-
Dissertao de Mestrado
ESTUDO DA VISCOSIDADE APARENTE EM
SISTEMAS LEO E GUA VISANDO O
ESCOAMENTO EM OLEODUTOS
Joo Henrique Brito Pessoa
Natal, Dezembro de 2014
UFRN CT NUPEG Campus Universitrio CEP: 59070-970 Natal-RN
Brasil
Fone-Fax: (84) 3215 3773 www.nupeg.ufrn.br
[email protected]
http://www.nupeg.ufrn.br/mailto:[email protected]
-
Joo Henrique Brito Pessoa
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando
o
escoamento em oleodutos
Dissertao de mestrado ao Corpo Docente do
Programa de Ps-graduao em Engenharia
Qumica - PPGEQ, da Universidade Federal do
Rio Grande do Norte - UFRN, como parte dos
requisitos necessrios concluso do curso de
Mestrado em Engenharia Qumica.
Aprovado(a) em: 19 de dezembro de 2014
Prof. Dr. Osvaldo Chiavone-Filho
Orientador - UFRN
Membro Interno - UFRN
Prof. r. Edson Luiz Foletto
Membro Externo - UFSM
-
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Qumica
Programa de Ps Graduao em Engenharia Qumica
DISSERTAO DE MESTRADO
ESTUDO DA VISCOSIDADE APARENTE EM
SISTEMAS LEO E GUA VISANDO O
ESCOAMENTO EM OLEODUTOS
Joo Henrique Brito Pessoa
Orientador: Prof. Dr. Osvaldo Chiavone Filho
Natal / RN
DEZEMBRO /2014
-
DISSERTAO DE MESTRADO
ESTUDO DA VISCOSIDADE APARENTE EM
SISTEMAS LEO E GUA VISANDO O
ESCOAMENTO EM OLEODUTOS
Joo Henrique Brito Pessoa
Dissertao Apresentada ao Corpo Docente do
Programa de Ps-graduao em Engenharia Qumica
da Universidade Federal do Rio Grande do Norte
como Requisito Parcial para Obteno do
Ttulo de Mestre em Engenharia Qumica.
-
PESSOA, Joo Henrique Brito Estudo da viscosidade aparente em
sistemas leo e gua
visando o escoamento em oleodutos. Dissertao de Mestrado, UFRN,
Programa de Ps
Graduao em Engenharia Qumica PPGEQ, rea de Concentrao: Petrleo,
Gs e
Energias Renovveis, Natal/RN, Brasil.
Orientador: Prof. Dr. Osvaldo Chiavone Filho
RESUMO. A produo de petrleo, ao longo do tempo e do grau de
explotao dos
reservatrios, traz consigo uma crescente vazo de gua de formao.
Essa gua produzida
tende a formar emulses com o petrleo tanto no prprio reservatrio
como nos dutos que
escoam a produo. A emulso formada e estabilizada por componentes
do prprio petrleo
(asfaltenos, resinas, graxas, entre outros) tende a causar um
efeito de aumento de viscosidade
do fluido e, consequentemente, um aumento na perda de carga em
tubulaes. A medio da
viscosidade desses fluidos emulsionados em fluxo um problema
complexo, pois os padres
de escoamento formados nas tubulaes diferem da configurao em que
se apresenta o fluido
dentro de um viscosmetro. Alm de toda a incerteza em termos de
obteno das
caractersticas dos fluidos escoados temos tambm o fato de que,
nos sistemas de escoamento
industriais, a malha de escoamento composta, muitas vezes, de
vrias estaes de bombeio
ao longo dos dutos de transferncia e a mistura de uma srie de
petrleos de diferentes
formaes com caractersticas distintas. Diante disto, foi montado
um circuito de testes de
escoamento das emulses gua e leo de maneira a determinar, de
forma controlada, a
viscosidade aparente das emulses variando parmetros como o teor
de gua e a vazo bruta.
Tambm foram coletados dados de um sistema real de escoamento e,
atravs de um
tratamento estatstico desses dados e o uso de equaes aplicveis
ao escoamento em
tubulaes, foi obtida a curva de viscosidade aparente em funo do
teor de gua. Por ltimo,
foram obtidos dados de viscosidade de uma srie de emulses como
funo do teor de gua
utilizando remetro Brookfield. Todos estes dados foram
analisados com a finalidade de
determinar o melhor mtodo para obteno da viscosidade aparente do
fluido de trabalho e
dessa forma obter uma melhor descrio do escoamento.
Palavras chaves: Escoamento, emulses, viscosidade aparente,
oleoduto, reometria.
-
PESSOA, Joo Henrique Brito Study of the apparent viscosity in
oil and water systems
under flow conditions. Masters Thesis, UFRN, Chemical Engineer
Post Graduate Program
PPGEQ, Research Field: Oil, Gas and Renewable Energy, Natal/RN,
Brasil.
Research Leader: Prof. Dr. Osvaldo Chiavone Filho
ABSTRACT. The oil production over time and degree of
exploitation of the reservoirs,
carries an increasing flow of formation water. This produced
water tends to form emulsions
with oil both within the reservoir as in the ducts that drain
the production. The stabilized
emulsion formed by the oil itself components ( asphaltenes ,
resins, lubricants , etc.) tends to
cause an increase in fluid viscosity effect , and consequently ,
an increase in pressure loss in
pipes . The measurement of the viscosity of these emulsified
fluids in flow conditions is a
complex problem, because the flow patterns formed in the pipes
differ from the configuration
in which the fluid is introduced in a viscometer. In addition to
all the uncertainty in terms of
obtaining the characteristics of the flowing fluids the
industrial flow systems presents itself
under a complex network with several pumping stations along the
transfer ducts and mixing
oils of different characteristics. Given this, it was developed
a loop test in laboratorial scale
for emulsions of water and oil in order to determine, under a
controlled manner, the apparent
viscosity of the emulsions varying parameters such as water
content and total flow rate. A
large set of data were collected from a real system flow and ,
through a statistical analysis of
these data and the use of equations for the flow in pipes, was
obtained the apparent viscosity
curve as a function of water content . Finally, viscosity data
were obtained from a series of
emulsions as a function of the water content using a Brookfield
rheometer. All these data
were analyzed in order to determine the best method to obtain
the apparent viscosity of the
working fluid and thereby obtain a better description of the
flow.
Keywords: Flow, emulsions, apparent viscosity, pipeline,
rheometry
-
DEDICATRIA
A minha filha, meus pais e minha famlia que me apoiaram durante
todo meu
processo de formao tanto pessoal como profissional.
-
AGRADECIMENTOS
A meu orientador Prof. Osvaldo por sua colaborao tcnica ao
trabalho, apoio no
momento dos problemas, pelas ideias e sugestes.
Aos bolsistas Rafael, Artur, Vivaldo e Gabriela que ajudaram na
montagem do
sistema, realizao dos experimentos e tratamento dos dados.
A todo o corpo docente do PPGEQ que contribuiu com a base terica
necessria ao
desenvolvimento do trabalho, alm de contribuir com ideias
durante a montagem e operao
do sistema.
A equipe de colaboradores do NUPEG que deu toda orientao
necessria e auxiliou
nos ensaios laboratoriais necessrios.
A Petrobras que apoiou com a liberao parcial de carga horria de
trabalho para
dedicao ao Mestrado.
Ao PPGEQ e a UFRN por toda a estrutura e a oportunidade para que
eu pudesse
desenvolver o trabalho, alm de todo conhecimento terico
necessrio.
Ao NUPEG e ao PRH-14 que deram o apoio tcnico e a
infra-estrutura necessria ao
trabalho.
-
NDICE
1. INTRODUO
...................................................................................................
1
2. REVISO BIBLIOGRFICA
.............................................................................
4
2.1 Fluidos
.........................................................................................................
4
2.1.1 Massa especfica e densidade relativa
......................................................... 4
2.1.2 Viscosidade
..................................................................................................
6
2.1.3 Caracterizao do petrleo
..........................................................................
8
2.1.4 Tenso superficial / interfacial
....................................................................
9
2.2 Escoamento de lquidos em tubulaes
..................................................... 10
2.2.1 Regimes de fluxo
.......................................................................................
10
2.2.2 Regio de entrada e fluxo plenamente desenvolvido
................................ 11
2.2.3 Equao de Darcy-Weisbach
.....................................................................
11
2.3 Emulses gua e leo
................................................................................
13
2.3.1 Classificao das emulses gua e leo
.................................................... 14
2.3.2 Escoamento das emulses
.........................................................................
15
2.4 Contribuies da literatura no escoamento de emulses
........................... 15
3 METODOLOGIA
..............................................................................................
18
3.1 Levantamento da curva viscosidade aparente x teor de gua
atravs de
dados reais do campo
...........................................................................................................
18
3.2 Levantamento da curva viscosidade aparente x teor de gua
atravs de
dados do laboratrio
.............................................................................................................
22
3.2.1 Sistema de escoamento em escala de laboratrio
...................................... 22
3.2.2 Testes em bancada
.....................................................................................
24
3.2.2.1 Massa especfica
........................................................................................
24
3.2.2.2 Viscosidade
................................................................................................
26
4 RESULTADOS E DISCUSSES
.....................................................................
28
4.1 Levantamento da curva viscosidade aparente x teor de gua
atravs de
dados reais do campo
...........................................................................................................
28
-
4.2 Levantamento da curva viscosidade x teor de gua atravs de
dados do
laboratrio 32
4.2.1 Sistema de escoamento em escala de laboratrio
...................................... 33
4.2.2 Testes em bancada
.....................................................................................
35
5 CONCLUSO
...................................................................................................
41
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
.......................................................................
43
ANEXOS
...................................................................................................................
46
-
NDICE DE FIGURAS
Figura 1. Picnmetros.
.................................................................................................
5
Figura 2. Viscosmetro rotativo.
..................................................................................
8
Figura 3. Mtodos para medio da tenso superficial.
............................................... 9
Figura 4. Ilustrao do experimento de Reynolds.
..................................................... 10
Figura 5. Diagrama de Moody.
..................................................................................
13
Figura 6. Classificao das emulses segundo as fases.
............................................ 14
Figura 7. Fluxograma esquemtico do sistema.
