ESTUDO SOBRE A DEPOSIÇÃO DE PARAFINA EM DUTOS

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1 ESTUDO SOBRE A DEPOSIÇÃO DE PARAFINA EM DUTOS Aluno: Luiz Guilherme Salge Vieira Orientador: Luis Fernando Alzuguir Azevedo Introdução A deposição de parafina continua sendo um problema crítico nas operações da indústria petroleira. Quando resfriadas, as parafinas contidas no petróleo parafínico bruto ficam insolúveis no óleo e se tornam sólidas podendo depositar nas paredes dos oleodutos. A solidificação ocorre após o fluido ter alcançado a Temperatura Inicial de Aparecimento de Cristais, denominada TIAC, o que depende de cada tipo de petróleo bruto. O resfriamento é comum em operações de produção e transporte de petróleo bruto em ambientes gelados, como nas operações offshore e nas linhas de transporte em ambientes frios, como a Transalaska Pipeline por exemplo. Através da transferência de calor entre o óleo e o ambiente externo a parafina é formada. As linhas de escoamentos podem ser danificadas de forma permanente dependendo da severidade da deposição. O processo de cristalização e deposição modifica as condições de escoamentos do fluido. Sabendo que o óleo fica mais viscoso e que a tubulação cada vez com diâmetro mais reduzido, a potência para bombeamento necessária para vencer a perda de carga da tubulação pode crescer até ficar inviável. O depósito de parafina tem aparência de um gel e se torna cada vez mais rico em frações pesadas e pobre em óleo, processo chamado de envelhecimento (2). Em alguns modelos (1) o depósito é até mesmo representado como um meio poroso composto de parafina sólida e solução no estado líquido. A dureza do depósito depende da porosidade do gel e a tensão necessária para o arrancamento do depósito preso às paredes da tubulação está diretamente relacionada a este fator. Figura 1 Depósito de parafina no interior de um duto A espessura do depósito é frequentemente medida através de testes de queda de pressão entre dois pontos da linha de escoamento (3) (4). Nestes casos a rugosidade superficial do depósito é um parâmetro importante na determinação da perda de carga da seção e consequentemente da espessura do depósito. A rugosidade do depósito de parafina

2 pode modificar os valores de queda de pressão, gerando dados de espessura de depósito maiores do que a realidade. No presente trabalho foi feito um estudo experimental sobre as propriedades do depósito de parafina. Foram realizados experimentos em duas seções de testes, uma de geometria anular e a outra de geometria retangular. Na primeira foram realizados testes de perda de carga com duto coberto por parafina e na segunda foram realizadas medidas de condutividade térmica e porosidade de depósitos de parafina. Objetivos O objetivo deste trabalho é estudar as propriedades dos depósitos parafínicos para diferentes vazões. Dado isso, três temas de estudo foram propostos: o estudo da rugosidade superficial, da condutividade térmica e da porosidade de depósitos de parafina. No primeiro, espera-se determinar a influência do depósito de parafina na rugosidade hidrodinâmica de dutos. No segundo procura-se investigar a influência da vazão do escoamento na condutividade térmica e na porosidade dos depósitos formados. Metodologia O fluido de teste utilizado no presente trabalho é um óleo modelo, contendo 80% de querosene grau técnico e 20% de parafina comercial, usado para simular um petróleo parafínico. Seções de Testes e Análises: - Seção anular: esta seção de testes (Figura 2) é formada por dois tubos concêntricos formando uma seção anular. O tubo externo é feito de acrílico, e o tubo interno em cobre. O tubo externo é totalmente transparente, o que possibilita a visualização do escoamento. O tubo interno serve como um trocador de calor onde se pode resfriar a superfície para permitir a deposição de parafina (Figura 3) com um escoamento de água a temperatura controlada. Um banho termostático Thermo Scientific Haake A25, foi usado para isso. Pelo espaço anular escoa o fluido de testes descrito acima e sua temperatura é controlada por uma placa de aquecimento sob o tanque. A seção é imersa em um tanque com água a temperatura controlada, para diminuir efeitos de perda de calor para o ambiente. Para o escoamento do fluido, é usada uma bomba NETZSCH, NEMO021, e a frequência é controlada por um inversor de frequência WEG CFW08. Figura 2: Desenho da montagem com geometria anular para deposição de parafina

