TÍTULO: ANÁLISE EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO DE NANOPARTÍCULAS DE MAGNETITA NA INTERFASE ÁGUA E ÓLEO DE SILICONE E ÁGUA E VASELINA
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO
CATEGORIA:
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
ÁREA:
SUBÁREA: Engenharias
SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO(ÕES): UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA - UNISANTA
INSTITUIÇÃO(ÕES):
AUTOR(ES): THAÍS CENTAMORE DE OLIVEIRA
AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): DEOVALDO DE MORAES JÚNIOR, ALDO RAMOS SANTOS, NELIZE MARIA DE ALMEIDA COELHO
1 1. RESUMO
O método Core Annular Flow apresenta o transporte de óleos pesados juntamente com a água. A água, por possuir viscosidade menor do que o óleo, escoa envolta dele, diminuindo então o gasto de energia durante o transporte. Apesar de ser eficiente, pode ocorrer a formação de emulsão, ou seja, a mistura entre eles, prejudicando o produto final (óleo). Estudos são feitos visando a utilização de nanopartículas para modificar a interface entre o óleo e a água, direcionando a água para as paredes da tubulação sem se misturar ao óleo que escoa pelo centro, minimizando a formação de emulsão e facilitando o transporte. O objetivo desse estudo foi simular o comportamento da nanopartícula de magnetita funcionalizada em ambiente contendo água e dois tipos de óleo sob agitação. Testes foram efetuados com uma solução mãe contendo 1,0 % de nanopartículas
(magnetita funcionalizada com SO3) diluídas em água. Nos ensaios foram utilizados
dois tipos de óleo, vaselina e óleo de silicone. A unidade experimental foi constituída de um béquer de vidro de 100 mL acoplado a um sistema levadiço para variação da altura do impelidor. A agitação da mistura foi feita com um impulsor radial de 2 pás planas e a medição da rotação foi efetuada por um tacômetro. O ensaio consistiu em, primeiramente, preparar a solução com a concentração a ser estudada, para a qual foi utilizada uma balança e um béquer de 100 mL em cada solução. A fase orgânica foi adicionada a uma proporção de 2:1. Após o preparo, a mistura foi agitada por 30 minutos em uma rotação de 450 rpm. Os resultados obtidos demostram que o óleo de vaselina separou rapidamente em relação ao óleo de silicone, porém o óleo de silicone, apesar de demorar mais tempo, separou melhor. Dessa forma concluiu-se que o óleo de silicone foi o mais indicado para a realização de testes que visem propor soluções para o método de transporte de óleos pesados na configuração “Core Annular Flow”. No entanto, devido a migração de nanopartículas para a fase óleo e a persistente formação de emulsão, as nanopartículas de magnetita não apresentaram resultados satisfatórios para ambos os óleos.
2 2. INTRODUÇÃO
Há uma crescente procura em desenvolver tecnologias para melhorar custos e otimizar a produção de óleo pesado, já que os óleos leves estão cada vez mais escassos. As grandes dificuldades em extrair, produzir e principalmente transportar esse óleo se devem a alta viscosidade desse fluido. Fluidos de alta viscosidade, como os óleos pesados, utilizam uma grande quantidade de energia, pois esse fluidos apresentam uma alta tensão de cisalhamento exigindo assim uma potência maior da bomba, gerando altos custos. A alta tensão de cisalhamento se da pelo grande atrito produzido entre o fluido e as paredes tubulação. A viscosidade também interfere na seleção de uma bomba para a produção de combustíveis, agindo assim diretamente nos custos do processo (MORAES, MORAES, 2011).
Visando diminuir a quantidade de energia gasta por esses fluidos em seu transporte, consequentemente melhorando o custo-benefício, foi desenvolvido o método Core Annular Flow (CAF), onde o óleo é transportado por água, utilizando a diferença de viscosidade e a densidade desses fluidos. Esse método, foi inicialmente reportado por, Jonh Dove Isaacs e James Buckner Speed em 1904. Nesse transporte utiliza-se fluidos imiscíveis onde a água se comporta como um lubrificante para o óleo, esse que por sua vez passa no meio da tubulação (PRADA, 1999). A força centrifuga gerada pela bomba direciona a água para a parede da tubulação e o óleo permanece na região central do escoamento, pois é um líquido mais denso em relação a água (Figura 1). A técnica reduz, o atrito do óleo com as paredes da tubulação, gerando um gasto bem menor de energia.
