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resumo

Este trabalho objetiva descrever as etapas e apresentar os re-sultados de um projeto de pesquisa visando o desenvolvimento de hidrociclones pela Petrobras para separação primária óleo/água. As famílias de hidrociclones para altos, médios e baixos teores de óleo, respectivamente batizadas de ATO, MTO e BTO foram desenvolvidas nesse projeto e estão atualmente em fase de depósito de patente. Os membros de cada uma delas foram inicialmente concebidos e analisados por meio de simulações numéricas (CFD). Os set-up para essas simulações basearam-se em trabalhos complementares

y Carlos Alberto Capela Moraes y Luiz Philipe Martinez Marins y Dárley Carrijo de Melo y Fabrício Soares da Silva

y João Américo Aguirre Oliveira Junior y Marcos Aurélio de Souza y Luiz Fernando Barca y Adriana Margarida

Rodrigues Ferreira de Souza y Cristina Santos de Almeida

Desenvolvimento de hidrociclones para altos, médios e baixos teores de óleo/Development of high, medium and low oil content hydrocyclones

PALAVRAS-CHAVE:

hidrociclone oseparação óleo/água osistema compacto de separação oseparação ciclônica oprocessamento primário de correntes o

líquidas

abstract

This paper is intended to describe the steps and present the results of a Research and Development (P&D) project aimed at developing and quali-fying hydrocyclones for oil and water primary separation by Petrobras. The hydrocyclones families for high, medium and low oil content, respectively named as ATO, MTO and BTO were developed in this project and are cur-rently in the patent filing phase. The members of each one of them were initially conceived and analyzed by means of numeric simulations (CFD). The set-ups for these simulations were based on experimental investigation supplemental papers of the fluid-dynamics in hydrocyclones, with the use of Laser Doppler Anemometry (LDA and PIV) in acrylic models. After the selection of the geometries for optimum performance at the CFD, actual size steel prototypes were designed and built for each one of the afore-mentioned hydrocyclones families. It was also designed and built a two-skid mounted system and one control rack which comprise a Mobile Lab for Hydrocyclone Tests (LMTH, being the acronym in Portuguese) with which field tests were carried out (Buracica Field, Bahia) in the prototypes. As the last phase of the Research and Development (R&D) project, it was prepared a computer routine which allows the performance of a project of a compact

KEYWORDS

hydrocyclone ooil/water separation ocompact separation system ocyclonic separation oprimary processing of liquid streams o

Boletim técnico da Produção de Petróleo, Rio de Janeiro - volume 3, n° 2, p. 259-287 o

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de investigação experimental da fluido-dinâmica em hidrociclones, com a utilização de instrumen-tos de medição a laser (LDA e PIV), em modelos em acrí lico. Após a seleção das geometrias de melhor desempenho no CFD, foram projetados e construídos protótipos em aço inoxidável des-sas geometrias de cada uma das três famílias de hidrociclones citadas. Também foi projetado e construído um sistema composto de dois skids (estruturas modulares) e um rack de controle que juntos compõem o Laboratório Móvel para Testes de Hidrociclones (LMTH) com o qual foram rea-lizados os testes de campo (Campo de Buracica, na Bahia) dos protótipos. Como última etapa do projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), foi elaborada uma rotina de computador que permi-te a realização de um projeto de um sistema de separação compacto para uma aplicação espe-cífica qualquer, utilizando os hidrociclones das famílias citadas anteriormente posicionados em série na corrente rica em água. Essa rotina per-mite, partindo-se das características dos fluidos da aplicação em particular, selecionar o hidroci-clone mais adequado de cada uma das famílias disponíveis, calcular o número de hidrociclones a ser empregado, obter suas respectivas condi-ções operacionais e obter ainda uma estimativa da faixa de desempenho mínimo esperado na aplicação em questão.

introdução e histórico do projetointrodução

Equipamentos de separação c ic lônica são uma denominação genérica atr ibuída a ciclo -nes (onde a fase contínua é constituída por um vapor ou por um gás) e hidrociclones (onde a fase contínua é constituída por um líquido); a fase dispersa, por sua vez, é const i tuída por par ticulados sólidos ou líquidos. Tratam-se de equipamentos estáticos, constituídos da justa-posição de tubos cilíndricos e cônicos, visando a separação de fases pela atuação de uma força centrífuga que é por 2 a 3 ordens de grandeza superior à força gravitacional. Em função dessa característica, tais equipamentos tendem a ser muito mais compactos do que os separadores gravitacionais utilizados para a mesma função. Contrar iamente às centr í fugas, que também usam o campo centrífugo para possibilitar a se-paração, os hidrociclones não possuem partes móveis e não necessitam de acionamento me-cânico: a geração e a manutenção da rotação (que produz o campo centr ífugo) são obtidas pela indução de uma rotação corrente de ali -mentação do mesmo, imposta pela geometria do equipamento. Esse efeito é obtido, por exemplo, pela alimentação tangencial à parede cilíndrica do equipa-mento. Na figura 1 é mostrado um desenho esquemático de um desses equipamentos.

Uma característica relevante dos equipamentos ciclô-nicos de separação é o denominado efeito ciclônico a que fica submetido o fluido no interior do equipamento. Tal efeito, também observado em furacões, tufões e ciclones atmosféricos, é decorrente basicamente do princípio físi-co de conservação do momento angular da corrente de fluido e consiste no aumento da velocidade de rotação do fluido ao redor do eixo, para menores distâncias, ao eixo do equipamento. Na figura 2 é exibido um perfil de velocidade de rotação, doravante denominado de com-ponente azimutal da velocidade, numa seção transversal

separation system for any specific application, using the hydrocyclones of the families aforementioned in series in the streams rich in water. This routine enables, from the features of the fluids in the application in particular, to select the most appropriate hydrocyclone to be used, obtain their corresponding operating conditions and also to obtain an estimate of the minimum performance range expected in the application under analysis.

(Expanded abstract available at the end of the paper).

abstract

o Desenvolvimento de hidrociclones para altos, médios e baixos teores de óleo – Moraes et al.

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do equipamento, em função do raio (distância ao eixo do equipamento, situado na abcissa 0).

Como pode ser observado na figura 2, o valor absoluto da velocidade em regiões mais próximas do eixo (menores raios), atinge valores que são algumas vezes maiores do que o valor da velocidade na alimen-tação (junto à parede do equipamento – maior raio). Como a aceleração centrífuga é dada pela razão entre o quadrado do valor da velocidade e o valor do raio correspondente, decorre que para maiores velocidades e menores raios, a aceleração centrífuga atinge valores bastante elevados e, portanto, o campo centrífugo se torna o mecanismo de segregação radial das fases de diferentes densidades, concentrando a fase leve junto ao eixo e a pesada junto às paredes.

Outra característica bastante importante do esco-amento nos equipamentos ciclônicos é a denomina-da ocorrência da reversão de fluxo. Ela consiste na existência de dois sentidos opostos de escoamento na direção axial do equipamento. Essa reversão é produzida pelo campo de pressões que se esta-belece no escoamento, decorrente da rotação do fluido, onde os gradientes axiais de pressão, junto à parede do hidrociclone e junto ao eixo do mesmo,

são opostos gerando, portanto, escoamentos com sentidos opostos. Assim, a obtenção de correntes com fases separadas fica simplificada, uma vez que a corrente junto ao eixo (que concentra, pelo efeito centrífugo, a fase mais leve) sai por uma extremidade do equipamento (bocal de saída superior na figura 1, doravante denominado de overflow), enquanto que a corrente junto à parede (que, pelo efeito centrífugo, concentra a fase pesada) sai pela extremidade oposta (bocal de saída inferior, na figura 1, doravante deno-minado de underflow).

Figura 1 – Desenho esquemático de um hidrociclone e seu escoamento interno.

Figure 1 – Sketch of a hydrocyclone and its internal flow.

Figura 2 – Forma típica do perfil radial do componente azimutal da velocidade num hidrociclone.

Figure 2 – Typical shape of the radial pro-file of the azimuthal velocity component in a hydrocyclone.


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histórico do projeto

Tradicionalmente, a Petrobras, por meio de seu Centro de Pesquisas (Cenpes) tem atuado na disponibilização de equipamentos compactos de separação baseados em tecnologias ciclônicas para utilização em projetos de explotação offshore. Assim, por exemplo, quando havia dificuldades mercadológicas de suprimento de hidroci-clones para tratamento de águas oleosas (hidrociclones para baixíssimos teores de óleo - < 0,1%, denominados de hidrociclones de-oiling), há cerca de 20 anos, foi em-preendido um projeto de desenvolvimento desse tipo de hidrociclones que resultou em projeto e em patentes Petrobras de algumas versões do equipamento. Ainda hoje, tais projetos são utilizados por meio de fabricantes qualificados e licenciados pela companhia, fornecendo conjuntos de hidrociclones de-oiling principalmente para revamp de sistemas de tratamento de águas oleosas em unidades offshore de produção.

