Estudo de quebra de gotas de dispersões de água em óleo frente a quedas de pressão localizadas - Silva, Fabrício Soares da. (UFRJ, 2019)
[PT] As instalações de produção de petróleo têm válvulas (chokee controle) para controlar a produção e proteger os equipamentos a jusante contra sobrepressurização. O escoamento do fluido por essas válvulas é responsável pela quebra das gotas e pela formação de emulsões de difícil tratamento. O conhecimento dos fenômenos que relacionam as grandezas do escoamento através dessas válvulas e as propriedades dos fluidos com a quebra de gotas dessas emulsões é, portanto, importante para o adequado dimensionamento e operação das instalações de processamento. A maioria dos estudos de quebra de gotas está relacionada ao escoamento em tubulações ou vasos agitados e, apenas mais recentemente, alguns estudos concentraram-se em investigar o efeito da queda de pressão localizada no processo de quebra de gotas. O objetivo deste trabalho foi realizar um estudo experimental de quebra de gotículas em dispersões de água em óleo em dispositivos com queda de pressão localizada, alinhado ao cenário de produção de óleo (quebra em válvulas choke e em válvulas entre estágios de separação). Para isso, foi construído um aparato capaz de simular uma válvula gaveta e uma globo. Foram sintetizadas dispersões, com diferentes viscosidades, tensões interfaciais e concentrações de água em óleo, que foram bombeadas através do aparato a diferentes quedas de pressão. Para avaliar a quebra de gotas dessas dispersões, a distribuição do tamanho das gotas foi medida por difração de raios laser. Verificou-se que todos os diâmetros máximos experimentais (dmax) encontravam-se acima da escala de Kolmogorov.Simulações em CFD foram realizadas, com o objetivo de definir a zona de dissipação, para cada geometria do aparato. Para modelar o fenômeno de quebra, três diferentes modelos de quebra de gotas, que relacionam as propriedades físicas do óleo e grandezas do escoamento com os diâmetros das gotas, foram comparados com os resultados experimentais. Os resultados mostram que dmax diminui com o aumento da taxa de dissipação de energia cinética turbulenta (ε) de acordo com a relação dmax ∝ ε-0,4, em concentrações baixas da fase dispersa. Observou-se que o aumento da concentração da fase dispersa aumenta o dmax, provavelmente devido à supressão da turbulência e/ou fenômeno de coalescência. O modelo de Hinze (1955) não conseguiu prever os resultados experimentais. Através de uma regressão multivariada dos pontos experimentais, um novo modelo (baseado no modelo de Hinze) foi proposto, de forma unificada para ambas as geometrias. Esse modelo foi validado contra pontos experimentais de petróleo bruto e apresentou boa predição, especialmente para casos de alta dissipação de energia, mesmo com a viscosidade e densidade da fase contínua fora da faixa estudada nesta tese.[EN] Oil production facilities have choke/control valves to control production and protect downstream equipment against over pressurization. The flow through these valves is responsible for droplets break up and the formation of emulsions which are difficult to treat. The knowledge of the phenomena that relate the flow quantities through these valves and the fluids properties with the droplet break up of these emulsions is therefore important for the proper design and operation of the processing facilities. The majority of droplet break up studies is related to pipe flow or agitated vessels and, just more recently, some studies focused on investigating the localized pressure drop effect in droplet break up process. The aim of this work was to perform an experimental study of water in oil dispersion droplets break up,with localized pressure drop, aligned to oil production scenario (break up in choke valves and in separation inter-stage valves). To accomplish that, an apparatus capable to simulate a gate and a globe valve was constructed. Dispersions with different viscosities, interfacial tensions and watercuts were synthesized and passed through the apparatus at different pressure drops. To evaluate the droplet break up of these dispersions, the droplet size distribution was measured by laser light scattering. It was verified that all experimental maximum diameters (dmax) were above Kolmogorov length scale.CFD simulations were performed, aiming to define the dissipation zone for each valve-like apparatus geometry.To model the break up phenomenon, three different break up models,that relate the fluid properties and the flow quantities with the droplets diameters, were compared with the experimental results. The results show that dmax decreases with the increase of energy dissipation rate (ε) according to the relation dmax ∝ ε-0.4, at dispersed phase low concentration. It was observed that increasing the dispersed phase concentration increases dmax, probably due to turbulence suppression and/or coalescence phenomenon. The Hinze (1955) model failed to predict the experimental results. By applying a multivariate regression of experimental points, a new model was proposed, unified for both geometries. This model was validated against crude oil experimental points and good prediction was observed, especially for cases of high energy dissipation, even with the viscosity and density of the continuous phase out of this thesis studied range.