó una mayor recuperación.

Fang y Lai [32] realizaron experimentos en laboratorio y campo con

emulsiones W/O empleando aceite mineral y como estabilizante hidróxido de

sodio (NaOH). Su trabajo con las emulsiones mostró que el calentamiento por

microondas provee una opción de separación de emulsiones viscosas y estables

que son difíciles de bombear y mezclar con demulsificantes químicos.

Adicionalmente, calcularon propiedades dieléctricas de las emulsiones

considerando la emulsión agua en aceite como una mezcla heterogénea. Los

valores calculados usando los datos disponibles en la literatura, fueron

aproximadamente un 30% menores que los experimentales.

Chieh et al. [33] publicaron sus resultados de demulsificación con

membranas de emulsión líquida, exponiendo la emulsión a un campo de

microondas donde se produce rotación molecular y conducción iónica, siendo las

ondas electromagnéticas responsables del calentamiento interno. En este

trabajo, fueron estudiados sistemáticamente los efectos de las condiciones de la

emulsión y las condiciones de operación de las microondas en la demulsificación

y la eficiencia de la separación de la emulsión W/O. Los resultados mostraron

35

que tanto la razón de demulsificación, así como la eficiencia de demulsificación

aumentaban con el diámetro de las partículas, sin embargo decrecían con el

aumento de la concentración del surfactante.

Evdokimov y Novikov [34] investigaron el efecto de las propiedades

térmicas y estructurales de emulsiones del tipo agua en aceite crudo al aplicar

las microondas como método de demulsificación. Ellos concluyeron que la mayor

tasa de calentamiento y eficiencia de separación en las emulsiones se logra en

aquellas que tengan un 20% y 60% de porcentaje de agua. Si se mantiene el

porcentaje de agua cerca de estos valores se puede minimizar el tiempo de

exposición a microondas y acelerar el proceso de demulsificación.

En otros trabajos de investigación, Perl et al. [35-37] estudiaron las

propiedades dieléctricas de las emulsiones W/O y O/W empleando cavidades

resonantes a diferentes frecuencias: 8.193 GHz, 11.003 GHz, 23.5 GHz, lejos de

la frecuencia de calentamiento estándar. Adicionalmente, obtuvieron un método

para la determinación en forma simultánea del tipo de emulsión y contenido de

agua por medio de una relación con las propiedades dieléctricas.

Por otro lado, Chrisanthus et al. [38] realizaron estudios sobre las

propiedades dieléctricas de macroemulsiones empleando modelos de potencial

de interacción y teorías efectivas, concluyendo que los valores del módulo

dieléctrico de la emulsión calculado por los modelos teóricos concuerdan con los

datos experimentales reportados anteriormente [35-37], y son invariantes en un

rango de frecuencias de microondas.

De lo anterior se infiere que es de interés general realizar aplicaciones de

ondas electromagnéticas a emulsiones del tipo agua en aceite ó aceite agua

como técnica alternativa a los procesos convencionales, con el fin de monitorear,

caracterizar y/o separar según sea el tipo de industria o etapa del proceso donde

se formen [1].

36

1.8.- MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DEL DESHIDRATADO POR MICROONDAS

1.8.1 Implementación de modelos matemáticos en emulsiones de agua-aceite

aplicando microondas.

El calentamiento de líquidos por microondas se ha utilizado en una amplia

gama de procesos industriales [39]. El calentamiento por microondas ofrece

numerosas ventajas a saber: 1) corto tiempo de preparación, 2) calentamiento

rápido, 3) eficiencia de energía, 4) control preciso de procesos, y 5) alimentos de

mejor calidad nutricional [40].

Es necesario el conocimiento de varios parámetros para explicar con

precisión todos los fenómenos que se producen en un líquido al calentarlo por

microondas. Esto incluye una descripción del campo electromagnético y las

distribuciones de la potencia, junto con una predicción de la temperatura local

del líquido y su velocidad. Por esta razón, las ecuaciones de Maxwell, Navier-

Stokes y de energía, deben ser resueltas al mismo tiempo. Debido a la cantidad

y complejidad de las ecuaciones involucradas, la modelación numérica es el

único enfoque viable para la realización de las simulaciones realistas del

proceso.

En el pasado, se tenía una comprensión incompleta de la distribución de

potencia de microondas dentro de un recipiente, de los perfiles de temperatura y

del comportamiento de flujo dentro de un líquido; por tal motivo, se impedía el

avance de esta tecnología. Recientemente, diversos estudios [41-45] han puesto

de relieve la importancia de la creación de modelos matemáticos en la

comprensión física durante el calentamiento por microondas de muestras

sólidas. Jia, et al. [41] desarrollaron un modelo de tres dimensiones para

predecir el campo de microondas y la distribución de energía en una cavidad de

microondas que se basa en un enfoque de modelo de elemento finito. La

desventaja de este método era que se requerían largos tiempos de cómputo.

37

Un estudio complementario efectuado por Liu, et al. [43] emplea un

algoritmo con el Método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD)

para tres dimensiones e investiga el calentamiento en una cavidad de

microondas. Este trabajo demostró efectos significativos de la colocación del

material dieléctrico en diversos lugares dentro de la cavidad.

Clemens y Saltiel [44] hicieron una contribución significativa con un

modelo numérico bidimensional de calentamiento por microondas en una

muestra sólida, que representa la temperatura y las propiedades dieléctricas

dependientes. El método FDTD parece ser el método más simple para predecir

las distribuciones de campos electromagnéticos y la disipación de potencia de

microondas.

Aunque la literatura que emplea energía de microondas está repleta de

simulaciones numéricas de calentamiento por microondas en muestras sólidas,

sólo hay unos pocos artículos de simulación numérica de calentamiento con

microondas en líquidos. Parte de la razón puede ser que el análisis de

calentamiento por microondas en los líquidos es mucho más complejo debido a

la presencia de movimiento del fluido, dando lugar a las complejas interacciones

de los campos de flujo, las distribuciones de la temperatura local, y los campos

de microondas dentro del líquido.

Otro trabajo de investigación fue efectuado por Prosetya y Datta [40]

quienes estudiaron la convección natural en un recipiente cilíndrico expuesto a

una fuente de calentamiento por microondas. Observaron que los perfiles de

temperatura fueron casi lineales, y la temperatura axial era casi uniforme. Sus

resultados numéricos fueron acordes con los datos experimentales. Ayappa et

al.[46] estudiaron numéricamente la convección natural en dos dimensiones de

líquido en una cavidad rectangular expuesta a microondas con una frecuencia de

2,45 GHz. Encontraron que la ubicación, intensidad y número de picos de

38

potencia tienen una gran influencia en la uniformidad de la temperatura en el

líquido. También emplearon un enfoque de elementos finitos para predecir los

campos electromagnéticos. Como se mencionó anteriormente, este método

requería largos tiempos de cómputo. Esto sería particularmente problemático en

situaciones en las que los campos electromagnéticos tienen que ser calculados

en repetidas ocasiones durante los procesos de calentamiento debido a la

dependencia de la temperatura de las propiedades dieléctricas.

39

2.- MATERIALES Y DISPOSITIVOS

2.1.- MUESTRAS DE CRUDO MAYA

Las muestras de petróleo crudo se obtuvieron del área Altamira de

PEMEX Exploración y Producción campos Tamaulipas-Constituciones y

Cacalilao, ubicado en las cercanías del centro de investigación CICATA-IPN

unidad Altamira. Una de las ventajas geológicas de la región es la variedad de

tipos de petróleo crudo existentes.

Se usó una muestra de crudo para este estudio, que fueron adquiridos por

PEMEX Exploración y Producción las muestras fueron recolectadas de los pozos

de los campos, Tamaulipas-Constituciones (Tabla 1).

Tabla 1.- Crudo Tamaulipas-Constituciones. Datos del Laboratorio Arenque

NO. CARACTERÍSTICAS MÍNIMA NORMAL MÁXIMA

1 º API 15.0 16.54 17.0

2 % DE AGUA, 35 68 98

3 SAL, LBS/1000 BBL 1,150 1,230 1,480

4 VISCOSIDAD @ CST100 ºF 123 110 90

5 % AZUFRE 4.9 5.0 5.3

2.2.- MEDIDOR DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS

Las variables a considerar son la capacitancia que está en función de la

constante dieléctrica.