......................................................... 19
Figura 8. Fluxograma esquemtico do circuito de teste de
escoamento. ................... 23
Figura 9. Balana analtica usada para os ensaios de massa
especfica. .................... 25
Figura 10. Conjunto Remetro R/S BROOKFIELD, banho termosttico e
software
RHEO 2000.
.............................................................................................................................
26
Figura 11. Detalhe dos cilindros concntricos do remetro R/S.
............................... 27
Figura 12. Curva de viscosidade aparente versus teor de gua com
os dados de
escoamento do campo de produo.
.........................................................................................
28
Figura 13. Comparao dos dados de campo com os resultados das
correlaes. ..... 30
Figura 14. Curva de viscosidade aparente x teor de gua usando os
dados do sistema
de escoamento em escala de laboratrio.
.................................................................................
33
Figura 15. Comparao entre os dados experimentais e as correlaes
da literatura. 34
Figura 16. Curva massa especfica da mistura x teor de gua.
.................................. 36
Figura 17. Dados da viscosidade da mistura aferida no remetro
(temperaturas de 30
oC e 40 oC) em funo do teor de gua.
...................................................................................
37
Figura 18. Comparao dos dados experimentais com as correlaes da
literatura. . 39
file:///C:/Users/cx3m/Desktop/Joo/Cursos/MESTRADO/DISSERTAO/Dissertao%20de%20Mestrado_Joo%20Henrique.docx%23_Toc405275788
-
NDICE DE TABELAS
Tabela 1. Correlaes para clculo da viscosidade relativa da
emulso. ................... 16
Tabela 2. Regimes de operao da
EB-A...................................................................
20
Tabela 3. Massa especfica da gua destilada em funo da
temperatura. ................ 25
Tabela 4. Correlaes usadas para o clculo do ponto de inverso.
.......................... 29
Tabela 5. Clculo do ponto de inverso de fase.
........................................................ 30
Tabela 6. Dados de campo e os dados obtidos com as correlaes da
literatura. ...... 32
Tabela 7. Dados obtidos no sistema de escoamento e os dados
obtidos com as
correlaes da literatura.
..........................................................................................................
35
Tabela 8. Tempo de agitao para saturao mtua entre as fases.
........................... 36
Tabela 9. Massa especfica em funo do teor de gua.
............................................ 37
Tabela 10. Dados de viscosidade aparente obtidos no remetro a 30
C e a 40 C. .. 38
Tabela 11. Dados obtidos no remetro e os dados obtidos com as
correlaes da
literatura.
..................................................................................................................................
40
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 1
1. INTRODUO
A explotao de campos de petrleo no Rio Grande do Norte data da
dcada de 70
com a descoberta e a declarao de comercialidade dos campos de
produo de petrleo no
estado. Devido ao longo tempo de explotao das jazidas de petrleo
no Rio Grande do Norte,
os campos maduros, atualmente, tm sua explotao associada a um
volume de gua muito
elevado. Esse volume de gua elevado pode ser atribudo a fatores
como o alto grau de
explotao das reservas do Rio Grande do Norte, o uso de mtodos de
recuperao secundria
de petrleo como a injeo de gua e a injeo de vapor dgua. Esse
fato traz algumas
consequncias como a necessidade do aproveitamento da gua
produzida e de escoamento
dessa mistura bifsica leo e gua.
O leo e gua produzidos em alguns dos campos de produo terrestres
da UO-RNCE
(Unidade de Operaes do Rio Grande do Norte e Cear) so
transferidos a uma unidade
central de tratamento, na cidade de Guamar. Boa parte desses
fluidos transferida atravs de
uma complexa malha de escoamento de lquidos que compreende dutos
principais onde
entroncam dutos provenientes das diversas estaes de bombeio de
lquidos ao longo da
malha de escoamento. Essa complexidade da malha implica numa
dificuldade de
conhecimento das caractersticas dos fluidos que escoam em
determinados pontos dos dutos, e
alm disso, causa uma grande dificuldade em termos da
previsibilidade da produo, o que
gera muitas incertezas para a tomada de decises envolvendo a
necessidade de novos
investimentos para o sistema. Dessa forma, o conhecimento mais
aprofundado do processo de
escoamento desses fluidos contribui para o gerenciamento mais
adequado do sistema, de
forma que o controle e a operabilidade da malha de escoamento de
fluidos sejam preservados.
A produo de petrleo associada a um alto volume de gua produzida
apresenta a
gerao de emulses, que podem ser de gua em leo (A/O), leo em gua
(O/A) ou, at
mesmo, emulses mltiplas (A/O/A ou O/A/O). Essas emulses podem
ser formadas tanto
nos reservatrios como no fundo dos poos, e tambm, durante o
escoamento, devido ao
turbilhonamento do fluido na passagem por vlvulas, tubulaes e
acidentes. Essas emulses
podem gerar inconvenientes como, por exemplo, o aumento da perda
de carga em dutos
(BASTIDAS, 2007).
Na indstria do petrleo, boas estimativas de viscosidade, perda
de carga, gradiente
de presso, tamanho de gotculas e distribuio do tamanho das
gotculas de emulses gua
em leo so muito importantes para a modelagem do processo em
termos de energia requerida
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 2
e problemas de garantia de escoamento. Contudo, apesar da
importncia dessas emulses na
indstria, poucos estudos foram publicados na literatura
(KELEOLU; PETTERSEN;
SJBLOM, 2012).
Dada a complexidade da malha de escoamento de lquidos da
UO-RNCE, o processo
para isolar variveis de interesse no caso real impraticvel, uma
vez que perturbaria de
maneira significativa a operabilidade do sistema, trazendo
riscos de perda de produo ou at
de acidentes de processo provenientes da perturbao na malha de
escoamento. A malha
terrestre de escoamento de lquidos na UO-RNCE apresenta uma
extenso de cerca de 150 km
e os custos de bombeio so considerveis frente ao custo
operacional total.
Portanto, tendo em vista a necessidade de obteno de dados para a
modelagem e
simulao da malha de escoamento, faz-se necessrio montar um
circuito de teste de
escoamento em bancada onde se possam controlar todas as variveis
e verificar a influncia
de cada uma delas no processo de escoamento de maneira
quantitativa.
Alm disso, testes de escoamento em escala laboratorial sero
importantes para o
conhecimento do processo de transferncia de fluidos e at para
testes de performance de
produtos qumicos que auxiliam no escoamento da emulso formada
entre a gua produzida e
o petrleo. Os dados de campo tambm podero ser usados como
referncia para validarmos
as ferramentas de anlise do processo desenvolvidas, que so
fundamentadas nos
experimentos de bancada e nos modelos obtidos.
Sendo assim, torna-se de interesse tanto cientfico como para o
desenvolvimento
industrial, o conhecimento mais aprofundado das implicaes da
formao de emulses entre
a gua produzida e o petrleo para o escoamento de lquidos.
O trabalho tem como finalidade principal obter conhecimento mais
especfico e
rigoroso do processo de escoamento de emulses formadas entre gua
produzida e petrleo
dentro das malhas de escoamento de lquidos, visando o melhor
entendimento da operao de
transferncia entre os campos produtores e a unidade de
tratamento de fluidos.
J como objetivos especficos do trabalho podemos citar:
a) Pesquisar trabalhos na literatura cientfica, levantando um
banco de
referncias bibliogrficas, contendo dados experimentais, mtodos
de
laboratrio, modelos matemticos e ferramentas computacionais.
b) Definir mtodo experimental para a determinao da viscosidade
aparente das
emulses em estudo.
c) Realizar anlise estatstica e modelagem do processo.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 3
d) Realizar anlise dos trechos da malha de escoamento de lquidos
existente na
UO-RNCE com as ferramentas desenvolvidas comparando os
resultados
obtidos com os dados de campo.
Com a finalidade de facilitar o entendimento, os estudos
envolvidos no presente
trabalho foram organizados da seguinte forma:
1. Estudo da viscosidade aparente usando dados do campo, que
consiste em:
a. Levantamento dos dados ;
b. Tratamento estatstico dos dados obtidos ;
c. Anlise dos dados a partir de correlaes empricas obtidas da
literatura.
2. Estudo da viscosidade aparente usando dados de bancada, que
consiste em:
a. Desenvolvimento de sistema de escoamento em escala de
laboratrio ;
b. Experimentos no sistema de escoamento montado ;
c. Determinao da viscosidade em equipamentos de laboratrio ;
d. Anlise dos dados a partir de correlaes empricas obtidas da
literatura.
3. Comparao dos resultados obtidos das diferentes formas
analisadas.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 4
2. REVISO BIBLIOGRFICA
Este captulo est organizado nos seguintes tpicos: (1)
caractersticas dos fluidos,
(2) escoamento de lquidos em tubulaes e (3) emulses gua e leo.
Com o objetivo de
introduzir o leitor nos temas, fundamentos tericos so
inicialmente observados, logo em
seguida os trabalhos de pesquisas nos respectivos temas so
descritos.
2.1 Fluidos
O fluido uma substncia que se deforma continuamente quando
submetida a uma
tenso de cisalhamento. Quando em repouso, esse tipo de substncia
no oferece qualquer
resistncia a uma fora de cisalhamento. O leo e a gua so alguns
exemplos de fluidos.
No estudo do escoamento de fluidos como o leo e a gua, algumas
propriedades dos
mesmos so de importncia fundamental. A seguir, citam-se algumas
dessas propriedades.
2.1.1 Massa especfica e densidade relativa
A massa especfica de um determinado fluido dada pela razo entre
a massa e o
volume de uma determinada amostra do mesmo, como pode ser
observado na equao 1:
=
Eq. 1
Onde a massa especfica, m a massa da amostra de fluido e V o
volume dessa
amostra.
Quando trabalhamos com petrleo, mais comum identific-lo pela sua
densidade
relativa. Em geral, no Brasil, utilizamos a massa especfica do
leo a 20 oC em relao a
massa especfica da gua a 4 oC. Sendo assim, a densidade relativa
do leo dada por:
20/4 =,20
,4 Eq. 2
Onde d20/4 a densidade do leo a 20 oC em relao a massa especfica
da gua a 4
oC, O,20 a massa especfica do leo a 20 oC e A,4 a massa
especfica da gua a 4 oC.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 5
Na indstria do petrleo, trabalha-se com o grau API, que definido
pela equao 3,
a seguir.