Posteriormente, já em fins da década de 90, teve iní-cio um projeto multicliente, liderado pela então Kvaerner Process Systems, norueguesa, que visava à qualificação de novos hidrociclones desenvolvidos pela própria Kva-erner, destinados à separação de correntes de líquidos com teores mais elevados de óleo. Vislumbrava-se a utilização de sistemas compactos de separação cons-tituídos por um separador ciclônico gás-líquido e por conjuntos de separadores ciclônicos líquido-líquido em série na corrente rica em água. Tal sistema compacto de separação poderia ser utilizado tanto em topside, para desengargalar plantas de processamento primário cuja capacidade estaria comprometida pelo grande volume de água, como também ser utilizado em sistemas sub-marinos de separação óleo/água.

A participação da Petrobras no projeto foi tardia (2001), quando a então Kvaerner já enfrentava crise eco-nômico-financeira e começava a descontinuar o projeto, sem ter testado os equipamentos principais com óleos pesados ou médios. Assim, os hidrociclones denominados de Bulk Oil-Water Cyclones (BOWC) (para teores de óleo de até 50%) e os hidroclones denominados de Pre De-oiler Cyclones (PDC) (para teores de óleos abaixo de 15%) não chegaram a ser avaliados no projeto para óleos com características dos óleos produzidos pela Petrobras.

Por essa razão, foi realizado, no período entre 2003 e 2005, um projeto interno Petrobras no qual foram avaliados os hidrociclones citados em testes de campo realizados na plataforma Pampo (PPM-1). Os resultados de desempenho do sistema nessa plataforma mostra-ram que tal tecnologia era promissora, destacando-se as seguintes conclusões:

A tecnologia de separação ciclônica comprovou ser viável, mesmo para óleos pesados, sendo observadas as seguintes diferenças relativas à tecnologia convencional (separador gravitacional):

• menores peso e dimensões para uma mesma capacidade;

• menor capacidade de lidar com instabilidades na alimentação;

• desempenho semelhante ao do separador gravi-tacional, necessitando de aquecimento e de de-semulsificantes (downhole) para processar óleos pesados;

• em geral, melhor qualidade da água efluente.

Tendo em vista tais conclusões e, em virtude de di-ficuldades empresariais enfrentadas pela Kvaerner que resultaram na sua incorporação pela empresa Aker, o que levou à desmobilização dos técnicos daquela empresa, envolvidos no projeto multicliente citado, o E&P (Explo-ração & Produção) solicitou ao Cenpes, em reunião do Comitê Técnico Organizacional da área de Produção, que desse início a um projeto de P&D visando desenvolver hidrociclones Petrobras destinados a operar com teores mais elevados de óleo, à semelhança do que havia sido feito, quase duas décadas antes, com os hidrociclones de-oiling. Teve início assim, no Cenpes, o Projeto de P&D denominado Desenvolvimento de Hidrociclones para Altos, Médios e Baixos Teores de Óleo, posteriormente integrado ao projeto PD-10906 – Desenvolvimento de Tecnologias Ciclônicas.

O desenvolvimento de três novas famílias de hidro-ciclones, objeto do projeto descrito neste trabalho, e que foram denominadas respectivamente de hidro-ciclones para altos teores de óleo (ATO), para teores de óleo de 20% a 60%, hidrociclones para médios teores de óleo (MTO), para teores entre 3% e 20% e,


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finalmente, hidrociclones para baixos teores de óleo (BTO), para teores entre 0,1% e 5%, compreendeu as seguintes fases:

• concepção geométrica de futuros protótipos;• experimentos laboratoriais com medições de

grandezas fluido-dinâmicas fundamentais em modelos físicos de hidrociclones, utilizando instrumentos de medição a laser para subsidiar análises numéricas;

• simulações numéricas comparativas (em CFD) das geometrias concebidas;

• seleção das geometrias de melhor desempenho potencial indicado nas simulações numéricas;

• projeto e fabricação dos protótipos mais pro-missores para testes de campo;

• projeto e fabricação do Laboratório Móvel de Testes de Hidrociclones;

• testes de campo (Campo de Buracica – Unidade de Negócios da Bahia – UN-BA);

• análise dos resultados e elaboração de proce-dimento de projeto de sistemas ciclônicos de separação óleo/água com os novos hidrociclo-nes Petrobras;

• início do processo de depósito de patente dos novos hidrociclones.

As fases citadas serão descritas neste artigo, mostrando toda a evolução dos trabalhos que conduziram à disponibilização para a Companhia, de uma nova tecnologia. Essa disponibilização deu-se não somente, pelo projeto e pelo depósito de patente dos novos protótipos de hidrociclones, mas também pela elaboração de um procedimento computacional de seleção dos hidrociclones mais adequados para uma aplicação específica. Tal pro-cedimento fornece:

a) a configuração de um sistema de separação ciclônica utilizando três conjuntos em série de hidrociclones (das novas famílias);

b) a condição operacional a ser ajustada para cada conjunto;

c) a estimativa de desempenho mínimo esperado dos mesmos.

estudo das novas concepções de hidrociclonesconcepção das geometriasde futuros protótipos

Algumas das características internas dos novos hidrociclones basearam-se no antigo projeto dos hi-drociclones de-oiling Petrobras. Por exemplo, as três novas famílias de hidrociclones utilizam um projeto dos canais de alimentação com características exclu-sivas dos projetos Petrobras. Tais características apre-sentam a vantagem de reduzir as perdas localizadas na entrada do equipamento, consistindo basicamente em dotar o hidrociclone de canais, diametralmente opostos de entrada, com seção transversal que se reduz gradativamente para acelerar suavemente o fluido. Essa configuração tem a vantagem de mini-mizar choques e turbulências localizados na entrada do hidrociclone que contribuiriam para prejudicar a separação. Tal característica é ainda mais desejável quando se trata de processar correntes contendo grandes glóbulos de fase dispersa, como é o caso dos novos hidrociclones em comparação com os hi-drociclones de-oiling tradicionais, cuja corrente de entrada é composta por água contendo gotículas de óleo de pequeno diâmetro.

Algumas concepções dos hidrociclones, visan-do operar com teores de óleo de médios a baixos, foram equipadas com uma válvula interna na saída da corrente rica em água (underflow), também pre-sente nos hidrociclones de-oiling Petrobras. Esta última característica, após os resultados dos testes de campo, mostrou-se essencial para a otimização do desempenho, particularmente da família de hi-drociclones BTO.

Considerando-se as características mencionadas, comuns aos novos hidrociclones, diferentes relações geométricas (diâmetros das seções cilíndrica e cônicas, comprimento dessas seções, ângulo de conicidade etc.) foram concebidas como ponto de partida para o projeto de novas famílias de hidrociclones.


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Figura 3 – Esquema de funcionamento do LDA.

Figure 3 – Sketch of LDA system and its functioning principles.

estudos experimentais da fluido-dinâmica do escoamento em hidrociclones

Com a finalidade de subsidiar a simulação numérica, no que tange à seleção dos modelos fluido-dinâmicos (particularmente de turbulência) e das condições de contorno a serem consideradas e implementadas nas simulações numéricas, foram realizados experimentos laboratoriais no Cenpes, com modelos físicos, para medi-ção do campo de velocidades e de grandezas turbulen-tas, utilizando-se anemometria a laser. Dois instrumentos foram utilizados nesses experimentos, o denominado laser doppler anemometer (LDA) e o denominado parti-cle image velocimeter (PIV). Para isso, foram construídos alguns modelos em acrílico de hidrociclones que foram montados no Laboratório de Velocimetria de Fluidos, no Cenpes / Gerência de Tecnologia de Processamento Primário e Avaliação de Petróleos (TPAP).

Ambos os instrumentos (LDA e PIV) utilizam técnicas óticas de medição de velocidade e necessitam da utiliza-ção de partículas (seeds) dispersas no seio do fluido.

Tratando-se do escoamento em hidrociclones, com intensos campos centrífugos, é necessário que as partí-culas sejam de tamanho reduzido e de densidade igual ou muito próxima à densidade do fluido para que não haja movimento relativo partícula/fluido. O LDA utiliza o denominado efeito Doppler que sofre a luz espalhada pela partícula para determinar a velocidade da mesma. O efeito Doppler é a variação na freqüência de uma onda eletromagnética emitida – ou espalhada – por uma fonte que se desloca em relação ao observador.

Esse instrumento determina a velocidade num único ponto do domínio do escoamento em cada etapa da medição.

A freqüência de aquisição de dados é muito eleva-da (da ordem de kHz), o que permite medir flutuações de velocidade de alta freqüência (turbulência). São necessários três feixes de lasers com comprimentos de onda distintos para que se possam determinar os três componentes da velocidade (LDA-3D) ou os seis componentes do tensor de Reynolds. A figura 3 mostra o esquema de funcionamento do LDA.

O PIV também utiliza técnica ótica, mas trata-se de uma medida direta da velocidade das partículas pela visualização (tomada de fotografia digital) dessas partículas em dois instantes de tempo muito próxi-mos. Um software de análise de imagens identifica as partículas nas duas fotos e, pela razão entre a distância percorrida por uma partícula (diferença de posição dessa partícula nas duas fotos) e o tempo entre as fotos, obtém diretamente o vetor veloci-dade. Como se trata de uma nuvem de numerosas partículas, essa técnica permite a visualização de um campo de velocidades, ou seja, dos vetores velocida-de simultaneamente em diversos pontos do domínio de escoamento. Entretanto, a taxa de aquisição do instrumento é menor que a do LDA, ficando na faixa de Hz. Na figura 4 é apresentado o esquema de fun-cionamento do PIV.