2.2.1 Equipo.

El equipo fue concebido, diseñado y construido para aplicar una corriente

constante sobre un dieléctrico y medir el tiempo carga eléctrica (Figura 2).

40

Figura 2.- Equipo medidor de constantes dieléctricas. Laboratorio CICATA Altamira.

2.3.- EQUIPO DE IRRADIACIÓN DE MICROONDAS

Las variables a considerar son la temperatura de la emulsión y el tiempo

de irradiación durante la irradiación de microondas.

2.3.1 Equipo.

El equipo fue concebido, diseñado y construido para irradiar emulsiones y

medir la temperatura en un tiempo predeterminado. Los módulos de control

fueron diseñados para medir la temperatura y controlar el magnetrón (Figura 3).

Diseñado con un magnetrón LG-2M213 que trabaja a una frecuencia de 2460

MHz y potencia de salida de 950 W. Para medir la temperatura de las muestras

se utilizó un sensor infrarrojo (Raytek modelo RAYTXSLTCF1), junto con el

programa DataTemp Multidrop. El cual permite medir en tiempo real la

temperatura durante la irradiación.

41

Figura 3.- Equipo de Irradiación de Microondas, reconfigurado. Laboratorio CICATA Altamira.

2.4.- EQUIPO DE SIMULACIÓN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4

Es una herramienta de modelación y análisis para hacer prototipos

virtuales de fenómenos físicos, puede modelar virtualmente cualquier fenómeno

físico que pueda describirse con ecuaciones diferenciales parciales (EDPs),

incluyendo transferencia de calor, movimiento de fluidos, electromagnetismo y

mecánica.

Para desarrollar la simulación se utilizó una computadora con las

siguientes características:

Marca: HP

Sistema Operativo: Windows 7 Profesional

Procesador: Intel (R) Core (TM)2 Duo CPU E7500 @ 2.93Ghz

Memoria: 1.00 GB

42

Se usó un Programa de simulación de las siguientes características:

Programa: Comsol Multiphysics 4.4

Módulos: Convección y Conducción, RF y Materiales.

43

3.- METODOLOGÍA DE EXPERIMENTACIÓN

3.1.- MEDICIÓN DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS DE MUESTRAS DE CRUDO DEL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DEL CAMPO TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES.

Se recolectan muestras del campo de extracción Tamaulipas-

Constituciones, posteriormente son llevadas al laboratorio y con la ayuda del

equipo de medición de constantes dieléctricas se introducen a la celda de

muestro haciéndoles pasa una corriente eléctrica para conocer el valor de su

capacitancia y por consecuencia la constante dieléctrica de la muestra.

3.2.- MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN EL EQUIPO DE LABORATORIO EXPERIMENTAL PARA IRRADIAR CON MICROONDAS MUESTRAS DE CRUDO DEL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DEL CAMPO TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES.

Se preparan 50 mL de muestras obtenidas del campo Tamaulipas-

Constituciones para posteriormente introducirlas al equipo de laboratorio

experimental donde serán irradiadas durante 30 y 60, registrando durante todo

ese tiempo la temperatura del experimento.

3.3.- SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 DEL EQUIPO DE LABORATORIO PARA MEDIR LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS.

Mediante el programa de simulación COMSOL Multiphysics 4.4 se

construye el equipo de laboratorio experimental para irradiar con microondas

44

muestras de crudo, dándole las condiciones reales tanto del equipo como de las

muestras introducidas en la cavidad resonante.

3.4.- SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 UN APLICADOR DE MICROONDAS EN PLANTA PILOTO PARA EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO.

Mediante el programa de simulación COMSOL Multiphysics 4.4 se

construyen diferentes geometrías para el diseño de un aplicador de microondas

en planta piloto para el proceso de deshidratado, simulando la irradiación de

muestras de crudo de los campos Tamaulipas-Constituciones.

45

4.- RESULTADOS

4.1.- CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO Y MEDICIÓN DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS

4.1.1 Construcción del Equipo de Medición de Constantes Dieléctricas.

La concepción, el diseño y la construcción del medidor de constantes

dieléctricas se desarrolló completamente en CICATA Altamira y se basa en las

características físicas de un condensador. La capacitancia de un condensador

depende de la separación entre las placas o electrodos de su superficie y de la

constante dieléctrica del material entre las placas. En el caso de un condensador

plano, la capacidad se expresa por la siguiente ecuación:

d

A=C r 0

, (1) donde: C = Capacitancia (F, Faradios)

0 = Constante dieléctrica del vacío (F/m)

r = Constante dieléctrica o permitividad relativa del material dieléctrico entre las placas

A = El área efectiva de las placas (m2)

d = Distancia entre las placas o espesor del dieléctrico (m)

46

Efectuando la simulación mediante el circuito que se muestra en la figura

4 para un capacitor de 1 Faradio tardaría 1s en alcanzar 1V, como se muestra en

la figura 5, la línea indica el voltaje en aumento en el capacitor bajo prueba.

Figura 4.- Diagrama para simular una Fuente de Corriente Continua aplicada a un capacitor de prueba.

Figura 5.- Simulación de un capacitor de 1 F.

Efectuando la simulación para un capacitor de 2F, tardara 1s (Figura 6) en

alcanzar 0.5V, la línea indica el voltaje en aumento en el capacitor bajo prueba.

La capacitancia está en función del tiempo t que tarda el capacitor en alcanzar

determinado voltaje, por ejemplo en esta simulación, 1V.

V

o

l

t

a

j

e

Tiempo

47

Figura 6.- Simulación de un capacitor de 2 F.

Mediante la implementación de un microcontrolador es posible realizar la

medición del tiempo t y, por consiguiente, la medida de la capacitancia que está

en función de las propiedades dieléctricas. También es importante recalcar que

esta técnica permite hacer mediciones de capacitancias mayores de 1F.

Figura 7.- Fuente de Corriente Constante de 195 mA.

La fuente de corriente está compuesta por un transistor PNP (Figura 7)

configurado en emisor común, al cual se le aplica un voltaje constante de 5V a

la base lo que polariza la unión base-emisor, y la corriente de salida es igual a la

Tiempo

V

o

l

t

a

j

e

48

corriente de colector que, a su vez, si se desprecia la corriente de base, es igual

a la corriente de emisor. De esta forma )( 1 ebee RVVI , donde eI es

la corriente en el emisor del transistor, 1V es el voltaje de entrada, beV es el

voltaje base-emisor y eR es la resistencia en el emisor del transistor. Como

VV 51 , VVbe 7.0 y 22eR son constantes, entonces mAIe 195

también es constante. La corriente de colector pasará por la carga conectada de

éste a la fuente de 12 V. Si un capacitor es conectado entre colector y la fuente

de 12V entonces su voltaje Vcap aumentará linealmente:

mAIc 19522)7.05( (2)

El módulo de medición de constante dieléctricas (Figura 8) funciona de la

siguiente manera, un micro-controlador ATmega8535 (1) acciona un primer

relevador (2), el cual conecta el dieléctrico a prueba (3) una fuente de corriente

constante (4), todo esto al mismo tiempo en que un contador interno de 16 bits

comienza una cuenta ascendente, cronometrando el tiempo (t), mientras el

voltaje en el capacitor sube linealmente.

49

Figura 8.- Foto y Diagrama del Medidor de Constantes Dieléctricas.

1) 2)

3)

4)

Dieléctrico

Medidor de Constantes Dieléctricas

Osciloscopio Digital

Dieléctrico

Microcontrolador

Relevador

A

Relevador

B

Fuente de

Corriente

Constante

Pantalla Resistencia

50

Debido a que la corriente del capacitor es igual a Ic

,

,

. (3)

Seleccionando un Vcap =1.95V, la medición en tiempo es directa y no

requiere más tiempo de cómputo del micro-controlador. Al implementar la

ecuación 1 y despejando en función de la constante dieléctrica se obtiene la

ecuación 4:

0

C

A

d=r (4)

dttIC

Vt

cCAP 0

)(1

t

CAP mAC

V0

1951

capV

tmAC

*195

51

Figura 9.- Comparador de Precisión a 1.95 V.

