Incrustação em trocador de calor Incrustação em tubulação

PROJETO DE APARATO EXPERIMENTAL PARA AVALIAÇÃO DE INCRUSTAÇÕES EM TUBULAÇÕES HORIZONTAIS

A incrustação de sais inorgânicos é o mecanismo de deposição de minerais sólidos sobre superfícies susceptíveis como metais, rochas etc. O processo resulta da precipitação de sais solúveis inorgânicos que se aderem a parede da tubulação e é influenciado por mudanças na temperatura e no pH, que alteram a solubilidade dos cristais incrustantes presentes no meio aquoso, ou ainda pela combinação dos fatores: mudança de pressão, impurezas, aditivos, variação da taxa de fluxo, expansão do fluido e evaporação de gás.

O estudo pretende avaliar o efeito da incidência de um campo eletromagnético sobre trechos da tubulaçao como meio de mitigação da formação de incrustação. O experimento recria as situações de concentração de sais e pressão encontradas na industria de petróleo e leva em consideração o trabalho com o Carbonato de Cálcio (CaCO3) por ser um mineral inorgânico inerte encontrado facilmente na natureza e também um dos maiores causadores de incrustações salinas.

Índice:

1. Instalações físicas2. Estudo das incrustações3. Procedimento experimental

Instalações Físicas

Associado ao projeto está a implantação no prédio do Laboratório de Tecnologia de Poços (LTP) uma infra-estrutura laboratorial dedicada ao atendimento de pesquisas nas áreas de perfuração, completação e intervenção de poços de petróleo. O projeto do aparato experimental foi concebido com parâmetros de operação abrangentes a fim de atender a diferentes cenários e necessidades de medição.

O Rig Multipropósito, como é chamado, possui tubulações de 1” , 2” e 3” de diâmetro e comprimento total de até 300m. Sua configuração permite opera-lo em circuito aberto ou fechado com escoamentos monofásicos ou multifásicos água/óleo e, eventualmente, gás.

Um sistema de bombeamento robusto é capaz de pressurizar a tubulação a até 260bar e permite vazões de 1 a 18m3/h. Medidores de temperatura e pressão a cada vinte metros acompanham as caracteristicas do escoamento e junto com medidores de fluxo mássico(coriolis) e ultrassônico compõem a intrumentação do equipamento.

Os reagentes químicos que formam o carbonato de cálcio são bombeados individualmente para a tubulação a partir de dois tanques de 1m3.

Um separador água/óleo é utilizado quando a mistura for bifásica(sem emulsões). Opera sobre pressão ambiente e vazão de até 1m3/h.

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Separador de Água e Óleo > Este equipamento destina-se a separar óleos não emulsivos em água ou efluentes. É totalmente fabricado em materiais não corrosivos (PP, PVC ) operando em regime laminar em temperaturas de até 60ºC. Através do módulo de placas o separador de óleo, amplifica o efeito da densidade entre o óleo e a água em que está contido, fazendo com que este seja separado. Quanto maior for a diferença de densidade, maior será a eficácia do processo. Óleos emulsivos não serão separados pois na emulsão não se verifica a diferença de densidade > Trabalha em regime de captação constante do óleo separado, através de vertedor regulável da película de óleo, totalmente desenvolvido pela QUIMITANK®, que torna a captação automática. através de calhas coletoras e tubulação, até um recipiente posicionado na lateral do equipamento É dotado de bloco separador que pode ser facilmente removido, para limpezas periódicas

Como manusear o separador de água e óleo QUIMITANK ®

> A entrada do efluente, dá-se por gravidade, passando por baixo da placa divisória, obrigando-o a passar pelo bloco separador, que tem a finalidade de diminuir a velocidade do efluente, dando tempo para que o óleo flote (suba para a superfície) de onde será coletado. > O vertedor tem a finalidade de regular essa camada de óleo na superfície, funcionando como um regulador de nível do efluente, ou seja: rosqueando no sentido horário, o nível interno abaixará e no sentido anti-horário o nível subirá de maneira que se pode regular a camada de óleo desejada. > O ideal, para óleos não emulsionados, é que essa camada esteja entre 10 e 20mm de espessura, garantindo assim que apenas óleo vá para as calhas coletoras. > Óleos emulsionados (diluídos em água), deverão passar pelo processo de “quebra de amulsão”, antes de passar pelo separador.

Quimitank Equipamentos e Serviços Industriais Ltda.

