Departamento de Engenharia Mecânica

ESTUDO SOBRE A DEPOSIÇÃO DE PARAFINA EM DUTOS

Aluno: Luiz Guilherme Salge Vieira

Orientador: Luis Fernando Alzuguir Azevedo

Introdução

A deposição de parafina continua sendo um problema crítico nas operações da

indústria petroleira. Quando resfriadas, as parafinas contidas no petróleo parafínico bruto

ficam insolúveis no óleo e se tornam sólidas podendo depositar nas paredes dos oleodutos. A

solidificação ocorre após o fluido ter alcançado a Temperatura Inicial de Aparecimento de

Cristais, denominada TIAC, o que depende de cada tipo de petróleo bruto. O resfriamento é

comum em operações de produção e transporte de petróleo bruto em ambientes gelados, como

nas operações offshore e nas linhas de transporte em ambientes frios, como a Transalaska

Pipeline por exemplo. Através da transferência de calor entre o óleo e o ambiente externo a

parafina é formada. As linhas de escoamentos podem ser danificadas de forma permanente

dependendo da severidade da deposição.

O processo de cristalização e deposição modifica as condições de escoamentos do

fluido. Sabendo que o óleo fica mais viscoso e que a tubulação cada vez com diâmetro mais

reduzido, a potência para bombeamento necessária para vencer a perda de carga da tubulação

pode crescer até ficar inviável.

O depósito de parafina tem aparência de um gel e se torna cada vez mais rico em

frações pesadas e pobre em óleo, processo chamado de envelhecimento (2). Em alguns

modelos (1) o depósito é até mesmo representado como um meio poroso composto de

parafina sólida e solução no estado líquido. A dureza do depósito depende da porosidade do

gel e a tensão necessária para o arrancamento do depósito preso às paredes da tubulação está

diretamente relacionada a este fator.

Figura 1 – Depósito de parafina no interior de um duto

A espessura do depósito é frequentemente medida através de testes de queda de

pressão entre dois pontos da linha de escoamento (3) (4). Nestes casos a rugosidade

superficial do depósito é um parâmetro importante na determinação da perda de carga da

seção e consequentemente da espessura do depósito. A rugosidade do depósito de parafina

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pode modificar os valores de queda de pressão, gerando dados de espessura de depósito

maiores do que a realidade.

No presente trabalho foi feito um estudo experimental sobre as propriedades do

depósito de parafina. Foram realizados experimentos em duas seções de testes, uma de

geometria anular e a outra de geometria retangular. Na primeira foram realizados testes de

perda de carga com duto coberto por parafina e na segunda foram realizadas medidas de

condutividade térmica e porosidade de depósitos de parafina.

Objetivos

O objetivo deste trabalho é estudar as propriedades dos depósitos parafínicos para

diferentes vazões. Dado isso, três temas de estudo foram propostos: o estudo da rugosidade

superficial, da condutividade térmica e da porosidade de depósitos de parafina. No primeiro,

espera-se determinar a influência do depósito de parafina na rugosidade hidrodinâmica de

dutos. No segundo procura-se investigar a influência da vazão do escoamento na

condutividade térmica e na porosidade dos depósitos formados.

Metodologia

O fluido de teste utilizado no presente trabalho é um óleo modelo, contendo 80% de

querosene grau técnico e 20% de parafina comercial, usado para simular um petróleo

parafínico.

Seções de Testes e Análises:

- Seção anular: esta seção de testes (Figura 2) é formada por dois tubos

concêntricos formando uma seção anular. O tubo externo é feito de acrílico, e o tubo interno

em cobre. O tubo externo é totalmente transparente, o que possibilita a visualização do

escoamento. O tubo interno serve como um trocador de calor onde se pode resfriar a

superfície para permitir a deposição de parafina (Figura 3) com um escoamento de água a

temperatura controlada. Um banho termostático Thermo Scientific Haake A25, foi usado para

isso. Pelo espaço anular escoa o fluido de testes descrito acima e sua temperatura é controlada

por uma placa de aquecimento sob o tanque. A seção é imersa em um tanque com água a

temperatura controlada, para diminuir efeitos de perda de calor para o ambiente. Para o

escoamento do fluido, é usada uma bomba NETZSCH, NEMO021, e a frequência é

controlada por um inversor de frequência WEG CFW08.