=141,5
15,6/15,6 131,5 Eq. 3
Onde o grau API do petrleo e d15,6/15,6 a densidade do leo a
15,6 oC em
relao a massa especfica da gua a 15,6 oC.
O equipamento usado para medio da densidade o densmetro que
consiste num
bulbo de vidro que imerso em um recipiente contendo a amostra
que se quer determinar a
densidade. Depois de um tempo para atingir o equilbrio, esse
bulbo de vidro flutuar
verticalmente em determinado nvel. Esse nvel corresponde ao fato
do peso do densmetro
ser igual ao efeito de empuxo. Quanto maior a densidade da
amostra, menos o densmetro
afundar na mesma. O nvel aonde atingido o equilbrio corresponde
a densidade da amostra
numa escala devidamente calibrada (SIMANZHENKOV; IDEM,
2003).
Um outro mtodo bastante utilizado o mtodo do picnmetro, que
consiste em usar
um recipiente de vidro com um volume definido chamado picnmetro,
mostrado na figura 1.
Figura 1. Picnmetros.
Fonte: (TRADELAB, 2014)
Dessa forma, primeiro mede-se a massa do picnmetro sem a amostra
(ms), depois o
picnmetro preenchido com a amostra e mede-se a massa do
picnmetro com a amostra
(mc). A massa especfica dada ento atravs da equao 4, a
seguir:
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 6
=()
Eq. 4
Onde a massa especfica, ms a massa do picnmetro sem a amostra de
fluido, mc
a massa do picnmetro com a amostra de fluido e V o volume dessa
amostra no
picnmetro.(SIMANZHENKOV; IDEM, 2003)
2.1.2 Viscosidade
Todo fluido em movimento oferece uma resistncia a qualquer fora
que faa com
que uma camada deslize sobre outra, e a essa resistncia d-se o
nome de viscosidade. Uma
possvel causa da existncia dessa resistncia ao fluxo a fora de
atrao entre as molculas
(MASSEY; WARD-SMITH, 2006).
Supondo um lquido entre duas placas planas e, em determinado
instante de tempo,
uma dessas placas comea a se mover, e nesse caso teremos uma
fora proporcional rea e
velocidade de escoamento e inversamente proporcional distncia
entre essas duas placas. A
essa constante de proporcionalidade damos o nome de viscosidade
e expresso que
demonstra esse fenmeno foi dado o nome de Lei de Newton da
viscosidade (BIRD;
STEWART; LIGHTFOOT, 2004). Esta expresso indicada a seguir:
=
Eq. 5
Onde a tenso de cisalhamento gerada por uma fora na direo x numa
rea
unitria perpendicular direo y, a viscosidade dinmica do fluido
e
a taxa de
deformao do fluido.
Os fluidos podem ser caracterizados de acordo com seu
comportamento reolgico.
Quando a tenso de cisalhamento proporcional a taxa de deformao
do fluido
o fluido tido como Newtoniano, pois obedece a lei de Newton da
viscosidade. Caso
contrrio, ele caracterizado como um fluido no Newtoniano.
A viscosidade de um fluido no pode ser diretamente medida, mas
seu valor pode ser
calculado a partir de grandezas mensurveis e equaes apropriadas.
O aparelho usado para
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 7
essas medidas o viscosmetro e o estudo dos mtodos para
determinao da viscosidade a
viscometria (MASSEY; WARD-SMITH, 2006).
Alguns mtodos podem ser utilizados para a determinao da
viscosidade de um
lquido, dentre eles temos:
1. Mtodos de transpirao: envolve um escoamento laminar por um
tubo circular, a
viscosidade ento determinada atravs da Lei de Poiseuille
rearranjada da
seguinte forma:
=(1
2)4
128 Eq. 6
Onde (1 2
) a diferena de presso entre dois pontos do tubo
circular, d o dimetro interno do tubo, Q a vazo medida e l o
comprimento
do tubo.
Portanto, pode ser medida a diferena de presso entre dois pontos
do
tubo circular (com dimetro interno e comprimento conhecidos) e
tambm, a
vazo do lquido que escoa (MASSEY; WARD-SMITH, 2006).
2. Mtodos rotativos: uma forma simples de aplicar uma
determinada taxa de
cisalhamento conhecida a um fluido medindo a tenso viscosa
produzida encher
o espao vazio entre o anular de 2 cilindros concntricos de
dimetros diferentes,
mantendo um deles fixo e outro girando. Este tipo de viscosmetro
ilustrado na
figura 2 (MASSEY; WARD-SMITH, 2006).
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 8
Figura 2. Viscosmetro rotativo.
Fonte : MASSEY; WARD-SMITH, 2006.
2.1.3 Caracterizao do petrleo
A caracterizao do petrleo pode ser usada para fins de
determinar, dentre os tipos
de petrleos utilizados, quais apresentam maior tendncia de
formao de emulses estveis
em funo da composio do petrleo em termos de componentes
aromticos, parafnicos e
naftnicos. Para obter tal caracterizao, a tcnica HPLC (High
Performance Liquid
Chromatography) pode ser usada.
Tambm chamada de High Pressure Liquid Chromatography, essa
tcnica de
anlise foi desenvolvida na dcada de 60 e derivada da
cromatografia em coluna. A
cromatografia em coluna consiste na passagem de uma amostra
lquida da mistura com um
solvente por uma coluna recheada com partculas de material
adsorvente. Como a coluna
mantida aberta ao meio ambiente, o escoamento do fluido se d
pela ao da fora
gravitacional. Sendo assim, a principal limitao dessa tcnica
seria o tempo necessrio para a
separao de toda a amostra a ser analisada. Por conta disso, a
tcnica de cromatografia em
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 9
coluna , atualmente, pouco utilizada e foi substituda pela
tcnica de HPLC, que consiste em
passar a amostra a ser analisada junto com um solvente especfico
por coluna com material
absorvente, com o detalhe que esse lquido submetido a alta
presso (SIMANZHENKOV;
IDEM, 2003).
2.1.4 Tenso superficial / interfacial
Na interface entre um lquido e um gs ou entre dois lquidos
imiscveis, foras
desenvolvidas na superfcie do lquido fazem com que esse tenha um
comportamento
semelhante a uma membrana disposta sobre a massa de fluido. Esse
comportamento vem de
foras coesivas desbalanceadas que atuam nas molculas do lquido
na superfcie do fluido,
enquanto isso, molculas no seio do fluido so atradas entre si. A
intensidade da atrao
molecular por unidade de comprimento chamada de tenso
superficial (caso lquido / gs)
ou tenso interfacial (caso lquido / lquido), essa tenso uma
propriedade do lquido e
funo da temperatura e do outro fluido que est em contato (YOUNG
et al., 2010).
Os principais mtodos para medir a tenso superficial esto
apresentados no quadro
da figura 3.
Figura 3. Mtodos para medio da tenso superficial.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
MTODOS PARA MEDIR TENSO SUPERFICIAL
ESTTICOS:
- mtodo da asceno capilar
- mtodo da gota pendente
DINMICOS
SUPERFCIE ROMPIDA DURANTE A MEDIDA:
- mtodo do anel de du Nuoy
SUPERFCIE SE ENCONTRA EM MOVIMENTO DURANTE A
MEDIDA:
- mtodo do escoamento
- mtodo das ondas capilares
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 10
2.2 Escoamento de lquidos em tubulaes
O objetivo desta seo descrever de forma breve o mecanismo de
escoamento de
lquidos em tubulaes, mostrar a classificao do escoamento e
apresentar as principais
equaes que descrevem o processo.
2.2.1 Regimes de fluxo
O escoamento de lquidos em tubulaes pode ser classificado como
laminar,
transicional ou turbulento. Osborne Reynolds, um cientista e
matemtico britnico, foi quem
primeiro realizou experimentos para caracterizar o escoamento.
Seu experimento consistiu em
passar uma vazo de lquido por um tubo transparente, nesse lquido
ele adicionou uma
substncia corante e observou os padres de fluxo (YOUNG et al.,
2010).
A figura 4 abaixo mostra uma representao esquemtica do
experimento e os
padres de fluxo observados por Reynolds.
Figura 4. Ilustrao do experimento de Reynolds.
Fonte: YOUNG et al., 2010.
Com a finalidade de caracterizar os padres de escoamento de
fluidos foi definido
ento um nmero adimensional, chamado nmero de Reynolds (Re), que
a razo entre o
produto da massa especfica do fluido (), da velocidade de
escoamento (v) e do dimetro
interno da tubulao (D) e a viscosidade cinemtica do fluido ().
Sendo assim:
C
orante
Rastro do corante
Tubulao
Entrada lisa e bem
curvilnea
Turbulento
Transicional
Laminar
Corante
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 11
=
Eq. 7
Ento, o escoamento laminar definido, para escoamento dentro de
tubulaes, pelo
Re < 2100. O escoamento turbulento pelo Re > 4000. E a
regio com 2100 < Re < 4000 a
regio transicional, onde o fluxo muda de laminar para turbulento
de forma aparentemente
aleatria (YOUNG et al., 2010).
2.2.2 Regio de entrada e fluxo plenamente desenvolvido
A regio perto da entrada do fluido numa tubulao chama de regio
de entrada e
corresponde desde o ponto onde a velocidade constante ao longo
do raio da tubulao e
varia com o comprimento da mesma, at a regio onde essa
velocidade varia com o raio da
tubulao, mas constante em funo do comprimento, quando isto
ocorre denomina-se de
fluxo plenamente desenvolvido.
O comprimento de entrada le ento definido pelo comprimento em
que se chega no
perfil de velocidade variando apenas com o raio da tubulao e
pode ser calculado atravs das
equaes 8 e 9, dependendo do regime de escoamento (YOUNG et al.,
2010).
= 0,06 REGIME LAMINAR Eq. 8
= 4,4
16 REGIME TURBULENTO Eq. 9
Neste trabalho se utilizaro as equaes 8 e 9 para o
dimensionamento do sistema de
teste em bancada, uma vez que os equipamentos para medio das
variveis de processo
devero ser inseridos na regio de fluxo plenamente
desenvolvido.