3 Figura 3: Desenho dos tubos concêntricos gerando a seção anular com o deposito sobre o tubo de cobre O controle da temperatura do tubo de cobre é feito por meio de termopares que foram inseridos por dentro da parede de cobre permitindo a medição de temperatura a 0,5mm da superfície externa do tubo de cobre (Figura 4). Figura 4: Desenho do tubo de cobre, com os termopares inseridos Medidas de queda de pressão são feitas com o uso de um sensor de pressão a membrana, Validyne DP 103, com precisão de 0,01 mmh2o. O sensor foi calibrado com o auxílio de um manômetro de coluna de óleo, Dwyer. Testes iniciais foram feitos onde se determinou a perda de carga na parte final da seção de testes, onde o escoamento é hidrodinamicamente desenvolvido. Tomadas de pressão foram instaladas a 600 e 1000 mm do inicio do canal. Testes de queda de pressão com querosene escoando isotermicamente a 33 C foram realizadas. A correlação de Collebrook foi utilizada para avaliar os dados dos escoamentos turbulento com a correção de diâmetro hidráulico proposta por Jones and Leung. Onde D h é o diâmetro hidráulico definido como e P m é o perímetro molhado, e., onde A t é a área transversal Os dados laminares foram analisados usando o fator de atrito laminar para geometria anular concêntrica, f=95/re. Os testes laminares foram realizados apenas como forma de avaliar o uso apropriado da correlação em uma faixa maior de vazões. Na figura 5 encontra-se

4 o gráfico da queda de pressão pelo n de Reynolds. Neste gráfico, medidas são comparadas com dados obtidos utilizando as correlações propostas. Figura 5: Gráfico da queda de pressão para o escoamento isotérmico de querosene variando com o numero de Reynolds A rugosidade do depósito foi determinada, mas não se obteve boa repetitividade dos dados. Identificou-se a necessidade de corrigir possíveis fontes de erro experimental. - Seção Retangular: esta seção de testes é formada por duas paredes de aço inox separadas por espaçadores de acrílico, possibilitando a visualização da formação de depósito (Figura 6). Nas placas superior e inferior estão instalados sensores de temperatura termopares e na placa inferior sensores de fluxo de calor. As placas ficam em contato com trocadores de calor por onde circula água proveniente de banhos termostáticos. Essas placas são removíveis, o que facilita a remoção do depósito ao fim dos testes. Figura 6: Desenho da montagem com geometria retangular para deposição de parafina.

5 O teste de deposição com escoamento consiste em manter a vazão de escoamento e manter uma condição inicial isotérmica (35 C), onde a temperatura é superior à temperatura inicial de aparecimento de cristais (TIAC=33 C). A partir de um instante inicial resfria-se a placa inferior até uma temperatura 23 C abaixo da TIAC. O depósito é formado gradativamente, conforme a figura 7. Figura 7: Formação de parafina na placa inferior devido à um gradiente de temperatura. Durante todo o teste, é medido o fluxo de calor que cruza a placa resfriada, a temperatura no seio do escoamento e a temperatura na superfície das placas. A medida da espessura do depósito formado é feita por uma câmera de resolução de 1388x1040 pixels acoplada a uma lente de aumento de 10x que foi calibrada com auxílio de uma régua micrométrica. Depois de atingir regime permanente quando o fluxo de calor e a espessura do depósito param de variar com o tempo o deposito é removido e analisado por cromatografia gasosa. As medidas de porosidade são feitas a partir do resultado da cromatografia gasosa, usando a hipóteses simplificadoras de que o líquido dentro do depósito não muda de composição. A condutividade térmica do depósito é calculada utilizando a espessura do depósito medida, a diferença de temperaturas ao longo do depósito (TIAC- T parede ), e o fluxo de calor que atravessa o depósito. Esse cálculo toma como hipótese simplificadora que a temperatura da interface seja a TIAC em regime permanente. Onde h é a espessura do depósito formado quando atinge o regime permanente, q é o fluxo de calor por unidade de área que atravessa o depósito em regime permanente, T wall é a temperatura da superfície interna da placa fria (Figura 8). O teste de deposição sem escoamento consiste em preencher a cavidade da seção de testes com a solução de parafina e mantê-lo isotérmico inicialmente. A partir de um instante inicial resfria-se a placa inferior até uma temperatura 5 C inferior à temperatura da placa