Figura 2: Desenho da montagem com geometria anular para deposição de parafina

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Figura 3: Desenho dos tubos concêntricos gerando a seção anular com o deposito sobre o tubo de

cobre

O controle da temperatura do tubo de cobre é feito por meio de termopares que foram

inseridos por dentro da parede de cobre permitindo a medição de temperatura a 0,5mm da

superfície externa do tubo de cobre (Figura 4).

Figura 4: Desenho do tubo de cobre, com os termopares inseridos

Medidas de queda de pressão são feitas com o uso de um sensor de pressão a

membrana, Validyne DP 103, com precisão de 0,01 mmH2O. O sensor foi calibrado com o

auxílio de um manômetro de coluna de óleo, Dwyer. Testes iniciais foram feitos onde se

determinou a perda de carga na parte final da seção de testes, onde o escoamento é

hidrodinamicamente desenvolvido. Tomadas de pressão foram instaladas a 600 e 1000 mm do

inicio do canal. Testes de queda de pressão com querosene escoando isotermicamente a 33°C

foram realizadas. A correlação de Collebrook foi utilizada para avaliar os dados dos

escoamentos turbulento com a correção de diâmetro hidráulico proposta por Jones and Leung.

Onde Dh é o diâmetro hidráulico definido como , onde At é a área transversal

e Pm é o perímetro molhado, e .

Os dados laminares foram analisados usando o fator de atrito laminar para geometria

anular concêntrica, f=95/Re. Os testes laminares foram realizados apenas como forma de

avaliar o uso apropriado da correlação em uma faixa maior de vazões. Na figura 5 encontra-se

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o gráfico da queda de pressão pelo n° de Reynolds. Neste gráfico, medidas são comparadas

com dados obtidos utilizando as correlações propostas.

Figura 5: Gráfico da queda de pressão para o escoamento isotérmico de querosene variando com o

numero de Reynolds

A rugosidade do depósito foi determinada, mas não se obteve boa repetitividade dos

dados. Identificou-se a necessidade de corrigir possíveis fontes de erro experimental.

- Seção Retangular: esta seção de testes é formada por duas paredes de aço inox

separadas por espaçadores de acrílico, possibilitando a visualização da formação de depósito

(Figura 6). Nas placas superior e inferior estão instalados sensores de temperatura termopares

e na placa inferior sensores de fluxo de calor. As placas ficam em contato com trocadores de

calor por onde circula água proveniente de banhos termostáticos. Essas placas são removíveis,

o que facilita a remoção do depósito ao fim dos testes.

Figura 6: Desenho da montagem com geometria retangular para deposição de parafina.

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O teste de deposição com escoamento consiste em manter a vazão de escoamento e

manter uma condição inicial isotérmica (35°C), onde a temperatura é superior à temperatura

inicial de aparecimento de cristais (TIAC=33°C). A partir de um instante inicial resfria-se a

placa inferior até uma temperatura 23°C abaixo da TIAC. O depósito é formado

gradativamente, conforme a figura 7.

Figura 7: Formação de parafina na placa inferior devido à um gradiente de temperatura.

Durante todo o teste, é medido o fluxo de calor que cruza a placa resfriada, a

temperatura no seio do escoamento e a temperatura na superfície das placas. A medida da

espessura do depósito formado é feita por uma câmera de resolução de 1388x1040 pixels

acoplada a uma lente de aumento de 10x que foi calibrada com auxílio de uma régua

micrométrica. Depois de atingir regime permanente – quando o fluxo de calor e a espessura

do depósito param de variar com o tempo – o deposito é removido e analisado por

cromatografia gasosa. As medidas de porosidade são feitas a partir do resultado da

cromatografia gasosa, usando a hipóteses simplificadoras de que o líquido dentro do depósito

não muda de composição. A condutividade térmica do depósito é calculada utilizando a

espessura do depósito medida, a diferença de temperaturas ao longo do depósito (TIAC-

Tparede), e o fluxo de calor que atravessa o depósito. Esse cálculo toma como hipótese

simplificadora que a temperatura da interface seja a TIAC em regime permanente.

Onde h é a espessura do depósito formado quando atinge o regime permanente, q” é o

fluxo de calor por unidade de área que atravessa o depósito em regime permanente, Twall é a

temperatura da superfície interna da placa fria (Figura 8).