2.2.3 Equao de Darcy-Weisbach
Para determinar a diferena de presso entre dois pontos quaisquer
em uma
tubulao, pode ser utilizada a equao de Bernoulli (equao 10),
desde que tenhamos um
sistema em regime permanente com fluido incompressvel.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 12
1
+
12
2+ 1 =
2
+
22
2+ 2 + Eq. 10
Onde hL denominada a perda de carga por frico e dada pela equao
11, a
equao de Darcy-Weisbach.
=
2
2 Eq. 11
Considerando que no h variao de velocidade em determinado trecho
de
tubulao (plausvel caso o escoamento estiver plenamente
desenvolvido e a tubulao no
sofrer variao de dimetro interno), e no h diferena de cota, a
equao 10 fica da seguinte
forma:
1
2
=
=
2
2 =
2
2 Eq. 12
A equao 12 pode ser utilizada para o clculo da diferena de
presso entre 2 pontos
numa tubulao com dimetro interno constante sem variao de cota,
fluxo plenamente
desenvolvido, fluido incompressvel e escoamento em estado
estacionrio (YOUNG et al.,
2010).
O fator de atrito de Darcy uma funo do nmero de Reynolds e da
rugosidade
relativa da tubulao. Ele pode ser determinado atravs do diagrama
de Moody (figura 5).
Quando o escoamento se apresenta em um regime laminar, esse
fator de atrito dado por
64/Re.
Uma outra forma de determinar o fator de atrito de Darcy
utilizando equaes
matemticas implcitas (Colebrooke-White, equao 13) ou
explcitas.
1
= 2 log10 (
3,7+
2,51
) Eq. 13
Onde f o fator de atrito de Darcy, a rugosidade da tubulao, D o
dimetro
interno da tubulao e Re o nmero de Reynolds do escoamento.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 13
Figura 5. Diagrama de Moody.
Fonte: YOUNG et al., 2010.
2.3 Emulses gua e leo
As emulses consistem em uma disperso de um lquido imiscvel (fase
dispersa) em
outro lquido (fase contnua) com dimetros de gotcula da ordem de
micrmetros
(HOSHYARGAR; ASHRAFIZADEH, 2013).
As propriedades reolgicas de uma emulso e sua estabilidade so
controladas por
variveis como a temperatura, composio das fases, frao volumtrica
da fase dispersa e
distribuio do tamanho das gotculas (HOSHYARGAR; ASHRAFIZADEH,
2013).
Com o passar dos anos, os reservatrios maduros incrementam as
fraes de gua
produzida. A produo do petrleo com altas fraes de gua acarreta
na formao das
emulses entre o petrleo e a gua produzida. Essas emulses podem
ser formadas tanto no
escoamento dentro do prprio reservatrio como atravs das
tubulaes, vlvulas e acidentes
de linha (BASTIDAS, 2007).
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 14
2.3.1 Classificao das emulses gua e leo
As emulses formadas entre o petrleo e gua produzida podem ser
classificadas,
quanto as fases que a compem em:
- Emulses gua / leo (A/O): onde o leo a fase contnua e a gua a
fase dispersa.
- Emulses leo / gua (O/A): onde a gua a fase contnua e o leo a
fase dispersa.
- Emulses mltiplas: leo / gua / leo (O/A/O) e gua / leo / gua
(A/O/A).
A figura 6 ilustra essas emulses.
Figura 6. Classificao das emulses segundo as fases.
Fonte: BASTIDAS, 2007.
Geralmente, emulses A/O so geradas quando o BS&W (basic
sediments and
water) est abaixo da regio entre 60 a 80%, dependendo do tipo de
leo. Enquanto que
emulses O/A so geradas com BS&W acima da faixa de 60 a 80%.
Dentro dessa faixa
geralmente se encontra o ponto de inverso de fase (FILIPPOV;
PANFEROV, 2012).
As emulses formadas na produo de petrleo (O/A, A/O, A/O/A ou
O/A/O) so
comumente classificadas de acordo com sua estabilidade
cintica:
- Emulses grossas (loose emulsions): so aquelas que se separam
em
poucos minutos.
O/A A/O
O/A
A/O/A O/A/O
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 15
- Emulses mdias (medium emulsions): so as que se separam em
aproximadamente 10 minutos.
- Emulses muito pequenas (tight emulsions): so aquelas que
levam
muito tempo para se separar, horas, dias, semanas e, s vezes,
nem se separam
completamente (FINK, 2011).
2.3.2 Escoamento das emulses
O escoamento de emulses pode ser tratado tanto como um
escoamento bifsico
lquido-lquido com escorregamento entre as fases ou sem
escorregamento entre as fases. A
hiptese sem escorregamento entre as fases uma das consideraes
bsicas do modelo de
escoamento bifsico homogneo (HAPANOWICZ, 2008).
A viscosidade efetiva da emulso pode exceder de forma
substancial tanto a
viscosidade da fase oleosa como a viscosidade da fase aquosa. A
viscosidade aparente dessas
misturas depende de diversos fatores: viscosidade da gua e do
leo, frao volumtrica da
gua, temperatura, distribuio do tamanho das gotculas, quantidade
de slidos no petrleo e
taxa de cisalhamento (PLASENCIA; PETTERSEN; NYDAL, 2013).
A perda de carga em um sistema onde se escoa uma emulso de
petrleo e gua
produzida depende fortemente da fase da emulso. Em emulses A/O a
viscosidade do fluido
aumenta com o BS&W causando um aumento na perda de carga por
frico. Esse aumento
chega at um determinado BS&W quando a viscosidade cai
vertiginosamente para algo em
torno da viscosidade da gua. Esse ponto onde h a queda da
viscosidade chamado de ponto
de inverso e caracteriza a mudana da emulso A/O para uma emulso
O/A.
Ainda h a possibilidade de um aumento no BS&W ocasionar um
fluxo estratificado
de gua e emulso A/O, dessa forma tambm se observa uma queda
drstica da perda de
carga, por conta da formao de um fluxo da emulso A/O por dentro
de um anular de gua
que fica em contato com a parede da tubulao (WANG; GONG; ANGELI,
2011).
2.4 Contribuies da literatura no escoamento de emulses
Investigaes de escoamento de emulses datam desde 1906, quando
Albert Einstein
props um modelo que calcula a viscosidade da emulso em funo da
frao volumtrica da
fase dispersa (EINSTEIN, 1906).
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 16
Em 1932, Taylor props um segundo modelo para viscosidade da
emulso em funo
da frao volumtrica da fase dispersa e inserindo uma correo
levando em conta as
viscosidades da fase contnua e da fase dispersa (TAYLOR,
1932).
Uma outra equao para predio da viscosidade da emulso em funo da
frao
volumtrica da fase dispersa foi proposta por Richardson em 1933,
essa equao usava um
termo exponencial (RICHARDSON, 1933).
Em 1937, Broughton e Squires propuseram uma modificao da equao
de
Richardson, colocando-a na forma logartmica (BROUGHTON; SQUIRES,
1937).
Em 1989, Pal e Rhodes propuseram uma equao para determinar a
viscosidade de
emulses Newtonianas e no Newtonianas (PAL; RHODES, 1989).
No quadro da tabela 1 encontram-se as equaes que correlacionam a
viscosidade
relativa da emulso com a frao volumtrica da fase dispersa , as
viscosidades da fase
dispersa e contnua e , respectivamente, e o parmetro k de
Richardson.
Tabela 1. Correlaes para clculo da viscosidade relativa da
emulso.
Equao Referncia
= + , eq. 14 EINSTEIN, 1906
= + , (+,
+) eq. 15 TAYLOR, 1932
= eq. 16 RICHARDSON, 1933
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
No trabalho de Pal, de 1993, a lei da potncia foi usada para
descrever as
caractersticas reolgicas do petrleo e suas emulses com a gua
(PAL, 1993).
Em 1994, Otsubo e Prudhomme descreveram o mecanismo de como o
aumento da
frao de gua na emulso interferia no aumento da viscosidade da
mesma at o ponto de
inverso (OTSUBO; PRUD'HOMME, 1994).
Em 1998, Mouraille et al chegaram concluso que compostos
presentes no
petrleo, como asfaltenos e ceras podem contribuir
significativamente para a estabilidade das
emulses (MOURAILLE et al., 1998). Ali e Alqam, em 2000,
colocaram que as resinas
tambm afetam a estabilidade da emulso e sugerem que a associao
entre os asfaltenos e as
resinas presentes no petrleo aumentam essa estabilidade (ALI;
ALQAM, 2000). Em 2003,
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 17
Sjblom et al publicaram a importncia dos cidos naftnicos na
estabilidade das emulses
(SJBLOM et al., 2003).
Foi observado por Pal e Hwang, em 1999, que as emulses gua em
petrleo (A/O)
apresentam a um comportamento de pseudoplasticidade, ou seja, a
diminuio da viscosidade
com o aumento da taxa de cisalhamento, e esse efeito tende a
aumentar de acordo com o
aumento da concentrao da fase dispersa (PAL; HWANG, 1999).
O fenmeno de inverso de fase da emulso foi evidenciado, atravs
da observao
de uma queda brusca da viscosidade relativa de uma mistura leo e
gua com o aumento do
teor de gua da mistura acima do ponto de inverso, em um circuito
de testes de escoamento,
por Johnsen e Ronningsen, em 2003 (JOHNSEN; RNNINGSEN,
2003).
Em 2012, Keleolu, Pettersen e Sjblom constataram a existncia de
poucos
trabalhos cientficos publicados com relao ao estudo da
viscosidade aparente da emulso
formada pelo leo e gua (KELEOLU et al., 2012).
Em 2013, Plasencia, Pettersen e Nydal observaram o fenmeno de
inverso de fase
da emulso usando um circuito de testes de escoamento. Esse
fenmeno ficou evidenciado
devido a um dos experimentos que apresentou uma reduo
significativa na perda de carga do
sistema quando o teor de gua da mistura leo e gua era aumentado
(PLASENCIA et al.,
2013).