Montou-se no Centro de Pesquisas da Petrobras (Cenpes), um laboratório de velocimetria de fluidos, onde os experimentos citados foram realizados. O circuito de testes foi concebido, por simplicidade,


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como unicamente monofásico. Esse circuito é mostrado na figura 5.

Nas figuras 6 e 7 são indicados, respectivamente, o LDA e o PIV em operação no Laboratório de Velocimetria de Fluidos, no Cenpes.

Na figura 8 são apresentados alguns resultados ob-tidos com o LDA numa determinada seção transversal de um hidrociclone (situada 440mm abaixo da seção de saída de overflow), onde são mostrados os perfis radiais de velocidade média de rotação ao redor do eixo do hi-drociclone (perfil azimutal) e os de velocidade média ao

Figura 4 – Esquema de funcionamento do PIV.

Figure 4 – Sketch of PIV System.

Figura 5 – Circuito de testes do Laboratório de Velocimetria de Fluidos do Cenpes.

Figure 5 – Flow diagram of the Fluid Velocimetry Lab at Cenpes.

longo do eixo do equipamento (perfil axial). Essa mesma figura mostra ainda, para a mesma seção transversal, a distribuição radial das flutuações absolutas de velocidade para os dois componentes de velocidade citados.

Na figura 9 são exibidos os resultados de medições usando o PIV para dois intervalos de aquisição de dados. No primeiro caso, o tempo de aquisição foi de 18µs, mostrando claramente a precessão do vórtice central ao redor do eixo do equipamento. No segundo caso, é exibida a medição média da aquisição de 200 ima-gens, mostrando uma imagem muito mais próxima

Figura 7 – Câ-meras do sistema PIV posicionadas sobre o modelo de hidrociclone.

Figure 7 – PIV System investiga-ting the flow in a hydrocyclone model.

Figura 6 – Sonda do LDA em operação mostrando os lasers incidindo em um mode-lo de hidrociclone.

Figure 6 – LDA probe in operation in a hydrocyclone model.

Reservatório

de fluido

Variador de Frequência

PT PT

PT

Modelode

Hidrociclone

Bomba


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Figura 8 - Perfis de velocidade (azimutal e axial) e de flutua-ções (absolutas) de velocidade para os dois componentes medidas pelo LDA.

Figure 8 – Radial profile of the azimuthal and axial velocity components and their abso-lute fluctuation measured by LDA in a hydrocyclone.

Figura 9 – Imagens do campo de velocidades num plano axial de um hidrociclone (à esquerda, uma

imagem com 18µs e à direita, uma média de 200 imagens).

Figure 9 – Velocity Fields in axial plane of a hydrocyclone, measured

by PIV – acquisition time of 18 µs on the left and a average of 200 images on the right.

da axissimetria normalmente considerada no escoamento médio do hidrociclone, o que mostra que a precessão tem um comportamento axissimétrico.

Os resultados das medições obtidas em alguns mo-delos físicos de hidrociclones, construídos em acrílico, foram comparados com os resultados obtidos de si-mulações numéricas utilizando CFD, sobre as mesmas geometrias de hidrociclones. Essa comparação tornou possível selecionar os melhores modelos de turbulência a serem empregados, ajustar os melhores parâmetros da simulação assim como possibilitou determinar as condições de contorno mais adequadas a serem pres-critas para que as simulações conduzissem a resultados realistas. Tal análise prévia forneceu condições para que fossem realizadas as simulações numéricas comparativas sobre as novas concepções de hidrociclones das famílias ATO, MTO e BTO.

simulação numérica das geometrias concebidas

O escoamento no interior do hidrociclone é bastante complexo por tratar-se de um problema altamente elípti-co pela presença de um fluxo reverso intenso, onde não só a geometria, mas as condições de contorno, tanto na entrada como em qualquer das duas saídas (overflow e underflow), influenciam dramaticamente a solução numérica do escoamento. Além disso, o escoamento apresenta linhas de corrente com curvatura acentuada e forças de campo muito intensas, o que torna inade-quada a utilização de modelos de turbulência com base no conceito de viscosidade turbulenta levando à neces-sidade de se empregarem modelos de maior ordem, bem mais complexos e de alto custo computacional. Essas complexidades intrínsecas ao problema levaram

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à decisão de investigar numericamente (CFD) as novas geometrias de hidrociclones considerando-se apenas o escoamento monofásico (água).

Após um melhor ajuste das condições de contorno e dos parâmetros da simulação, pela análise compa-rativa com as medições dos campos de velocidade no Laboratório de Velocimetria de Fluidos, estabeleceu-se um set-up de referência para as simulações numéricas comparativas das diversas geometrias concebidas. O objetivo dessa análise numérica comparativa foi a se-leção das geometrias que levaram a maiores valores do componente azimutal (velocidade de rotação ao redor do eixo do equipamento), já que foi assumido que tal componente está diretamente relacionado à eficiência de separação por ser o componente gerador da força centrífuga.

Nas figuras 10 e 11 é indicada a investigação de um dos parâmetros da simulação que foi previamente otimi-zado antes de se iniciarem as simulações comparativas.

Tal parâmetro é o refinamento da malha, verificando-se sua influência sobre a solução.

Uma vez definidos os parâmetros e as condições de contorno mais adequados para as simulações com-parativas, foram realizadas as simulações das diversas concepções geométricas assumidas para os novos hidrociclones. Esse processo visou a seleção daquelas concepções que se mostraram mais promissoras do ponto de vista de eficiência de separação, ou seja, que tiveram maiores valores do componente azimutal da velocidade em diversas seções ao longo do domínio de escoamento. Nas figuras 12 e 13 são mostrados alguns dos resultados das simulações.

seleção das geometrias de melhor desempenho nas simulações

Com base nos resultados das simulações com-putacionais, foram selecionadas as geometrias de

Figura 10 – Esquema da malha utilizada nas si-mulações dos novos modelos de hidrociclones.

Figure 10 – Mesh analysis for simulations of the flow in the hydrocyclones.

Figura 11 – Resultado comparativo entre uma malha grosseira (em cima) e uma malha refi-nada (em baixo), mostrando que a captura da região da máxima velocidade azimutal em todo o domínio somente ocorre com a malha mais refinada.

Figure 11 – Comparative result considering co-arse mesh (top) and fine mesh (bottom) on the azimuthal velocity component map.


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Figura 13 – Perfis de velocidade azimu-tal obtidos das simulações numéricas comparativas, resultantes de duas geo-metrias distintas dos novos hidrociclo-nes ATO-M2 e ATO-M4, mostrando a superioridade do ATO-M2.

Figure 13 – Comparison of the azimu-thal velocity profiles obtained for two different hydrocyclones ATO-M2 e ATO-M4, showing the best performance of ATO-M2.


Figura 12 – À direita, perfis do com-ponente azimutal de velocidade, em seis seções distintas de um hidroci-clone indicadas à esquerda, obtidos por simulação com CFD.

Figure 12 – Azimuthal velocity com-ponent profile (on the right) obtained for six different cross sections of the hydrocyclones (shown on the left).

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hidrociclones mais promissoras de cada uma das três novas famílias (BTO, MTO e ATO), destinadas respecti-vamente a processar teores decrescentes de óleo. Para a fase seguinte desse projeto de P&D, a de execução do projeto mecânico e a de construção dos protótipos em aço, foram selecionados três diferentes hidrociclones para cada uma das famílias e, ainda, cada um desses hidrociclones, pode receber distintos diâmetros do orifício de saída da corrente rica em óleo (overflow).

Os hidrociclones para altos teores de óleo sele-cionados foram os denominados de ATO2, ATO5 e ATO6, que diferem geometricamente entre si, e para os quais foram considerados orifícios de overflow de 6; 7,5; 10 e 12,5mm, o que combinado resulta poten-cialmente em doze novas concepções. Similarmente, para os hidrociclones destinados a processar médios teores de óleo, foram selecionados os hidrociclones denominados de MTO2, MTO4 e MTO6, para os quais foram considerados os orifícios de overflow de 4; 5; 6; 7,5 e 10mm. Para os hidrociclones processarem teores ainda menores de óleo (alguns poucos pontos per-centuais), denominados de hidrociclones para baixos teores de óleo, foram selecionados os hidrociclones denominados de BTO1, BTO2 e BTO3, para os quais foram considerados diâmetros do orifício de overflow variando de 1 a 5mm. Na figura 14 é apresentada a configuração de uma das geometrias selecionadas.

atividades visando testes de campo para qualificação dos novos hidrociclones projeto e fabricação dos protótipos para testes de campo

Uma vez definidas as dimensões internas das três fa-mílias de hidrociclones, partiu-se para o projeto mecânico dos mesmos. Essa etapa foi realizada pelo Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Ita-jubá (UNIFEI). De posse do projeto, algumas partes dos protótipos foram executadas nas oficinas de usinagem na própria universidade e outras partes, em empresas de usinagem, situadas na cidade de Itajubá (MG). Visando à facilidade operacional nos testes, houve uma preocupa-ção em projetar os protótipos de forma que cada hidro-ciclone (liner) fosse dotado de flanges de conexão direta com as linhas dos módulos de testes (LMTH), (também a serem projetados e construídos, como se verá adian-te) sem necessidade de que esses hidrociclones fossem acomodados em vasos. Na figura 15 é exibida uma das pranchas do projeto mecânico, executado na UNIFEI, de um dos hidrociclones considerados. As figuras 16 e 17 mostram componentes dos protótipos em fabricação.