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Estudo das incrustações

O estudo do processo físico-químico de formação das incrustações tem inicio na interação dos sais com seu solvente, usualmente água. O potencial de incrustação de uma solução está diretamente ligado a sua solubilidade. De fato, a deposição de sais inorgânicos só poderá ocorrer em soluções salinas de alta concentração.

A alteração de propriedades como pressão e temperatura afeta o chamado índice de saturação. No caso do carbonato de cálcio(CaCO3) a variação de pressão está fortemente associada a sua solubilidade. Por esse motivo, esse tipo de incrustação ocorre com maior frequência em regiões onde há maior queda de pressão.

O carbonato de cálcio aparece na natureza em três formas cristalinas diferentes: Calcita, Aragonita e Vaterita.

- CalcitaTrata-se da forma polimórfica de Carbonato de Cálcio mais estável da natureza. A Calcita apresenta a forma trigonal-romboédrica. Com relação à dureza, possui valor 3 na escala Mohs.

- AragonitaÉ bem menos estável do que a Calcita. A Aragonita possui uma solubilidade maior e apresenta a forma ortorrômbica. Sua dureza na escala Mohs está entre 3,5 e 4 unidades. Ela é mais densa e aderente que a Calcita.

- VateritaA Vaterita é a forma polimórfica mais rara de Carbonato de Cálcio. Também é conhecida como µ-CaCO3. Assim como a Aragonita, ela é uma forma metaestável em condições ambientes. Possui a maior solubilidade das três formas.Quando exposta a água, a Vaterita pode se converter em Calcita (a baixas temperaturas) ou Aragonita (a temperaturas superiores a 60oC). Possui formato hexagonal.

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incrustações salinas. Ele pode se apresentar em três formas cristalinas diferentes:

Calcita, Aragonita e Vaterita (Patnaik, 2003).

2.6.1 Calcita

Trata-se da forma polimórfica de Carbonato de Cálcio mais estável da natureza.

A Calcita apresenta a forma trigonal-romboédrica. Com relação à dureza, possui valor 3

na escala Mohs.

Vale lembrar que a escala Mohs é a mais utilizada em mineralogia. Criada pelo

alemão Friedrich Mohs, em 1812, ela atribui valores de 1 a 10 à resistência que um

determinado mineral oferece ao risco. O valor de 1 é dado ao talco e 10 ao diamante

(Gemology)

2.6.2 Aragonita

É bem menos estável do que a Calcita. A Aragonita possui uma solubilidade

maior e apresenta a forma ortorrômbica. Sua dureza na escala Mohs está entre 3,5 e 4

unidades. Ela é mais densa e aderente que a Calcita.

2.6.3 Vaterita

A Vaterita é a forma polimórfica mais rara de Carbonato de Cálcio. Também é

conhecida como !-CaCO3. Assim como a Aragonita, ela é uma forma metaestável em

condições ambientes. Possui a maior solubilidade das três formas.

Quando exposta a água, a Vaterita pode se converter em Calcita (a baixas

temperaturas) ou Aragonita (a temperaturas superiores a 60ºC). Possui formato

hexagonal.

Figura 3 - Estruturas cristalinas de Calcita e Aragonita (Pengelly trust).

Em tubulações pressurizadas, um mecanismo de incrustação importante ocorre devido perdas de carga localizadas e distribuídas que diminuem a pressão da linha acarretando então o desprendimento natural de gás carbônico da mistura, o que desloca o equilíbrio químico no sentido da produção de CO2 e, portanto, também de CaCO3.

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2.6.4 Mecanismo de incrustação

Como já foi dito, a pressão exerce efeito fundamental na incrustação por

Carbonato de Cálcio. Isso porque, durante a produção de óleo em poços de petróleo, a

pressão tende a cair naturalmente. Quando essa pressão fica abaixo da pressão de bolha,

ocorre o desprendimento natural de gás carbônico da mistura. Pela relação de Le

Chatelier que estabelece as leis de deslocamento de equilíbrio químico, a reação abaixo

será deslocada no sentido da ocorrência da produção de CO2 e, portanto, também de

CaCO3.

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Outro fato também não pode ser deixado de lado. Com a saída do gás carbônico,

o pH da solução aumenta. Isso torna o Carbonato de Cálcio ainda mais insolúvel e,

assim, a deposição desse mineral tende a aumentar.

Além do fator pressão, a temperatura exerce papel no processo de incrustação.