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 18
3 METODOLOGIA
O trabalho como um todo consiste em 3 abordagens complementares
sobre o mesmo
tema, o escoamento de emulses O/A ou A/O em tubulaes
industriais. Estas 3 abordagens
so: levantamento da curva viscosidade aparente x teor de gua
atravs de dados reais do
campo; levantamento da curva viscosidade aparente x teor de gua
atravs de correlaes da
literatura e levantamento da curva viscosidade aparente x teor
de gua atravs de dados de
laboratrio (loop de teste e testes de bancada).
3.1 Levantamento da curva viscosidade aparente x teor de gua
atravs de dados
reais do campo
O sistema de escoamento estudado compreende a transferncia de
fluidos (leo e
gua produzida) de uma estao de bombeio A (EB-A) a uma estao de
recebimento (ER)
atravs de um duto com dimetro nominal de 16 e dimetro interno de
15,5. Alm disso,
esse duto tem um comprimento de 55 km desde a EB-A at a ER, a
rugosidade da tubulao
de 0,0457 mm e a diferena de cota entre a EB-A e a ER de -10 m.
A cerca de 27 km da EB-
A, uma outra estao de bombeio B (EB-B), menor e com um sistema
de bombeio
intermintente, transfere sua produo pelo mesmo duto. Esse
sistema est representado no
fluxograma esquemtico da figura 7.
O sistema de armazenamento e transferncia da EB-A conta
basicamente com 2
tanques de armazenamento, sendo 1 para o leo e outro para a gua
produzida; 7 bombas de
transferncia, sendo 3 dedicadas a transferncia do leo e com vazo
nominal de 175 m/h
cada e 4 dedicadas a transferncia da gua produzida e com vazo
nominal de 230 m/h cada.
Ainda conta com sistemas de medio de vazo (EMEDs)
individualizados para o leo e para
a gua, permitindo assim acompanhar a vazo instantnea de leo e de
gua na sada da EB-
A.
No oleoduto observa-se um instrumento de indicador e transmissor
de presso (PIT)
que permite a obteno de dados histricos de presso na entrada do
mesmo. Alm disso,
observa-se tambm um PIT na chegada do mesmo oleoduto a ER,
permitindo assim, o clculo
da variao da presso ao longo do oleoduto citado.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 19
J a EB-B conta com 3 bombas de 50 m/h cada, sendo que apenas uma
dessas
bombas opera ligada por um determinado perodo de tempo,
suficiente apenas para o
escoamento da produo (regime intermitente de operao).
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Primeiramente, atravs de um sistema que coleta dados histricos
de vazes
instantneas de leo e de gua e presses, viabilizado pela
existncia dos instrumentos
indicadores e transmissores de vazo e de presso existentes no
sistema, foi feita a coleta de
uma gama de dados correspondente a um perodo de Fevereiro de
2013 a Fevereiro de 2014.
Esses dados foram classificados de acordo com os regimes de
operao observados
na EB-A (funo da quantidade de bombas de leo e de gua ligadas no
sistema), sendo eles
descritos na tabela 2 a seguir.
Figura 7. Fluxograma esquemtico do sistema de escoamento real em
campo.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 20
Tabela 2. Regimes de operao da EB-A.
QTDE DE
BOMBAS DE
LEO LIGADAS
QTDE DE
BOMBAS DE
GUA LIGADAS
REGIME DE
OPERAO
NMERO DE
INTERVALOS
MAPEADOS
0 3 0O3A 1
1 0 1O0A 2
1 1 1O1A 24
1 2 1O2A 101
1 3 1O3A 12
2 1 2O1A 3
2 2 2O2A 6
2 3 2O3A 1
3 1 3O1A 1
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Em cada um desses regimes de operao foram mapeados intervalos de
operao
contnua (quantidade de intervalos indicada na tabela 2), sem
variaes de quantidades de
bombas ligadas no sistema. Alm disso, a durao desses intervalos
foi comparada ao tempo
necessrio para que um determinado elemento de fluido com uma
determinada velocidade de
escoamento sasse da EB-A e chegasse a ER. Esse tempo foi
denominado de tempo de
trnsito.
Dessa forma foi possvel obter dados em uma ampla faixa de teor
de gua do
escoamento, determinado em funo das vazes instantneas de gua e
de leo obtidas nas
EMEDs da EB-A. Sendo assim, o teor de gua do escoamento foi
calculado atravs da
equao 17 a seguir.
=
+ Eq. 17
Onde QA a vazo de gua produzida na sada da EB-A e QB a vazo de
leo na
sada da EB-A.
Atravs dos dados de presso na sada da EB-A (p1) e na chegada da
ER (p2),
puderam ser obtidos os valores da diferena de presso no
oleoduto, usando a equao 18.
= 1 2 Eq. 18
Onde a diferena de presso entre a entrada e a sada do
oleoduto.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 21
Tambm foi possvel calcular a vazo bruta de lquido escoando pela
tubulao
atravs da equao 19.
= + Eq. 19
Onde QB a vazo bruta.
Para cada intervalo foram calculados vazo bruta e teor de gua do
escoamento e a
diferena de presso no oleoduto. Com esses dados, tornou-se
possvel o clculo da
viscosidade aparente do fluido que est escoando.
A partir da equao 10, considerando no haver diferena de
velocidade significativa
ao longo da tubulao, pode-se observar que a perda de carga ser
dada pela expresso da
equao 20.
=1
2
+ 1 2 Eq. 20
Substituindo a equao 11 na equao 20, chegamos na equao 21.
2
2=
1
2
+ 1 2 =
2
2[
(12)
+ (1 2)] Eq. 21
Sendo que o fator de atrito funo do regime de escoamento
(laminar ou
turbulento), a rugosidade relativa da tubulao e o nmero de
Reynolds que, por sua vez,
funo, entre outras coisas, da viscosidade do fluido.
Portanto, atravs de um clculo iterativo usando a equao de
Colebrooke-White
(equao 13), determinou-se a viscosidade aparente para cada
intervalo de operao contnua
mapeado.
Com a finalidade de reduzir as variaes presentes no processo de
transferncia dos
fluidos causados pela operao das estaes (restries em vlvulas de
controle, transientes
nos momentos de ligar / desligar bombas, passagens de PIGs de
limpeza no duto, etc.) foi
usada uma tcnica para eliminar dados discrepantes, com a meta
de, para cada conjunto de
dados de viscosidade aparente para um dado teor de gua, obter um
desvio padro mximo de
10% da mdia do conjunto de dados.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 22
Ainda foram usadas as correlaes obtidas da literatura. Todos os
clculos
necessrios foram realizados em planilhas no Excel. Os grficos
gerados foram comparados
com os grficos obtidos atravs da anlise com os dados de campo e
com os dados de
laboratrio.
As correlaes da tabela 1 devem ser utilizadas de acordo com a
fase em que se
encontre o escoamento. Caso estejamos tratando com a regio A/O,
a fase contnua a fase
oleosa, ou seja, = , alm disso a frao volumtrica a da fase
dispersa, ou seja, o teor
de gua. Por um outro lado, caso estejamos tratando com a regio
O/A, a fase contnua a
fase aquosa, ou seja, = , alm disso a frao volumtrica a da fase
dispersa, ou seja, o
teor de leo (1 ).
3.2 Levantamento da curva viscosidade aparente x teor de gua
atravs de dados do
laboratrio
Para obter os dados em laboratrio foram realizadas duas
metodologias diferentes:
um sistema de escoamento em escala de laboratrio e testes em
bancada (usando picnmetros,
remetros, etc.).
As amostras de leo e de gua utilizadas no sistema de escoamento
em escala de
laboratrio e nos testes de bancada foram obtidas dos tanques de
transferncia de leo e de
gua da EB-A, mostrados na figura 7.
3.2.1 Sistema de escoamento em escala de laboratrio
Um sistema de escoamento em escala de laboratrio foi montado no
laboratrio do
NUPEG do Departamento de Engenharia Qumica da UFRN. O sistema
(figura 8) composto
por:
(1) tanque de armazenamento (20L);
(2) bomba centrfuga de 1/3 HP;
(3) manmetro bourdon instalado na linha de descarga da
bomba;
(4) vlvula do tipo esfera instalada na linha de descarga da
bomba;
(5) manmetro diferencial do tipo tubo em U com mercrio;
(6) 17 m de tubulao em PVC de 1 de dimetro nominal, sendo o
comprimento do
trecho usado nas medidas de perda de carga por frico igual a 3
m;
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 23
(7) tomada de amostra para aferio da vazo.
Dessa forma o fluido abastecido no tanque de 20L e, depois de
verificada a escorva
da bomba (impelidor cheio de lquido), esta pode ser ligada de
forma a fazer o fluido circular
por todo o sistema.
Figura 8. Fluxograma esquemtico do circuito de teste de
escoamento.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
O diferencial de presso mdido atravs da leitura da diferena de
cota no
manmetro tipo tubo em U com coluna de mercrio. Cada uma das
extremidades deste
manmetro conectada a uma tomada nas extremidades do trecho de 3
m para medio.
A medio da vazo feita atravs da tomada de amostra do sistema. A
princpio,
engata-se uma mangueira flexvel na sada da tomada de amostra
cuja vlvula se encontra
fechada, em seguida, afere-se a massa de um recipiente vazio e s
ento, se direciona-se a
mangueira ao referido recipiente e a vlvula aberta. Neste
momento, deve-se cronometrar o
tempo para recolhimento da amostra e anotar este tempo. Da deve
ser medida a massa do
conjunto recipiente + amostra e anotada, a vazo mssica obtida
pela razo entre a massa da
amostra pelo tempo de coleta. Esse procedimento foi repetido por
mais duas vezes. Com a
massa especfica da amostra (obtida usando o picnmetro) foi
calculada a vazo volumtrica.
Para obter o teor de gua das amostras no sistema de escoamento
em escala de
laboratrio inicialmente foi obtida uma curva de massa especfica
da mistura x teor de gua.