O teste de deposição sem escoamento consiste em preencher a cavidade da seção de

testes com a solução de parafina e mantê-lo isotérmico inicialmente. A partir de um instante

inicial resfria-se a placa inferior até uma temperatura 5°C inferior à temperatura da placa

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superior. Esta diferença de temperaturas foi escolhida devido a baixa incerteza experimental

(Figura 15). Com o fluxo de calor que atravessa o depósito a diferença de temperaturas entre

as interfaces superior e inferior do depósito (tomadas iguais à temperatura das placas) e a

espessura entre placas, que é constante, pode-se estimar a condutividade térmica do depósito

estático.

Figura 8

Resultados

Os resultados de condutividade térmica foram inicialmente inconclusivos, acredita-se

que existam erros experimentais que impeçam a determinação mais precisa desta grandeza. A

principal fonte de incerteza experimental neste experimento é a falta de controle da

temperatura ambiente, que modifica a medida de fluxo de calor. Além disso existe formação

de um filme de depósito próximo ao acrílico o que impede a correta determinação da

espessura de depósito.

As incertezas experimentais foram calculadas seguindo o método proposto por Kleine e

McClintock:

δR²=( + ... + (

Para os casos não estáticos, pode-se observar que os dados da espessura do depósito e

as temperaturas da placa fria apresentam um espalhamento considerável - 30% (Figura 10) e

40% (Figura 11) respectivamente.

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Figura 9: Evolução média da condutividade térmica do depósito com o tempo.

Figura 10: Evolução média da espessura de depósito com o tempo para diferentes números de

Reynolds.

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Figura 11: Evolução da temperatura de placa fria com o tempo para diferentes números de Reynolds.

Para isso foram refeitos testes com maior controle de temperatura ambiente, com o

objetivo de reduzir a deposição na parede de visualização, melhorando a medição da

espessura real do depósito. Os dados da espessura do depósito, condutividade térmica e as

temperaturas da placa fria apresentaram um menor espalhamento - 2% (Figura 12), 1%

(Figura 13) e 1,2% (Figura 14) - respectivamente.

Figura 12: Espessura do deposito para diferentes números de Reynolds.

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Figura 13: Evolução da condutividade térmica para diferentes números de Reynolds após atingir o

regime permanente.

Figura 14: Evolução da temperatura de placa fria com o tempo para diferentes números de

Reynolds.

A espessura de depósito cai com o aumento da vazão (Figura 12). A condutividade

térmica não segue a tendência esperada, já que a condutividade deveria aumentar com a

quantidade de sólidos no depósito, o que cresce com a vazão. Uma das explicações para este

fato pode ser o aumento da quantidade de sólidos em depósitos espessos comentada na

literatura (6) (7).

Outra hipótese seria a de que a formação de depósito na parede de visualização seja

maior em vazões mais baixas o que dificultaria a identificação da interface nestes casos,

aumentando a incerteza destas medidas.

Visto que ainda existe depósito na parede de acrílico, acredita-se que somente o

aquecimento do ar ambiente não seja suficiente para impedir a formação de depósito na

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parede de visualização. Alguns testes recentes foram feitos com um jato quente incidindo

sobre esta parede e verificou-se que este método é mais eficiente em impedir a formação do

depósito. O jato provoca aumento no coeficiente de troca por convecção e faz crescer a

eficiência na transferência de calor do ar quente para a superfície. Essa má determinação da

espessura do depósito faz com que a incerteza varie em até 50% (Figura 9).

Outra fonte de incerteza experimental é a hipótese simplificadora de que a temperatura

da interface é sempre igual à TIAC em regime permanente, o que pode não ser verdade em

alguns casos.

Figura 15: Incerteza da condutividade térmica com uma diferença de temperatura entre as placas

para o teste estático.

Para os testes de condutividade sem escoamento, foi decidido manter uma variação de

5 °C entre as placas superior e inferior, devido a baixa incerteza experimental deste caso. É

importante frisar que se deseja escolher a menor diferença de temperaturas para que se possa

obter um depósito com temperatura o mais homogênea possível. Foram realizados vários

testes e pôde-se observar que os dados apresentam uma repetitividade nos resultados (Figura

16), com um espalhamento de 1,3%. O espalhamento desses dados é diretamente relacionado

o espalhamento nos dados de fluxo de calor, devido ao baixo valor absoluto medido (em torno

de 200 W/m2).

