Desidratacao Eletrostatica de Petroleos

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MODELAGEM MATEMTICA DO PROCESSO DE DESIDRATAO ELETROSTTICA DE PETRLEOS

Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha

DISSERTAO DE MESTRADO

Orientadores: Prof. Mrcio Nele de Souza, D.Sc. Dr. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc.

Agosto de 2008

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MODELAGEM MATEMTICA DO PROCESSO DE DESIDRATAO ELETROSTTICA DE PETRLEOS

Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha

Dissertao submetida ao corpo docente da Ps-graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos da Escola de Qumica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.).

Aprovada por:

_____________________________________________ - Orientador Prof. Mrcio Nele de Souza, D.Sc.

_____________________________________________ - Orientador Dr. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc.

_____________________________________________ Prof. Enrique Luis Lima, D.Sc.

_____________________________________________ Prof. Frederico Wanderley Tavares, D.Sc.

_____________________________________________ Dr. Montserrat Fortuny Heredia, D.Sc.

Rio de Janeiro, RJ Brasil Agosto de 2008

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CUNHA, PATRICIA SUEMAR MELLO DUARTE DA Modelagem Matemtica do Processo de Desidratao

Eletrosttica de Petrleos / Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha, Rio de Janeiro: UFRJ/ EQ, 2008. xvi, 125 f.: il.: 29,7 cm Dissertao (Mestrado) Universidade Federal do Rio de Janeiro, programa de Ps-Graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos, 2008. Orientadores: Mrcio Nele de Souza, D.Sc. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc. 1. Eletrocoalescncia; 2. Emulses de gua em petrleo; 3. Modelagem. I. Ttulo. II. Dissertao (Mestrado UFRJ / EQ)

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"Tudo loucura ou sonho no comeo. Nada do que o homem fez no mundo teve incio de outra maneira - mas j tantos sonhos se realizaram que no temos o direito de duvidar de nenhum." (Monteiro Lobato)

A Deus, minha famlia, memria do meu querido pai e da amiga Luciana.

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AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Mrcio Nele, pela pacincia, pela orientao, pelas brincadeiras para me acalmar e por ter acredito em mim.

minha orientadora e amiga Beth, pelos abraos, pelas conversas, pelo ensinamento e pela convivncia to agradvel.

Ao Xande, pelo amor, pelo carinho, pela pacincia e por ter cuidado de tudo durante estes anos em que estive parte do tempo trancada no escritrio.

Ao Joo Pedro, por todos os eu te amo mame que faziam toda preocupao e angustia desaparecerem na mesma hora. Por ter sido um homenzinho que entendeu que a mame, por muitas vezes, no podia brincar e dar ateno para ele, pois tinha que estudar. Por ter sido o DJ da trilha sonora da redao desta dissertao, High School Musical.

minha me Sued, por ter sido meu brao direito e meu brao esquerdo nos ltimos anos, cuidando to bem do meu filho. Pelo amor e pela ateno que tem conosco.

Ao meu pai Itamar, que apesar de no estar mais aqui para comemorar esta conquista comigo, com certeza est cheio de orgulho de mais esta vitria de sua raspa da panela.

minha irm Alba, pela amizade e por ser este exemplo de pessoa e profissional.

Ao meu irmo Jorge, pela amizade e por todos os momentos divertidos.

s minhas sobrinhas Camila, Natlia e Ana Paula, por serem maravilhosas, inteligentes e autnticas.

Zlia, por todo apoio e carinho durantes estes anos de convivncia.

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minha grande amiga Elenice, por todos esses anos de cumplicidade, carinho e amizade.

Raquel, minha amiga e fonte de inspirao para a execuo deste estudo. Por ser a profissional que eu tanto admiro, a minha professora em dessalgao e a amiga de todas as horas.

Beth Marsiglia, por ser uma referncia na rea de dessalgao, pelo carinho e pela amizade.

Gabriela, pela amizade e pelos dias inesquecveis na melhor fase da equipe de dessalgao.

Aos amigos Ana Lucia, Danilo e Alosio, pela ateno, pelo carinho e por tornarem meu dia to alegre.

Vivian, por ter ajudado tanto com a pesquisa bibliogrfica.

Aos amigos Rafael e Thiago, que muito mais que executantes dos testes em escala piloto, foram parceiros durante a obteno dos dados industriais. Com certeza este estudo no seria o mesmo sem eles.

Ao lson, nosso piloto da UPTE. Pela sabedoria e por ter se dedicado tanto a este trabalho.

Ao Cerbino, por ser meu professor de eltrica, por ter revisado minha dissertao e por ter me ajudado com o levantamento e anlise dos dados de eltrica.