Foram preparadas misturas de 0%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%,
60%, 70%, 80%, 90% e
100% de teor de gua e, usando o picnmetro, foram obtidos os
valores de massa especfica
de cada mistura preparada. Em seguida foi gerada uma curva e,
com essa curva e a massa
especfica da amostra do sistema, foi determinado o teor de gua
de cada amostra.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 24
Com os dados de teor de gua, vazo volumtrica, diferena de presso
medida e
massa especfica possvel, atravs de um clculo iterativo usando as
equaes 13 e 21,
calcular a viscosidade aparente em funo do teor de gua da
amostra.
3.2.2 Testes em bancada
Basicamente duas propriedades foram estudadas: massa especfica e
viscosidade.
Antes de realizar as anlises propriamente ditas, foi necessrio a
determinao do
tempo de agitao para saturao mtua entre as fases. O procedimento
consistiu em,
basicamente, efetuar a mistura de leo e gua na proporo desejada,
usando uma progresso
nos tempos de agitao da amostra de 5 em 5 minutos. A cada agitao
foi medida a
viscosidade da amostra a temperatura ambiente e verificada a
diferena entre a medida obtida
em um determinado momento com a medida em um momento anterior.
Quando se verificou
que no ocorria mais mudanas significativa entre as viscosidades,
foi determinado o tempo
de agitao para a saturao mtua entre as fases (15 minutos).
Para obteno da mistura entre o leo e a gua para as anlises,
foram medidos
volumes de leo e de gua referentes ao teor de gua para cada
amostra, em seguida, esses
volumes de leo e de gua foram transferidos a um bquer e
procedeu-se uma agitao
durante 15 minutos.
3.2.2.1 Massa especfica
Para a medio da massa especfica foi usado o picnmetro. Os
materiais necessrios
para essa anlise esto listados abaixo:
- picnmetro;
- termmetro;
- proveta de 100 mL;
- bquer;
- agitador magntico;
- balana analtica GEHAKA Ag200 (figura 9).
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 25
Figura 9. Balana analtica usada para os ensaios de massa
especfica.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Primeiramente, para aferio do volume do picnmetro, foi medida a
massa de uma
amostra de gua destilada a uma temperatura determinada. Em
seguida, usando a tabela de
massa especfica da gua em funo da temperatura (tabela 3), foi
calculado o volume do
picnmetro.
Tabela 3. Massa especfica da gua destilada em funo da
temperatura. TEMPERATURA MASSA
ESPECFICA
TEMPERATURA MASSA
ESPECFICA
TEMPERATURA MASSA
ESPECFICA
(C) (kg/m) (C) (kg/m) (C) (kg/m)
0 999,841 10 999,700 20 998,203
1 999,900 11 999,605 21 997,992
2 999,941 12 999,498 22 997,770
3 999,965 13 999,377 23 997,538
4 999,973 14 999,244 24 997,296
5 999,965 15 999,099 25 997,044
6 999,941 16 998,943 26 996,783
7 999,902 17 998,774 27 996,512
8 999,849 18 998,595 28 996,232
9 999,781 19 998,405 29 995,944
Fonte: (BACCAN, 1985)
As amostras preparadas com diferentes teores de gua tiveram sua
massa especfica
determinada usando o picnmetro cujo volume fora aferido e, dessa
forma, foi obtida uma
curva do teor de gua em funo da massa especfica da amostra.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 26
3.2.2.2 Viscosidade
Para a medio da viscosidade foi usado o remetro R/S BROOKFIELD
que usa o
princpio rotativo com cilindros concntricos para medio da
viscosidade. Os materiais
necessrios para essa anlise esto listados abaixo:
- proveta de 100 mL;
- bquer;
- agitador magntico;
- conjunto remetro R/S BROOKFIELD (figuras 10 e 11), banho
termosttico e
software de aquisio de dados RHEO 2000 verso 2.7.
Figura 10. Conjunto Remetro R/S BROOKFIELD, banho termosttico e
software RHEO
2000.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 27
Figura 11. Detalhe dos cilindros concntricos do remetro R/S.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Para cada amostra, foi medido um volume de cerca de 40 mL e
transferido ao
recipiente para medio no remetro. Em um primeiro instante, a
temperatura do banho
termosttico ajustada em 30 C e, depois de constatado o equilbrio
trmico, o aparelho
acionado para efetuar a medio. Com a mesma amostra, foi ajustado
o banho termosttico
agora para 40 C e foi acionado o aparelho para efetuar a medio
da viscosidade a 40 C. Os
dados de viscosidade so ento exportados para uma planilha do
Microsoft EXCEL.
Com o teor de gua e a viscosidade, torna-se possvel traar a
curva da viscosidade
em funo do teor de gua.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 28
4 RESULTADOS E DISCUSSES
Neste captulo so apresentados como resultados dos estudos: os
valores de
viscosidade aparente calculados a partir dos dados de campo e a
curva entre a viscosidade
obtida e teor de gua na mistura; os valores de viscosidade
calculados atravs das diversas
correlaes obtidas na literatura; os valores de viscosidade
obtidos a partir dos dados de
experimentos em bancada e os valores de viscosidade aparente
calculados a partir de dados de
escoamento em loop de teste no laboratrio.
4.1 Levantamento da curva viscosidade aparente x teor de gua
atravs de dados
reais do campo
A nuvem de pontos de viscosidade obtidos a partir dos dados de
campo de forma
bruta, bem como recebendo um tratamento estatstico expurgando
dados fora do limite de um
desvio padro para cima ou para baixo com a finalidade de se
obter uma amostra com um
desvio padro de, no mximo, 10% da mdia, est apresentada na
figura 12.
Figura 12. Curva de viscosidade aparente versus teor de gua com
os dados de escoamento
do campo de produo.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
0
50
100
150
200
250
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 29
Da figura 12 observa-se uma tendncia de queda da viscosidade
aparente do fluido
medida em que se aumenta o teor de gua no escoamento. Esse
comportamento era esperado
para a regio onde temos a inverso de fase da emulso A/O para a
emulso O/A, ou seja,
quando o teor de gua maior que o teor de gua no ponto de
inverso.
Como no se observa o aumento da viscosidade a partir da
viscosidade do leo puro,
evidente que, para os teores de gua obtidos no mapeamento da
operao do sistema, o
ponto de inverso de fase da emulso no est explcito. Portanto,
pode-se concluir que o
ponto de inverso da emulso para esse leo est entre um valor de
teor de gua de 0% a
32,5%.
Esse ponto de inverso pode ser determinado tanto por correlaes
da literatura
(tabela 4), como atravs dos dados dos experimentos de laboratrio
(dados de teste de
bancada e dados do loop de teste de escoamento).
Tabela 4. Correlaes usadas para o clculo do ponto de
inverso.
CLCULO DO PONTO DE INVERSO
CORRELAO REFERNCIA
=
+(
), eq. 22 (YEH; HAYNIE JR.; MOSES, 1964)
= , , (
) eq. 23 (ARIRACHAKARAN; OGLESBY; BRILL,
1989)
= , , (
)
, (
)
+, (
) eq. 24
(CHEN, 2001)
= [ + (
)
(
)
]
eq. 25 (DECARRE; FABRE, 1997)
=
(
)(
),
+(
)(
), eq. 26
(BRAUNER; ULLMANN, 2002)
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Foram ento calculados os pontos de inverso de fase com cada
correlao listada e o
ponto de inverso de fase usado foi a mdia obtida entre os pontos
de inverso de fase das
correlaes de Arirachakaran, Decarre & Fabre e Braunner &
Ullmann, conforme consta na
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 30
tabela 5. As correlaes de Yeh e de Chen foram desconsideradas,
pois so indicadas para
escoamento laminar em regime estratificado, o que no se observa
no sistema estudado.
Tabela 5. Clculo do ponto de inverso de fase.
Fonte: Elaborador pelo prprio autor.
Em seguida, foi determinada a curva de viscosidade aparente em
funo do teor de
gua usando as correlaes citadas na tabela 1.
Figura 13. Comparao dos dados de campo com os resultados das
correlaes.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
CORRELAO PONTO DE INVERSO (%)
YEH ET AL., 1964 6,65
ARIRACHAKARAN ET AL., 1989 24,58
CHEN, 2001 28,38
DECARRE; FABRE, 1997 31,90
BRAUNER; ULLMANN, 2002 12,27
MDIA (valor utilizado) 22,92
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Vis
cosi
dad
e d
a m
istu
ra (
cP)
Teor de gua
EINSTEIN, 1906
DADOS DO CAMPO
TAYLOR, 1932
RICHARDSON, 1933
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 31
Como os pontos obtidos do escoamento real no contemplaram a
regio na qual se
encontra a emulso A/O, as correlaes foram comparadas,
basicamente, na regio do grfico
onde temos a emulso O/A.
As correlaes de Einstein e Taylor, no so adequadas na predio dos
dados
obtidos para a regio da emulso A/O, como se pode observar na
figura 13. Tanto a
correlao de Einstein como a de Taylor foram desenvolvidas para
uma situao de
escoamento de suspenses (partculas rgidas em uma mistura), o que
no observado para o
caso do escoamento bifsico leo e gua. Sendo assim, pode ser
explicada a baixa aderncia
desses modelos aos dados do escoamento real.
J o modelo proposto pelo Richardson permite o ajuste a partir do
parmetro k, e
efetuando o ajuste pelo mtodo dos mnimos quadrados, observa-se
um valor de k = 5,5748.
Na figura 13, usando esse valor para o k, temos um bom ajuste em
funo dos dados de
campo, na regio da emulso O/A. Usando o mesmo k para a regio da
emulso A/O,
consegue-se mapear toda a curva de viscosidade aparente em funo
do teor de gua.
Para o sistema em estudo foi obtida uma viscosidade mxima (no
ponto de inverso
de fase da emulso) da ordem de 3,6 vezes a viscosidade do leo
puro, fato que mostra a
influncia em termos de restrio ao fluxo de se trabalhar escoando
petrleo com um teor de
gua prximo ao do ponto de inverso de fases. Na prtica, esse teor
de gua da ordem de 15
a 30% deve ser evitado para que se possa trabalhar em uma regio
otimizada sob o ponto de
vista do escoamento da produo.
Na tabela 6 so apresentados os dados de campo e os dados
calculados a partir das
correlaes da literatura.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 32
Tabela 6. Dados de campo e os dados obtidos com as correlaes da
literatura.