Un comparador de precisión (Figura 9) detecta el momento en que Vcap

alcanza un nivel preestablecido (1.95V), en este momento envía una señal de

comando que detiene el contador del micro-controlador que registra el tiempo

que tardó en alcanzar el voltaje. El relevador dos se conecta en paralelo con el

capacitor y con una resistencia que permite que se descargue el capacitor y

quede listo para la siguiente medición (Figura 10).

52

Figura 10.- Relevador de Descarga.

53

Figura 11.- Alambrado del Medidor de Constantes Dieléctricas.

Tradicionalmente se usan fuentes de voltaje que aplican una señal

escalón a un circuito RC de primer orden, y se mide el tiempo en alcanzar la

primer constante de tiempo es decir el 63% del voltaje aplicado, este circuito

tiene la desventaja de que su respuesta no es lineal, lo que provoca que no

tenga la suficiente precisión para arrojar un resultado confiable. Con una

fuente de corriente en lugar de una de voltaje se obtiene una respuesta lineal lo

que aumenta el grado de confiabilidad. Este circuito (Figura 11) puede medir

teóricamente hasta 65 F lo que tardaría 65 segundos.

4.1.2 Medición de Constantes Dieléctricas

Se analizaron dos muestras de líquidos, la primera es agua destilada y la

segunda es agua emulsionada tomada de los Campos de Extracción de Petróleo

54

Tamaulipas-Constitución. Cada muestra contiene 80 mL y fue irradiada durante

30 segundos. Se tomó su temperatura y capacitancia al inicio y al final, para

posteriormente simularlo en COMSOL y analizar los datos.

4.1.2.1 Muestra de Agua Destilada.

En la figura 12 se visualizan dos señales del osciloscopio digital de la marca

Tektronix modelo TDS1001B. Con la ayuda del módulo de medición de

constante dieléctrica descrito anteriormente, donde la señal 1 muestra el tiempo

inicial (to), cuando la fuente de corriente constante es conectada en serie con la

muestra de agua destilada y cuando se llega al voltaje predeterminado se

detiene el reloj interno del micro-controlador. En la señal 2 se muestra el tiempo

final (tf). El tiempo que tarda en llegar al voltaje predeterminado es de 6 ms lo

que nos da una carga de 1.17 mC y una capacitancia de 600 μF.

Figura 12.- Muestra de agua destilada en el tiempo inicial a una temperatura inicial de 27 °C.

T0= 27 °C

Q= Ixt = (195 mA)(6ms)= 1.17 mC

C= Q/V = (1.17mC)/(1.95 V)= 600 μF

55

En la Figura 13 se observa la misma muestra de agua destilada después de ser

irradiada durante 30 segundos, donde la temperatura final es de 76.4 °C, con

una carga de 1.17 mC y una capacitancia de 600 μF.

Figura 13.- Muestra de agua destilada en el tiempo final a una temperatura final de 76.4 °C.

De los resultados obtenidos en la muestra de agua destilada al ser

irradiada durante 30 segundos, se puede apreciar que no hay modificación en la

capacitancia, y por consiguiente no se modifica su constante dieléctrica.

4.1.2.2 Muestra de Emulsión de Petróleo.

En la figura 14, se observa una muestra de emulsión de petróleo antes de

ser irradiada con microondas, la temperatura inicial es de 27°C con una carga de

3.37 mC y una capacitancia de 1.73 μF.

Tf= 76.4 °C

Q= Ixt = (195 mA)(6ms)= 1.17 mC

C= Q/V = (1.17mC)/(1.95 V)= 600 μF

56

Figura 14.- Muestra de emulsión de petróleo agua en el tiempo Inicial a una temperatura Inicial de 27°C.

En la Figura 15 se observa la misma muestra de emulsión de petróleo

después de ser irradiada durante 30 segundos, donde la temperatura final es de

83.5 °C, con una carga de 8.28 mC y una capacitancia de 4.25 mF.

T0= 27 °C

Q= Ixt = (195 mA)(17.3 ms)= 3.37 mC

C= Q/V = (3.37mC)/(1.95 V)= 1.73 mF

57

Figura 15.- Muestra de emulsión de petróleo-agua en el tiempo final a una temperatura final de 83.5 °C.

Se puede observar en la figura 4.15, los resultados obtenidos en la

muestra de emulsión de petróleo al ser irradiada durante 30 segundos donde

hay una modificación de la capacitancia y un incremento de la temperatura

mayor que el agua destilada, esto es debido a la modificación de la constante

dieléctrica al ser irradiada con microondas y a una mayor absorción de energía

electromagnética.

Tf= 83.5 °C

Q= Ixt = (195 mA)(42.5 ms)= 8.28 mC

C= Q/V = (8.28mC)/(1.95 V)= 4.25 mF

58

4.2.- CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO DE LABORATORIO Y MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS.

Mediante los módulos de medición de temperatura y control de disparo y

potencia del magnetrón se diseñó el equipo de laboratorio necesario para

introducir muestras de petróleo y medir la temperatura en el proceso de

deshidratar y desalar.

4.2.1 Modulo de Temperatura.

La temperatura del material es uno de los parámetros más difíciles de

determinar en una cavidad multimodal, donde se encuentra activo un campo

electromagnético. Cuando no hay exactitud en su determinación o se presenta

perturbación del campo electromagnético debido a la presencia misma de los

sensores, pueden ocurrir mediciones erróneas de la temperatura de

procesamiento y por consiguiente llegarse a conclusiones equivocadas sobre la

verdadera eficiencia energética de un proceso. Las técnicas de determinación

óptica e infrarroja de la temperatura de un material sometido a tratamiento

térmico son tal vez las más utilizadas en el procesamiento con microondas.

Las microondas calientan la muestra desde su interior y no desde sus

alrededores, por consiguiente, los sensores deben mantener un buen contacto

térmico con la muestra. La medición de temperatura, en un procesamiento con

microondas, no es un problema trivial y requiere de un estudio minucioso,

máxime cuando su precisión y exactitud son de gran importancia. El equipo está

basado en un medidor de temperatura por infrarrojo que se comunica a la

interfaz gráfica por medio del protocolo Hart, como se muestra en la figura 16.

59

Figura 16.- Módulo de Medición de Temperatura.

4.2.1.1 Medición de Temperatura Infrarroja.

Todo emite una cantidad de radiación infrarroja de acuerdo a su

temperatura superficial. La intensidad de los cambios de radiación infrarroja es

de acuerdo con la temperatura del objeto. Dependiendo de las propiedades del

material y de la superficie, la radiación emitida se encuentra en un intervalo de

longitud de onda de aproximadamente 1 a 20 µm. La intensidad de la radiación

infrarroja ("radiación de calor") es dependiente del material. Para muchas

sustancias es conocida esta constante dependiente del material.

Los termómetros infrarrojos son sensores óptico‐eléctricos. Estos

sensores son capaces de detectar “radiación de calor”. Los termómetros

infrarrojos se componen de una lente, un filtro espectral, un sensor y una unidad

de procesamiento de señal electrónica. La función del filtro espectral es

seleccionar el espectro de longitud de onda de interés. El sensor convierte la

radiación infrarroja en un parámetro eléctrico. Como la intensidad de la radiación

infrarroja depende del material, la emisividad requerida puede ser seleccionada

por el sensor. La mayor ventaja de los termómetros infrarrojos es la habilidad de

poder medir sin contacto. En consecuencia, las temperaturas de superficie de

objetos en movimiento o difíciles de alcanzar fácilmente se pueden medir.

4.2.1.2 Distancia y Tamaño del Puntero.

El tamaño del puntero deseado sobre el objetivo determinará el máximo

de distancia medida y la longitud de foco necesaria del módulo óptico. Para

Medidor de Temperatura por Infrarrojo

Protocolo Hart

Computadora

60

evitar lecturas erróneas el tamaño del puntero debe ser menor al objeto (Figura

17).

Figura 17.- Emplazamiento Óptico del Sensor.

4.2.1.3 Temperatura Ambiente

La cámara infrarroja está diseñada para mediciones en temperatura

ambiente entre 0 y 70ºC (32 a 160ºF). En condiciones ambientes superiores a

70ºC (160ºF) está disponible una carcasa refrigerada por aire/agua que permite

trabajar en condiciones de hasta 120ºC (250ºF) con refrigeración por aire y hasta

175ºC (350ºF) con refrigeración por agua. Cuando se usa la carcasa refrigerada

por agua se recomienda usar el collar de purga de aire para evitar la

condensación de las lentes. En condiciones superiores a 315ºC (600ºF) se debe

usar la carcasa de la chaqueta térmica debería ser usada.