Figura 14 – Configuração geométrica de um dos hidrociclones selecionados na análise numérica.

Figure 14 – Geometric configuration of one of the hydrocyclones selected from the numerical analysis.

Figura 15 – Projeto mecânico de um dos novos hidroci-clones (vista em corte).

Figure 15 – Mechanical design of one of the new hydrocyclones.


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Figura 16 – Partes dos protótipos durante a fabricação.

Figure 16 – Parts of the new prototypes during manufacturing.

Figura 17 – Detalhes dos canais de alimentação e do orifício de overflow.

Figure 17 – Detail of the inlet channels and overflow orifice parts.

projeto e fabricação do laboratório móvel de testes de hidrociclones (LMTH)

O denominado Laboratório Móvel de Testes de Hidrociclones (LMTH) é constituído de três módulos, construídos de forma independente, visando à facilida-de de transporte, mas que são interconectados para a realização dos testes.

O módulo 1, também denominado de skid de con-dicionamento de carga, é constituído por duas seções: a primeira delas é a seção de separação gravitacional de gás, armazenamento de líquido e bombeamento (seção 1A) e a segunda seção constitui-se em um se-parador ciclônico de gás do tipo gas liquid cylindrical cyclone (GLCC), que podem ser separadas para facilitar o transporte.

O objetivo deste módulo é condicionar a carga e permitir flexibilidade de opções de alimentação dessa carga ao módulo 2 (skid de hidrociclones). O óleo e a água podem ser alimentados separadamente, já que há reservatórios independentes para esses dois fluidos. No caso de alimentação separada dos dois fluidos, o módulo 1 permite a geração de uma dispersão óleo/água artificial que é enviada para os hidrociclones. Alternativamente, apenas o reservatório de óleo, que também é um separador gravitacional de gás, pode ser utilizado para receber a dispersão natural provenien-te de um poço produtor, separando o gás associado e enviando a dispersão ao módulo de hidrociclones.


Alternativamente ainda, pode ser utilizado o GLCC, que constitui a seção 1B deste módulo, para promover a se-paração gás/líquido em lugar do separador gravitacional. O equipamento (GLCC) foi desenvolvido dentro de um projeto multicliente com a Universidade de Tulsa, (OK - Estados Unidos). A seção 1B é fixada mecanicamente à seção 1A, sendo sua separação, apenas para fins de transporte, quando o transporte de ambos montados apresentar algum inconveniente como, por exemplo, excesso de peso.

O LMTH foi projetado e construído para testar até três hidrociclones (liners) que podem ser alinhados de forma que os três operem em série, relativamente à corrente rica em água ou, ainda, alternativamente, os dois primeiros em paralelo entre si e em série com o terceiro. A figura 18 mostra o módulo 1, durante a fabricação na UNIFEI.

O módulo 2 do LMTH é também chamado de skid de hidrociclones, constitui o coração do LMTH, pois é nesse módulo onde se encontram os hidrociclones propriamen-te ditos e a instrumentação necessária para os testes dos mesmos (medidores de vazão mássica, tipo Coriolis, trans-dutores de pressão e até um medidor de BS&W). Além disso, há ainda uma bomba de recirculação de água (para uso em caso de baixos BS&W na entrada) e um sistema (tanque e bomba) para injeção de aditivos químicos. A figura 19 mostra o módulo 2 em fabricação na UNIFEI.

O módulo 3 é um rack para o comando dos motores das bombas do módulo 1 (dotados de variador de freqü-ência, VSD) e para o controle; trata-se de uma unidade acondicionada sob a forma de um pequeno carro que

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controlador e módulos I/O e a comunicação com o mi-crocomputador central, por fibra ótica, tem a vantagem de associar um sistema muito flexível, relativamente a alterações das configurações de controle e supervisório, com uma unidade versátil para testes de campo em áreas classificadas.

A idéia básica do sistema de aquisição e controle desenvolvido foi a de proporcionar completo controle ao operador do sistema de forma que suas vontade e intenção sempre prevaleçam sobre o sistema.

O sistema de controle possui diversos níveis de segu-rança que sempre informam ao operador a ocorrência de um evento. Assim, o operador pode selecionar se o software responderá de forma automática ao evento ou se quem responderá é o próprio operador.

desempenha a função de CCM para as bombas dos mó-dulos anteriores, abrigando ainda o microcomputador para controle de operação do LMTH e gerenciamento do sistema de aquisição de dados. O microcomputa-dor de controle geral do sistema pode ser operado afastado desse módulo, ao qual se conecta por fibra ótica. A figura 20 mostra o rack de controle (módulo 3 do LMTH).

Os módulos 1 e 2 foram projetados e construídos para instalação em área classificada, atendendo aos requisitos de ex-proof.

sistema de monitoramento, aquisição de dados e controle do LMTH

Para atingir os requisitos operacionais necessários ao LMTH, o hardware para o sistema de monitoramento, aquisição de dados controle dessa unidade foi elabo-rado em uma plataforma baseada em um controlador automático programável da linha Compact FieldPointTM do fabricante National Instruments.

A comunicação do controlador com o PC foi rea-lizada por meio de uma rede padrão ethernet e pela utilização de um cabo de fibra ótica.

Essa concepção de controle e supervisão utilizan-do caixas blindadas (ex-proof ) para acomodação do

Figura 18 – Módulo 1: fabricação do skid de condiciona-mento de carga e GLCC (em cinza, à esquerda).

Figure 18 – Fabrication of LMTH – module 1 for conditio-ning of the test oil and water stream and GLCC (in grey, on the left).

Figura 19 – Módulo 2 : skid para os testes de hidrociclones (durante a fabricação).

Figure 19 – LMTH – module 2 – hydrocyclone test skid (during assembling).


o 272

Figura 21 – Visão geral do painel de controle do LMTH no microcomputador.

Figure 21 – Microcomputer LMTH control window.


Cabe ao operador, operando de forma manual o sis-tema, encontrar o ponto de operação desejado e, quan-do encontrado, pode ser selecionada a manutenção de forma automática das condições de ensaio ou não.

Essa concepção se justifica em função de se tratar de um banco de testes destinado a permitir explorar condições de operação que normalmente não seriam usuais e que sempre será operado por um especialista com conhecimento e habilidade suficientes para tomar decisões.

A estrutura de controle foi implementada em am-biente LabView que foi escolhido devido à sua facilidade de programação e por incluir a estrutura de controle e o sistema supervisório em uma única plataforma.

O sistema de aquisição de dados foi programado com um clock de 1[s], ou seja, a cada segundo são adquiridas informações de todos os sensores existen-tes, executadas todas as comparações e ações de con-trole. São registradas 54 variáveis do processo a cada segundo.

Outra função do painel de controle primário é a de permitir que as informações mais relevantes sejam apresentadas na forma gráfica e selecionar qual janela temporal desses dados deverá ser visível.

A figura 21 mostra o painel de controle e supervisão, como visto no monitor do computador de controle do LMTH.

testes no Campo de Buracica (UN-BA)

introdução

Durante as fases iniciais deste projeto de P&D, que fez parte da carteira de projetos do Programa de Óleos Pesados da Petrobras (Propes), havia sido previsto que os primeiros testes seriam realizados na plataforma P-34, no Campo de Jubarte. Infelizmente, isso não foi possível, uma vez que essa plataforma não se tornou disponível para os testes em tempo compatível com o andamento deste projeto. Sendo assim, foi oferecido pelo E&P o campo onshore de Buracica, na Bahia, para a realização da primeira campanha de testes com o LMTH.

O envio, a interligação e a pré-operação do LMTH na Estação Tororó, Campo de Buracica (UN-BA),

Figura 20 – Módulo 3: CCM e controle do LMTH.

Figure 20 – LMTH – Module 3 – Pump VSD com-mand and control.

273 o

realizaram-se em maio de 2008. Nas figuras 22 a 24 são mostrados o envio e a interligação do LMTH na re-ferida estação coletora.

objetivos dos testes

Os testes foram planejados visando determi-nar as curvas de comportamento hidrodinâmico e as de desempenho dos protótipos de hidrociclones. A obtenção dessas curvas, além de permitir uma com-paração entre os protótipos testados, permite também projetar um sistema de hidrociclones para processamento primário, em uma aplicação particular. Esses objetivos foram alcançados, embora tenha havido limitações ób-vias de uma única instalação de testes, com um único tipo de óleo.

Duas são as curvas de comportamento hidrodinâmico dos hidrociclones que foram consideradas. A primeira delas, denominada de curva de capacidade do hidroci-clone, relaciona a vazão mássica pelo hidrociclone com a perda de pressão entre a alimentação e a corrente de saída rica em água. Para a descrição da segunda curva, torna-se necessário a definição de alguns parâmetros ligados ao escoamento em hidrociclones, tais parâmetros são o split e a razão de perda de carga (DPR).

