Dissertação Impressão

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<p> Estudo Numr ico do Tr anspor te de leos Pesados em Tubos Lubr ificados por gua Autor:Tony Herbert Freire de Andrade Orientador:Severino Rodrigues de Farias Neto Campina Grande, setembro de 2008 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIA PS-GRADUAO EM ENGENHARIA QUMICA i UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIA PS-GRADUAO EM ENGENHARIA QUMICA Estudo Numr ico do Tr anspor te de leos Pesados em Tubos Lubr ificados por gua Autor:Tony Herbert Freire de Andrade Orientador:Prof. Dr. Severino Rodrigues de Farias Neto Co-orientador: Prof. Dr. Antonio Gilson Barbosa de Lima Curso: Mestrado em Engenharia Qumica rea de Concentrao: Desenvolvimento de processos qumicos Dissertao apresentada ao curso de Ps-Graduao em Engenharia Qumica, como parte dos requisitos necessrios para obteno do grau de Mestre em Engenharia Qumica. Campina Grande, setembro de 2008 PB-Brasil ii UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIA PS-GRADUAO EM ENGENHARIA QUMICA Disser tao de Mestr ado Estudo Numr ico do Tr anspor te de leos Pesados em Tubos Lubr ificados por gua Dissertao aprovada em _____ outubro de 2008 ________________________________________________________ Pr of. Dr . Sever ino Rodr igues de Far ias Neto UFCG/CCT/UAEQ - Or ientador ________________________________________________________ Pr of. Dr . Antnio Gilson Bar bosa de Lima UFCG/CCT/UAEM Co-Or ientador ________________________________________________________ Pr of. Dr . OscarMaur icio Her nandez Rodr iguez USP/EESC/DEM - ExaminadorExter no ________________________________________________________ Dr . Kelen Cr ist ina Oliveir a Cr ivelar o UFCG/CCT/UAEM Examinador a Exter na Campina Grande, setembro de 2008 PB-Brasil iii DEDICATRIA Dedico este trabalho ao meu pai Ivaldo Machado e minha me Sevi Freire, pela pacincia e carinho. A minha noiva Elizabel Aluska por todo apoio, compreenso e carinho. iv AGRADECIMENTOS Estetrabalhonopoderiaserconcludosemaajudadediversaspessoas,asquais expresso meus agradecimentos: A Deus pela guia e pelo amor que ele nos tm. A minha querida me pelo incentivo e o apoio dado durante toda minha vida. Ao meu querido pai que tambm deu muito apoio e incentivo. A toda minha famlia pela contribuio dada ao longo deste trabalho. AomeusogroArmandoeminhasograElizabethpeloapoioeincentivoprecisonesta etapa da minha vida. A minha noiva pela sua preciosa companhia e pelo seu amor que me brinda. AoConselhoNacionaldeDesenvolvimentoCientficoeTecnolgico(CNPq), PETROBRS, ANP, FINEP, CTPETRO, CT BRASIL, e CAPES pelo o apoiofinanceirona realizao deste trabalho. AoLaboratriodePesquisaemFluidodinmicaeImagem(LPFI/UAEQ)eo Laboratrio Computacional de Trmica e Fluido (LCTF/UAEM) daUniversidadeFederal de Campina Grande pela infra-estrutura. AoProfessorSeverinoRodriguesdeFariasNeto,pelanobreorientao,pacinciae pelo sbio conhecimento compartilhado comigo ao longo deste trabalho. v AoProfessorAntnioGilsonBarbosadeLima,porsuasorientaeshumildemente compartilhadas ao longo deste trabalho. AtodogrupoquecompeLaboratriodePesquisaemFluidodinmicaeImagem (LPFI). Aos meus amigos Joo Paulo e Pulquria, pelos conselhos dados nos momentos difceis ao longo deste trabalho. A todos aqueles que contriburam direto e indiretamente na execuo deste trabalho. vi Os mestres ideais so aqueles que se fazem de pontes, que convidam os seus seguidores a atravessarem, e depois, tendo facilitado a travessia, desmoronam-se com prazer, encorajando-os a criarem as suas prprias pontes. (Nikos Kazantzakis) vii SUMRIO 1. INTRODUO1 1.1 Objetivo5 1.2 Objetivos especficos5 2. REVISO BIBLIOGRFICA7 2.1 Escoamento Multifsico7 2.2 Caractersticas do Core Annular Flow10 2.3 Padres