Solange, por ter me trazido para a equipe de dessalgao, por ter me apoiado quando resolvi fazer o mestrado, pelo carinho e por acreditar no meu trabalho.

Ao Washington, pelo incentivo, pela amizade e pela sensibilidade.

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Aos amigos do CS e da EB, pela convivncia agradvel e por todo apoio.

Aos colegas do TPAP, Roberto Carlos, Robson, Bianca, Ramalho e Alcimar, pela possibilidade de fazer este trabalho na UPTE e pelas discusses tcnicas.

Aos colegas da QM, Maria Luiza, lvaro, Alexandre, Rogrio, Llia, Flvio e Mrcia Porto, pelas diversas amostras analisadas e pelas discusses tcnicas.

Ao Edlson, Tabosa, Tas, Jos Roberto, Jnior, Leyla e demais colegas da RPBC que deram todo apoio durante o teste.

Ao Rudy e demais colegas da REPAR que deram todo apoio durante o teste.

Finalmente, Petrobras, pela oportunidade de estudar e me capacitar na minha rea de interesse.

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Resumo da Dissertao apresentada ao corpo docente da Ps-graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos da Escola de Qumica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.).

MODELAGEM MATEMTICA DO PROCESSO DE DESIDRATAO ELETROSTTICA DE PETRLEOS

Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha

Agosto, 2008

Orientadores: Mrcio Nele de Souza, D.Sc. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc.

A indstria de petrleo trata emulses de gua em leo nas unidades de produo e refino, sendo a eletrocoalescncia empregada largamente para este fim. A complexidade dos fenmenos envolvidos em eletrocoalescncia dificulta o uso de modelos fenomenolgicos rigorosos para a modelagem matemtica do processo, restando como opo prtica a construo de modelos empricos e/ou semi-empricos. Neste estudo foram utilizados dados de desidratao eletrosttica obtidos em planta piloto, com emulses artificialmente geradas a partir de sete petrleos nacionais, para a proposio de um modelo matemtico emprico do processo. As variveis do processo foram analisadas, concluindo-se que o gradiente de tenso entre eletrodos, o tempo de residncia entre eletrodos, a viscosidade dinmica do petrleo na temperatura de operao e a diferena de massa especfica entre a fase aquosa e o petrleo deveriam ser contemplados no modelo. Dados em escala industrial foram obtidos em refinarias da PETROBRAS S.A. e reproduzidos em escala piloto. O modelo desenvolvido com os dados obtidos em escala piloto foi testado para os dados industriais e mostrou-se eficiente para a predio do desempenho do processo em unidades industriais, correlacionando as variveis do processo com o teor de gua no petrleo tratado.

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Abstract of the Dissertation presented to the Curso de Ps-graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos - EQ / UFRJ, as partial fulfillment of the requirements for the degree of Master Science (M.Sc.).

MATHEMATICAL MODELING OF THE CRUDE OIL ELECTROSTATIC DEHYDRATION PROCESS

Patricia Suemar Mello Duarte da Cunha

August, 2008

Advisors: Mrcio Nele de Souza, D.Sc. Elizabeth Ferreira da Fonseca, D.Sc.

The oil industry treats water in oil emulsion in the production and refining steps and uses predominately electrostatic coalescence to carry it. The complexity of the phenomena involved in electrostatic coalescence hinders the development of rigorous phenomenological models to describe the process, as a result empirical or semiempirical models for practical purposes. In this study, electrostatic dehydration pilot plant data from artificially generated emulsions, from seven Brazilian crude oils, was used to propose an empirical mathematical model. The process variables were investigated, concluding that voltage gradient between electrodes, residence time between electrodes, dynamic viscosities (at the treatment temperature) and the density difference between water and crude oil should be used in the model. Industrial data was collected in PETROBRAS refineries and reproduced in pilot plant. The model developed from pilot plant data was tested against industrial data and it was efficient to predict the performance of the industrial units, correlating the process variables and final water cut.

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SUMRIO

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INTRODUO E MOTIVAO............................................................................1 REVISO BIBLIOGRFICA..................................................................................3 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 Eletrocoalescncia .......................................................................................... 14 Mecanismos Envolvidos na Separao Eletrosttica.............................. 16 Fatores que Afetam a Eletrocoalescncia............................................... 23 Tecnologias Tpicas para Eletrocoalescncia ......................................... 26 Modelagem do Processo de Tratamento Eletrosttico de Petrleos............... 37 Modelo Proposto por Lucas (1969) ........................................................ 39 Modelo Proposto por Oliveira et al. (1995a,b; 1996a,b) e Oliveira e

Oliveira (2000) ....................................................................................................... 40 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.3 3 Modelos Propostos por Fonseca