Define-se split como a fração (ou o percentual) da vazão de alimentação que deixa o hidrociclone pelo orifício de overflow. Já o DPR é definido como a razão entre a perda de carga da alimentação para o overflow e a perda de carga da alimentação para o underflow. Para mais clareza, esses conceitos podem ser vistos na figura 25.

Onde:Qoe = vazão de óleo na entrada;Qae = vazão de água na entrada;Qte = vazão total na entrada;Qoo = vazão de óleo que sai pelo overflow;Qao = vazão de água que sai pelo overflow;Qto = vazão total que sai pelo overflow; Qou = vazão de óleo que sai pelo underflow;Qau = vazão de água que sai pelo underflow;Qtu = vazão total que sai pelo underflow;Pa, Po, e Pu = respectivamente, as pressões na entrada, no overflow e no underflow.

Figura 22 – Carregamento para transporte do LMTH.

Figure 22 – Load to transport of LMTH to Bura-cica Field – Bahia.

Figura 23 – LMTH em instalação, Estação To-roró (Campo de Buracica – UN-BA).

Figure 23 – Installation of LMTH at Tororó pro-duction station (Buracica Field – Bahia).

Figura 24 – Detalhes das conexões do LMTH com a Estação Tororó (Campo de Buracica – UN-BA).

Figure 24 – Hook up of the LMTH to Tororó Station (Buracica Field – Bahia).


o 274

Figura 26 – Conceito de eficiência de separação do hidrociclone.

Figure 26 – Concepts of separation efficiency of the hydrocyclone.

Figura 25 – Conceitos de split e DPR.

Figure 25 – Concepts of split and DPR.

A segunda classe de curvas do comportamento hidro-dinâmico, obtidas experimentalmente, relaciona o split com o DPR para cada um dos hidrociclones testados.

Finalmente, as curvas de desempenho devem relacio-nar a eficiência de separação do hidrociclone ao split ope-racional do mesmo, sendo essas curvas parametrizadas em função do teor de óleo na alimentação. O conceito de eficiência do hidrociclone também é sujeito a diversas interpretações, já que várias são as possibilidades de se definir e se calcular sua eficiência. No presente projeto, decidiu-se adotar um conceito de eficiência que leva em conta a pureza de ambas as correntes que deixam o hi-drociclone: overflow e underflow. Como, por hipótese, deseja-se que todo o óleo que entra no hidrociclone seja removido pelo overflow, definiu-se a eficiência de remo-ção de óleo como sendo a relação entre a vazão de óleo que sai pelo overflow do hidrociclone e a vazão, dessa mesma fase, que entra no hidrociclone. Similarmente, a eficiência de remoção de água é a relação entre a vazão de água que deixa o hidrociclone pelo underflow (por onde se deseja retirar o máximo possível de água) e a vazão, dessa mesma fase, que entra no hidrociclone. A eficiência global de separação do hidrociclone é calcula-da pelo produto da eficiência de remoção de óleo pela eficiência de remoção de água. Na figura 26 é esque-matizado o conceito de eficiência adotado.


Deve ser observado que, com a definição do item an-terior, a eficiência global de separação do hidrociclone é governada pela menor eficiência de remoção observada. Assim, por exemplo, se todo o óleo que entra no hidro-ciclone for removido pelo overflow e metade da água que entra no hidrociclone também sair por esse orifício, a eficiência de remoção de óleo será de 1 (ou 100%), mas a eficiência de remoção de água será de 0,5 (ou 50%) e, portanto, a eficiência global, que é o produto das duas, será também de 0,5 ou 50%.

testes de laboratório

Para cada configuração de hidrociclones das três novas famílias em teste − após os ajustes do LMTH para determinado ponto operacional, além dos registros dos dados coletados pelo sistema de aquisição de dados do LMTH − foram coletadas amostras das correntes de alimentação e das correntes que deixam os underflows dos hidrociclones para testes laboratoriais visando à de-terminação do desempenho de cada hidrociclone.

Os teores de água e de óleo na entrada do sistema de hidrociclones do LMTH foram estimados por leitura direta nos frascos graduados de coleta das amostras. O teor de óleo na água oleosa que deixa o hidrociclone de último estágio do LMTH foi, por sua vez, determinado

275 o

procurando-se otimizar o número de pontos a serem ensaiados, ou seja, visando-se realizar o número mínimo de ensaios necessários para se obter as informações do comportamento hidrodinâmico e do desempenho de todos os hidrociclones.

Observou-se entretanto que, na Estação de Tororó, por limitações de máximo teor de óleo (mínimo BS&W) dos poços produtores, não seria possível se obterem in-formações adequadas sobre o desempenho dos hidroci-clones para altos teores de óleo (família de hidrociclones ATO). Com objetivo de suprir tal deficiência nos testes, decidiu-se avaliar o desempenho desses hidrociclones operando-os como hidrociclones para médio teor de óleo. Apesar dessas limitações e de alguns problemas decorrentes do alto ponto de fluidez dos óleos do Campo de Buracica que precipitavam parafina, tornando-se prati-camente sólidos em temperaturas inferiores a 35°C − foi possível caracterizar os componentes das novas famílias de hidrociclones.

Como exemplo típico das curvas obtidas para cada um dos membros das novas famílias de hidrociclones, apresenta-se a seguir os resultados obtidos para o hidro-ciclone MTO6, da família de hidrociclones para médios teores de óleo (MTO).

Na figura 29 é apresentada a curva de capacidade do hi-drociclone MTO6. Essa curva relaciona a vazão de um hidroci-clone com a perda de carga da alimentação (ou entrada) para o underflow, ou seja, ( )UEE PPfQ −= . Obviamente, essa curva pode variar para diferentes diâmetros do orifício de overflow utilizados no mesmo hidrociclone.

Na figura 30 é mostrada a relação entre o split, que é o percentual da vazão de alimentação que sai pelo overflow e a razão de perdas de carga entre a entrada

pela utilização de um medidor Hach de absorção es-pectrofotométrica em solução do óleo extraído em clo-rofórmio da amostra coletada, conforme procedimento padronizado Petrobras PE-3ED-01388-F. Nas figuras 27 e 28 são expostas, respectivamente, as amostras coletadas e o processo de extração de óleo da água oleosa efetuado no laboratório do Campo de Buracica (BA).

resultados obtidos

Previamente ao início da campanha de testes no Campo de Buracica, elaborou-se um planejamento dos experimentos a serem realizados nesse campo, visando otimizar o número de ensaios a serem executados. Para tal planejamento, foi utilizado o software MiniTab®,

Figura 27 – Coleto-res de amostras de fluidos dos testes com o LMTH.

Figure 27 – Test fluid sample colec-tors with LMTH.

Figura 28 – Procedimento de extração do óleo da água oleosa efluente do BTO.

Figure 28 – Procedure for extraction of oil from oily water effluent from BTO hydrocyclone.


o 276

e as duas saídas, na forma: UE

OE

PPPP

DPR−−

= . Observa-se que, tanto a vazão que sai pelo overflow como a perda de carga por esse orifício são muito influenciadas pelo diâmetro do mesmo. Sendo assim, as curvas para os diferentes diâmetros do orifício de overflow são muito distintas.

Finalmente, nas figuras 31 e 32 são exibidas as curvas de eficiência do hidrociclone em função do split, que são diferentes para diferentes orifícios de overflow (a figura 31 refere-se ao orifício de overflow de 6mm de diâmetro e a figura 32, ao orifício de 7,5mm de diâme-tro). é claro que a curva de eficiência é função também do teor de óleo na alimentação, portanto as curvas são parametrizadas em relação a essa variável.

A utilização das curvas mencionadas em projetos pode ser assim exemplificada:

• inicialmente, têm-se os dados da instalação onde, por hipótese, quer-se instalar um sistema de MTO6 para processar determinada vazão de líquido (óleo + água), com um teor de óleo determinado (<20%). Dispõe-se ainda de uma máxima queda pressão EUP , da alimentação (en-trada) para a corrente rica em água (underflow) também conhecida;

• tomando-se a raiz da perda de carga dis-ponível para corrente rica em água e utili-zando-se o gráfico da figura 29, obtém-se a capacidade de um liner em função, também, do diâmetro do orifício de overflow;

• com a vazão total de líquido e a capacidade de um liner, determina-se o número de liners necessário para se processar a vazão total;

• com o teor de óleo na alimentação, é pos-sível, util izando-se as curvas das figuras 31 ou 32 (conforme o orifício de overflow escolhido), escolher um split de operação adequado. Exemplo: o teor de óleo é de 10%, se for utilizado um diâmetro de over-flow de 6mm, então o split seria em torno de 13%;

• com o split adequado, utiliza-se a figura 30 para se determinar o DPR operacional do sistema a ser instalado. No exemplo: split de 13% ⇒ DPR ≈ 1,37.

De modo análogo, é possível se correlacionar os resultados obtidos nos testes de campo para os outros membros da família MTO e para os demais hidrociclones das famílias ATO e BTO.


Figura 29 – Curvas de capacidade do hidrociclone MTO6.

Figure 29 – MTO6 hydrocyclone capacity curve.

Figura 30 – Curvas de split X DPR do hi-drociclone MTO6.

Figure 30 – Split X DPR for hydrocyclone MTO6.