4.2.1.4 Cualidad Atmosférica

Con el objetivo de prevenir el daño de las lentes y las lecturas erróneas,

las lentes deben ser siempre protegidas del polvo, humos y otros contaminantes.

No usar derivados del aceite para la limpieza del instrumento de aire.

61

4.2.1.5 Interferencia Eléctrica

Existen tres recomendaciones para minimizar la interferencia eléctrica y

electromagnética:

• Montar el sensor lo más lejano posible de fuentes de interferencia como

pueden ser equipos motorizados.

• Asegurar una instalación aislada del sensor

• Evitar de que la protección del cable del sensor este fijada a un punto de

tierra en una localización.

4.2.1.6 Modelo Smart

El modelo Smart tiene una terminal de 3 pernos para la conexión al bucle

de corriente de 4 a 20 mA y a la salida de Alarma.

4.2.1.7 Protocolo HART.

Originalmente, la transmisión de información era sólo en una dirección,

desde el sensor hasta el controlador del proceso. Los parámetros para

monitorear la producción de un producto no cambiaban. Para poder usar el

mismo equipo tecnológico para manufacturar múltiples productos diferentes,

debe ser posible alterar rápidamente muchos parámetros del proceso. Esto tiene

un efecto sobre los sensores. Para medir intervalo, precisión y valores de alarma

éstos deben ser redefinidos, lo anterior, porque sería extremadamente

inconveniente si fuera necesario reprogramar cada vez el sensor.

El protocolo HART permite la aplicación de sensores inteligentes, estos

sensores pueden ser programados desde el cuarto de control. Esto significa que

la información es transmitida en dos direcciones. El sensor mide valores

analógicos y señales digitales desde el cuarto de control de forma bidireccional.

62

La superposición de señales digitales y analógicas es descrita por el protocolo

HART.

Los sensores que son programados de este modo son llamados Smart.

Aparte del modelo Smart un adaptador HART (RS232) está disponible. Este

adaptador permite programar sensores infrarrojos usando una computadora con

un interfaz RS232.

4.2.1.8 Adaptador HART RS232.

El Adaptador HART (Figura 18) permite ambos ajustes remotos y procesar

la señal de uno o más sensores en un bucle de corriente de 4 a 20 mA. Con un

software especializado se puede instalar en una computadora con un sistema

operativo comercial. El adaptador tiene un conector terminal de 25 pines para

conectarlo a un interfaz RS232, los tornillos para la conexión a un bucle de

corriente 4 a 20 mA y la terminal 4 (S2) y terminal 5 (S1) se suministran.

Figura 18.- Adaptador HART RS232.

63

Instalación del modelo SMART (Figura 19 y 20).

Figura 19.- Instalación típica del modelo SMART usando resistencia externa.

Figura 20.- Instalación típica del modelo SMART usando resistor interno.

4.2.1.9 Configuración del sensor Raytek Thermalert TX

Debido a los datos encontrados en el manual del sensor Thermalert TX de

la marca Raytek, se procedió a realizar la configuración y prueba del equipo, con

ayuda de un programa del fabricante del sensor, esto fue para poder comprobar

el funcionamiento. La configuración más adecuada para esta aplicación (ya que

no se contara con controladores o displays HART), es la configuración tipo

SMART usando resistor interno (Figura 21 y 22).

64

Figura 21.- Conexión del sensor Raytek.

Figura 22.- Conexión y pruebas con el sensor Raytek.

4.2.1.10 Desarrollo de la interfaz gráfica en Labview para adquisición de

temperatura.

Con los datos del sensor de temperatura que se utilizará, se procede a

realizar la conexión con la PC, por medio del puerto serie con el protocolo RS-

232 en el programa Labview de National Instruments. La configuración del

puerto quedó de acuerdo a las especificaciones del adaptador HART a RS-232

del sensor de temperatura (Figura 23).

65

Figura 23.- Configuración del puerto serie en Labview.

Para poder comunicarse con el instrumento y con el protocolo HART, se

usan diferentes comandos de los cuales solo se ocupara el #3 Leer Variables

Dinámicas y Valor Principal de Corriente (read dynamic variables and PV

current). Esto da como respuesta el valor de corriente de 4-20 mA, temperatura

del sensor, temperatura del objeto y temperatura promedio del objeto.

Sólo se ocupará la variable principal, que indica la temperatura del objeto

después de las funciones de procesamiento de señales del sensor. Cuando se

recibe la señal en el programa de Labview los datos se envían a una gráfica la

cual mostrará el comportamiento de la temperatura del objeto que esté

irradiándose con las microondas (Figura 24).

66

a)

b)

Figura 24.- a)Variables del sensor mostradas en panel frontal y b) conexión a la gráfica.

4.2.1.11 Seguridad del sistema

Para mantener la seguridad de los operarios del sistema y del equipo, se

usarán unas protecciones en el software (Figura 25), para complementar las que

tiene el hardware. Si se considera necesario se añadirán protecciones o se

corregirán las que se están sugiriendo, de acuerdo al éxito o fracaso en las

pruebas del equipo.

67

Paro de emergencia. El panel frontal posee un pulsador de emergencia

activado por el operador cuando se presente alguna anomalía en el proceso o

simplemente para terminar el proceso antes del tiempo programado.

Temperatura máxima. Es un valor que el usuario tendrá que ingresar,

inmediatamente que la temperatura supere este valor el programa se detendrá y

apagará el magnetrón del horno de microondas. En la gráfica también se estará

mostrando este valor en una línea roja.

Tiempo de encendido. Este control sirve para programar el tiempo de

irradiación de la muestra, otro cuadro de texto estará mostrando el tiempo

transcurrido.

Figura 25.- Controles del panel frontal.

4.2.1.12 Señal de control al magnetrón

Para habilitar el magnetrón y debido a que también se controlará la

potencia del magnetrón. Se utilizará una tarjeta de desarrollo Arduino-uno

68

(Figura 26) la cual se comunica por medio del puerto USB, esto es de gran

utilidad ya que se ocupará el puerto serie con el sensor de temperatura.

Figura 26.- Tarjeta de desarrollo Arduino UNO.

El control de fase para la alimentación del magnetrón lo hará la tarjeta

Arduino, en esta interfaz sólo se enviará una señal que servirá de referencia

para generar un retardo para disparar el circuito de potencia del magnetrón, el

retardo oscilará entre 0 y 6 ms, que es lo que dura un semi-ciclo de la onda

senoidal de 60HZ (Figura 27).

Figura 27.- Esquema de la pantalla de labview que representa un envío de un dato por un COM de la PC.

69

4.2.1.13 Reporte con datos

Para la fácil manipulación de los datos se pondrá una función en el

programa que sea capaz de generar un reporte usando la impresora, paquetería

office o HTML (Figura 28).

Figura 28.- Ejemplo de reporte HTML con Labview.

En la figura 4.25 se muestra uno de los ejemplos que vienen en la ayuda

de Labview, en éste se genera un reporte por medio de HTML el cual se puede

visualizar en cualquier navegador como el Explorer, Firefox, Chrome, etc. De

esta manera podemos trabajar con los datos más fácilmente, ya que si se quiere

interactuar con la paquetería Office, se tendrían que instalar otros paquetes.

Se pretende dejar como constante la dirección de destino del archivo,

para que el usuario no tenga que cambiarla o poner una nueva cada que

encienda el equipo. Se realizarán las pruebas correspondientes para determinar

qué tipo de reporte conviene más al proyecto.

70

4.2.2 Modulo de control de disparo y potencia del magnetrón.

El equipo está basado en una interfaz gráfica (Labview) que por medio de

una interfaz electrónica (Arduino) controla el disparo y la potencia del magnetrón

figura 29.

Figura 29.- Módulo de Medición de Temperatura.

Esta etapa se encuentra gobernada por la tarjeta de libre desarrollo

ARDUINO™, Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa

con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso

de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y

puertos de entrada/salida. Los microcontroladores más usados son el

Atmega168, Atmega328 y el Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo coste

que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado, el software

consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de

programación Processing/Wiring y el cargador de arranque “boot loader” que

corre en la placa.

