CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DE FLUIDO TIXOTRÓPICO

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1 CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DE FLUIDO TIXOTRÓPICO Aluno: Pablo Esteban Salinas Solis Orientadores: Mônica F. Naccache e Priscilla Varges Introdução Fluidos estruturados se encontram em uma ampla gama de atividades. A maioria das suspensões, emulsões e espumas são fluidos estruturados, isto é, fluidos que possuem uma microestrutura. Alguns exemplos são: cosméticos, diversos alimentos, nano-compósitos, tintas, pastas de cimento, adesivos, graxas, lamas naturais, fluidos de perfuração, petróleos, géis diversos, e pastas de mineração, de carvão e metálicas [1]. Estes fluidos exibem comportamento mecânico não newtoniano. A baixos níveis de tensão, sua microestrutura frequentemente lhes confere um comportamento elástico. Neste caso, acima de um certo limite, usualmente chamado de tensão limite de escoamento, ocorre um colapso significativo da microestrutura, causando reduções dramáticas da viscosidade e elasticidade. Quando submetida a uma tensão constante por um período de tempo suficiente, a microestrutura de um fluido estruturado normalmente atinge uma configuração de equilíbrio, que é resultado do equilíbrio entre as taxas de construção e destruição da microestrutura. Se as mudanças de microestrutura não ocorrem instantaneamente após uma mudança do estado de tensão, diz-se que o fluido é dependente do tempo (de deformação). Diz-se que um fluido dependente do tempo é tixotrópico se sua viscosidade cai/sobe com o tempo durante um aumento/diminuição da taxa de cisalhamento, e se além disso estas mudanças de viscosidade são reversíveis. Por outro lado, diz-se que um fluido dependente do tempo é anti-tixotrópico se sua viscosidade sobe/cai com o tempo durante um aumento/diminuição da taxa de cisalhamento, e se além disso estas mudanças de viscosidade são reversíveis. Em sua maioria, os fluidos estruturados que exibem uma tensão limite de escoamento são dependentes do tempo, em particular na faixa de baixas taxas de cisalhamento. Frequentemente se observa também algum grau de irreversibilidade nas mudanças microestruturais, mas a modelagem e a caracterização do comportamento mecânico de fluidos estruturados irreversíveis constituem grandes desafios [2]. Na realidade, a ciência ainda está muito longe de compreender até mesmo os fluidos tixotrópicos, no que se refere ao seu comportamento mecânico [3]. Motivação Um exemplo de fluidos tixotrópicos na indústria do petróleo é encontrado na produção em águas profundas e ultra-profundas (como por exemplo nas camadas do pré-sal). Nestas condições, o óleo é submetido a baixas temperaturas, em torno de 4ºC. As baixas temperaturas favorecem o aparecimento de cristais parafínicos e a consequente gelificação do óleo, transformando radicalmente o comportamento reológico destes materiais, que passam a apresentar comportamento não newtoniano altamente complexo. 1

2 Um problema bastante grave ocorre durante a interrupção e o reinício da produção de petróleo nestas condições. A análise deste processo, e do próprio escoamento do óleo só é possível a partir do conhecimento das propriedades reológicas do óleo gelificado, que apresenta comportamento tixotrópico. Objetivos O presente projeto teve como objetivo analisar a reologia de um fluido tixotrópico modelo, a fim de entender o comportamento deste tipo de material, e definir uma metodologia para a sua caracterização reológica. Os fluidos modelos são utilizados em simulações experimentais de escoamentos, a fim de analisar diferentes processos envolvendo fluidos com características similares, mas mais difíceis de se trabalhar (p.ex. fluidos não transparentes). Neste projeto foi feita a caracterização reológica de um fluido tixotrópico modelo, uma solução aquosa com 2% de Laponita com 0.001g/L de NaCl. Fluido O fluido utilizado é uma solução aquosa com 2% de Laponita com 0.001g/L de NaCl. Para preparar o fluido, adiciona-se 10,23mL de NaOH 0.04 M a 4000mL de água deionizada. A solução é homogeneizada e são descartados 100mL. Em seguida, mantém-se a solução a 500 rpm em um agitador mecânico durante o processo de adição de 80g do pó de Laponita. Na sequencia, aumenta-se a rotação para 1600 rpm por meia hora. Para finalizar, são adicionados 10mL de NaCl 0.4M e a agitação é mantida por mais meia hora. Após 8 dias de repouso a solução pode ser utilizada para os testes. Procedimento experimental Antes de qualquer teste, o fluido é cisalhado a 300 rpm por 10 minutos, para garantir que todas as amostras fossem igualmente pré-cisalhadas. Para a caracterização reológica foram utilizados dois reômetros, o AR-G2, da marca TA Instruments, e o Mars, da Haake. Todos os testes foram realizados a 20 ºC. Os testes realizados foram Creeps, para encontrar a tensão limite de escoamento do fluido, e Step changes de tensão, para avaliar o comportamento tixótropico da solução. Os testes de Creep consistem na aplicação de uma tensão constante ao longo de segundos. Já para os Step Changes é aplicada uma tensão inferior à tensão limite de escoamento por segundos e em seguida eleva-se esse valor de tensão por 5000 segundos. O tempo dos testes foi definido para garantir que ele fosse realizado em regime permanente. Resultados e Discussões Os testes de Creep foram realizados sem nenhum grande problema além dos longos tempos de cada teste. Foram utilizadas tensões com intervalos de 0.5 Pa desde 5 Pa até 12Pa. Na Figura 1 estão apresentados os valores encontrados. Observa-se que o valor para a tensão limite de escoamento (menor valor de tensão no qual a taxa de cisalhamento não tende a zero) é proximo a 8 Pa. Determinar esse valor é fundamental para realização dos próximos testes, já que nos Step Changes é necessário utilizar um valor menor que a tensão limite na primeira etapa e um valor maior na segunda etapa. 2