277 o

Como já mencionado, somente foi possível se avaliar a eficiência dos hidrociclones ATO quando funcionando como MTO, ou seja, para teores de óleo abaixo de 20%. Verificou-se, por exemplo, que o óleo do Campo de Buracica, o ATO5, ope-rando com o orifício de overflow de 6mm, tem, de fato, um comportamento de MTO, com desem-penho adequado (>90%), quando o teor de óleo na alimentação é de 10% e o split de operação é ajustado em cerca de 14%.

considerações sobre a operação com hidrociclones

Como descrito na introdução, hidrociclones são separadores estáticos que utilizam a pressão dispo-nível no processo e transformam essa pressão em energia cinética de rotação. Desse modo, a chamada perda de carga provocada pelo hidrociclone, que é na realidade uma conversão de energia de pressão em energia cinética, é fundamental para o processo de separação, ou seja, maior perda de carga implica em

Figura 31 – Curvas de efici-ência do hidrociclone MTO6 – OV 6mm para três diferen-tes teores de óleo na alimen-tação desse hidrociclone.

Figure 31 – Efficiency of hydrocyclone MTO6, w/ 6 mm overflow orifice dia-meter for three different oil contents in the feed of this hydrocyclone.

Figura 32 – Curvas de eficiência do hidrociclone MTO6 – OV 7,5mm para três diferentes teores de óleo na alimentação desse hidrociclone.

Figure 32 – Efficiency of hydrocyclone MTO6, w/ 7.5 mm overflow orifice diameter for three diffe-rent oil contents in the feed of this hydrocyclone.


o 278

maior parcela da energia de pressão convertida em cinética de rotação e, conseqüentemente, maior o campo centrífugo no interior do equipamento. De-vido ao baixo tempo de residência no interior dos hidrociclones, inferior a 1,5s, é fundamental que o campo centrífugo seja intenso, caso contrário a força centrífuga não será suficiente para promover a separação.

Nos testes com o LMTH no Campo de Buracica, foi observado que, para os hidrociclones das três famílias em geral, para EOP , diferença entre a pressão de entrada (alimentação), EP , e a pressão de saída do overflow, OP , abaixo de determinado limite, o processo de separação começava a se degradar. Tal fato pode ser observado no gráfico mostrado na figura 33 que apresenta os resulta-dos dos testes de reprodutibilidade e repetibilida-de. Esses testes dão indicativo da dispersão dos dados, mantendo as características do processo constantes. A reprodutibilidade consiste na coleta seqüencial, em um determinado instante do teste, de diversas amostras. No caso mostrado, foram coletadas três amostras de cada ponto. A repe-tibilidade é a coleta, para uma mesma condição operacional, realizada em instantes diferentes. Teoricamente, todos os resultados deveriam ser iguais, entretanto alguma variação decorrente das

incertezas experimentais está sempre e, portanto, alguma flutuação é esperada.

Como pode ser visto no gráfico da figura 33, os resultados, quando os EOP são da ordem 3,5kgf/cm2, são bem menos dispersos (variações inferiores a – aproximadamente 10%) do que quando os são da ordem de 1,2 kgf/cm2.

Esses resultados mostram que não basta apenas se considerar o DPR e split para se especificar a faixa de aplicação de um liner. As válvulas de controle nas linhas de overflow e underflow são necessárias para se otimizar o processo de separação para pequenas variações na carga de entrada.

problemas observados durante os testes

Um dos aspectos positivos e que merece ser des-tacado com relação ao período de testes no Campo de Buracica foi o inestimável suporte prestado pelo pessoal da operação local (Petrobras/UN-BA/ATP-N/OP-BA), sem o qual não teria sido possível atingir os resultados obtidos no projeto.

Mesmo considerando esse grande apoio recebi-do, houve limitações na locação citada para atingir todos os objetivos propostos no projeto. Algumas características do Campo de Buracica contribuíram para isso:


Figura 33 – Gráfico comparativo para coletas realizadas com = 3,5 kgf/cm2 e = 1,2 kgf/cm2.

Figure 33 – Comparative curve for collections held at = 3,5 kgf/cm2 e = 1,2 kgf/cm2.

OEP −∆OEP −∆

OEP ∆ OEP ∆

EOP

279 o

• a faixa de BS&W dos poços disponíveis na Estação Tororó não permitiu, em qualquer combinação viável de poços, que fossem atin-gidos teores de óleo superiores a 18%, o que impediu a correta avaliação dos hidrociclones ATO, que foram concebidos para operar com teores de óleo acima de 20%;

• as características parafínicas do óleo do Campo de Buracica impediram que se utilizasse os BTO, com orifícios de overflow de pequeno diâme-tro, para melhor polimento da água oleosa (fig. 34). O projeto ficou restrito à utilização dos hidrociclones com maiores orifícios de re-jeito, ou seja, mais adequados a operar como MTO.

Além desses problemas, foi detectada, durante os testes, a necessidade de se empreenderem al-gumas modificações no LMTH, de forma a permitir maior flexibilidade operacional em futuros testes. Tais modificações serão implementadas em fase futura do projeto.

procedimento de projeto de sistemas ciclônicos de separação óleo/água

Com base nos resultados experimentais descritos aqui, foi elaborado um procedimento de projeto de sistemas ciclônicos de separação óleo/água. Para simplicidade de uso, tal procedimento foi elaborado em plataforma Excel e consta de uma planilha onde são alimentados os dados requeridos para o dimen-sionamento que são: produção total de líquido, teor de óleo na corrente a ser tratada, API do óleo e as perdas de carga totais admissíveis para as correntes de óleo e de água. O usuário tem ainda a opção de selecionar se quer que a rotina seja rodada para gerar a configuração do sistema que resulta em máxima eficiência de separação ou, alternativamente, para

gerar a configuração que resulta em menor número de hidrociclones. Como exemplo da utilização desse procedimento, é apresentado um dimensionamento hipotético de um sistema ciclônico para o Campo de Marlim (API 19), numa planta com produção de líquido de 10.000m3 por dia de líquido com 30% de óleo. Nas figuras 35, 36 e 37 são expostas, respec-tivamente: as telas de entrada de dados, a planilha com o resultado do dimensionamento do sistema para maior eficiência e a planilha com o resultado do dimensionamento do sistema para menor número de hidrociclones (unidade mais compacta).

Na figura 36 é mostrado que a seleção que con-duz à maior eficiência de separação da corrente para a instalação em projeto é composta por um primei-ro estágio constituído por 161 hidrociclones ATO5, com orifício de overflow com 10mm de diâmetro seguido por um segundo estágio constituído por 156 hidrociclones MTO6, com orifício de overflow de 6mm de diâmetro e, finalmente, um último es-tágio constituído por 104 hidrociclones BTO3, com orifício de overflow de 5 mm de diâmetro. A faixa

Figura 34 – Obstrução do orifício de overflow do BTO por parafina.

Figure 34 – Obstruction of the BTO overflow orifice due to wax.


o 280

Figura 35 – Tela de entrada de dados do pro-cedimento de projeto de sistema ciclônico de separação óleo e água.

Figure 35 – Screen showing input data to the routine for sizing a compact oil and water sepa-ration system using the new hydrocyclones.

Figura 36 – Tela de resultados do procedimento de projeto de sistema ciclônico de separação óleo e água na opção de maior eficiência.

Figure 36 – Screen showing results from the routine for sizing a compact oil and water separation conside-ring the option of best performance.

Seleção de maior eficiência

HC ATO5 MTO6 BTO3

ORIF DE OVERFLOW (mm) 10 mm 6 mm 5 mm

API 19 19 19

Q total (m3/dia) 10.000 10.000 10.000

TEOR OLEO(%) na entrada menor que 34,5 15 8

Pe (kgf/cm2) 20 18 14

oleo (kgf/cm2) 3,06 3,24 11,7

agua (kgf/cm2) 2 2 6

DPR disponivel 1,53 1,62 1,95

SPLIT MAX C/DPR disponível(%) 78 23 25

DPR IDEAL 1,174 1,428 1,431

DPR min testado 0,95 1,1 1,2

DPR min testado 1,55 2,1 2,2

LINERS 114 96 73

Eficiência Global esperada é entre 48% e 58% 56% e 63% 65% e 80%

EOP∆EOP∆

de eficiência mínima global (óleo e água) esperada para cada um desses estágios está na última linha da figura 36. Analogamente, na figura 37, vêm-se os resul-tados para o caso do sistema mais compacto, ou seja, com menor número de hidrociclones, porém com faixas mínimas de eficiências globais (última linha na figura 37) inferiores ao caso anterior.

Deve ser observado que, em ambas as telas de saída, constam ainda as condições de DPR a serem ajustadas para cada um dos estágios de separação. Também deve ser observado que a soma das perdas de carga dos três estágios, tanto para o lado do óleo como para o lado da água, em ambas as configurações, são iguais ou inferiores às perdas de carga disponíveis para as correntes de óleo e de água fornecidas como dados de entrada (fig. 35).

trabalhos futuros

Conforme descrito na parte deste trabalho que trata do descritivo dos testes de campo, não foi possível, por limitações inerentes ao campo onde foram realizados os testes, varrer-se toda faixa operacional dos novos hidrociclones, principalmente ATO e BTO. Visando-se suprir tal deficiência e considerando uma nova instala-ção experimental recém construída na UNIFEI, dentro de um projeto de implantação do Núcleo Regional de Tecnologias Compactas de Processamento Primário naquela instituição, foi assinado um convênio que permitirá, a partir do terceiro trimestre de 2009, que sejam realizados testes complementares dos novos hi-drociclones, utilizando-se o LMTH já transportado para essa instituição. Na figura 38 são apresentados alguns detalhes das instalações do Laboratório de Separação de Fases (SepFas) na UNIFEI.