Al ser open-hardware, tanto su diseño como su distribución es libre. Es

decir, puede utilizarse libremente para el desarrollo de cualquier tipo de proyecto

sin haber adquirido ninguna licencia.

Computadora (Interfaz Gráfica)

Interfaz Electrónica

Magnetrón

71

Después de generar el pulso de onda cuadrada en la salida del seguidor

de voltaje, este pulso de sincronización es aplicado a la entrada digital número 2

de la tarjeta de libre desarrollo ARDUINO®. Éste con la ayuda de esta señal y

siguiendo su lógica programada, logra generar pulsos en los periodos de tiempo

específicos para cada la conducción del triac en cada semiciclo.

4.2.2.1 Lógica programada.

Con este código se llevan a cabo las siguientes acciones (Figura 30):

• Se declaran como constantes enteras la terminal número 2 “inpin” y la

terminal número 13 “ledpin”

• Se declaran como variables enteras la terminal 0 “sync”, la terminal

analógica A0 “sensorpin” y la variable “sensorvalue” con un valor de 0

• Se configura “inpin” como entrada y “ledpin” como salida

• Se establece el valor de la variable “sync” igual a la lectura digital de la

terminal “inpin” es en esta terminal en donde se aplica la señal de salida

de la etapa detectora de cruce por cero

• Se crea la condición IF de tal modo que si la variable “sync” está en un

valor alto, se creara un retardo en un pulso cuadrado a la salida de la

terminal 13 “ledpin” cuyo valor de retardo será igual a la variable

“sensorvalue”, valor leído analógicamente desde la entrada analógica A0

proveniente de un potenciómetro.

De no cumplirse la sentencia IF se apaga la salida

Secuencia de salida en el control siguiendo la lógica programada en el

canal 1 con respecto a la señal de salida en el seguidor de voltaje en el

canal número 2 “señal de sincronización”:

72

Figura 30.- Secuencia de instrucciones en la lógica programada del control digital

4.2.2.2 Etapa de optoacoplado y manejo de potencia

Esta etapa dentro del circuito utiliza un optoacoplador “MOC8050” que

será el encargado de aislar eléctricamente la etapa de control digital llevada a

cabo por medio de la tarjeta de desarrollo libre “ARDUINO®”.

73

Figura 31.- Comparativa de la salida del control digital contra la señal de sincronización

El cual recibe los pulsos de sincronización que genera el circuito detector

de cruce por cero y de acuerdo a esto y siguiendo la lógica programada manda

una señal de pulso cuadrado con la duración de tiempo necesario para activar el

MOC, y así disparar nuestro elemento de potencia que en este caso es un

“TRIAC”, logrando obtener un control del voltaje en la carga.

Después de tener la respuesta del control digital “señal de onda cuadrada

con variación en su periodo en alto” (Figura 31), esta señal es enviada a un

transistor NPN de uso general el BC547 (Figura 32) con el motivo de conmutar y

mandar a tierra la terminal negativa del opto acoplador MOC8050 (Figura 33)

iniciando así la operación del triac MAC12 (Figura 34).

74

Figura 32.- Encapsulado y diagrama esquemático del transistor NPN BC547

Figura 33.- Encapsulado y diagrama esquemático del optoacoplador MOC8050

Figura 34.- Encapsulado y terminales del triac MAC12

75

Figura 35.- Diagrama general de la etapa de optoacoplado y manejo de potencia

El diodo LED ubicado en el interior del MOC8050 está conectado a la

alimentación de 5vcd por lo que su operación está gobernada por la

conmutación del transistor BC547 y esta conmutación es controlada según lo

indicado por el control digital. El LED restante sirve únicamente como indicador.

Esta etapa (Figura 35) es muy importante ya que se puede llevar a cabo

la activación del MAC12 en dos formas:

1.- Variando el ángulo de fase,

2.- Controlando de manera ON-OFF al sistema.

4.2.2.3 Circuito general en conjunto.

76

De forma integrada la tarjeta de control de potencia del magnetrón es el

resultado de la integración de técnicas de control electrónico, circuitería

analógica-digital, tarjetas de desarrollo inteligente “ARDUINO™”, dispositivos de

control de potencia y ciertas técnicas de diseño, visualización 3D (Figura 36),

modelado y construcción de circuitos impresos (Figura 37).

Figura 36.- Visualización del circuito final para el control de potencia del magnetrón utilizando la herramienta POV-RAY®

77

Figura 37.- Montaje final de la tarjeta de control de potencia del magnetrón

La salida de la tarjeta de control de potencia es conectada al magnetrón

de 950 W (Figura 38), ventilador y luz indicadora.

Figura 38.- Magnetrón de 950 W.

4.2.3 Medición de la Temperatura.

Mediante el Módulo de Medición de Temperatura se analizó las siguientes

muestras: Agua Destilada, Agua de Inyección, Agua-Crudo (50-50) y Crudo

Figura 39. Se irradiaron 50 mL de muestra durante 30 y 60 segundos,

obteniéndose los siguientes resultados:

78

Figura 39.- Muestra de 50 mL en el porta-muestras y cavidad de irradiación.

79

4.2.3.1 Muestras de Agua Destilada.

Figura 40.- Muestras de agua destilada.

Agua destilada irradiada durante 30 segundos.

Figura 41.- Muestra de agua destilada irradiada durante 30 segundos.

80

Se irradió agua destilada (Figura 40) para poder hacer una comparacion

con las siguientes muestras a irradiar obteniendo una temperatura de 21°C a 45

°C, durante 30 segundos (Figura 41).

Agua destilada irradiada durante 60 segundos.

Figura 42.- Muestra de agua destilada irradiada durante 60 segundos.

En el intervalo de temperatura de 22 °C a 59 °C, se irradió durante 60

segundos (Figura 42), se observa que el gradiente de temperatura, comparada

con la muestra de agua destilada irradiada durante 30 segundos, es de 10 °C,

sin que se registre una alteracion significativa en la temperatura.

4.2.3.2 Muestras de Agua de Inyección.

Figura 43.- Muestras de agua de inyección.

81

Agua de inyección irradiada durante 30 segundos.

Figura 44.- Muestra de agua de inyección irradiada durante 30 segundos.

La muestra de la figura 43 fue tomada directamente de la planta de

Inyección de campo Tamaulipas-Constituciones, en la tubería que se dirige a los

pozos de inyección. Se irradió durante 30 segundos en el intervalo de

temperatura de 25 °C a 49°C (Figura 44).

82

Agua de inyección irradiada durante 60 segundos.

Figura 45.- Muestra de agua de inyección irradiada durante 60 segundos.

La muestra de agua de inyeccion fue irradiada durante 60 segudos

obteniendo un intervalo de temperatura de 23 °C a 85 °C, (Figura 45), se

observa que el gradiente de temperatura comparada con la muestra de agua de

inyección irradiada durante 30 segundos es de 36 °C, observándose un

incremento considerable en comparación con el agua destilada debido a la

composición del agua de inyección y a la capacidad del dieléctrico de absorber

energía electromagnética y convertirla en calor.

83

4.2.3.3 Muestra de Agua-Crudo (50-50).

Figura 46.- Muestras de Agua-Crudo (50-50).

Agua-Crudo Irradiada durante 30 segundos.

Figura 47.- Muestra de Agua-Crudo Irradiada durante 30 segundos.

84

La muestra de la figura 46, fue tomada directamente de la cisterna de la

planta de inyección del campo Tamaulipas-Constituciones, la cual tenía una alta

concentración de crudo. Esta muestra fue diluida con un 50 % de agua de

inyección y un 50 % de Crudo, teniendo una temperatura inicial de 27 °C y fue

irradiada durante 30 segundos llegando a una temperatura final de 42 °C (Figura

47).

Agua-crudo irradiada durante 60 segundos.

Figura 48.- Muestra de agua-crudo irradiada durante 60 segundos.

Con una temperatura inicial de 26 °C y una temperatura final de 140 °C,y

un tiempo de irradiación de 60 segundos (Figura 48), se observa que el

gradiente de temperatura comparado con la muestra de agua de inyección

irradiada durante 60 segundos es de 55 °C, y además se observa un

incremento considerable en comparación con el agua de inyección debido a la

mezcla Agua-Crudo (50-50). Con esto se puede concluir que la relación Agua-

85

Crudo es un parámetro importante en la absorción de energía, y por

consiguiente en la separación agua-crudo.