TEOR DE GUA
VISCOSIDADE APARENTE
DADOS DO CAMPO EINSTEIN, 1906
TAYLOR, 1932
RICHARDSON, 1933
% cP cP cP cP
0,00 214,83 214,83 214,83 214,83
5,00 241,68 225,65 283,89
10,00 268,54 236,48 375,15
15,00 295,39 247,30 495,75
20,00 322,25 258,12 655,11
22,92 337,93 264,44 770,92
25,00 3,13 3,13 71,33
32,50 56,3 2,93 2,92 46,95
35,00 2,86 2,86 40,84
39,80 23,58 2,73 2,73 31,26
45,00 14,37 2,59 2,58 23,39
50,00 15,88 2,45 2,45 17,70
55,00 9,7 2,32 2,31 13,39
60,00 12,65 2,18 2,18 10,14
65,00 4,72 2,04 2,04 7,67
70,00 5,09 1,91 1,91 5,80
75,00 4,04 1,77 1,77 4,39
80,00 5,8 1,64 1,63 3,32
85,00 3,33 1,50 1,50 2,52
90,00 1,36 1,36 1,90
95,00 1,23 1,23 1,44
100,00 1,09 1,09 1,09 1,09
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
4.2 Levantamento da curva viscosidade x teor de gua atravs de
dados do
laboratrio
Nesse ponto so apresentados os dados obtidos em laboratrio das
duas formas
distintas: uso de equipamentos de bancada (remetro) e uso do
sistema de escoamento em
escala de laboratrio.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 33
4.2.1 Sistema de escoamento em escala de laboratrio
Os dados levantados no sistema de escoamento em escala de
laboratrio esto
apresentados na figura 14.
Figura 14. Curva de viscosidade aparente x teor de gua usando os
dados do sistema de
escoamento em escala de laboratrio.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Pode-se observar as duas regies distintas: a regio com a emulso
A/O, o ponto de
inverso de fase e a regio com a emulso O/A. O ponto de inverso
se encontra com um teor
de gua por volta de 58%. Vale ressaltar que, para essas medidas,
a vazo bruta (leo e gua)
variou entre 0,22 e 3,52 m/h, em funo das caractersticas do
fluido escoado. A observao
da inverso de fase da emulso em circuitos de teste de escoamento
tambm ficou
evidenciada nos estudos de Johnsen e Ronningsen em 2013 e de
Plasencia, Pettersen e Nydal
em 2013.
Pode-se comprovar na prtica o comportamento de aumento da
viscosidade em
funo da adio de gua ao sistema, evidenciando a formao das
emulses. Com o aumento
da concentrao da fase dispersa (gua na emulso A/O), o grande
contedo de fase externa
causa o aumento da viscosidade. Depois do ponto de inverso de
fases, o aumento da fase
contnua (gua na emulso O/A) faz com que o contedo da fase
externa diminua de forma
gradual, atuando na diminuio da viscosidade.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Vis
cosi
dad
e d
a m
istu
ra (
cP)
Teor de gua
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 34
Tambm foram investigadas as correlaes da literatura comparadas
aos dados de
viscosidade aparente obtidos no sistema de escoamento em escala
de laboratrio. A figura 15
mostra a comparao entre esses dados e os dados
experimentais.
Figura 15. Comparao entre os dados experimentais e as correlaes
da literatura.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Mais uma vez os modelos de Einstein e de Taylor no conseguiram
uma boa
predio da viscosidade aparente do fluido, confirmando o que se
observou em relao aos
dados do escoamento no sistema industrial.
Por um outro lado, o modelo de Richardson, mesmo usando o mtodo
dos mnimos
quadrados para ajuste dos dados, no apresenta uma grande
aderncia aos dados
experimentais. Neste caso, o parmetro k foi usado como parmetro
de ajuste e seu valor foi
de 4,2432. Observa-se claramente a deficincia do modelo de
Richardson tanto para prever o
ponto de mxima viscosidade, como para prever a viscosidade na
regio O/A.
Para o sistema em estudo foi obtida uma viscosidade mxima (no
ponto de inverso
de fase da emulso) da ordem de 22,1 vezes a viscosidade do leo
puro.
Na tabela 7 so apresentados os dados do sistema de escoamento em
escala de
laboratrio e os dados calculados a partir das correlaes da
literatura.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Vis
cosi
dad
e d
a m
istu
ra (
cP)
Teor de gua
EINSTEIN, 1906
DADOS DO SISTEMA DEESCOAMENTO
TAYLOR, 1932
RICHARDSON, 1933
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 35
Tabela 7. Dados obtidos no sistema de escoamento e os dados
obtidos com as correlaes da
literatura.
TEOR DE GUA
VISCOSIDADE APARENTE
DADOS DO ESCOAMENTO
EINSTEIN, 1906
TAYLOR, 1932
RICHARDSON, 1933
% cP cP cP cP
0,0 36,50 36,50 36,50 36,50
12,8 22,60 48,16 41,37 62,77
28,6 83,80 62,63 47,41 123,04
29,5 68,60 63,40 47,73 127,51
33,3 125,00 66,85 49,17 149,71
40,6 113,10 73,51 51,95 204,04
41,3 112,30 74,20 52,24 210,68
43,1 131,60 75,85 52,93 227,55
44,8 200,20 77,41 53,58 244,65
50,1 238,90 82,17 55,56 305,24
51,9 255,50 83,86 56,27 330,12
56,1 239,94 87,71 57,88 394,99
56,9 805,38 88,45 58,18 408,69
57,0 118,29 2,26 2,24 6,75
58,6 55,23 2,22 2,20 6,31
59,4 27,06 2,20 2,18 6,09
67,6 21,16 1,97 1,96 4,32
70,0 1,91 1,89 3,89
75,0 1,77 1,76 3,15
80,0 1,64 1,63 2,55
85,0 1,50 1,49 2,06
90,0 1,36 1,36 1,67
95,0 1,23 1,22 1,35
100,0 1,09 1,09 1,09 1,09
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
4.2.2 Testes em bancada
Na tabela 8 esto apresentados os resultados do ensaio para
obteno do tempo de
agitao para saturao mtua entre as fases.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 36
Tabela 8. Tempo de agitao para saturao mtua entre as fases.
ENSAIO 1 2 3 4
Tempo de agitao (min) 5 10 15 20
Viscosidade (cP) 68,7 106,1 110,8 129,2
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Foi determinado ento, como tempo de agitao para a saturao mtua
entre as
fases leo e gua o valor de 15 minutos, uma vez que a viscosidade
da mistura (varivel
medida) apresenta valores na mesma ordem de grandeza.
Para a aferio do volume do picnmetro, a massa de gua destilada a
27 oC obtida
foi de 25,063 g. A massa especfica da gua destilada de 0,996512
g/mL a 27 oC
(BACCAN, 1985). Portanto, o volume do picnmetro utilizado de
cerca de 25,15 mL.
Foi ento traada a curva da massa especfica da mistura leo e gua
em funo do
teor de gua. Essa curva est apresentada na figura 16 e os dados
esto apresentados na tabela
9.
Figura 16. Curva massa especfica da mistura x teor de gua.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
y = 151,35x + 862,92R = 0,974
840
860
880
900
920
940
960
980
1000
1020
1040
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Mas
sa e
spec
fic
a d
a m
istu
ra (
kg/m
)
Teor de gua
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 37
Tabela 9. Massa especfica em funo do teor de gua.
TEOR DE GUA MASSA ESPECFICA
% (kg/m)
0 861,871
5 869,129
10 866,903
20 893,042
30 921,869
40 927,308
50 939,598
60 947,543
70 971,873
80 987,074
90 1010,839
100 998,004
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Os dados de viscosidade da mistura em funo do teor de gua
obtidos em
experimentos com o remetro esto apresentados no grfico da figura
17 e na tabela 10.
Figura 17. Dados da viscosidade da mistura aferida no remetro
(temperaturas de 30 oC e 40
oC) em funo do teor de gua.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
0
50
100
150
200
250
300
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Vis
cosi
dad
e d
a m
istu
ra (
cP)
Teor de gua
TEMPERATURA = 30 oC
TEMPERATURA = 40 oC
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 38
Pode-se observar que a regio de inverso de fase se altera em
funo da temperatura
do fluido, no caso da temperatura de 30 oC o ponto de inverso de
fase ficou por volta de 15%
a 20% de teor de gua. Observa-se um ponto em 30% de teor de gua
com uma viscosidade
mais elevada, mas a tendncia de reduo da viscosidade clara. J
para os ensaios a 40 oC o
ponto de inverso observado fica entre 20% e 25% e h mais pontos
fora da curva (a 30% e a
40%). Esses pontos fora da curva podem indicar erros de
anlise.
Tabela 10. Dados de viscosidade aparente obtidos no remetro a 30
C e a 40 C.
TEOR DE GUA
VISCOSIDADE APARENTE
30 oC 40 oC
% (cP) (cP)
0 110,8
5 100,5
10 119,9 31,2
15 122,6 42,8
20 90 52,9
25 63,2 23,9
30 124 52,4
35 21,8 30,2
40 32,3 239,1
100 1,3
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Na figura 18 foram comparados os dados obtidos nos ensaios com o
remetro na
temperatura de 30 oC (temperatura mais prxima da temperatura de
operao do sistema de
escoamento em escala de laboratrio).
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 39
Figura 18. Comparao dos dados experimentais com as correlaes da
literatura.
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
Observa-se que, para a regio da emulso A/O, a correlao de Taylor
obtem um
melhor ajuste em relao aos dados obtidos em laboratrio. Por um
outro lado, na regio da
emulso O/A, os dados se ajustam mais a correlao de Richardson
com o parmetro k =
4,5664.
Na tabela 11 so apresentados os dados obtidos no remetro e os
dados calculados a
partir das correlaes da literatura.
0
50
100
150
200
250
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Vis
cosi
dad
e d
a m
istu
ra (
cP)
Teor de gua
EINSTEIN, 1906
DADOS DO REMETRO
TAYLOR, 1932
RICHARDSON, 1933
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 40
Tabela 11. Dados obtidos no remetro e os dados obtidos com as
correlaes da literatura.
