A importancia de fenomenos de transporte para engenharia de petroleo

...

O conceito de fluidos envolve líquidos e gases, logo, é necessário distinguir estas duas classes: “Líquidos é aquela substância que adquire a forma do recipiente que a contém possuindo volume definido e, é praticamente, incompressível. Já o gás é uma substância que ao preencher o recipiente não formar superfície livre e não tem volume definido, além de serem compressíveis.

Para abordar os estudos de fluidos é necessária a compreensão total dos mesmos, tendo em vista todas as suas propriedades, que são:

- Massa Específica (ρ) [kg/m³]: É a quantidade de massa de fluido por unidade de volume.

[pic 3]

- Volume Específico (υ) [m³/kg]: É o volume ocupado por unidade de massa. É igual ao inverso da massa específica e tem particular importância no estudo de escoamento de fluidos compressíveis.

[pic 4]

- Peso Específico (γ) [N/m³]: É a razão entre o "peso" e o volume do fluido, ou mais corretamente: a força, por unidade de volume, exercida sobre uma massa específica submetida a uma aceleração gravitacional.

[pic 5]

- Viscosidade (μ) [kg/ms]: É a medida da resistência interna ou fricção interna de uma substância ao fluxo quando submetida a uma tensão. Quanto mais viscosa a massa, mais difícil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade. Para os gases, a viscosidade está relacionada com a transferência de impulso devido à agitação molecular. Já a viscosidade dos líquidos relaciona-se mais com as forças de coesão entre as moléculas.

[pic 6]Sendo [pic 7] o coeficiente de viscosidade.

- Pressão (P) [N/m², kgf/cm²]: É definida como a razão entre a componente normal de uma força e a área sobre a qual ela atua. A pressão exercida em um elemento de área de um fluido é igual em todas as direções (Lei de Pascal). Para que ocorra o escoamento de um fluido de um ponto até o outro é necessário que haja uma diferença de pressão.

[pic 8]

- Temperatura (T) [ºC]: Pode ser definida, grosso modo, como a propriedade que mede o grau de aquecimento ou resfriamento de um sistema. A temperatura aponta o sentido de transferência de energia na forma de calor, que flui dos corpos de alta temperatura para os de baixa temperatura.

- Tensão superficial (σ) [N/m]: A força que existe na superfície de líquidos em repouso é denominada tensão superficial. Esta tensão superficial é devido às fortes ligações intermoleculares, as quais dependem das diferenças elétricas entre as moléculas, e pode ser definida como a força por unidade de comprimento que duas camadas superficiais exercem uma sobre a outra.

[pic 9]

Fig. 01 - Tensão da Água. Fonte: Ciências 2015.

3.1.1 Fluidos Newtonianos

A Lei de Newton da Viscosidade diz que a relação entre a tensão de cisalhamento e o gradiente local de velocidade é definida através de uma relação linear, sendo a constante de proporcionalidade, a viscosidade do fluido. Assim, todos os fluidos que seguem este comportamento são denominados fluidos newtonianos.

3.1.2 Fluidos Não-Newtonianos

Um fluido não-Newtoniano é um fluido cuja viscosidade varia de acordo com o grau de deformação aplicado e cujas propriedades reológicas independem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento.

Estes fluidos são então classificados conforme o aspecto da curva de fluxo e a viscosidade desses fluidos, portanto, varia com a taxa de cisalhamento. Pode-se classificar estes fluidos em fluido plástico ideal (Modelo de Bingham), que possui uma tensão limite de escoamento mínima para que o fluido escoe – abaixo deste valor o fluido se comporta como sólido; e fluido pseudoplástico (Modelo Ostwald de Waale), que possuem uma curva de fluxo definida por uma equação exponencial.

São substâncias que, em repouso, apresentam suas moléculas em um estado desordenado, e quando submetidas a uma tensão de cisalhamento, suas moléculas tendem a se orientar na direção da força aplicada - e quanto maior esta força, maior será a ordenação e, consequentemente, menor será a viscosidade aparente; e fluido dilatante, cuja curva de fluxo é regida por uma equação exponencial análoga aquela apresentada pelos fluidos pseudoplásticos, mas apresenta um valor de expoente maior que um. Neste tipo de fluido a viscosidade cresce com a taxa de cisalhamento (MACHADO, 2002).

[pic 10]

Fig. 02 – Comportamento dos fluidos. Fonte: Scielo

4 ESCOAMENTO DE FLUIDOS

O fluxo ou escoamento dos fluidos ocorrem desde o reservatório (meio poroso), até as facilidades de produção (separadores, tratadores e tanques), passando pela coluna de produção, risers e linhas de transferências, sendo que a elevação dos fluidos utiliza a energia natural do reservatório ou energia suplementar (métodos artificiais) (THOMAS, 2001).

4.1. Escoamento Multifásico

Escoamento multifásico pode ser definido como o escoamento simultâneo composto por duas ou mais fases com propriedades diferentes e imiscíveis em uma tubulação. Nesse tipo de escoamento não se faz distinção rigorosa do conceito de fase e componente, mas sim do número de interfaces presentes no escoamento. Por exemplo, escoamento bifásico significa a presença de uma interface, e pode ser do tipo líquido-líquido imiscíveis (óleo e água) ou líquido-gás (óleo e gás). No caso de escoamento óleo-gás-água temos a presença de duas interfaces, líquido-líquido-gás (água, óleo e gás), apesar, da mistura ser considerada bifásica (Costa e Silva, Borges filho & Pinheiro, 2000).

Na indústria do petróleo esse tipo de escoamento ocorre devido a redução de pressão, temperatura, fazendo com que o gás antes dissolvido no óleo, dependendo da composição química do petróleo, seja liberado e venha a ser produzido junto com óleo e água proveniente da formação (Mukherjee & Brill,1999).

Uma característica importante presente no escoamento multifásico é a distribuição física das fases dentro da tubulação, conhecidas como padrões de escoamento ou regimes de fluxo. A forma como cada padrão se apresenta depende das forças que