do Core Annular Flow15 2.3.1 Fluxo anular perfeito (PCAF)15 2.3.2 Fluxo anular ondulado (WCAF)20 3. MODELAGEM MATEMTICA25 3.1 Modelo matemtico26 Condies inicial e de fronteira29 3.2 Gerao da malha31 4. RESULTADOS E DISCUSSES34 5. CONCLUSES53 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS55 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS56 viii RESUMO ANDRADE, Tony Herbert Freire de, Estudo Numrico do Transporte de leos Pesados em Tubos Lubrificados por gua, Campina Grande: Ps-Graduao em Engenharia Qumica, Universidade Federal de Campina Grande, 2008. Dissertao (Mestrado) O transporte de leos pesados e ultraviscosos umdos principais desafios tecnolgicos paraaindstriadepetrleo.Estefatoestrelacionadocomaaltaperdadecargaouatrito devidoaosefeitosviscososdestetipodeleo.Opresentetrabalhopropeumestudo numricodotransportedeleospesadosempregandoatcnicadelubrificaoparietal conhecidaporfluxoanularoucoreannularflowutilizandoocdigocomputacionalCFX 10.Omodelomatemticoconsideraomodelodemisturaparatrataroescoamento bifsico gua-leopesadoeultraviscoso,bidimensional,transiente,isotrmico,assumindoregime laminarparafaseleoeturbulentoparaafaseguaadotandoomodelok-.Asequaes diferenciaisdomodeloforamresolvidasnumericamentepelomtododosvolumesfinitos, comoesquemadeinterpolaotrilinearparaostermosconvectivos.Resultadosda velocidade,pressoefraovolumtricasdasfasessoapresentadoseanalisados.Os resultadosevidenciaramapresenadeumacorrentedeguanasproximidadesdaparededa tubulaoformando umapelculadeguaqueenvolveoncleodeleoescoandonaregio centraldatubulao,caracterizando,assim,ofluxoanularoucoreflow.Como conseqncia, foi observada uma reduo expressiva da perda de carga se comparado quando o leo pesado escoa sozinho na tubulao de aproximadamente cinqenta (59) vezes. Palavras-Chaves: leo pesados, Reduo de atrito, Fluxo anular, Escoamento multifsico, Simulao numrica. ix ABSTRACT ANDRADE, Tony Herbert Freire de, Numerical Study of Heavy Oil Transport on Pipe LubricatedbyWater,CampinaGrande:Ps-GraduaoemEngenhariaQumica, Universidade Federal de Campina Grande, 2008. Master of Science. Thehighviscosityheavyoiltransportisoneofthemaintechnologicalchallengesfor the oilindustry.Thisfact isrelatedwiththe highpressuredropdueto theviscouseffectsof this type of oil. The aim of this work is related to a numerical study of the heavy oil transport using the parietal lubrication technique well known as core annular flow, using computational codeCFX10.Themathematicalmodelconsidersthemixturemodelto describetwo-phase flowwater-heavyoil,consideringatwodimensional,transientandisothermalflow.We considerslaminarflowtooilandturbulentflowtowater,andwehaveusedthemodelk-. The governing equations were solved numerically by finite volume method, using the trilinear interpolationschemefortheconvectiveterms.Resultsofthevelocity,pressureandvolume fractiondistributionofthephases arepresentedendanalyzed.Resultsshowclearly astream waterclosed to the pipewall and awaterfilm that involves theoil coreflowinthe centerof thepipe.Itwasverifiedthebigreductionofpressuredropascomparedtoheavyoilflow alone in the pipe (around 59 times). Key-words: Heavy oil, pressure drop, Core annular flow, Multiphase flow, Numerical simulation. x LISTA DE FIGURAS Figur a 1.1: leo pesado comparado ao mel de abelha. ................................................................ 3 Figur a 1.2: Mtodos de transporte de leo pesado. ..................................................................... 5 Figur a 2.1: Carta de diferentes fluxos no escoamento gua-leo ............................................... 9 Figur a 2.2: Diferentes regimes de fluxos de leo em gua. Da esquerda para direita a relao volumtrica de leo em gua aumenta. .......................................................................................... 