4.2.3.4 Muestra de Crudo.

Figura 49.- Muestras de crudo.

Crudo irradiado durante 30 segundos.

Figura 50.- Muestra de crudo irradiada durante 30 segundos.

86

La muestra de la figura 49, fue tomada directamente de la cisterna de la

planta de inyección del campo Tamaulipas-Constituciones, la cual tenía alto

contenido de crudo, no se diluyó, teniendo una temperatura inicial de 25 °C y fue

irradiada durante 30 segundos llegando a una temperatura final de 53 °C (Figura

50).

Crudo irradiado durante 60 segundos.

Figura 51.- Muestra de crudo irradiada durante 60 segundos.

Con una temperatura inicial de 26 °C y una temperatura final de 105 °C,

durante 60 segundos (Figura 51), se observa que el gradiente de temperatura

comparado con la muestra de agua-crudo (50-50) irradiada durante 60 segundos

decrece hasta -35 °C. Con esto se puede concluir nuevamente que la relación

Agua-Crudo juega un papel importante en el proceso de calentamiento de

emulsiones de Agua-Crudo y por consiguiente, en el proceso de deshidratacion.

87

4.3 SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 DEL EQUIPO DE LABORATORIO PARA MEDIR LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS.

4.3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO Y GEOMETRÍA DEL EQUIPO.

El balance de energía que describe el comportamiento térmico del

dieléctrico, teniendo en cuenta la interacción con las microondas es el siguiente

[46]:

( ) (5)

Dónde:

ρ = densidad del material (Kg/m3).

Cp = capacidad calorífica del material a presión constante (J/Kg*K).

T = temperatura absoluta (°C).

k = conductividad térmica (W/(m*K)).

Q = término correspondiente a la generación volumétrica de energía por

microondas (W/m3).

Para la resolución se plantearon las siguientes condiciones iniciales:

T (t=0) = 27 °C

Y de frontera:

(6)

Dónde:

= vector de flujo de calor por conducción (W/m2).

88

(7)

= vector normal de la frontera.

= flujo de calor hacia el interior (W/m2), normal a la frontera.

El flujo de calor hacia el interior , es a menudo una suma de las

contribuciones de los diferentes procesos de transferencia de calor, por ejemplo,

radiación y convección. En este caso .

Obteniendo la siguiente condición de frontera

( ) (8)

El horno de microondas es una caja metálica conectada a un magnetrón

de 950 W mediante una guía de onda rectangular de 2.45 GHz operada en modo

TE10. En el centro del horno se posiciona cilindro de vidrio que contiene un

líquido. Un corte vertical se aplica al horno, vaso de vidrio y líquido para facilitar

la visualización y análisis de los resultados.

El modelo usa cobre para las paredes del horno y guiada de onda con las

siguientes características: Permeabilidad Relativa = 1, Conductividad

Eléctrica = 5.998 x 107 S/m y una permitividad relativa = 1.

El puerto rectangular se excita por una onda eléctrica transversal (TE) a

una frecuencia de excitación de 2.46 GHz, el modo TE10 es el modo único de

propagación para frecuencias entre 1.92 GHz y 3.84 GHz. La frecuencia de corte

para los diferentes modos se obtiene mediante la ecuación 6 [47]:

( )

√(

)

(

)

(9)

89

Donde m y n son el número de modo y c es la velocidad de la luz. Para

el modo TE10, m = 1 y n = 0. Con las dimensiones de la sección transversal

rectangular (a=7.8 cm y b=1.8 cm), el modo TE10 es el único modo de

propagación para frecuencias de entre 1.92 GHz y 3.84 GHz.

La condición del puerto requiere una constante de propagación β, que en

la frecuencia de corte es dada por ecuación 10.

√

(10)

Una vez obtenida la excitación del puerto rectangular, la ecuación (11) se

resuelve para el vector del campo eléctrico E dentro de la guía de onda y el

horno [48].

( )

(

(

) ) (11)

√

⁄

(12)

Con las condiciones de frontera ecuación 13, donde nos indica que es un conductor perfecto y la profundidad de penetración de la onda electromagnética en las paredes del horno tiende a cero.

(13) Dónde:

= operador diferencial del vector.

= es la Permeabilidad relativa del material (H/m).

= es el Campo Eléctrico (V/m). = número de Ondas del Espacio Libre (rad/m).

= es la Constante Dieléctrica (adimensional).

90

= es la unidad imaginaria

= es la Conductividad Eléctrica (S/m).

= es la velocidad angular ( ).

= es la Permitividad del espacio libre (F/m).

= es la Permeabilidad del vacío (H/m).

= velocidad de la luz en el vacio (m/s).

= frecuencia (1/t, hertz,Hz)

El modelo utiliza parámetros de materiales para el aire: y

. En el líquido: en función del líquido a irradiar, y el vaso de vidrio y

y y .

La resolución de las ecuaciones (5) y (11) con sus condiciones iníciales y

de frontera se llevó a cabo empleando el método numérico de elemento finito

utilizando el software, COMSOL Multiphysics versión 4.4. Para aplicar el método

de elemento finito, el software COMSOL Multiphysics utiliza una partición en

formas simples del modelo geométrico, llamada malla. La cantidad de elementos

(o refinado) de la malla utilizada, influirá en la representación del modelo. Debe

tenerse en cuenta que, a mayor cantidad de elementos mayor exactitud,

obteniendo una mayor capacidad de cálculo en el procesador disponible.

Para realizar los ensayos de calentamiento de las muestras se construyó

un horno experimental con un oscilador magnetrón de 950W, que se encuentra

acoplado a una guía de onda por donde se transfiere la onda electromagnética

en el modo dominante TE10 a una frecuencia de trabajo de 2,45 GHz.

91

Se proporcionan los datos necesarios a COMSOL a los módulos que se

muestran en la figura 52, como son: Geometría, Dominios, Fronteras, Tipo de

Malla, Materiales y Microondas.

Figura 52.- Diagrama de bloques del simulador COMSOL.

4.3.2 Desarrollo de la Simulación.

La primera simulación que se plantea es el calentamiento por medio de

microondas de una muestra de agua destilada que es irradiada durante 30

segundos a una temperatura inicial de 27 °C.

Definiciones Globales:

Definiciones

Globales

(Parámetros)

Definiciones

Particulares

(Dominios,

Fronteras)

Geometría

(Cilindros, Cubo,

etc)

Materiales

(Agua, Aire, Vidrio,

Cobre)

Microondas

(Modelo, Fuente, Valores

Iniciales, Ecuación de Onda,

Puerto, Condiciones de

Frontera)

Malla

(Tetraédrica, Fina

en liquido y Vaso)

Resolvedores

(GMRES, FGMRES,

Gradiente Conjugado,

Precodicionadores )

Visualización

(Solución, Grafica 3D, )

92

Primero se proporcionan las definiciones globales de toda la simulación

donde se introducen, las dimensiones de la cavidad del equipo y la cavidad

resonante, así como la temperatura inicial (Figura 53).

Figura 53.- Definiciones globales.

4.3.2.1 Geometría.

Posteriormente, se toman las definiciones globales para formar la

geometría del equipo de todas las formas geométricas que estarán dentro de la

simulación (Figura 54), escogiéndose las geometrías rectangulares para formar

guía de onda y la cavidad, la geometría circular para formar el vaso y el líquido.

93

Figura 54.- Geometría del equipo.

Guía de Onda Cavidad

Resonante

Recipiente Liquido

94

4.3.2.2 Definiciones Particulares:

Una vez delimitada la geometría, se tendrán que hacer las definiciones

particulares con el fin de proporcionar al simulador los dominios que intervienen

en el proceso y las fronteras que envuelven el fenómeno físico (Figura 55).

Figura 55.- Definición del dominio agua.

95

4.3.2.3 Materiales.

Al definir todos los dominios y fronteras que intervienen en la modelación,

es necesario proporcionarle al simulador los materiales que componen cada uno

de ellos (Figura 56).

Figura 56.- Contenido del material agua.

96

4.3.2.4 Tipo de Malla.

Para que el simulador resuelva el modelo matemático en los dominios y

fronteras preestablecidos es necesario definir el tipo de malla a utilizar y los

dominios donde se aplicará la malla (Figura 57). Para esta simulación se utiliza

una malla tetraédrica con una resolución fina de 6 mm.

