ESTUDO DINÂMICO DA PRESSÃO EM VASOS SEPARADORES VERTICAIS GÁS-LÍQUIDO UTILIZADOS NO PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO

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1 ESTUDO DINÂMICO DA PRESSÃO EM VASOS SEPARADORES VERTICAIS GÁS-LÍQUIDO UTILIZADOS NO PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Thale Cainã do Santo Barbalho 1 ; Álvaro Daniel Tele Pinheiro 2 ; Izabelly Laria Luna 2 ; Rafael Barboa Rio 2 ; Marlo Rodriue de Lima 3 1 Univeridade Federal do Rio Grande do Norte, Prorama de Pó-Graduação em Enenharia Química - 2 Univeridade Federal Rural do Semi-Árido, Departamento de Arotecnoloia e Ciência Sociai 3 Petróleo Braileiro S.A., Operação Riacho da Forquilha RESUMO Ete trabalho avaliou o comportamento dinâmico da preão em vao eparadore bifáico verticai á-líquido de uma etação de proamento primário de petróleo, verificando a influência de variávei como vazão de á de entrada e de aída do vao, abertura de uma válvula de controle epecífica e preão à juante deta. Foi deenvolvido um modelo matemático para decrever a relação entre a preão dentro do vao e o tempo, endo obervado que ete e adequou ao dado reai obtido em tete de campo variando-e a abertura da válvula de controle (de caracterítica inerente linear) de 70% e 80%. Para a abertura de 85%, o modelo propoto não e adequou devido à mudança de caracterítica intalada da válvula, que e afata do comportamento linear fora do limite de 10% a 80% de abertura. Palavra-chave: Vao eparadore, Preão, Válvula de controle. 1. INTRODUÇÃO O petróleo é uma matéria prima eencial à vida moderna, endo o componente báico de mai de produto. Gaolina, combutível de aviação, á de cozinha, lubrificante, borracha, plático, tecido intético, tinta e até memo eneria elétrica ão exemplo de produto oriundo de tal matéria prima [GAUTO, 2011]. O proamento primário de petróleo conite na primeira etapa da fae de produção, na qual o petróleo paa, apó air do reervatório. Normalmente, oberva-e a produção imultânea de á, óleo e áua, juntamente com impureza [BRASIL et al., 2011]. Dependendo do tipo de fluido produzido e da viabilidade técnicoeconômica, uma planta de proamento primário pode er imple ou complexa; a mai imple efetuam apena a eparação á/óleo/áua, enquanto que a mai complexa incluem o condicionamento e compreão do á, tratamento e etabilização do óleo, aim como o tratamento da áua para injeção no reervatório ou decarte [THOMAS, 2004]. O fluido produzido paam, inicialmente, por eparadore que podem er bifáico ou trifáico, atuando em érie ou paralelo. No eparador bifáico ocorre a eparação á/líquido, enquanto que no eparador trifáico ocorre, a eparação áua/óleo/á [THOMAS, 2004]. Por e tratar de uma etapa importante no proamento primário, tal proo precia er bem controlado de modo a evitar problema operacionai,