Apesar de ser um método eficiente e econômico há um problema bem frequente nesta técnica, o óleo tem a tendência de se misturar com a água ao longo do duto, gerando a formação de emulsão e uma perda de carga maior. Estudos realizados por Arney em 1993, Ribeiro et.al. (1996) e Silva e Mohamed (2003) mostram a
3 possibilidade da utilização de materiais que repelem ou atraem o óleo revestindo a tubulação. Mesmo havendo estudos sobre este assunto, ainda há uma escassez de dados na literatura.
Dessa forma, uma alternativa inovadora para tentar solucionar o problema da formação de emulsão no escoamento bifásico água/óleo está no beneficiamento de um dos fluídos com químicos, como as nanopartículas da magnetita funcionalizadas. Neste contexto, as nanopartículas seriam atraídas pela água e rejeitariam o óleo, dificultando, assim à mistura dos dois e forçando o óleo a escoar no meio da tubulação e minimizando a formação de emulsão. A utilização destas seriam, portanto, um grande avanço na produção e manufatura dos óleos pesados, gerando menos gastos e otimização.
3. OBJETIVO
O objetivo desse estudo foi simular o comportamento da nanopartícula de
magnetita funcionalizada com SO3 em ambiente contendo água e dois tipos de óleo
sob agitação.
4. MÉTODO
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Operações Unitárias da Universidade Santa Cecília, em uma unidade experimental que constituía de um béquer de 100 mL e um sistema levadiço para variação da altura do impelidor (Figura 2). Cada amostra foi preparada com a adição de uma solução de
nanopartículas de magnetita funcionalizadas com SO3, de coloração escura,
desenvolvidas no Laboratório de Química da USP e de um óleo incolor, ora de silicone, ora de vaselina, na proporção de duas partes de óleo, para uma parte de solução de nanopartícula de 2:1. A mistura foi agitada utilizando um impulsor radial de 2 pás planas. A medição da rotação foi efetuada por um tacômetro.
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5. DESENVOLVIMENTO
Foram efetuados ensaios com soluções contendo 0,5 e 1,0 %, em massa, de
nanopartículas de magnetita funcionalizada com SO3.
A primeira bateria de ensaios foi realizada com solução de 0,5 %, a qual consistia de 72,16 g de massa total, sendo 48,16 g de vaselina e 24 g de solução de nanopartícula. Já a segunda bateria foi realizada com 1,0 % em massa de nanopartícula de magnetita SO3 (24 g de nanopartícula), utilizando 54,046 g de óleo de silicone e 24 g de nanoparticula, totalizando 78,096 g de mistura e utilizando X g de vaselina e Y g de nanoparticulas, com a soma Z g totais.
Após o preparo, cada amostra da mistura foi agitada a uma rotação de 450 rpm por 30 minutos e, logo após a agitação, foi observado seu comportamento ao longo do tempo.
Figura 2: Unidade experimental, sendo 1) Sistema levadiço; 2) Impulsor; 3) Béquer.
Figura 3: Nanopartículas de magnetita funcionalizadas com SO3.
5 6. RESULTADOS
No primeiro ensaio referente a agitação da solução aquosa com 0,5 % de nanopartícula com vaselina foi observado que logo que acrescentada a vaselina no béquer, que já continha a nanopartícula houve, uma mudança na sua coloração que antes era límpida e ficou um tom amarelado, possivelmente pela migração de nanopartículas da fase aquosa para o óleo antes mesmo da agitação. O béquer foi levado a unidade experimental e agitado por 30 minutos com 450 rpm. Finalizada a agitação, notou-se o início da separação do óleo e da nanopartícula, porém a vaselina conservou o tom amarelado, demonstrando que a migração de das nanopartículas foi permanente. Apresenta-se na Figura 4 apresenta a evolução da separação da mistura água com + nano 0,5 % e vaselina ao longo do tempo.