Figura 57.- Asignación de malla fina en el dominio agua

Malla

97

4.3.2.5 Microondas. Al módulo de Calentamiento por Microondas (Figura 58) se le proporciona

el modelo matemático a resolver, donde se sitúa la fuente (magnetrón), los

valores iniciales, la ecuación de onda y la potencia del magnetrón entre otras.

Que en esta simulación es de 950W.

Figura 58.-Módulo de calentamiento por microondas

Magnetrón

98

4.3.2.6 Resolvedores. El simulador COMSOL utiliza resolvedores propios entre los que se encuentran: 1.- El Método de Elementos Finitos.

2.- Time-Dependent Solver (BDF).

3.- MUMPS.

4.- GMRES, FGMRES y UMFPACK.

5.- Gradiente Conjugado.

6.- Precondicionadores.

Los cuales son utilizados para resolver el modelo matemático (Figura 59).

COMSOL utiliza el método de elementos finitos para resolver las ecuaciones de

Maxwell.

Figura 59.-Resolvedor GMRES y MUMS.

99

4.3.2.7 Visualización.

El simulador COMSOL provee una visualización en 2D y 3D, facilitando el

estudio al poder visualizarlo en pantalla, como se muestra la figura 60. Las

barras de colores muestran la escala del campo eléctrico en V/m (izquierda) y

temperatura en °C (derecha).

Figura 60.- Visualización 3D.

100

4.3.3 Simulación del equipo de laboratorio.

Mediante la simulación del fenómeno físico en el simulador COMSOL

Multiphysics 4.4 se pueden comprobar los datos obtenidos en laboratorio, lo

anterior, con la finalidad de diseñar un aplicador a escala planta piloto. En las

figuras siguientes se muestra el resultado de esta simulación después de

introducir todas las condiciones iníciales del fenómeno físico, la barra de colores

muestran la escala de temperatura en °C.

A su vez, en la figura 61 se muestra el entorno del simulador COMSOL

donde se construyó la guía de onda, la cavidad, el cilindro y el líquido

(dieléctrico) de acuerdo a las dimensiones reales del equipo.

Figura 61.- Visualización en 3D del equipo de irradiación de microondas.

En la figura 62, se muestra el equipo que se está simulando.

101

Figura 62.- Equipo de irradiación de microondas.

4.3.3.1 Simulación de Agua Destilada irradiada durante 30 segundos.

La Figura 63 muestra en un plano diagonal la simulación de la irradiación

de agua destilada durante 30 segundos, donde se observa que el calentamiento

es mayor en el centro que en las paredes. La temperatura inicial es de 26 °C y la

temperatura final es de 32 °C como lo muestra la figura 64, proporcionada por el

simulador COMSOL. De esta manera se puede ver que con un magnetrón de

950 W y una guía de onda colocada en la parte superior derecha se calienta la

muestra de agua destilada dándonos una idea del comportamiento de las

microondas y de la propagación de calor dentro del líquido, para así entender la

posible construcción del equipo industrial en cuanto a los siguientes parámetros:

Potencia del magnetrón, forma geométrica de la cavidad resonante y guía de

onda.

102

Figura 63.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada (vista diagonal).

Figura 64.- Grafica de Temperatura de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del

calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada.

103

La figura 65 muestra una vista superficial en el plano X,Y, y muestra un

calentamiento no uniforme debido a la geometría del recipiente. Observándose

una propagación de calor en la parte izquierda de la muestra de acuerdo a la

trayectoria del recipiente.

Figura 65.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada (Plano X,Y).

En la figura 66 se muestra una vista lateral en el plano Y,Z, en la que se

visualiza un calentamiento en la parte superior del recipiente debido a la

cercanía con la guía de onda y por consiguiente con el magnetrón.

104

Figura 66.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada (Plano Y,Z).

En la figura 67 se muestra una vista frontal en el plano Z,X, donde se

puede visualizar perfectamente el calentamiento en el centro del material.

Aunado a la propagación de calor aislado alrededor del centro caliente.

Figura 67.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada (Plano Z,X).

105

4.3.3.2 Simulación de Agua Destilada irradiada durante 60 segundos.

La figura 68 muestra la simulación del agua destilada irradiada durante 60

segundos, en donde se observa claramente el incremento de la temperatura,

obteniéndose un excelente cotejo con los datos obtenidos en el equipo de

irradiación de microondas. En el equipo la temperatura final al irradiar durante 60

segundos fue de 76 °C y en la simulación se llega a una temperatura de 70 °C.

Se observa que la simulación se comporta de manera similar a la temperatura

obtenida en el equipo, proporcionado una herramienta indispensable para el

diseño del equipo industrial.

Figura 68.- Visualización en 3D de la irradiación de agua destilada durante 60 segundos.

4.3.3.3 Simulación de agua de inyección irradiada durante 60 segundos.

En la Figura 69 se muestra la simulación de la irradiación de agua de

inyección durante 60 segundos y se observa claramente el incremento de la

temperatura en comparación con el agua destilada irradiada durante 60

segundos debido a que el agua de inyección por su composición química

106

absorbe más las microondas provocando un mayor incremento de la

temperatura que favorece el calentamiento con mayor rapidez.

Con esto se comprueban los datos obtenidos experimentalmente en

donde al calentar el agua destilada con microondas no hay una modificación en

la constante dieléctrica y que al calentar agua de inyección (emulsión de

petróleo), si se modificó considerablemente la constante dieléctrica, y por

consiguiente el incremento de la temperatura ya que está ligado directamente a

la constante dieléctrica del líquido.

Figura 69.- Visualización en 3D de la irradiación de agua de inyección durante 60 segundos.

4.3.3.4 Simulación de agua-crudo (50-50) irradiada durante 60 segundos.

En la figura 70 se muestra la simulación de la irradiación de agua-crudo

con 50% de Agua de inyección y 50% de Crudo, se observa una temperatura

final de 130 °C; lo anterior indica que este tipo de mezclas agua-crudo favorece

107

a la propagación y absorción de las microondas. Comparando los datos

obtenidos del equipo al irradiar esta muestra, se pudo observar un incremento en

la temperatura a los 30 segundos y además se aprecian en la simulación dos

puntos individuales de incremento de la temperatura, lo cual corrobora que la

temperatura llega a los 140°C y el salto de temperatura es a los 30 segundos.

Figura 70.- Visualización en 3D de la irradiación de agua-crudo (50-50) durante 60 segundos.

4.3.3.5 Simulación de Crudo irradiado durante 60 segundos.

En la figura 71 se muestra la simulación de la irradiación de crudo durante

60 segundos llegando a una temperatura final de 100 °C, se observa que el

calentamiento se comporta de diferente manera que con las muestras anteriores,

propagándose el calentamiento por las paredes del recipiente, esto se debe a la

baja constante dieléctrica del material ( ) lo cual no permite que las

microondas penetren al centro del material, calentando primeramente el líquido

que se encuentra en las paredes del recipiente. De esta forma, se tiene una idea

de cómo calentar el líquido dependiendo de su constante dieléctrica, de cuál va

108

ser la propagación de la microondas y de la forma geométrica de la cavidad

resonante, lo anterior para obtener la mayor eficiencia energéticamente en la

separación del agua-aceite.

Figura 71.- Visualización en 3D de la irradiación de crudo durante 60 segundos.

109

4.4 SIMULACIÓN DE UN APLICADOR DE MICROONDAS EN PLANTA PILOTO EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4.

Para simular el aplicador en planta piloto se tomaron geometrías básicas

para construir tres tipos cavidades resonantes con el fin principal de observar el

comportamiento de la temperatura y campo electromagnético dentro de estas

geometrías. Las geometrías básicas que se tomaron en cuenta son las

siguientes:

Geometría Cúbica

Geometría Esférica

Geometría Cilíndrica

Una vez simuladas estas geometrías se observa con cuál de las

geometrías básicas se obtienen la mejor distribución de temperatura y energía

electromagnética a lo largo de la cavidad resonante y del líquido depositado en

su interior.

