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UNIJORGE - CENTRO UNIVERSITRIO JORGE AMADOCURSO DE ENGENHARIA DE PETRLEO E GS NATURAL

ARTHUR SILVA OLIVEIRAGABRIELLE ALBUQUERQUE MACIEL BRASILEIROLUISA BARRETO CORREIA FERREIRARENAN NASCIMENTO FIGUEIREDORODRIGO AFONSO FARIAS MONTEIRORMULO NASCIMENTO BATISTA

SEPARADOR BIFSICO

Salvador2015

ARTHUR SILVA OLIVEIRAGABRIELLE ALBUQUERQUE MACIEL BRASILEIROLUISA BARRETO CORREIA FERREIRARENAN NASCIMENTO FIGUEIREDORODRIGO AFONSO FARIAS MONTEIRORMULO NASCIMENTO BATISTA

SEPARADOR BIFSICO

Trabalho apresentado disciplina Modelagem e Simulao de Processos na Indstria de Petrleo e Gs Natural dodepartamento de Engenharia de Petrleo do Centro Universitrio Jorge Amado, como requisito avaliativo para a AV 3 e AV 4.Professor: Celso Argolo Xavier Marques

Salvador2015

SUMRIO

1.INTRODUO22.PROCESSAMENTO PRIMRIO DO PETRLEO33.SEPARADOR BIFSICO44.MODELAGEM MATEMTICA DO SEPARADOR BIFASICO64.1.Modelagem Fundamental64.2.Modelagem Emprica64.3.Modelagem do padro bifsico75.MODELO LINEARIZADO DO SEPARADOR BIFSICO106.CONSIDERAO FINAL137.REFERNCIAS14

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1. INTRODUO

O produto extrado do reservatrio uma mistura trifsica de gua, leo e gs, sendo que somente os dois ltimos tm interesse econmico. Essas trs fases so separadas no processamento primrio; a gua descartada ou reinjetada no reservatrio, o leo e parte do gs so armazenados para depois serem transportados para uma refinaria e outra parte do gs usado para gerar energia na prpria plataforma. (SILVA, 2013)Os fluidos produzidos passam, inicialmente, por separadores atuando em srie ou paralelo. No separador bifsico ocorre a separao gs/liquido. (THOMAS, 2004)

2. PROCESSAMENTO PRIMRIO DO PETRLEO

O processamento primrio de petrleo consiste na primeira etapa da fase de produo, na qual o petrleo passa aps sair do reservatrio e alcanar a superfcie. Normalmente, temse a produo simultnea de gs, leo e gua, juntamente com impurezas (BRASIL et al., 2011).O principal interesse econmico dessa atividade na produo de hidrocarbonetos (leo e gs), sendo necessrio dotar os campos martimos e terrestres de facilidades de produo, que so instalaes destinadas a efetuar, sob condies controladas a separao do leo, do gs e da gua. O processamento primrio de petrleo tem como objetivos (BRASIL et al., 2011): Separao das fases oleosa, gasosa e aquosa, nos equipamentos conhecidos como separadores. Tratar a fase oleosa para reduo da gua emulsionada e dos sais dissolvidos. Tratar a fase gasosa para reduo do teor de gua, e se necessrio de outros contaminantes. Tratar a fase aquosa para descarte e/ou reinjeo nos poos produtores. Dependendo do tipo de fluidos produzidos e da viabilidade tcnico- econmica, uma planta de processamento primrio pode ser simples ou complexa; as mais simples efetuam apenas a separao gs/leo/gua, enquanto que as mais complexas incluem o condicionamento e compresso do gs, tratamento e estabilizao do leo e tratamento da gua para reinjeo ou descarte (THOMAS, 2004).Os fluidos produzidos passam, inicialmente, por separadores que podem ser bifsicos ou trifsicos, atuando em srie ou paralelo. No separador bifsico ocorre a separao gs/liquido, enquanto que no separador trifsico ocorre, a separao gua/leo/gs (THOMAS, 2004).

3. SEPARADOR BIFSICO

Nos separadores bifsicos, a mistura gs-lquido, ao entrar no vaso, choca-se com um defletor de entrada, que provoca uma alterao brusca na direo e velocidade dos fluidos. A parte lquida da mistura desce ento por gravidade para o fundo do vaso, onde se acumula devido a sua maior densidade, sendo retirada por controle de nvel. Esse vaso projetado para ter tempo de residncia da fase lquida de 3 a 5 minutos e para valores limites de velocidade do gs a partir da qual pode ocorrer arraste de lquido. (NUNES, 2010) O gs separado no defletor de entrada, contendo gotas de lquido de diferentes dimetros, se desloca pela parte superior do vaso, onde as gotas maiores se chocam entre si e com as paredes do vaso, se aglutinam e caem sobre a interface gs-lquido. Algumas gotas tm dimetro to pequeno que no so facilmente separadas nesta seo de decantao. Entretanto, antes de deixar o vaso, o gs passa atravs de uma seo de aglutinao e coalescncia composta por aletas de metal, almofada de tela de arame ou placas pouco espaadas que extraem a nvoa presente no fludo. (SILVA, 2013) Com um teor mnimo de gotculas arrastadas, o gs sai do vaso sob controle de presso que atua na abertura de uma vlvula posicionada na linha de sada do gs. Existem diferentes tipos de eliminadores de nvoa que podem ser utilizados, dependendo da eficincia desejada. A Figura 1 mostra um separador bifsico.