Figura 4: Evolução da separação entre nano 0,5% e vaselina. a) Antes da agitação; b) Após a agitação; c) Repouso de 5 minutos pós agitação; d) Repouso de 10 minutos após agitação; e) Repouso de 25 minutos pós agitação; f) Repouso de 35 minutos após agitação.
O segundo ensaio também foi realizado com vaselina porém com 1,0 % de nanopartículas em que foi possível analisar novamente a coloração amarelada adquirida pela vaselina em contato com as nanopartículas. Após a agitação foi possível visualizar a rápida separação das fases e que a vaselina continuou
6 amarelada. Tendo sido observadas as duas corridas utilizando vaselina e concentrações de nanopartículas diferentes, não houve diferença significativa entre os tempos de separação e a coloração adquirida por esse óleo. (Figura 5).
Figura 5: Evolução da separação entre nano 1,0% e Vaselina. a) Antes da agitação; b) Após a agitação; c) Repouso de 5 minutos pós agitação; d) Repouso de 25 minutos após agitação; e) Repouso de 35 minutos pós agitação.
O terceiro ensaio foi realizado com óleo de silicone e 0,5 % nanopartículas. Após o preparo, antes da agitação, foi analisado que o óleo de silicone se manteve transparente, havendo a possibilidade de não ter acontecido uma migração das nanopartículas para o óleo. Depois de agitada foi observado um tempo muito mais longo para separação das fases (Figura 6), e após 24h de descanso, observou-se novamente ausência de coloração da fase óleo. O mesmo não ocorreu com a vaselina (Figura 7).
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Figura 6: Evolução da separação entre nano 1,0 % e óleo de silicone. a) Antes da agitação; b) Após a agitação; c) Repouso de 15 minutos pós agitação; d) Repouso de 25 minutos após agitação; e) Repouso de 35 minutos pós agitação.
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Figura 7: Após 24 horas dos ensaios
7. CONCLUSÃO
Após 24 horas de repouso das misturas foi possível concluir que as fases demoraram menos tempo para separar quando o óleo utilizado foi vaselina. O óleo
8 de silicone demorou um período maior para haver uma separação significativa. Contudo, apesar de demorar mais para a separação, o óleo de silicone obteve uma separação mais eficiente após a mistura, se mantendo incolor. Já a vaselina se manteve com a coloração amarelada igual se visualizava antes e depois da agitação. Dessa forma, foi possível concluir que as nanopartículas obtiveram uma eficiência melhor na separação com o óleo de silicone, mas não foram apropriadas para combater a formação de emulsão, em ambos os casos. Além disso, houve a migração de nanopartículas para a fase óleo, o que causaria um custo adicional ao processo para repor o material. Portando, sugere-se a utilização de outras nanopartículas para os próximos testes a fim de identificar a melhor composição química do nanomaterial para prover o avanço na técnica Core Annular Flow.
9 8. REFERÊNCIAS
MORAES, Jr. D; MORAES, M. S. Laboratório de operações unitárias I, Santos, 2011. PRADA, J. W. V. Estudo Experimental do escoamento anular óleo-água (“core flow”) na elevação de óleos ultraviscosos. Trabalho de mestrado em Eng. de Petróleo, Universidade Estadual de Campinas, Campinas-SP, 1999.
ISAACS, J.D. and SPEED, J.B. Method of piping fluids. US Patent n° 759374, 1904 RIBEIRO, G.S., ARNEY, M.S., BAI, R., GUEVARA, E., JOSEPH, D.D. Cemented lined pipes for water lubricated transport of heavy oil. Int. J. Multiphase Flow, 207-221, 1996.
SILVA, R.C.R., MOHAMED, R.S. Modificação de superfícies para obtenção de filme lubrificante estável durante a produção e transporte de óleos pesados pelo método Core-Flow. 2°Congresso Brasileiro de P&D em Petróleo e Gás. Rio de Janeiro, 2003.
ARNEY, M.S., BAI, R., GUEVARA, E., JOSEPH, D.D., LIU, K. Friction factor and holdup studies for lubricated pipeline – I: experiments and correlations. Int. J. Multiphase Flow, 19, 1061-1076, 1993.
