Simulação numérica de parafina em Dutos

Simulação numérica de parafina em Dutos

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Luis Renato Minchola Morán

Simulação Numérica da Deposição de Parafina em Dutos de Petróleo. Avaliação dos Mecanismos de Difusão Molecular e Difusão Browniana

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Angela Ourivio Nieckele Co-orientador: Prof. Luis Fernando Alzuguir Azevedo

Rio de Janeiro Setembro de 2007

Luis Renato Minchola Morán

Simulação Numérica da Deposição de Parafina em Dutos de Petróleo. Avaliação dos Mecanismos de Difusão Molecular e Difusão Browniana

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Angela Ourivio Nieckele

Orientador Departamento de Engenharia Mecânica – PUC-Rio

Luis Fernando Alzuguir Azevedo

Co-orientador Departamento de Engenharia Mecânica – PUC-Rio

Geraldo Afonso Spinelli Martins Ribeiro Exploração e Produção – Petrobras

Sérgio Leal Braga Departamento de Engenharia Mecânica – PUC-Rio

Prof. José Eugenio Leal

Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 24 de Setembro de 2007

Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador.

Luis Renato Minchola Morán

Graduou-se em Engenharia Mecânica Universidad Nacional de Trujillo - Perú em 2000.

Ficha Catalográfica

Minchola Morán, Luis Renato
Simulação numérica da deposição de parafina
104 f. : il. ; 30 cm
Dissertação (Mestrado em Engenharia
Inclui bibliografia
1. Engenharia mecânica – Teses. 2.

CDD: 621 em dutos de petróleo: avaliação dos mecanismos de difusão molecular e difusão browniana / Luis Renato Minchola Morán ; orientadora: Angela Ourivio Nieckele ; co-orientador: Luis Fernando Alzuguir Azevedo. – 2007. Mecânica)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Setembro, 2007. Deposição de parafina. 3. Difusão molecular. 4. Difusão browniana. 5. Simulação numérica. I. Nieckele, Angela Ourivio. I. Azevedo, Luis Fernando Alzuguir. I. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica. IV. Título.

Agradecimentos

A minha orientadora, Professora Angela Ourivio Nieckele, e meu Co-orientador, professor Luis Fernando Alzuguir Azevedo, pelo apoio, e orientação durante o desenvolvimento do curso de mestrado.

A toda minha família, em especial para meu pai, mãe, irmão, e esposa pelo apoio de sempre.

Aos professores da PUC-Rio pelo ensino excelente, e pelos conhecimentos adquiridos.

Aos meus amigos e colegas de Termociências, com quem sempre compartilhei idéias, nos apoiamos nos estudos e em especial pela amizade.

Ao Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio e seus funcionários pela colaboração.

Finalmente minha gratidão à CAPES e à PUC-Rio pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não poderia ter sido possível.

Resumo

Minchola Morán, Luis Renato; Nieckele, Ângela Ourivio; Azevedo, Luis Fernando Alzuguir; “Simulação Numérica da Deposição de Parafina em Dutos de Petróleo. Avaliação dos Mecanismos de Difusão Molecular e Difusão Browniana” Rio de Janeiro 2007. 104p. Dissertação de Mestrado – Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica de Rio de Janeiro.

Deposição de parafinas é um dos mais críticos problemas operacionais no transporte de óleo cru, nos dutos que operam em ambientes frios. Portanto, uma predição acurada da deposição de parafinas é crucial para o projeto eficiente de linhas submarinas. Infelizmente, a deposição de parafinas é um processo complexo e os mecanismos de deposição ainda não são bem compreendidos. Visando identificar a importância relativa dos diferentes mecanismos de deposição, dois deles foram investigados: Difusão Molecular e Browniana. Para determinar a quantidade de depósito, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento linear, energia, concentração da mistura e concentração da parafina fora da solução foram resolvidas numericamente pelo método de volumes finitos. Um sistema de coordenadas móveis não ortogonais que se adapta a interface do depósito da parafina foi empregado. Apesar da obtenção de uma concordância razoável do perfil de depósito, obtido com os mecanismos selecionados no regime laminar, com resultados disponíveis na literatura, uma discrepância significativa foi observada durante o transiente. O emprego do mecanismo de difusão browniana levou a uma pequena melhora na predição da solução nas regiões sub-resfriadas. A influência do regime turbulento como o mecanismo de difusão molecular também foi investigado, empregando o modelo de turbulência para baixo Reynolds εκ−. Os resultados obtidos apresentaram coerência física, com uma taxa menor de aumento do depósito com o tempo, pois a região próxima à interface com temperatura abaixo da temperatura de aparecimento de cristais é menor no regime turbulento.

Palavras-chaves

Deposição de Parafina, Difusão Molecular, Difusão Browniana, Simulação Numérica.

Abstract

Minchola Morán, Luis Renato; Nieckele, Ângela Ourivio; Azevedo, Luis Fernando Alzuguir; “Numerical Simulation of Wax Deposition in Petroleum Lines. Assessement of Molecular Diffusion and Brownian Diffusion Mechanisms” Rio de Janeiro 2007. 104p. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica de Rio de Janeiro.

Wax deposition is one of the major critical operational problems in crude oil pipelines operating in cold environments. Therefore, accurate prediction of the wax deposition is crucial for the efficient design of subsea lines. Unfortunately, wax deposition is a complex process for which the mechanisms are still not fully understood. Aiming at the identification of the relative importance of the different deposition mechanisms, two of them were investigated: Molecular and Brownian Diffusion. To determine the amount of deposit, the conservation equations of mass, momentum, energy, concentration of the mixture and wax concentration outside the solution were numerically solved with the finite volume method. A non-orthogonal moving coordinate system that adapts to the wax interface deposit geometry was employed. Although for the laminar regime, the deposition profile predicted with the selected deposition mechanisms presented a reasonable agreement with available literature results for the steady state regime, a significant discrepancy was observed during the transient. The employment of the Brownian diffusion mechanism led to only a small improvement in the transient solution prediction in sub-cooled regions. The influence of the turbulent regime with the Molecular diffusion mechanism was also investigated by employing the Low Reynolds εκ− turbulence model. The results obtained were physically coherent, presenting a smaller deposit thickness, since the region with temperature below the wax appearance temperature is smaller in the turbulent regime.

keywords

Wax Deposition, Molecular Diffusion, Brownian Diffusion, Numerical Simulation.

Sumário

1. Introdução 18 1.1. Objetivo 20 1.2. Organização do trabalho 20 2. Revisão Bibliográfica 21 2.1. Características da parafina 21 2.2. Mecanismos de deposição 21 2.2.1. Difusão molecular 2 2.2.2. Difusão browniana 2 2.2.3. Dispersão por cisalhamento 23 2.3. Modelos de deposição de parafina 24

3. Modelagem Matemática 28 3.1. Descrição do experimento 28

3.1.1. Massa específica da mistura óleo Spindle/parafina 30

3.1.2. Solubilidade da parafina 31 3.2. Modelagem do crescimento do depósito de parafina 32

3.2.1. Mecanismos de difusão molecular e difusão browniana 32

3.3. Equações de Conservação 34 3.3.1. Propriedades termofísicas 37 3.3.2. Modelagem do escoamento turbulento 38 3.4. Geração de partículas sólidas 41 3.4.1. Solubilidade e supersaturação 41 3.4.2. Nucleação 43

3.5. Formulação em coordenadas curvilíneas 4 3.5.1. Equação de conservação de massa 47

3.5.2. Equação de conservação da quantidade de movimento linear 48

3.5.3. Equação de conservação da energia 49

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