Ao contrário do que acontece com muitos minerais, a solubilidade do carbonato diminui

à medida que a temperatura aumenta.

Em resumo, podemos verificar que a deposição tende a aumentar com o aumento

da temperatura, aumento do pH, diminuição da pressão e diminuição da salinidade total.

2.6.5 Índices específicos

Para o caso específico do Carbonato de Cálcio, uma série de índices foram

criados com o intuito de descrever o comportamento desse mineral em água, óleo e gás.

Dentre eles, podemos citar:

2.6.5.1 Índice de saturação de Langelier (LSI)

Este índice se propõe a predizer a estabilidade de Carbonato de Cálcio em água.

Ele indica se o mineral vai se precipitar, se dissolver ou entrar em equilíbrio. Langelier

desenvolveu, em meados de 1930, um método de predição de pH na qual a água estará

saturada de carbonato (pHs).

O LSI é expresso por uma diferença entre o pH medido e o pHs (LSI = pH –

pHs). Dessa forma, tem-se:

i. LSI > 0: Água supersaturada com tendência à deposição de carbonato;

ii. LSI = 0: Água saturada, em equilíbrio com o carbonato;

iii. LSI < 0: Água insaturada com tendência a dissolver carbonato.

Outra consequência da desassociação do gás carbônico é o aumento do pH da solução deixando o carbonato da cálcio ainda menos solúvel e, assim, aumentando a deposição desse mineral.

O mecanismo de formação de incrustações é, em teoria, composto de 5 fases principais: nucleação, transporte para a superfície, adesão à superfície, remoção e envelhecimento.

• Nucleação, fase inicial, quando nenhum sinal de material incrustado pode ser visto, mesmo após o início de funcionamento do circuito em questão. Essa fase pode chegar a durar algumas horas.

• Transporte para a superfície, também citado na literatura como transporte de massa, essa fase é a mais compreendida hoje em dia. É nela que o movimento das partículas do centro do escoamento para as paredes da tubulação ocorre.

• Adesão à superfície. Nem todo material transportado para a superfície se adere a ela. As forças que atuam no material enquanto ele se aproxima das paredes exerce um papel fundamental. Por outro lado, propriedades da partícula - densidade, elasticidade, superfície e estado, e da superfície - rugosidade e tipo de material, também afetam consideravelmente a adesão do material à superfície da tubulação.

• Remoção. A remoção de material incrustado em paredes de tubos pode ou não começar logo que a deposição tem início.

• Envelhecimento. A espessura de material incrustado em uma parede cresce com o tempo, até que atinge a estabilidade. A partir daí a força de deposição, que mantém o material incrustado, pode mudar com o tempo devido a mudanças na estrutura cristalina do sal depositado. Essas mudanças podem ocorrer devido a processos de desidratação ou polimerização dos grãos. Assim sendo, essa força do material incrustado pode aumentar ou diminuir com o passar do tempo.

Procedimento experimental

O planejamento experimental levou em conta parâmetros de outros trabalhos semelhantes disponíveis na literatura cientifica. Entre todos os artigos publicados nenhum se assemelha à escala aqui proposta, no entanto a tabela a seguir compara os parâmetros do Rig Multipropósito com os dos experimentos.

Uma avaliação dos resultados obtidos em trabalhos anteriores indica de fato uma tendência na redução das incrustações.

Quanto às resultados esperados com a incidência de um campo eletromagnético pode-se então dizer que as seguintes mudanças serão investigadas:

1. Formação de Calcita no lugar de Aragonita;2. Crescimento dos cristais;3. Retardo na precipitação de Carbonato de Cálcio4. Menores espessuras de material incrustado;5. Mudanças na dureza;6. Mudanças no pH;7. Mudanças na condutividade.

A fim de validar os métodos de prevenção de incrustações e permitir o acompanhamento das mudanças estruturais do cristal depositado, serão utilizados equipamentos analíticos dentre os quais se destacam: ensaios de dureza, análise por microscópio eletrônico, teste de alcalinidade, análise do tamanho de partículas, teste de condutividade, pesagem de material incrustado, teste de difração por raio- X, entre outros. Medições são feitas tanto no material incrustado quanto em amostras de fluido obtidas durante o experimento.

Efeito da aplicação de campo eletromagnético em função da frequência. 550 ppm de CaCO3.(Tijing, 2010)

Efeito da aplicação de campo eletromagnético em função da velocidade de escoamento. 330ppm de CaCO3. (Tijing, 2010)