6 superior. Esta diferença de temperaturas foi escolhida devido a baixa incerteza experimental (Figura 15). Com o fluxo de calor que atravessa o depósito a diferença de temperaturas entre as interfaces superior e inferior do depósito (tomadas iguais à temperatura das placas) e a espessura entre placas, que é constante, pode-se estimar a condutividade térmica do depósito estático. Figura 8 Resultados Os resultados de condutividade térmica foram inicialmente inconclusivos, acredita-se que existam erros experimentais que impeçam a determinação mais precisa desta grandeza. A principal fonte de incerteza experimental neste experimento é a falta de controle da temperatura ambiente, que modifica a medida de fluxo de calor. Além disso existe formação de um filme de depósito próximo ao acrílico o que impede a correta determinação da espessura de depósito. As incertezas experimentais foram calculadas seguindo o método proposto por Kleine e McClintock: δr²=( ( Para os casos não estáticos, pode-se observar que os dados da espessura do depósito e as temperaturas da placa fria apresentam um espalhamento considerável - 30% (Figura 10) e 40% (Figura 11) respectivamente.

7 Figura 9: Evolução média da condutividade térmica do depósito com o tempo. Figura 10: Evolução média da espessura de depósito com o tempo para diferentes números de Reynolds.

8 Figura 11: Evolução da temperatura de placa fria com o tempo para diferentes números de Reynolds. Para isso foram refeitos testes com maior controle de temperatura ambiente, com o objetivo de reduzir a deposição na parede de visualização, melhorando a medição da espessura real do depósito. Os dados da espessura do depósito, condutividade térmica e as temperaturas da placa fria apresentaram um menor espalhamento - 2% (Figura 12), 1% (Figura 13) e 1,2% (Figura 14) - respectivamente. Figura 12: Espessura do deposito para diferentes números de Reynolds.

9 Figura 13: Evolução da condutividade térmica para diferentes números de Reynolds após atingir o regime permanente. Figura 14: Evolução da temperatura de placa fria com o tempo para diferentes números de Reynolds. A espessura de depósito cai com o aumento da vazão (Figura 12). A condutividade térmica não segue a tendência esperada, já que a condutividade deveria aumentar com a quantidade de sólidos no depósito, o que cresce com a vazão. Uma das explicações para este fato pode ser o aumento da quantidade de sólidos em depósitos espessos comentada na literatura (6) (7). Outra hipótese seria a de que a formação de depósito na parede de visualização seja maior em vazões mais baixas o que dificultaria a identificação da interface nestes casos, aumentando a incerteza destas medidas. Visto que ainda existe depósito na parede de acrílico, acredita-se que somente o aquecimento do ar ambiente não seja suficiente para impedir a formação de depósito na

10 parede de visualização. Alguns testes recentes foram feitos com um jato quente incidindo sobre esta parede e verificou-se que este método é mais eficiente em impedir a formação do depósito. O jato provoca aumento no coeficiente de troca por convecção e faz crescer a eficiência na transferência de calor do ar quente para a superfície. Essa má determinação da espessura do depósito faz com que a incerteza varie em até 50% (Figura 9). Outra fonte de incerteza experimental é a hipótese simplificadora de que a temperatura da interface é sempre igual à TIAC em regime permanente, o que pode não ser verdade em alguns casos. Figura 15: Incerteza da condutividade térmica com uma diferença de temperatura entre as placas para o teste estático. Para os testes de condutividade sem escoamento, foi decidido manter uma variação de 5 C entre as placas superior e inferior, devido a baixa incerteza experimental deste caso. É importante frisar que se deseja escolher a menor diferença de temperaturas para que se possa obter um depósito com temperatura o mais homogênea possível. Foram realizados vários testes e pôde-se observar que os dados apresentam uma repetitividade nos resultados (Figura 16), com um espalhamento de 1,3%. O espalhamento desses dados é diretamente relacionado o espalhamento nos dados de fluxo de calor, devido ao baixo valor absoluto medido (em torno de 200 W/m 2 ).

