A multiscale approach for gas hydrates considering structure, growth kinetics, agglomeration, and transportability under multiphase flow conditions

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Bassani, Carlos Lange
• Orientador(a): Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo
• Banca de defesa: Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo , Marcelino Neto, Moises Alves , Orlande, Helcio Rangel Barreto , Herri, Jean Michel, Sum, Amadeu Kun Wan
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná; Curitiba
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Escoamento multifásico; Hidratos; Cristalização; Transferência de calor; Aglomeração; Fluidodinâmica computacional; Métodos de Simulação; Multiphase flow; Hydrates; Crystallization; Heat transfer; Agglomeration; Computational fluid dynamics; Simulation methods
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA
• Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24699

Um problema reportado mundialmente pelas companhias de petróleo é a obstrução das linhas de produção devido à formação de hidratos de gás, um cristal que se forma e aglomera ocasionando restrições parciais ou totais. Isso leva à perda de ganho de capitais devido à parada de produção, e também pode ocasionar riscos ambientais e de segurança. A principal estratégia de produção consiste em evitar a formação de hidratos pela injeção de um volume consideravelmente grande de inibidores químicos. Visando a redução dos custos de produção, uma nova estratégia está em pesquisa, chamada de gerenciamento de hidratos (hydrate management). Esta consiste em deixar os hidratos se formar, porém em garantir (gerenciar) o seu escoamento estável sem nenhuma obstrução. Esta estratégia necessita de um conhecimento mais aprofundado dos processos fora do equilíbrio, tais como a cinética de crescimento, a aglomeração e a transportabilidade dos cristais. Esta tese descreve de uma maneira quantitativa parte destes processos. Vários conceitos multidisciplinares (transferência de calor e massa, cristalização, meio poroso, escoamento multifásico) e provenientes de diferentes escalas são explorados nesta tese, o que leva a novas interpretações dos fenômenos físicos. Os cristais de hidratos são porosos e hidrofílicos e portanto atuam como esponjas que aprisionam água, sendo que a cristalização ocorre principalmente nas paredes dos seus capilares (1ª nova consideração). A permeabilidade através da partícula porosa fornece água à sua superfície externa, promovendo a formação de pontes de líquido após a colisão entre partículas, o que leva à aglomeração (2ª nova consideração). Subresfriamentos mais altos se mostram capazes de promover um selamento rápido das partículas, diminuindo a taxa de permeabilidade e promovendo partículas inertes à aglomeração, chamadas partículas secas (dry particles). Além disso, aditivos com propriedades surfactantes diminuem a taxa de permeabilidade, o que explica o efeito antiaglomerante dos mesmos. Diversos mecanismos são discutidos a partir da modelagem da cinética de crescimento e da aglomeração de hidratos a partir de um balanço populacional acoplado a um modelo de escoamento multifásico em regime permanente. Testes de sensibilidade do modelo evidenciam uma classificação geral dos sistemas em função de quatro tipos de processos de limitação da cristalização: pelo decrescimento da superfície ativa de cristalização, pela dissolução de gás, pela transferência de calor ou pela queda de pressão. Para aplicações de engenharia, o modelo é simplificado a um critério adimensional que determina a produção estável em sistema óleo-dominante, possuindo a forma Ba ∞ Da Re -n , que relaciona os números de Damköhler e Reynolds (resumo gráfico). Esta expressão ainda necessita de mais testes para determinar o formato exato dos grupos adimensionais. Porém, uma forma absoluta (dimensional) para este critério é proposta em função do subresfriamento, da fração de água, da velocidade da mistura e das propriedades interfaciais, e apresenta concordância em comparações preliminares com dados experimentais. Este critério evidencia que, quando os hidratos de gás se formam em sistemas óleo-dominante, quanto mais rápido for o selamento da partícula, mais rápido a mesma se tornará seca, promovendo aglomerados menores e, portanto, requerendo menores velocidades para estabilizar a suspensão. Outro grupo adimensional La = f (Da,Re) é proposto para explicar interações entre partícula e parede e com aplicação para modelagem de deposição de hidratos em trabalhos futuros. Se o uso destes dois novos grupos adimensionais se mostrar consistente quando comparados e regredidos com bases de dados mais extensas, espera-se atingir um novo marco em como as linhas de produção de óleo e gás são projetadas.