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Figura 16: Condutividade térmica média do teste estático após atingir o regime permanente.

Os resultados obtidos com as medidas de composição indicam que quanto maior a

vazão maior a quantidade de frações pesadas, dando indícios de enriquecimento em frações

pesadas, à medida que se aumenta a vazão do escoamento.

Amostras de depósito obtidas nos testes da seção retangular foram utilizadas para

estimar a porosidade do gel. Esta seção permite a abertura ao fim de cada teste para a retirada

do depósito para análise. O depósito dos testes estático e com escoamentos é analisado

posteriormente.

Pode-se observar (Figura 17) que quanto maior a vazão maior a quantidade de frações

pesadas, indicando a existência de um n° de carbono crítico (8) por volta de C29. Pode-se

observar que para moléculas abaixo do carbono crítico quanto menor a vazão maior a

porcentagem da molécula no gel. Para moléculas acima do carbono crítico, quanto maior a

vazão maior a porcentagem da molécula no gel.

Figura 17: Frações de cada componente obtido por cromatografia gasosa para diferentes nº de

Reynolds.

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Para o cálculo da porosidade do gel, tomamos como hipótese a constante composição

do líquido dentro do gel. Desta forma calculamos a porosidade a partir dos dados de

composição do depósito (Figura 18).

Figura 18: Frações de querosene e parafina presentes em uma amostra de depósito gerado com

vazões diferentes e estático.

Conclusões

O estudo permitiu a identificação da evolução da composição do depósito com a

vazão. Além disso, foi possível identificar possíveis fontes de erro experimental, o que

permitirá o aprimoramento do sistema de medição montado.

Nos testes de medição de rugosidade identificou-se um vazamento no circuito de

mangueiras para a medição da pressão. As mangueiras foram trocadas por tubos finos em aço

inox com anilhas de dupla vedação. Acredita-se que nos próximos testes será possível obter

resultados mais conclusivos.

Nos testes de condutividade térmica, acredita-se que a má visualização da interface

entre o depósito sólido e o líquido seja a maior fonte de erros experimentais. Outra fonte de

erro identificada é a hipótese que a temperatura da interface seja sempre igual à TIAC. Um

sistema de aquecimento por jato quente foi montado para aquecer a parede de acrílico e evitar

o depósito na parede, melhorando a qualidade da visualização. Além disso, a temperatura da

interface será medida por um dispositivo já fabricado que permite a inserção de um termopar

na seção de testes.

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Referências

1- BANKI, R.,HOTEIT, H., FIROOZABADI, A.(2008). Mathematical formulation and

numerical modeling of wax deposition in pipelines from enthalphy-porosity approach and

irreversible thermodynamics. Int. Journal of Heat and Mass Transfer, 3387-3398.

2- SINGH, P., VENKATESAN, R., FOGLER,H.S. (2001). Formation and aging of incipient

thin film wax-oil gels. Materials, Interfaces and Electrochemicam Phenomena, 1059-1074.

3- BROWN, T.S., NIESEN, V.G., ERICKSON, D.D. (1993). Measurement and Prediction of

the

Kinectics of Paraffin Deposition. SPE. Huston.

4- CREEK, J.L., LUND, H.J., BRILL, J.P.,VOLK, M. (1999). Wax Deposition in Single

Phase Flow. Fluid Phase Equilibria, 801-811.

5- BOTT, T. R., GUDMUNDSSON, J. S. (1977), Deposition of Paraffin Wax from Kerosene

in Cooled Heat Exchanger Tubes.

6- SINGH, P., VENKATESAN, R., FOGLER,H.S.(2001) Morphological Evolution of Thick

Wax Deposits During Aging, Fluid Mechanics and Transport Phenomena,6-18

7- HOTEIT,H.,BANKI,R.,FIROOZABADI, A. (2008) Wax Deposition and Aging in

Flowline from Irreversible Thermodynamics, Energy & Fuels 2693-2706.

8- SINGH, P., YOUYEN, A., FOGLER,H.S.(Existence of a Critical Carbon Number in the

Aging of Wax Oil Gel