TEOR DE GUA
VISCOSIDADE APARENTE
%
DADOS DO REMETRO
EINSTEIN, 1906
TAYLOR, 1932
RICHARDSON, 1933
cP cP cP cP
0,00 110,8 110,80 110,80 110,80
5,00 100,5 124,65 116,44 139,22
10,00 119,9 138,50 122,07 174,93
15,00 122,6 152,35 127,71 219,79
20,00 90 3,90 3,88 50,18
25,00 63,2 3,74 3,72 39,93
30,00 124 3,58 3,56 31,78
35,00 21,8 3,41 3,40 25,29
40,00 32,3 3,25 3,24 20,13
45,00 3,09 3,08 16,02
50,00 2,93 2,91 12,75
55,00 2,76 2,75 10,15
60,00 2,60 2,59 8,08
65,00 2,44 2,43 6,43
70,00 2,28 2,27 5,12
75,00 2,11 2,11 4,07
80,00 1,95 1,95 3,24
85,00 1,79 1,78 2,58
90,00 1,63 1,62 2,05
95,00 1,46 1,46 1,63
100,00 1,3 1,30 1,30 1,30
Fonte: Elaborado pelo prprio autor.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 41
5 CONCLUSO
Analisando todas as informaes obtidas no trabalho, conclui-se
que:
os dados de campo podem ser obtidos e devem passar por um
tratamento
estatstico prvio para eliminar intermitncias operacionais;
apesar de no ter sido evidenciado nos dados de campo, o fenmeno
de
inverso de fase da emulso foi evidenciado tanto nos testes com o
sistema
em escala de laboratrio como nos testes com o remetro;
a correlao de Richardson consegue prever bem a viscosidade
aparente para
regio de escoamento da emulso O/A, no caso do petrleo em
estudo;
o fato da mudana do regime de escoamento (turbulento para os
dados de
campo e laminar para os experimentos em laboratrio) pode ter
influenciado
de forma significativa os resultados da viscosidade
aparente;
outros fatores operacionais como, ajustes em vlvulas de
controle, paradas e
partidas de poos, injeo de produtos qumicos, tambm podem ter
afetado
os resultados obtidos;
as correlaes de Einstein e de Taylor no so recomendadas para o
clculo
da viscosidade aparente do petrleo usado no estudo;
a viscosidade aparente da emulso A/O pode chegar a at 8,5 vezes
a
viscosidade do petrleo em estudo, o que pode afetar, de maneira
impactante,
o projeto e a operao de sistemas de escoamento com teor de gua
prximos
ao do ponto de inverso de fase da emulso;
os padres de escoamento no remetro podem ser muito diferentes
dos
padres de escoamento em tubulaes, este fato pode explicar a
grande
discrepncia dos dados obtidos no remetro em relao aos dados
obtidos no
sistema de escoamento em escala de laboratrio ;
o sistema montado para testes de escoamento em escala de
laboratrio se
mostra promissor uma vez que apresenta a caracterstica esperada
de aumento
significativo da viscosidade com o aumento do teor de gua .
Algumas melhorias podem ser feitas no sistema de escoamento em
escala de
laboratrio, por exemplo:
uso de manmetros diferenciais com sinal eletrnico que permita a
aquisio
de dados em tempo real;
uso de medidor de vazo com sinal eletrnico que permita a aquisio
de
dados em tempo real;
substituio da bomba utilizada por uma com maior capacidade de
vazo
mesmo para o escoamento a altas viscosidades;
instalao de variador de velocidade na bomba para permitir um
controle
mais preciso da vazo do sistema;
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 42
instalao de sistema para controle da temperatura do fluido no
circuito de
escoamento ;
substituio do trecho de medio atual por tubulao transparente,
que
permita a visualizao do padro de fluxo e registro fotogrfico do
mesmo.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 43
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
ALI, M. F.; ALQAM, M. H. The role of asphaltenes, resins and
other solids in the
stabilization of water in oil emulsions and its effects on oil
production in Saudi oil fields.
Fuel, v. 79, n. 11, p. 1309-1316, 2000.
ARIRACHAKARAN, S.; OGLESBY, K. D.; BRILL, J. P. An Analysis of
Oil/Water Flow
Phenomena in Horizontal Pipes. SPE, 1989.
BACCAN, N. Quimica analitica quantitativa elementar. E. Blucher,
1985.
BASTIDAS, T. J. P. Gerao de emulses durante a produo de petrleo.
2007. 100
(Doutorado em Engenharia Mecnica). Engenharia Mecnica, Pontifcia
Universidade
Catlica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
BIRD, R. B.; STEWART, W. E.; LIGHTFOOT, E. N. Fenmenos de
Transporte. 2. ed. Rio
de Janeiro: LTC, 2004.
BRAUNER, N.; ULLMANN, A. Modeling of phase inversion phenomenon
in the two-phase
flows. International Journal of Multiphase Flow, v. 28, n. 6, p.
1177-1204, 2002.
BROUGHTON, G.; SQUIRES, L. THE VISCOSITY OF OIL-WATER
EMULSIONS1. The
Journal of Physical Chemistry, v. 42, n. 2, p. 253-263,
1937/01/01 1937.
CHEN, J. Study on OilWater Two Phase Pipe Flow. University of
Petroleum, Beijing,
China, 2001.
DECARRE, S.; FABRE, J. Phase inversion prediction study. Journal
of L' Institut Francais
du Petrole, v. 52, p. 415-424, 1997.
EINSTEIN, A. Eine neue bestimmug der molekldimensionen. Annalen
der Physik, v. 9, p.
289-306, 1906.
FILIPPOV, Y. P.; PANFEROV, K. S. Diagnostics of salty
water-in-oil two-phase flow.
International Journal of Multiphase Flow, v. 41, p. 36-43,
2012.
FINK, J. K. Petroleum Engineer's Guide to Oil Field Chemicals
and Fluids. 1. ed.
Waltham: Elsevier Science, 2011.
HAPANOWICZ, J. Slip between the phases in two-phase water-oil
flow in a horizontal pipe.
International Journal of Multiphase Flow, v. 34, p. 559-566,
2008.
HOSHYARGAR, V.; ASHRAFIZADEH, S. N. Optimization of Flow
Parameters of Heavy
Crude Oil-in-Water Emulsions through Pipelines. Industrial &
Engineering Chemistry
Research, v. 52, p. 1600-1611, 2013.
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 44
JOHNSEN, E. E.; RNNINGSEN, H. P. Viscosity of live
water-in-crude-oil emulsions:
experimental work and validation of correlations. Journal of
Petroleum Science and
Engineering, v. 38, n. 12, p. 23-36, 5// 2003.
KELEOLU, S.; PETTERSEN, B. H.; SJBLOM, J. Flow properties of
water-in-North Sea
heavy crude oil emulsions. Journal of Petroleum Science and
Engineering, v. 100, n. 0, p.
14-23, 2012.
MASSEY, B. S.; WARD-SMITH, A. J. Mechanics of Fluids. 8. ed.
Abingdon: Taylor &
Francis, 2006.
MOURAILLE, O. et al. STABILITY OF WATER-IN-CRUDE OIL EMULSIONS:
ROLE
PLAYED BY THE STATE OF SOLVATION OF ASPHALTENES AND BY
WAXES.
Journal of Dispersion Science and Technology, v. 19, n. 2-3, p.
339-367, 1998.
OTSUBO, Y.; PRUD'HOMME, R. K. Effect of drop size distribution
on the flow behavior of
oil-in-water emulsions. Rheologica Acta, v. 33, p. 303-306,
1994.
PAL, R. Flow of oil-in-water emulsions through orifice and
venturi meters. Industrial &
Engineering Chemistry Research, v. 32, n. 6, p. 1212-1217,
1993/06/01 1993.
PAL, R.; HWANG, C. Y. J. Loss Coefficients for Flow of
Surfactant-Stabilized Emulsions
Through Pipe Components. Chemical Engineering Research and
Design, v. 77, n. 8, p.
685-691, 1999.
PAL, R.; RHODES, E. Viscosity/Concentration Relationships for
Emulsions. Journal of
Rheology, v. 33, n. 7, p. 1021-1045, 1989.
PLASENCIA, J.; PETTERSEN, B.; NYDAL, O. J. Pipe flow of
water-in-crude oil emulsions:
Effective viscosity, inversion point and droplet size
distribution. Journal of Petroleum
Science and Engineering, v. 101, n. 0, p. 35-43, 2013.
RICHARDSON, V. E. G. Uber die viskositt von emulsionen.
Kolloid-Zeitschrift, v. 65, p.
32-37, 1933.
SIMANZHENKOV, V.; IDEM, R. Crude Oil Chemistry. 1. ed. New York:
Marcel Dekker,
2003.
SJBLOM, J. et al. Our current understanding of water-in-crude
oil emulsions.: Recent
characterization techniques and high pressure performance.
Advances in Colloid and
Interface Science, v. 100102, n. 0, p. 399-473, 2003.
TAYLOR, G. I. The viscosity of a fluid containing small drops of
another fluid. Proccedings
of the Royal Society Series A, v. 138, p. 41-48, 1932.
TRADELAB. http://www.tradelab.com.br/detalhe.asp?id_produto=165.
2014. Acesso em:
Novembro 2014.
http://www.tradelab.com.br/detalhe.asp?id_produto=165
-
Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o
escoamento em oleodutos
JOO HENRIQUE BRITO PESSOA DEZEMBRO/2014 45
WANG, W.; GONG, J.; ANGELI, P. Investigation on heavy
crude-water two phase flow and
related flow characteristics. International Journal of
Multiphase Flow, v. 37, p. 1156-1164,
2011.
YEH,
![2 Vias Válvula Solenoide Proporcional Proporcional ... Asset Library/Solenoid_Valve_ASCO... · Pressão diferencial Ver "Tabela de Especificação” [1 bar =100 kPa] Viscosidade](https://img.document.onl/doc/110x75/5c00985d09d3f22b088b660c/2-vias-valvula-solenoide-proporcional-proporcional-asset-librarysolenoidvalveasco.jpg)