11 Figura 16: Condutividade térmica média do teste estático após atingir o regime permanente. Os resultados obtidos com as medidas de composição indicam que quanto maior a vazão maior a quantidade de frações pesadas, dando indícios de enriquecimento em frações pesadas, à medida que se aumenta a vazão do escoamento. Amostras de depósito obtidas nos testes da seção retangular foram utilizadas para estimar a porosidade do gel. Esta seção permite a abertura ao fim de cada teste para a retirada do depósito para análise. O depósito dos testes estático e com escoamentos é analisado posteriormente. Pode-se observar (Figura 17) que quanto maior a vazão maior a quantidade de frações pesadas, indicando a existência de um n de carbono crítico (8) por volta de C 29. Pode-se observar que para moléculas abaixo do carbono crítico quanto menor a vazão maior a porcentagem da molécula no gel. Para moléculas acima do carbono crítico, quanto maior a vazão maior a porcentagem da molécula no gel. Figura 17: Frações de cada componente obtido por cromatografia gasosa para diferentes nº de Reynolds.

12 Para o cálculo da porosidade do gel, tomamos como hipótese a constante composição do líquido dentro do gel. Desta forma calculamos a porosidade a partir dos dados de composição do depósito (Figura 18). Figura 18: Frações de querosene e parafina presentes em uma amostra de depósito gerado com vazões diferentes e estático. Conclusões O estudo permitiu a identificação da evolução da composição do depósito com a vazão. Além disso, foi possível identificar possíveis fontes de erro experimental, o que permitirá o aprimoramento do sistema de medição montado. Nos testes de medição de rugosidade identificou-se um vazamento no circuito de mangueiras para a medição da pressão. As mangueiras foram trocadas por tubos finos em aço inox com anilhas de dupla vedação. Acredita-se que nos próximos testes será possível obter resultados mais conclusivos. Nos testes de condutividade térmica, acredita-se que a má visualização da interface entre o depósito sólido e o líquido seja a maior fonte de erros experimentais. Outra fonte de erro identificada é a hipótese que a temperatura da interface seja sempre igual à TIAC. Um sistema de aquecimento por jato quente foi montado para aquecer a parede de acrílico e evitar o depósito na parede, melhorando a qualidade da visualização. Além disso, a temperatura da interface será medida por um dispositivo já fabricado que permite a inserção de um termopar na seção de testes.

13 Referências 1- BANKI, R.,HOTEIT, H., FIROOZABADI, A.(2008). Mathematical formulation and numerical modeling of wax deposition in pipelines from enthalphy-porosity approach and irreversible thermodynamics. Int. Journal of Heat and Mass Transfer, SINGH, P., VENKATESAN, R., FOGLER,H.S. (2001). Formation and aging of incipient thin film wax-oil gels. Materials, Interfaces and Electrochemicam Phenomena, BROWN, T.S., NIESEN, V.G., ERICKSON, D.D. (1993). Measurement and Prediction of the Kinectics of Paraffin Deposition. SPE. Huston. 4- CREEK, J.L., LUND, H.J., BRILL, J.P.,VOLK, M. (1999). Wax Deposition in Single Phase Flow. Fluid Phase Equilibria, BOTT, T. R., GUDMUNDSSON, J. S. (1977), Deposition of Paraffin Wax from Kerosene in Cooled Heat Exchanger Tubes. 6- SINGH, P., VENKATESAN, R., FOGLER,H.S.(2001) Morphological Evolution of Thick Wax Deposits During Aging, Fluid Mechanics and Transport Phenomena, HOTEIT,H.,BANKI,R.,FIROOZABADI, A. (2008) Wax Deposition and Aging in Flowline from Irreversible Thermodynamics, Energy & Fuels SINGH, P., YOUYEN, A., FOGLER,H.S.(Existence of a Critical Carbon Number in the Aging of Wax Oil Gel