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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]
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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
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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
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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.
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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.
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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
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DEDICATRIA
A minha filha, meus pais e minha famlia que me apoiaram durante todo meu
processo de formao tanto pessoal como profissional.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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Estudo da viscosidade aparente em sistemas leo e gua visando o escoamento em oleodutos
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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:
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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
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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).
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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
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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
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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
-
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=
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.
-
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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.
-
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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).
-
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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
-
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- 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).
-
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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,
-
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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).
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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.
-
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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.
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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.
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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.
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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;
-
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(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.
-
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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).
-
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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.
-
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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.
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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.
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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
-
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
-
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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
-
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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).
-
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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
-
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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.
-
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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;
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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.
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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.
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