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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2016.tde-16062016-143355
Documento
Autor
Nome completo
Carlos Mario Giraldo Atehortua
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2015
Orientador
Banca examinadora
Adamowski, Julio Cezar (Presidente)
Alvarez, Nicolás Leonardo Pérez
Higuti, Ricardo Tokio
Título em português
Estudo da intensificação da coalescência de emulsões de água em óleo com a aplicação de onda estacionária de ultrassom.
Palavras-chave em português
Atuadores piezelétricos
Processos de separação
Ultrassom
Resumo em português
Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático.
Título em inglês
Study of the intensifying water in oil emulsions coalescence with the application of ultrasonic standing wave.
Palavras-chave em inglês
Piezoelectric actuators
Separation process
Ultrasound
Resumo em inglês
Considering that oil when extracted from the wells in deep water have water content greater than 50%, and that before to be sent to the refinery must have a quantity of water less than 1%, it becomes necessary to use water amount reduction techniques. During the oil extraction are formed water-in-oil emulsions that are highly stable due to an interfacial film containing asphaltenes and / or resins around the water droplets. This work presents the use of ultrasonic standing waves to perform that emulsion break. When water droplets with dimensions about 10m, much smaller than the wavelength, are placed in a standing acoustic field in oil, the acoustic radiation force pushes the water droplets to the pressure wave nodes. A coalescing chamber with frequency about 1 MHz, with four layers comprising a piezoelectric, a solid coupling, one with the liquid, and another reflector, was modeled using the matrix transfer method, that allows calculating the electrical impedance as a function of frequency. To minimize the effect of the temperature gradient between the inlet and the outlet of the chamber cavity, when it is operating, were used two groups of piezoelectric transducers positioned transverse to the flow which are excited and controlled independently. A digital controller has been implemented to adjust the frequency and the power of each transducer. The controller has as input the modulus and phase of electrical current of the transducer and as output the amplitude of voltage and the frequency. For developed cells, the control algorithm follows an specific resonance peak within the chambers cavity in the frequency range 1.09 to 1.15 MHz. Acoustic separation of water in oil emulsions was carried out on a laboratory oil processing plant. Tests were performed by varying the amount of the chemical demulsifier, the initial water content in the emulsion. The system flow rate was kept constant at 80 W using the control system. Residence time within the separation chamber was identified as an important factor in the water in oil emulsions coalescence process. The use of chemical demulsifier is required to perform the separation, however in large quantities, it implies the use of additional processes before the oil final transfer to the refinery. Initial water contents in the emulsion about 30 and 50% indicate that the use of the acoustic standing wave in the emulsion coalescence has not limitation on this parameter. According to the results obtained in laboratory, this technique would be indicated as an alternative to integrate a primary processing system together with an electrostatic separator.
 
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Data de Publicação
2016-06-17
 
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