Paralelamente às atividades descritas neste trabalho − que visam disponibilizar hidrociclones de propriedade (intelectual) da Petrobras para utilização como sistema compacto de separação óleo/água − foi iniciado há cerca de um ano, um projeto de implantação dessa tecnologia na plataforma de Pampo (PPM-1), com o objetivo de se colocar um terceiro trem de processamento (que teria


Procedimentos de projeto de sistemas de hidrociclones Petrobras - sistema com 3 estágios de hidrociclones (ATO, MTO, BTO) - versão Beta (em teste)

281 o

de ser compacto, pela falta de espaço para tecnologias convencionais), destinado a processar a produção de poços de alto BS&W, desengargalando a planta daquela unidade de produção.

Como esse projeto iniciou-se antes mesmo da quali-ficação dos novos hidrociclones Petrobras, foi feita uma licitação internacional para fornecimento do sistema, onde somente dois fornecedores mundiais disseram possuir a tecnologia solicitada. Tal licitação foi ganha pela AkerSolutions (tecnologia Kvaerner, já menciona-da). Esse sistema deverá ser implantado na plataforma de Pampo (PPM-1) em 2010, fornecendo dados de teste operacional de longa duração para melhor conhecimen-to dos problemas operacionais de sistemas ciclônicos de processamento primário, o que poderá subsidiar futuras alterações no projeto desses sistemas, principalmente na concepção da malha de controle.

Para futuras aplicações dessa tecnologia, a Petro-bras poderá contar com seus próprios hidrociclones, desenvolvidos no projeto aqui descrito, que poderão ser fornecidos por fabricantes nacionais de pequeno porte qualificados pela companhia, como hoje ocorre

Figura 37 – Tela de resultados do procedimento de projeto de sistema ciclônico de separação óleo e água na opção de menor número de hidrociclones.

Figure 37 – Screen showing results from the routine for sizing a compact oil and water separation considering the option of more compact system (small number of hydrocyclones).

Seleção de maior capacidade (menor no liners)

HC ATO2 MTO4 BTO1

ORIF DE OVERFLOW (mm) 12,5 mm 6 mm 6 mm

API 19 19 19

Q total (m3/dia) 10.000 10.000 10.000

TEOR OLEO(%) na entrada menor que 34,5 15 8

Pe (kgf/cm2) 20 18 14

oleo (kgf/cm2) 3,06 3,24 11,7

agua (kgf/cm2) 2 2 6

DPR disponivel 1,530 1,620 1,950

SPLIT MAX C/DPR disponível(%) 60 17 12

DPR IDEAL 1,385 1,547 1,740

DPR min testado 1,2 1 1,4

DPR min testado 1,45 2,7 3

LINERS 83 69 12

Eficiência Global esperada é entre 38% e 46% 48% e 54% 55% e 68%

EOP∆EOP∆

Figura 38 – Vista parcial das novas instalações de testes do Laboratório Sepfas da UNIFEI, em Itajubá (MG). Galpão de testes à esquerda e pátio de tancagem à direita.

Figure 38 – Partial view of the Sepfas Laboratory at UNIFEI, in Itajubá (MG). Test site on the left and fluid storage on the right.

com os hidrociclones para águas oleosas com condições comerciais muito mais atraentes do que as praticadas pelos fabricantes internacionais.

Na figura 39 é mostrado um fluxograma esque-mático do novo trem de separação a ser instalado na plataforma de Pampo (PPM-1).

conclusões

Como pôde ser visto do apresentado neste trabalho, as atividades do projeto de pesquisa e de desenvolvimento de hidrociclones para altos,


o 282

Figura 39 – Fluxograma esquemático do novo trem de processamento com tecnologia ciclônica para a plata-forma PPM-1.

Figure 39 – Flowchart of the new cyclonic separation train in Pampo platform (PPM-1).

médios e baixos teores de óleo foram bastante abrangentes, iniciando-se com estudos sobre os fundamentos do escoamento em hidrociclones e atingindo, com sucesso, a fase de qualificação de protótipos industriais. Essa trajetória resultou na disponibilização de novos hidrociclones para uma aplicação também pioneira em termos mundiais e cuja propriedade intelectual pertence à Petrobras.

Com base nos resultados obtidos durante os testes no Campo de Buracica, foi possível ainda se elaborar uma rotina de projeto que − dadas às condições operacionais de um determinado campo de produção (vazão, API do óleo, teor de óleo e


Cellar Deck

El. 19922

Retorno da

corrente rica em óleo ao

processo

Unidade de

flotação existente

SG-402

TO 00401

SG-401

P-00401 01/02

P-00402

SG-403

Scrubber

Para sistema de compressão

P-00403

Mezanino

El. 36650

Production Deck

El. 29200

Retorno de gás ao processo

Envio de corrente aquosa ao flotador

Novo header a ser construído

Unidade de hidrociclones

para alto teor de óleo

Cellar Deck

El. 19922

Retorno da

corrente rica em óleo ao

processo

Unidade de

flotação existente

SG-402

TO 00401

SG-401

P-00401 01/02

P-00402

SG-403

Scrubber

Para sistema de compressão

P-00403

Mezanino

El. 36650

Production Deck

El. 29200

Retorno de gás ao processo

Envio de corrente aquosa ao flotador

Novo header a ser construído

Unidade de hidrociclones

para alto teor de óleo

de água etc.) − permite selecionar e quantificar os hidrociclones mais adequados para promover a se-paração óleo-água desse campo bem como definir os pontos de ajuste ótimos para sua operação nessa aplicação.

Os trabalhos subseqüentes na área vão permitir que essa tecnologia possa ser consolidada tanto como alternativa para o desengargalamento de instalações de produção offshore, que estejam produzindo grandes quantidades de água e que disponham de pouca área para ampliação, como para aplicações em futuros sistemas submarinos de separação de água.

283 o

DETERMINAÇÃO do teor de óleo e graxa por es-\y

pectrofotometria de absorção molecular. Rio de Janeiro:

E&P-SERV/US-AP/LF. (Procedimento E&P-SERV/US-AP/LF – PE-3ET-

01388-F).

ALBRECHT, H. E.; BORYS, M.; DAMASCH, N.; TROPEA, C. \y Laser-

doppler and phase-doppler measurement techniques.

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o 284

autores

Carlos Alberto Capela Moraes

Centro de Pesquisas da Petrobras \y

(Cenpes)Gerência de Tecnologia de Processa-\y

mento e Avaliação de Petróleo

[email protected]

Carlos Alberto Capela Moraes formou-se em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP), em 1977. Fez Mestrado em Engenharia Química pela COPPE/UFRJ (1994) e Doutorado em Engenharia Mecânica também pela COPPE/UFRJ (2003). Ingressou na Petrobras em 1978, tendo atuado no Cenpes na área de projeto de básico de E&P, em processamento primário de petróleo (PPP). Por 12 anos, atuou como responsável pela disciplina de processo, na Engenharia Básica, em diversos projetos de plataformas de produção para a Bacia de Campos. Passou a atuar na área de projetos de Pesquisa e Desenvolvimen-to , também em PPP, tendo participado e coordenado, ao longo dos últimos 14 anos, vários projetos de P&D, dentre os quais o projeto aqui apresentado. É especialista em tecnologias ciclôni-cas, atuando como instrutor na Universidade Petrobras (UP) e na Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) em cursos da área de PPP.

Dárley Carrijo de Melo

Centro de Pesquisa da Petrobras \y



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Dárley Carrijo de Melo formou-se em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia (2000), com Mestrado em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos (2002). Ingressou na Petrobras em 2003 e, desde 2004, tem atuado no Cenpes em trabalhos relacionados à pesquisa e ao desenvolvimento de processos de separação e tratamento de petróleo e gás natural para o E&P. Atuou em projeto de desenvolvimento de hidrociclones para a separação óleo-água, especificamente no desenvolvimento de hidrociclones voltados ao tratamento de correntes contendo altos teores de óleo. Atualmente, trabalha em projetos relacionados ao tratamento e à separação de gás das demais correntes de produção, sendo coordenador de um projeto que visa qualificar uma nova tec-nologia de desidratação de gás natural.


Luiz Philipe Martinez Marins




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Luiz Philipe Martinez Marins formou-se em Engenharia Me-cânica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 1997, com Mestrado em Engenharia Mecânica pela COPPE/UFRJ (2007). Iniciou as atividades no Cenpes em 1998, pela Fundação Gorceix. Ingressou na Petrobras em 2002, no cargo de engenheiro de petróleo e desde então vem trabalhando na área de processamento primário. Atuou no Laboratório de Mecânica dos Fluidos do Cenpes utilizando tecnologia de ponta para caracterização de escoamentos complexos em separadores. Atualmente, coordena a atividade de implantação de uma planta-piloto de processamento primário de petróleo.