Figura 1: Separador Bifsico. (PINTO, 2009)Como todo equipamento de processo o separador tambm apresenta problemas na operao. A seguir so listados os mais comuns (TRIGGIA et al., 2001): Espuma as impurezas presentes no lquido que chega ao separador so as principais causadoras de espuma. Quando presente, ela dificulta o controle de nvel do lquido dentro do separador, ocupa um volume que poderia estar disponvel para a coleta de lquido ou para decantao, e pode ser arrastada pela corrente de gs ou de leo. Portanto, quando for possvel prever a formao da espuma, o separador deve ser equipado com dispositivo interno para remov-la, assegurando um tempo e uma superfcie coalescedora suficientes para quebr-la. Obstruo de parafinas operaes de separao podem ser afetadas por acmulo de parafina. As placas coalescedoras na seo lquida e os extratores de nvoa na seo gasosa so particularmente susceptveis a estas obstrues. Quando a parafina um problema real e potencial, extratores alternativos devem ser considerados e bocas de visitas de orifcios devem ser providenciados para permitir a entrada de vapor ou solvente de limpeza dos elementos internos do separador. Areia a areia que eventualmente chega com o lquido no separador causa eroso nas vlvulas, obstruo nos elementos internos e acumula-se no fundo do separador, de onde removida por jatos de gua e drenos. A melhor soluo do problema evitar o carregamento de areia dos reservatrios. Arraste este um problema tpico operacional. O arraste de leo pela corrente de gs ocorre quando o nvel do lquido est muito alto, quando existe algum dano em algum componente interno, formao de espuma, sada de lquido obstruda, projeto imprprio ou simplesmente porque o vaso est operando com produo superior a de projeto. O arraste de gs pelo lquido pode ser um indicativo de nvel muito baixo de lquido ou falha no sistema de controle de nvel.

4. MODELAGEM MATEMTICA DO SEPARADOR BIFASICO4.1. Modelagem Fundamental

Modelos dinmicos fundamentais so deduzidos pela aplicao dos balanos transientes de massa, energia e momento do processo (OGUNNAIKE, 1994). Na ausncia de variaes espaciais, os modelos resultantes tm a forma geral: (1.0) (1.1)Onde x um vetor de n variveis de estado, u um vetor de m variveis manipuladas e y um vetor de p variveis controladas. As equaes diferenciais ordinrias 1.0 so deduzidas das leis de conservao e vrias relaes constitutivas, enquanto as equaes 1.1 so escolhidas de acordo com o controle do processo. Caso esteja presente alguma equao algbrica, a matriz M singular. Modelos fundamentais tm diversas vantagens em relao aos modelos empricos. Devido s muitas restries impostas aos modelos fundamentais com respeito a sua estrutura e parmetros, menos dados de processo so requeridos para seus desenvolvimentos. Alm disso, modelos fundamentais podem ser extrapolados para regies de operao fora dos dados utilizados para a validao do modelo (MEADOWS, 1997). Esta propriedade particularmente importante quando um processo opera em uma larga faixa de condies. Como potencial desvantagem dessa abordagem, pode-se citar a dificuldade de modelar processos muito complexos e utiliz-los comercialmente (HENSON, 1998).4.2. Modelagem Emprica

Em muitas aplicaes, a falta de conhecimento do processo e/ou simuladores dinmicos apropriados impede a derivao de um modelo fundamental. Neste caso utiliza-se a modelagem emprica de processos, que o ajuste de equaes que descrevam um processo a partir de dados de planta. As desvantagens desta modelagem so a grande quantidade de dados de planta necessrios para a identificao do processo e a baixa capacidade de extrapolao das equaes do modelo para condies de operao fora daquelas em que os dados utilizados na identificao do processo foram obtidos. E a principal vantagem est exatamente no fato de no ser necessrio conhecimento do processo. (NUNES, 2010)4.3. Modelagem do padro bifsico

O balano de massa da fase lquida dado pela Equao (1.2) (NUNES,2010): (1.2)Considera-se a fase lquida um fluido incompressvel de modo que se obtm a Equao (1.3): (1.3)Adotando-se varivel no tempo e seguindo a relao no linear necessria para descrever a geometria do tanque (para mais detalhes consultar NUNES, 2010), chega-se Equao (1.4): (1.4)Onde: Massa de lquido no vaso Densidade do lquido Volume de lquido no vaso Altura do lquido Vazo de entrada de lquido Vazo de sada de lquido Comprimento do separador Dimetro do separador