3 Figura 1. Testes de creep, para tensão igual a 6,5 Pa, 8 Pa, e 8,5 Pa Para os Step Changes foram feitos alguns testes preliminares para determinar a folga ideal entre as placas paralelas para a realização das medidas, para isso foram feitos Step changes de 5-18 Pa com folgas de 0.5, 1, 1.5 e 2mm. Na Figura 2 é mostrado o resultado para a tensão de 5 Pa. Figura 2. Primeira parte do Step change variando a folga 3

4 Como o valor de 5Pa é inferior à tensão limite de escoamento (8Pa) podemos ver que, não importando o tamanho da folga, todos os valores de taxa de deformação tendem a zero. Os resultados para a tensão de 18 Pa são apresentados nas Figs. 3 e 4. Figura 3. Segunda parte do Step change variando a folga (1) Figura 4. Segunda parte do Step change variando a folga (2) 4

5 Observa-se que para os intervalos de 1, 1.5 e 2 mm os valores encontrados foram muito próximos, então qualquer um deles poderia ser utilizado, enquanto para o intervalo de 0.5 mm os valores foram muito discrepantes, mostrando que essa folga é inapropriada para testes. Optou-se então trabalhar com a folga de 1 mm. Após isso finalmente focou-se no objetivo principal, que era realizar os testes de Step Change para se verificar a presença dos efeitos tixotrópicos. Todos os Step Changes foram realizados com uma tensão inicial de 5 Pa, e para a segunda tensão foram determinados seis valores de 10 a 100. Os valores foram escolhidos com igual espaçamento logaritmicamente, então foram escolhidos 10 Pa, Pa, Pa, Pa, Pa e 100 Pa. Porém esses testes se mostraram muito problemáticos, pois alguns dos valores de tensão foram muito elevados o que levaram a overspin dos reômetros e/ou causavam com que a solução de laponita espirrasse. Na Figura 5 são mostrados os resultados para a primeira parte do teste, realizada a 5 Pa. Figura 5. Primeira parte Step change variando tensão Como esperado, por o valor ser abaixo do valor de tensão limite, todos os resultados da taxa de deformação tenderam para zero. Para melhor visualização da segunda parte do teste ele foi dividido nos dois gráficos abaixo. 5

6 Figura 6. Segunda parte Step change variando tensão (1) Figura 7. Segunda parte Step change variando tensão (2) Observando as Figuras 6 e 7 pode ser visto que os únicos testes que apresentaram bons resultados foram os de 10Pa, 10 1,2 Pa (15.85Pa), 10 1,4 Pa (25.12Pa) e Pa (39,81Pa). Nos testes com valores mais altos de tensão os resultados não foram bons. O de 100Pa teve um problema de overspin, o que fez com que o teste parasse com apenas 1 segundo de duração. E o teste a 63.09Pa mesmo sendo realizado até o final mostra valores ruins após 10 segundos de 6

7 teste: os valores caem bruscamente e ficam estagnados proximos de zero, isso se deve ao fato do fluido ter espirrado durante os testes, devido à alta velocidade da rotação. Mesmo com apenas esses 4 resultados já é possivel verificar a presença dos efeitos tixotrópicos, mas ainda devem ser realizados mais experimentos a fim de validar de forma mais significativa os resultados obtidos. Alguns problemas técnicos nos reômetros utilizados impediu a obtenção de mais resultados. Conclusões O estudo permitiu uma maior compreensão do comportamento reológico da Laponita. Esse fluido apresenta um comportamento complexo e pouco descrito na literatura. Através da metodologia de preparo de fluido desenvolvida é possível obter um fluido com repetibilidade e reprodutibilidade a cada preparo. Com os testes de creep foi possível identificar a tensão limite de escoamento, a saber 8Pa. Através dos testes de step change de tensão foi possível verificar a presença de efeitos tixotrópicos. Com esses dados será possível avaliar o modelo constitutivo que descreve o comportamento tixotrópico de fluidos, proposto por Souza Mendes [5]. Referências 1- PEREIRA, A.S.; PINHO, A.S.. Recirculation Turbulent flow of thixotropic fluids. J Non- Newtonian Fluid Mech., v. 99, p , STOKES, J. R., TELFORD, J. H., Measuring the yield behavior of structured fluids. J. Non-Newtonian Fluid Mech., v. 124, p , MEWIS, J., WAGNER, N. J., Thixotropy. Adv Colloid Interface Sci , , FOX, R. W., Pritchard, P. J., McDonald A. T., Introduction to Fluid Mechanics, United States, Ed. LTC, 6ª edição, COULSON J.M, RICHARDSON J.F, Chemical Engineering, v. 1, Ed. Elsevier, 6ª edição, MOISÉS, GUSTAVO VINÍCIUS LOURENÇO, Proposta de doutorado na PUC-Rio, start up of waxy crude oil by analogy, SOUZA MENDES, P.R, Modeling the thixotropic behavior of structured fluids, J Non- Newtonian Fluid Mech., v. 164, n. 1-3, p ,