9 Figur a 2.3: ngulo de contato entre leo/gua/ slido. ............................................................. 12 Figur a 2.4:Posio radialdocore;(a)posioconcntricaaoeixodotuboe(b) posio excntrica ao eixo do tubo.. .......................................................................................................... 13 Figur a 2.5: Incrustao de leo pesado em uma curva.. ............................................................ 14 Figur a 2.6: Fluxo de leo e gua em um escoamento anular perfeito. ..................................... 16 Figur a 2.7: Esquemtica de um fluxo anular perfeito (PCAF) na vertical.. ............................. 18 Figur a 2.8: Esquema do fluxo anular com um ncleo slido em forma de dente de serra...... 23 Figur a 3.1.: Perspectiva do slido em um plano rz do tubo. ..................................................... 30 Figur a 3.2: Representao fictcia do tubo para o escoamento leo pesado e gua. ............... 32 Figur a 3.3: Construo do tubo em um domnio bidimensional. .............................................. 32 Figur a 3.4:Representaodamalhabidimensionaldatubulaonasseesdeentrada(a)e de sada (b)..................................................................................................................................... 32 xi Figur a4.1:Representaodamalhabidimensionaldatubulaocomdetalhesnaseode entrada (a) e de sada (b). .............................................................................................................. 35 Figur a 4.2: Representao do campo de velocidade axial do leo pesado sobre o plano rz para UA = 0,8 m/s UO = 0,4 m/s e (Caso 8) em t = 150 s, com as respectivas ampliaes destacado pela curva tracejada. ...................................................................................................................... 37 Figur a4.3:Representaodocampodevelocidadeaxialdaguasobreoplanorzpara UA = 0,8 m/s e UO = 0,4 m/s (Caso 8) t = 150 s, com as respectivas ampliaes destacado pela curva tracejada. .............................................................................................................................. 37 Figur a4.4:Campodefraovolumtricadoleopesadosobreoplanorzemt=150s (Caso 8), a) na entrada e b) na sada. ........................................................................................... 38 Figur a 4.5:Campodepressosobreoplano rzparaUA=0,8m/sUO = 0,4m/set = 150s (Caso 8). ......................................................................................................................................... 39 Figur a4.6:VariaodaperdacargaemfunodoaumentodavelocidadedeguaUAem t = 150 s. ........................................................................................................................................ 40 Figur a 4.7: Velocidade do leo na seo do duto e quatro posies axiais para o caso 8 ....... 42 Figur a4.9:Representaodasdiferentescamadasdefluidos:pelculadegua,camadade mistura e ncleo de leo para o caso 8. ....................................................................................... 43 Figur a 4.10:Campodepresso doleonaseododutoemquatro posiesaxiais,parao caso 8. ............................................................................................................................................ 44 Figur a 4.11: Comparao da perda de carga entre os fluxos monofsicos da gua, do leo e o fluxo anular (core-flow) de gua e leo. ...................................................................................... 45 Figur a4.12:Representaodaevoluodocampodefraovolumtricasobreoplanorz para diferentes tempos (Caso 8). .................................................................................................. 