Una vez simulado el equipo de laboratorio en COMSOL Multiphysics 4.4 y

corroborado que el modelo matemático se comporta de manera similar a los

resultados obtenidos físicamente, ahora es posible simular geometrías básicas

de cavidades resonantes a escala planta piloto, para observa cual sería el

comportamiento del campo electromagnético en cada una de las cavidades. Se

construyeron las siguientes geometrías: Cúbica, esférica y cilíndrica. La potencia

a la que se irradia 2000 mL de muestra es de: agua destilada, crudo-agua y

crudo es de 950 W, durante 30 y 60 segundos, en cada una de las geometrías.

Las barras de colores muestran la escala del campo eléctrico en V/m (izquierda)

y temperatura en °C (derecha).

110

4.4.1. Agua Destilada.

4.4.1.1.- Geometría Cubica.

La Figura 72 muestra la simulación de una cavidad resonante con una

geometría cubica con dimensiones de 200 mm de largo, 200 mm de alto y 200

mm de profundidad. Misma que irradia durante 60 segundos a 4000,000 mm3 de

una muestra de agua destilada, donde se observa que el calentamiento se

concentra enfrente y en la parte más lejana del magnetrón. La temperatura inicial

es de 27 °C y la temperatura final máxima es de 50 °C. El campo

electromagnético máximo es de 1.4 x 103 V/m y se encuentra presente en la

zona más lejana del magnetrón.

Figura 72.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica que irradia

4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos.

4.4.1.2.- Geometría Cilíndrica.


geometría cilíndrica de 100 mm de radio y 200 mm de alto. Misma que irradia

durante 60 segundos a 4000,000 mm3 de una muestra de agua destilada, donde

111

se observa que el calentamiento se concentra en el centro del cilindro. La

temperatura inicial es de 27 °C y la temperatura final máxima es de 52 °C. El

campo electromagnético máximo es de 1.21 x 104 V/m y se encuentra presente

en la zona central del cilindro.

Figura 73.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cilíndrica que irradia 4000,000 mm

3 de una muestra de agua destilada durante 60 segundos.

4.4.1.3.- Geometría Esférica.


geometría esférica de 125 mm de radio. Misma que irradia durante 60 segundos

a 4000,000 mm3 de una muestra de agua destilada, donde se observa que el

calentamiento se concentra en el fondo de la cavidad esférica. La temperatura

inicial es de 27 °C y la temperatura final máxima es de 73.4 °C. El campo

electromagnético máximo es de 4.4 x 103 V/m y se encuentra presente en el

centro de la esfera.

112

Figura 74.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría esférica que irradia 4000,000 mm

3 de una muestra de crudo durante 60 segundos.

113

4.4.2. Crudo.





una muestra de crudo, donde se observa que el calentamiento se concentra en

la superficie y en la parte más lejana del magnetrón. La temperatura inicial es de

27 °C y la temperatura final máxima es de 64.4 °C. El campo electromagnético

máximo es de 2.4 x 103 V/m y se encuentra presente en medio y enfrente del

magnetrón.

Figura 75.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica que irradia 4000,000 mm





durante 60 segundos a 4000,000 mm3 de una muestra de crudo, donde se

114

observa que el calentamiento se concentra en la superficie de la muestra en la

zona central del cilindro. La temperatura inicial es de 27 °C y la temperatura final

máxima es de 61.6 °C. El campo electromagnético máximo es de 0.7 x 104 V/m y

se encuentra presente en la zona central de la cavidad cilíndrica.






a 4000,000 mm3 de una muestra de crudo, donde se observa que el

calentamiento se concentra en la superficie y en la zona más cercana al

magnetrón. La temperatura inicial es de 27 °C y la temperatura final máxima es

de 98.7 °C. El campo electromagnético máximo es de 4.1 x 103 V/m y se

encuentra presente en el centro de la esfera enfrente del magnetrón.

115

Figura 77.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría esférica que irradia 4000,000 mm


116

4.4.3. Agua-Crudo.





una muestra de agua-crudo, donde se observa que el calentamiento se

concentra en el centro y el la pared frontal al magnetrón propagándose al fondo

de la cavidad resonante. La temperatura inicial es de 27 °C y la temperatura final

máxima es de 46 °C. El campo electromagnético máximo es de 8.1 x 103 V/m y

se encuentra presente en medio y en la parte más alejada del magnetrón.

Figura 78.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica que irradia 4000,000 mm

3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos.




durante 60 segundos a 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo, donde se

117

observa que el calentamiento se concentra zona central del cilindro

propagándose a la base de la cavidad resonante cilíndrica. La temperatura inicial

es de 27 °C y la temperatura final máxima es de 40 °C. El campo

electromagnético máximo es de 2 x 104 V/m y se encuentra presente en la zona

central de la cavidad cilíndrica.


3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos.




a 4000,000 mm3 de una muestra de crudo, donde se observa que el

calentamiento se concentra en el fondo de la esfera y se propaga desde el

magnetrón hasta el fondo de la cavidad resonante esférica. La temperatura

inicial es de 27 °C y la temperatura final máxima es de 64.5 °C. El campo

electromagnético máximo es de 4.9 x 103 V/m y se encuentra presente en el

centro de la esfera enfrente del magnetrón.

118

Figura 80.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos.

119

5.- CONCLUSIONES

1.- Según los datos obtenidos experimentalmente, se puede concluir que

es posible medir la constante dieléctrica con la técnica del módulo de medición

de constante dieléctricas basándose en hacer fluir una corriente constante sobre

un líquido y por consiguiente medir el tiempo en que tarda en llegar a un voltaje

predeterminado, encontrando la carga del líquido, la capacitancia y por

deducción la constante dieléctrica.

2.- Un control preciso de la potencia de microondas provoca una

separación controlada de las fases agua-aceite y por consiguiente una

separación de las sales presentes en la emulsión.

3.- También al comparar las temperaturas de las muestras Agua

Destilada, Agua de Inyección, Crudo-Agua y Crudo, se observa una mayor

absorción de energía en la muestra Crudo-Agua, corroborando que al controlar

la temperatura, la relación agua-crudo y la constante dieléctrica las microondas

son una alternativa altamente eficiente para separar este tipo de emulsiones.

4.- Al simular el equipo de deshidratado y desalado de petróleo en

COMSOL Multiphysics 4.4 se comprueba que el modelo matemático que

implementa el simulador se comporta de forma similar al proceso real, ayudando

a entender la interacción de las microondas con los líquidos (dieléctricos), con lo

que se obtuvo una herramienta imprescindible en el diseño del equipo a escala

planta piloto.

5.- Al simular las geometrías cubicas, esféricas y cilíndricas con muestras

de agua destilada, crudo y agua-crudo se observa que al calentar agua destilada

en la geométrica esférica provoca el mayor incremento de temperatura, pero la

geometría cilíndrica distribuye mejor la temperatura en la cavidad resonante. Al

calentar muestras de crudo, la geometría cilíndrica distribuye uniformemente la

temperatura sobre la superficie del material, pero la geometría esférica aumenta

120

considerablemente la temperatura. Y al simular el calentamiento de muestras de

agua-crudo se observa que la geometría cilíndrica tiene una mejor distribución

de la temperatura en la cavidad resonante, pero la geometría esférica tiene un

mayor aumento de la temperatura depositada en el fondo de la esfera. Se puede

concluir que la construcción de un aplicador de microondas en plata piloto con

geometría cilíndrica será la más estable para obtener una mejor distribución de

del campo eléctrico y por ello un mejor control de la temperatura dentro de la

cavidad resonante.

121

PRODUCTOS DE LA TESIS

1.- Primer Lugar en 2do. Premio Kemet a la Innovación Tecnológica,

categoría Investigador, que otorga el Gobierno del Estado de Tamaulipas a

través de la Secretaría de Educación y el Consejo Tamaulipeco de Ciencia y

Tecnología y la empresa KEMET de México, en la Ciudad de Victoria

Tamaulipas.

122

2.- Publicación en la Revista Ingenierías de la Universidad Autónoma de

Nuevo León “Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante

microondas”. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54.

123

3.- Publicación en la Revista DYNA de la Universidad Nacional de

Colombia- Sede Medellín “Microwave Heating and Separation of Water-in-Oil

Emulsion from Mexican Crude Oil”, Dyna, year 81, no. 183, pp. 16-21. Medellin,

February, 2014. ISSN 0012-7353.

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