2 tai como deficiência na eparação álíquido e nário de ineurança operacional Controle de proo Controle de proo é um campo do conhecimento de enenharia. É fortemente relacionado à operação e à intrumentação. A operação, de uma forma abranente, empre envolve alum modelo do proo: é a prática da enenharia de modelaem de proo. A intrumentação, por ua vez, é uma importante área da enenharia de equipamento, voltada para o dipoitivo que permitem realizar a tarefa de reulação do proo [SPANDRI, 2003]. De maneira eral, um controlador de proo calcula o erro entre uma variável medida do proo com o eu valor deejado, e em função dete erro era um inal de controle de forma a eliminar ete devio. A preão é uma da principai variávei a er controlada em um vao eparador, poi em cao de valore elevado, a depender da epecificaçõe de projeto do equipamento, pode haver rompimento dete cauando acidente com dano materiai, peoai e ambientai. Além dio, a ocilação da preão em faixa elevada pode erar ineficiência na eparação á-líquido. Em cao de preão baixa aociada ou não à indiponibilidade da malha de controle de nível, pode ocorrer a paaem de líquido na aída de á, cauando rave problema para o equipamento do itema de compreão de á Válvula de controle Válvula de controle ão uada para controlar uma variável de proo. Devem er operada remota e automaticamente, requerendo atuadore, que podem er de diaframa (pneumático), pitão, hidráulico ou eletro-hidráulico [NUNES et al., 2010] Coeficiente de vazão Ete é utilizado para indicar a quantidade de áua a 60 F (15,56 C) que pode fluir atravé de uma válvula totalmente aberta e com uma queda de preão de 1pi (0,07 kf/cm²), endo ea quantidade de fluxo indicada na tabela do fabricante em alõe por minuto (GPM). Para outro líquido a denidade do fluido deve er corriida em relação àquela da áua e em ua temperatura de ecoamento real na entrada da válvula, e o fluido for compreível o valore de Cv ão o memo, porém a equação para dimenionamento erá diferente e ua denidade também deve er corriida, ma aora em relação ao ar [MATHIAS, 2014]. No cao do fluido compreívei exitem fatore que podem alterar o valor dee coeficiente de vazão, como o fator de compreibilidade que é o devio de comportamento do á real em relação ao á perfeito. O fator de expanão relaciona a variação da denidade do fluido durante a paaem atravé da válvula entre o ponto de entrada da mema e o ponto da vena contracta (eção de menor contração da tubulação), relacionando também a variação na área de fluxo nee ponto em função da variação de preão [TYCO, 2012]. Geralmente, a válvula de controle ão intalada em ponto de redução e de expanão da tubulação cauando rta perda de cara no fluido, então o fator de eometria da tubulação adjante a ee equipamento pode alterar o valor do C v na hora do dimenionamento da válvula. Ee fator relaciona a capacidade de vazão atravé da válvula intalada entre a redução e a expanão e a capacidade de vazão da válvula intalada em redução e expanão.

3 Caracterítica inerente A caracterítica inerente da válvula, f(x v ), define como a vazão varia em função da fração de abertura dea, podendo-e detacar a caracterítica: linear, iual porntaem ou abertura rápida. Na caracterítica linear a vazão é diretamente proporcional à abertura da válvula, ou eja, quando a poição for de 50%, a vazão atravé da válvula é de 50% de ua vazão máxima, endo apropriada para aplicaçõe onde a variação de preão é praticamente contante [RIBEIRO, 2003]. Em relação à caracterítica de iual porntaem a vazão é proporcional exponencialmente à abertura da válvula, endo aplicado quando a variação de preão decre com a abertura. Quando ea caracterítica é utilizada temo que para pequena abertura a variação de vazão é baixa, porém quando próximo de ua abertura total, produz alta variaçõe de vazão [RIBEIRO, 2003]. A válvula de abertura rápida poui caracterítica opota à da válvula de iual perntaem, endo que produz uma rande vazão com pequeno delocamento da hate da válvula, endo aplicada em ituaçõe que a um aumento na queda de preão imultaneamente a um aumente de vazão [MATHIAS, 2014] Caracterítica intalada Na prática, a condiçõe de operação do proo influenciam a caracterítica de vazão, e devem er coniderado na eleção da caracterítica inerente a er empreada. Uma mudança de vazão ocaiona variação na queda de preão atravé da válvula, dea forma, quando intalada, a válvula apreenta caracterítica diferente da ua, ou eja, diferente da inerente [NUNES et al., 2010]. Uualmente, uma válvula com caracterítica inerente de iual porntaem e torna linear, quando intalada. A exção, quando a caracterítica inerente é iual à intalação, ocorre quando e tem um itema com bombeamento com velocidade variável, onde é poível e manter uma queda de preão contante atravé da válvula, pelo ajute da velocidade da bomba [RIBEIRO, 2003]. Em virtude do que foi explicado anteriormente, ete trabalho bucou realizar um etudo da relação preão pelo tempo em vao eparadore verticai da Etação de Proamento Primário X de uma emprea Y, de modo a equacionar o comportamento dinâmico da preão do vao, levando em conideraçõe variávei como vazão de á de entrada, preão à juante da válvula de controle e abertura de uma válvula de controle epecificada, dentre outro, e validar o modelo deenvolvido a partir de dado operacionai obtido em tete de campo. 2. METODOLOGIA Para o preente trabalho foi realizado um etudo de cao para um vao eparador vertical pertennte à Etação de Proamento Primário X de uma emprea Y. Ee equipamento é utilizado para tetar o poço de petróleo com o intuito de verificar ua produção atual, a fim de atender a um requiito leal da Aência Nacional de Petróleo, Gá Natural e Biocombutívei (ANP), acompanhar devio de produção e avaliar a ua viabilidade econômica Balanço material de á no vao eparador Aplicando o balanço molar para o á no vao eparador, têm-e:

4 dn dt n n [1] e pela Equação 6, coniderando que a função de abertura da válvula é linear. A preão aboluta do vao eparador no qual ocorre tete de um determinado poço nete etudo não ultrapaa o valor de 10 kf/cm², loo podemo coniderar o comportamento ideal do á (Z = 1). Aim: PV n [2] RT PG n [3] RT Subtituindo a Equaçõe 2 e 3 na Equação 1, e admitindo que para a variação de tempo no qual ocorreu o etudo de cao a temperatura eja contante e que a malha de controle de nível do vao mantenha ete controlado (aim, o volume do vao ocupado pelo á é contante), então: VdP P ( Ge G ) [4] RTdt RT G' 0, x. C A [6] v v. Onde: ( P Pj ).( P Pj ). T. MM A P². MM Sabe-e que a vazão obtida pela Equação 6 etá referenciada a 15 C (T ) e 1,013 bar (P ), portanto é neário calcular ete na condiçõe de operação do vao. Então: P G' T PG PTG' G [7] T T P Finalmente, ubtituindo a Equação 7 na Equação 5 cheamo ao modelo propoto para a variação preão em relação ao tempo. dp dt P PTG' ( Ge ) [8] V T P ar 2.2. Validação do Modelo Conidera-e que a condiçõe de temperatura e preão da corrente de entrada e aída de á (à montante da válvula de controle de preão) ão a mema condiçõe do interior do vao. Simplificando a Equação 4, cheamo a: dp dt P ( Ge G ) [5] V O á na aída do vao eparador paa por uma válvula de controle. A vazão que paa por eta pode er calculada atravé de uma relação que conidere a queda de preão no ecoamento. Seundo Pinto [2009] a vazão de aída do á pode er calculada A Tabela 1 motra o dado do vao eparador vertical utilizado para o etudo de cao, bem como o valore referente ao proo e da epecificaçõe do fluido de acordo com o relatório de tete de um poço Z. Para o cálculo do volume levou-e em conideração que a malha de controle de nível do vao atua perfeitamente mantendo ete em 30% da altura compreendida entre a tomada uperior e inferior do indicador e tranmior de nível. Tabela 1: Dado referente ao parâmetro do modelo propoto. Cv da válvula de controle 34

5 MM (k/kmol) 17,58 MM ar (k/kmol) 29 Temperatura de operação do vao (K) Volume ocupado pelo á (m³) 304 1,35 A Fiura 1 e 2 motram o comportamento da preão do vao eparador vertical de acordo com o modelo propoto, para uma abertura da válvula de 70% e 80%, repectivamente endo comparado com o valore coletado do PI. Para validação do modelo propoto (MP), foram realizada rotina no Exl utilizando o método numérico de Euler para reolver a equação diferencial, a fim de verificar a variação de preão do vao em relação ao tempo. Para tanto, o reultado obtido foram comparado com o valore coletado no oftware Plant Information (PI), que é um banco de dado da variávei de proo, dentre outra, da planta indutrial. A Tabela 2 motra a condiçõe iniciai para aplicação do método numérico propoto, uma vez que foram realizado tete para uma determinada abertura da válvula, e um intervalo de tempo de 16 minuto (960 eundo). Foi utilizada uma variação de tempo para cada iteração de 30 eundo. A vazão média de entrada encontra-e na T e P do vao. Tabela 2: Condiçõe iniciai para aplicação do método de Euler. x v (%) Preão inicial (kf/cm²) Vazão Média de entrada (m³/) 70 2,864 0, ,899 0, ,889 0, RESULTADOS E DISCUSSÃO Fiura 1: Relação Preão (aboluta) x Tempo para uma abertura da válvula de 70%. Fiura 2: Relação Preão (aboluta) x Tempo para uma abertura da válvula de 80%. Pode-e perber pelo ráfico que qualitativamente o modelo propoto coneue decrever o comportamento do itema para a abertura de 70% e 80%, uma vez que o erro entre o valore