Fabrício Soares da Silva




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Fabrício Soares da Silva é graduado em Química Industrial pela Escola de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro (2004). Ingressou na Petrobras em 2004, como operador de produ-ção na UN-BC, onde participou de curso de formação e trabalhou na plataforma de produção P-18. Em 2006, foi reclassificado, por meio de concurso público, para o cargo de químico de petróleo, tendo participado, nesse mesmo ano, do curso de formação em Salvador. Atualmente, no Cenpes, participa de vários projetos de P&D na área de processamento primário de petróleo.

285 o

autores

Marcos Aurélio de Souza

Universidade Federal de Itajubá\y

Instituto de Engenharia Mecânica\y

[email protected]

Marcos Aurélio de Souza é Engenheiro Mecânico formado pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá (1989), Mestre em Engenharia Mecânica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (1998), com mais de 30 anos de experiência na área de usinagem e projetos mecânicos. Atualmente, é professor do Instituto de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Itajubá, tendo como área de atuação processos de fabricação e automação da ma-nufatura, além da condução e participação em projetos de pesquisa e desenvolvimento na área de processamento primário de petróleo com ênfase no desenvolvimento de equipamentos de separação de O/W e W/O compactos.

Adriana Margarida Rodrigues Ferreira de Souza

Fundação Gorceix\y

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Adriana Margarida Rodrigues Ferreira de Souza graduou-se em Ciência da Computação na Universidade Católica de Petrópolis (UCP) em 1997. Atua em projetos do Cenpes/Petrobras contratada pela Fundação Gorceix na área de análise de sistemas de automação. Vem desenvolvendo, ao longo do seu trabalho no Cenpes, projetos de desenvolvimento e acompanhamento de software de aquisição, controle e supervisão de dados em LabView, análise de resultados testados e realização de um produto final em VBA.

João Américo Aguirre Oliveira Junior

Engineering Simulation and Scientific \y

Software (ESSS)

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João Américo Aguirre Oliveira Junior é Engenheiro Mecânico formado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) em 2003. Obteve o título de Mestre em Engenharia Mecânica em 2006 também pela UFRgS com foco em modelagem de escoamentos turbulentos e simulação de grandes escalas (LES) de escoamentos turbulentos. Trabalha na ESSS, desde 2006, como especialista em CFD, atuando no Centro de Pesquisa da Petrobras (Cenpes), concentrado na simulação numérica de escoamentos da indústria do petróleo, onde estuda a modelagem de problemas multifásicos e turbulentos.

Luiz Fernando Barca

Universidade Federal de Itajubá\y

Instituto de Engenharia Mecânica\y

[email protected]

Luiz Fernando Barca é Engenheiro Mecânico e Mestre em En-genharia de Produção pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá (atual UNIFEI). É professor assistente no Instituto de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Itajubá desde 1996, tendo atuando em disciplinas de processos de fabricação, metrologia e estatística aplicada. Pesquisador no Laboratório de Separação de Fases (Sepfas) onde atua em atividades relacionadas à geração e à caracterização de emulsões de óleo em água e de água em óleo e em projeto e análise de desempenho de separadores.


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used de-oiling hydrocyclones (the ones for very low oil content ~1000 ppm) to deal with streams containing higher amounts of oil is an expected step forward in the development of hydrocyclone technology. Thus, Petrobras has started the development of new hydrocyclones desig-ned to deal with higher amounts of oil. This development resulted in three hydrocyclone families: a) Hydrocyclones for High Oil Content – ATO (for oil content between 20% and 60%, or even more), b) Hydrocyclones for Medium Oil Content – MTO (for oil content between 2% and 20%) and c) Hydrocyclones for Low Oil Content – BTO (for oil content between 1000 ppm and 2%).

Despite equipment simplicity, flow field in a hydrocyclone is very complex due to the presence of many flow features such as reverse flow, high intensity body forces, curved streamlines, etc., and all of this in two phase flow. In order to start the investigation of new design of hydrocyclones to perform well with higher oil content, an extensive CFD study of the flow was perfor-med. Previously to the comparative simulations, it was performed a study so as to lead to the selection of the

expanded abstract

Cristina Santos de Almeida

Universidade Federal do Rio de Janeiro \y

– Fundação de Coordenação de Proje-tos, Pesquisa e Estudos Tecnológicos (COPPETEC/UFRJ)Escola de Química\y

[email protected]

Cristina Santos de Almeida é graduada em Engenharia Química pela Escola de Química da UFRJ (2005). Atua em projetos do Cenpes/Petrobras contratada pela Fundação de Coordenação de Projetos, Pesquisa e Estudos Tecnológicos (COPPETEC) na área de controle de processos. Vem desenvolvendo ao longo do seu trabalho no Cenpes simulação de processos de tratamento primário de petróleo e siste-mas compactos de separação e também na automação de plantas utilizando ferramentas computacionais para interface de programas de simulação com controladores lógicos programáveis.

autores


Compact Separation Technology is an actual tendency for topside and sub-sea developments either to debottle-neck an old production installation or to be used in a new project of a marginal field or in a sub-sea location where foot print and weight are at a premium. The cumbersome size of the conventional technology of phase separation (i.e. gravity separators) poses several difficulties for the applications abovementioned. Cyclonic technology is one of the best options for getting a compact separation system. Hydrocyclones are very simple devices, with no moving parts, and they can achieve high performance of separation at a cost of some pressure drop of the stream to be treated. Availability of some pressure drop is always the case for the production coming out of oil wells, since gas recovery requires not too low gas / liquid separation pressure. So, downstream of a gas / liquid separator, li-quid stream (oil + water) is available at enough pressure to drive hydrocyclone separation. This paper presented the activities and main results of a R&D project aimed at developing and qualifying hydrocyclones for oil and water primary separation. Extending the nowadays highly

287 o

expanded abstract

best turbulence models, the optimum numerical para-meters and physical set-up to be used in the numerical simulations of the new hydrocyclones. This study was assisted by flow measurements from physical transpa-rent models using Laser Doppler Anemometry (LDA) and Particle Image Velocimetry (PIV) also performed as one of this P&D project activities.

It was soon verified that 3D simulations considering two-phase flow would result in excessive computatio-nal cost and not very trustful comparative parameters, mainly due to the lack of knowledge on boundary and initial conditions of the two-phases, not to mention limitations of the turbulence models in a two-phase environment. Thus it was decided to perform the com-parative simulations considering single phase flow. This analysis was performed on the geometric configurations of the hydrocyclones initially conceived. Selection of the best geometric configurations was made conside-ring the ones that resulted in higher rotational velocity profiles in the simulations. It was assumed that this feature would result in best separation performance, since this velocity component is strongly connected to the centrifugal force. After the selection of the poten-tially best new hydrocyclones, based on CFD simula-tions results, a mechanical executive design of these selected hydrocyclones was done, in order to allow the construction of stainless steel prototypes, to be used in field tests. These field tests were planned to qua-lify the new hydrocyclones, in multiphase conditions with actual fluids. In order to obtain a very flexible test facility a Mobile Laboratory for Hydrocyclone Test (LMTH, acronym in Portuguese) was also designed and built. This LMTH was constituted by two skid mounted systems and one control rack. One of the skids con-tains gas separation equipment and progressive cavity pumps for oil and for water (in order to turn possible to keep the flow rate independently of the discharge pressure and to test in different pressures). This skid also contains flow rate and pressure measuring devices for characterization of the two-phase (oil and water)

stream to be sent to the other skid containing the hydrocyclones for testing. This second skid contains, besides the hydrocyclones, all the monitoring and con-trolling instruments for the test. A small rack for control of the pump electric motors, using variable speed dri-vers (VSD), was also made. The skids (but not the rack) were designed and constructed according to ex-proof requirements since, during the tests, they would be positioned in classified area. Six months of test activities were performed in Buracica on-shore field (Northeast of Brazil). As a result of these tests it was possible to check the fluid-dynamic and separation performance of each member of the three new hydrocyclone fami-lies. Two kinds of correlations were obtained for the hydro-dynamic behavior of the new hydrocyclones, one correlated the inlet flow rate in the hydrocyclone with the pressure drop from inlet to underflow nozzle; the other correlated the Split (fraction of the inlet flow rate that comes out of the hydrocyclone through the over-flow nozzle) and the DPR (∆P ratio – or pressure drop from inlet to overflow divided by pressure drop from inlet to underflow). Other correlations were obtained to characterize the performance (separation efficiency) of the hydrocyclones. Thus, curves of Efficiency X Split, parameterized by inlet oil fraction, were generated for each new hydrocyclone. Based on the abovementioned correlations, it was possible to get a computer routine to design a compact oil and water separation system based on hydrocyclone sets in series. Starting with spe-cific data from any particular field, the routine allows the user to get the best performance (or alternatively the higher capacity) hydrocyclones of each family to be used for treating the two-phase (oil / water) stre-am. The amount of hydrocyclones for each of the sets in series, as long as their operational settings are also obtained. Finally, the range of the minimum expected performance is also indicated by the routine.

Additional activities of the project are being perfor-med to assure not only the qualification but also the implementation of this new technology in Petrobras.


resumo - esss · o 260 de investigação experimental da fluido-dinâmica em hidrociclones, com a...

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