Para equao da vlvula de descarga, tem-se: (1.5)Onde est em GPM (gales por minuto), a densidade relativa do lquido (com referncia a gua a 15,5 C), a frao de abertura da vlvula e a caracterstica da vlvula.Considerando-se vlvula linear, tem-se que. J o est vinculado a altura de lquido,, no vaso e das presses no vaso,, e de descarga, , sendo ento dada matematicamente por: (1.6)Que substituda na equao da vlvula e aplicando-se as mudanas de unidade necessrias, chega-se : (1.7)Para a fase gs tem-se o balano representado pela Equao (1.8): (1.8)Aps algumas manipulaes, chega-se na Equao (1.10):

Para um gs ideal, temos: (1.9)

, obtendo-se:

(1.10)Onde: Massa de Gs Densidade do Gs Volume de Gs Presso no vaso Vazo de entrada deGs Vazo de sada de Gs Volume no vaso Coeficiente de vazo da vlvula de lquido

Para a vlvula de gs temos (RIBEIRO, 1999) Vlvula de gs: (1.10)Onde:Constante numricaFator de geometria da tubulao adjacenteFrao de abertura da Vlvula de GsFator de expansoFator de compressibilidade Densidade relativa do Gs com o ar Temperatura de entrada Coeficiente de vazo da vlvula de gs

Considerando o ar e o gs do processo como ideais: (1.11)Onde a presso na linha de descarga de gs do vaso, a massa molar do gs, a massa molar do ar e T a temperatura.Das relaes geomtricas obtemos: (1.12)Onde: Volume de lquido no vaso Altura do lquido Comprimento do separador Dimetro do separador5. MODELO LINEARIZADO DO SEPARADOR BIFSICO

A Figura 2 mostra o diagrama de bloco com as entradas e sadas do modelo do separador bifsico.

Figura 2: Diagrama de Bloco do Separador Bifsico. (SILVA, 2013)

A Tabela 1 lista os valores dos parmetros utilizados na implementao.

Tabela 1: Resultados da linearizao do Separador Bifsico. (NUNES, 2010)Nas condies de estado estacionrio correspondentes a:

Assim:

A resposta linear dada por combinao das funes de transferncia acima. O modelo linear do separador bifsico simulado em ambiente SIMULINK e comparado ao modelo no linear na Figura 3.

Figura 3: Comparao de resultados: modelo linearizado e modelo no linear para separador bifsico sob escoamento estacionrio com vazes constantes. (NUNES, 2010)A simulao tambm realizada com golfadas ocorrendo desde o tempo 0s, com srie temporal de uma plataforma da Petrobras (conforme Figura 4), tudo o mais mantido constante.

Figura 4: Comparao de resultados: modelo linearizado e modelo no linear para separador bifsico sob regime de golfadas de t=0s a t=5s com vazes constantes em t > 5s. (NUNES, 2010)

6. CONSIDERAO FINAL

Observa-se com a comparao de resultados que o modelo linear subestima o efeito das golfadas, devendo ser usado com cautela. Contudo, os resultados indicam que vivel desenvolver preditores de variveis no medidas para auxiliar o controle do nvel no separador submetido a golfadas.A modelagem ocorre para ajudar nas pesquisas cientficas simulando possveis situaes, facilitando assim no estudo, pois no necessrio aplicar na prtica a pesquisa antes de ter certeza do reultado.

7. REFERNCIAS

BRASIL, N.I do, ARAJO, M.A.S., DE SOUSA, E.C.M. Processamento Primrio de Petrleo e Gs. Rio de Janeiro: LTC, 2011.HENSON, M. A. Nonlinear Model Prective Control: Current Status and Future Directions. Computers & Chemical Engineering, 1998, v. 23, p. 187-202.MEADOWS, E. S.; RAWLINGS, J. B. Model Predictive Control. Nonlinear Process Control Captulo 5, Englewood Cliffs, N.J., USA, Prentice-Hall, 1997.NUNES, Giovani Cavalcanti Modelagem e controle na produo de petrleo aplicaes em MATLAB. So Paulo: Blucher, 2010.OGUNNAIKE, B. A.; RAY, W. H. Process Dynamics, modeling and control. New York NY, Oxford Press, 1994.SILVA, Filipe Reolon da. Estudo De Um Novo Sistema De Separao Primria De G-leo-gua Para Plataformas De Petrleo. Porto Alegre: FFRGS, 2013.THOMAS, J. E. Fundamentos de Engenharia de Petrleo. 2. ed. Rio de Janeiro: Intercincia: Petrobras, 2004.TRIGGIA, A. A., CORREIA, C. A., FILHO, C. V. Processamento Primrio de Fluidos. Fundamentos de Engenharia de Petrleo, 2 ed. Rio de Janeiro, Brasil: Intercincia, 2001. Captulo 9.