6 calculado e o encontrado no PI foi menor que 5%, como podemo obervar pela repreentação quantitativa preente na Tabela 3. Tabela 3: Comparação entre o MP e o PI para o valore de preão. X v (%) Preão Preão Erro média média Relativo pelo MP pelo PI (%) (kf/cm²) (kf/cm²) 70 2,74 2,87 4, ,80 2,88 2,78 Devemo obervar que variaçõe na vazão de entrada no vao também acontem devido à chamada olfada, e uma vez que io ocorre haverá uma variação também no volume ocupado pelo á por caua da variação do nível do líquido. A imulação foi feita endo fixada a vazão de entrada e o volume ocupado pelo á. Outro ponto a er coniderado é que um modelo mai rioroo para o cálculo da vazão de aída do á leva em conideração o fator de eometria da tubulação adjante à válvula, fator de compreibilidade e de expanão do á. A Fiura 3 motra a variaçõe da preão no vao com o tempo para uma abertura de 85% da válvula de controle. Fiura 3: Relação Preão (aboluta) x Tempo para uma abertura da válvula de 85%. Oberva-e que para uma abertura de 85% o modelo propoto não coneue mai decrever o comportamento real do proo, tendo em vita que neta porntaem de abertura, a válvula apreenta caracterítica intalada muito diferente da ua caracterítica inerente. Na imulação realizada, foi coniderada uma caracterítica linear, porém com ea porntaem ea hipótee forne rande erro. Seundo Bihop et al [2002] o melhor deempenho de controle da válvula ocorre entre 10 e 80% de abertura, evitando-e aim uar valore diferente dee intervalo para que não ocorra ea mudança na caracterítica da válvula. Nota-e também que apó 240 eundo de tete, o modelo erou valore de preão do vao menore que a juante da válvula. Dee modo, não foi mai poível calcular a vazão de aída do á, e, conequentemente, de continuar a iteraçõe. Para toda a abertura há também o erro inerente ao método utilizado para a reolução da equação diferencial, poi à medida que e avança com a iteraçõe a

7 tendência é ocorra um acumulo dee erro, uma vez que o pao poterior depende do anterior. 4. CONCLUSÕES Nete trabalho foi realizado um etudo obre vao eparadore, tendo como objetivo a compreenão de como ete equipamento funciona e como ele etá envolvido no proo de eparação do petróleo em óleo, á e áua produzida. Ficou claro também a importância de um controle adequado para ee tipo de equipamento. Foi deenvolvido um modelo matemático para etudar a relação da preão dentro do vao eparador com o tempo de proo, endo verificado que o memo coneuiu decrever com o comportamento real do proo quando a abertura da válvula foi de 70% e 80%, endo que para uma porntaem de 85% o modelo não coneuiu decrever o proo real, uma vez que a conideração de que a caracterítica da válvula linear é válida para um intervalo entre 10% e 80%. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BISHOP, T.; CHAPEAUX, M.; JAFFER, L.; NAIR, K.; PATEL, S. Eae control valve election. Diponível em: <http://www.pmaazine.or>. Ao em: 10 fev BRASIL, N. I do; ARAÚJO, M. A. S.; DE SOUSA, E. C. M. Proamento Primário de Petróleo e Gá. Rio de Janeiro-RJ: LTC, MATHIAS, A. C. Controle de fluxo atravé de válvula manuai e automática. 22f, NUNEZ, G. C.; MEDEIROS, J. L.; ARAÚJO, O. Q. F. Modelaem e controle na produção de petróleo aplicaçõe em MATLAB. São Paulo: Blucher, PINTO, D. D. D. Etratéia de Controle Contra Intermitência Severa na Alimentação de Separadore Offhore. 2009, 179p, Diertação de Metrado, Univeridade Federal do Rio de Janeiro, Prorama de Pó-Graduação em Proo Químico e Bioquímico, Rio de Janeiro-RJ. RIBEIRO, M. A. Medição de petróleo e á natural. 297f, 3ed, Salvador-BA: TEK, RIBEIRO, M. A. Válvula de controle. 259f, 5ed, Salvador-BA: TEK, SPANDRI, R. Sintonia de controladore reulatório. 28f, Curo técnico Petrobra, THOMAS, J. E. Fundamento de Enenharia de Petróleo. 2ed, Rio de Janeiro-RJ: Interciência, Petrobra, TYCO FLOW CONTROL. Manual de dimenionamento de válvula. 32f, GAUTO, M. A. Petróleo S.A Exploração, produção, refino e derivado. 2011, 130p, Editora Ciência Moderna Ltda., 2011.

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