46 Figur a 4.13:Perfisdevelocidadesuperficialdoleonaposiolongitudinaliguala1mda entrada do tubo para diferentes tempos de processo. .................................................................. 47 xii Figur a 4.14:Perfisdevelocidadesuperficialoleonaposio longitudinaliguala10mda entrada do tubo para diferentes tempos de processo. .................................................................. 48 Figur a 4.15:Distribuiodafrao volumtricadoleonaposiolongitudinaliguala1m da entrada do tubo para diferentes tempos de processo. ............................................................. 48 Figur a 4.16: Distribuio da frao volumtrica do leo na posio longitudinal igual a 10 m da entrada do tubo para diferentes tempos de processo. ............................................................. 49 Figur a 4.17:Distribuiodapressonaposiolongitudinaliguala1mdaentradadotubo para diferentes tempos de processo. ............................................................................................. 50 Figur a 4.18: Distribuio da presso na posio longitudinal igual a 10 m da entrada do tubo para diferentes tempos de processo. ............................................................................................. 51 Figur a4.19:Comparaoentreosperfisdevelocidadenumricoseanalticos(UO=0,88e 0,4 m/s) do leo a 10 m da entrada do tubo (regime laminar). .................................................. 52 Figur a4.20:Comparaoentreosperfisdevelocidadenumricoseanalticosdagua (UA = 0,363 e 0,8 m/s) a 10 m da entrada do tubo (regime turbulento). .................................... 52 xiii LISTA DE TABELAS Tabela 1.1: Reserva mundial de leo e gs natural. ...................................................................... 2 Tabela 3.1: Propriedades fsico-qumicas dos fluidos usados neste trabalho. ........................... 31 Tabela 3.2: Condies gerais do problema e da soluo numrica............................................ 33 Tabela 4.1: Dados usados nas simulaes. .................................................................................. 36 xiv NOMENCLATURA Letras Latinas Ur Vetor velocidade[m/s] ADensidade de rea interfacial[-] C1 Constante do modelo [-] C2 Constante do modelo [-] CDCoeficiente de arraste[-] CConstante do modelo [-] D Arraste total[N] d Coeficiente de escala de comprimento de mistura.[mm] fA Frao volumtrica de gua[-] fO Frao volumtrica de oleo[-] gAcelerao da gravidade terrestre[m/s] GGerao de energia cintica turbulenta [kg/m/s3] M Fora de arraste interfacial[N/m3] PPresso[Pa] Pest Presso esttica[Pa] QFluxo volumtrico[m3/s] RRaio do tubo[m] rRaio do ncleo de leo[m] SMS Fonte de massa[N/m3] SMFonte de momento devido a fora de corpo externa [N] tTempo[s] UA Velocidade da gua[m/s] xv UO Velocidade do leo[m/s] Ur Velocidade radial[m/s] Uz Velocidade axial[m/s] UVelocidade tangencial[m/s] Letras Gregas ngulo de inclinao da tubulao[] Constante do modelo [-] Constante do modelo [-] Densidade[Kg/m3] Densidade da mistura[Kg/m3] Energia cintica turbulenta[m2/s2] e Fases envolvidas [-] Taxa de dissipao [m2/s3] Taxa de fluxo mssico por unidade de volume[kg/s/m3] Viscosidade cinemtica[kg/m/s] t Viscosidade turbulenta[kg/m/s] 1 CAPTULO I INTRODUO Nomundoalgumasreasreuniramcaractersticasexcepcionaisdanaturezaque permitiramoaparecimentodopetrleo.OmelhorexemplodissooOrienteMdio.L estocercade65%dasreservasmundiaisdeleoe36%dasreservasdegsnatural.Na Tabela 1.1 est ilustrado como esto distribudos as reservas de leo e gs no mundo. NoBrasil,cercade85%dasreservasestolocalizadasnabaciadeCampos,no estadodoRiodeJaneiro.Asbaciassedimentaresbrasileirasestoclassificadasemtrs formas: a)Interiores:somuitoextensasepoucoespessas(profundas).Apr...</p>