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CPGEI (Doutorado): Rodolfo Luiz Patyk-16/11/15

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 16/11/2015
das 14h00 até 18h00
Onde Sede Central: Sala B-205
Nome do Contato Prof. Cicero Martelli
Participantes Prof. Cicero Martelli, Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Hypolito Jose Kalinowski, Dr. Co-orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Cicero Martelli, Dr. Presidente - UFPR
Prof. Evaldo Ribeiro, Dr. - UFPR
Prof. Aleksander Sade Paterno, Dr. - UDESC
Prof. Marco Jose da Silva, Dr. - UTFPR
Prof. Jean Carlos Cardoso da Silva, Dr. - UTFPR
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Métodos ópticos para caracterização de petróleo e dióxido de carbono

Resumo: O presente trabalho visa auxiliar no desenvolvimento da instrumentação óptica para a detecção do petróleo e do dióxido de carbono, essa instrumentação servirá de base para o desenvolvimento de um sistema de monitoração do escoamento bifásico envolvendo dióxido de carbono (CO2) e petróleo. Na primeira parte foram efetuados estudos das propriedades ópticas do petróleo e do CO2 na região do visível (VIS), NIR e infravermelho médio (MIR). Na região do NIR foram realizados trabalhos de caracterização óptica do CO2, água e petróleo em regime estático e em regime dinâmico foram estudados o escoamento bifásico envolvendo água e ar. No estudo do CO2 foram apresentados resultados referentes a obtenção das linhas características de absorção na região de 1,5 micrometros e 2,0 micrometros, utilizando metodologias experimentais diferentes: com uma câmara de gás, com o uso fibras ópticas de cristal fotônico (PCF) e por fim com o uso de câmara com com multi-reflexões. Os resultados experimentais obtidos com o CO2 foram comparados com os resultados encontrados na literatura, coincidindo com valores da ordem de décimos de nanometros para a região de 1,5 micrometros. Ainda no estudo do CO2 foram observados no experimento da câmara de gás, a relação da pressão na câmara com a amplitude das linhas características de absorção. Para o petróleo foram obtidos dados referentes a sua absorbância óptica nas regiões do VIS, NIR, MIR e infravermelho distante (FIR) através de inúmeras técnicas de espectroscopia analíticas comerciais e experimentais: espectroscopia no visível, de refletância (ATR) e por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados do FTIR possibilitaram escolher regiões iniciais de menor absorbância do petróleo nas regiões do NIR e do MIR onde no futuro poderá ser aplicada a técnica óptica para a monitoração do CO2 diluído no petróleo, no NIR é a região de 1,57 micrometros e no MIR a região espectral de 2,0 micrometros e 4,3 micrometros. Nas mediadas experimentais na região de 4,3 micrometros foi encontrado o valor da absorbância do petróleo de 0,11 u.a./cm o que difere em duas ordens de grandeza com os resultados obtidos com o FTIR. Para trabalhos referentes a região espectral do FIR estão sendo estudados os efeitos da emissividade da radiação para diferentes corpos com o uso de uma câmara CCD operando na região do NIR e FAR. Todos os resultados obtidos para a absorbância do petróleo e CO2 foram comparados. Por fim no estudo óptico de soluções de petróleo foi observado a ressonância de plasmons de superfície (SPR) com luz incidente com um ângulo de 5ºC com a normal do filme metálico encontrando uma variação de 45 nm por unidade de índice de refração.
Palavras-chave: Petróleo, espectroscopia, sensor óptico, fluido bifásico

Optical method for petroleum and carbon dioxide characterization

Abstract: The work is intended to assist in the development of optical instrumentation for detection of carbon dioxide and oil. In the first part have also been developed studies on the optical properties of oil and carbon dioxide in the visible region (VIS), NIR and mid infrared (MIR). In the NIR region were performed works of optical characterization of CO2, water and oil in static regime and dynamic regime were studied the two-phase flow involving water and air. In the study of CO2 were presented results for obtaining the absorption characteristic lines in the region of 1.5 micrometers and 2.0 micrometers, using different techniques: with the gas chamber with the use of photonic crystal optical fiber (PCF) and finally with the use camera with multi-reflections. The experimental results obtained with the CO2 were compared with the results found in the literature, coinciding with values of tenths of a nanometer order to the region of 1.5 micrometers. For oil were obtained data on its optical absorbance in parts of the VIS, NIR, MIR and far infrared (FIR) through numerous techniques of commercial and experimental spectroscopy: Spectroscopy in visible reflectance (ATR) and Fourier transform (FTIR). With the preview results of the FTIR we have the possibility to choose the regions of lower initial absorbance of oil in the regions of the NIR and MIR which in the future may be applied to optical technique for monitoring the CO2 diluted in oil, it is in the NIR region of 1.57 micrometers and MIR spectral region of 2.0 micrometers and 4.3 micrometers. In the experimental measurements in the region of 4.3 micrometers was found the amount of oil absorbance of 0.11 u.a./cm which differ by two orders of magnitude with the results obtained with FTIR. Another experiment performed with oil was to obtain results for absorption into a thin film oil using a supercontinuum source and an optical spectrum analyzer (OSA), and obtaining optical attenuation coefficient by using the PCF, the results were compared. For work on the spectral region of the FIR are being studied the effects of emissivity of radiation to different materials with use of a CCD camera operating in the NIR and FAR region. All results for the absorbance of the oil and CO2 were compared. Finally the optical study oil solutions was observed at surface plasmon resonance (SPR) with incident light at an angle of 5º C with the metal film, finding a variation the $45\,nm$ of refractive index unit.
Keywords: Petroleum, spectroscopy, optical sensor, biphasic fluid

Lista de publicações:

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V. H. V. Baroncini, C. Martelli, R. L. Patyk, E. N. dos Santos, M. J. da Silva, R. E.M. Morales, C. E. F. do Amaral. Multiphase Flow Characterization Using Optical Fiber Bragg Gratings, 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors - OFS22, Beijing-China 2012.

R. L. Patyk, C. Martelli, M. J. da Silva, R. E. M. Morales, M. Naqshbandi, J. Canning. Detecção de CO2 Gasoso em 1,57 micrometers Usando Fibra Óptica de Cristal Fotônico, MOMAG,João Pessoa-PB, 2012.

V. H. V. Baroncini, C. Martelli, R. L. Patyk, M. J. da Silva, C. E. F. do Amaral, E. N. dos Santos, R. E.M. Morales. Caracterização do Escoamento Bifásico usando Sensores a Redes de Bragg em Fibras Ópticas, MOMAG, João Pessoa-PB, 2012.

V. H. V. Baroncini, H. H. Daum, C. Martelli, R. L. Patyk, M. J. da Silva, V. L. Parra, R. E. M. Morales. Sensor Óptico para Monitoramento do Escoamento Bifásico: Modelagem Numérica e Implementação, MOMAG, João Pessoa-PB, 2012.

R. C. Chaves, R. L. Patyk, Í. Conselvan, A. A. P. Pohl. J. H. Osório, C. M. B.Cordeiro. Writing of Bragg and Long Period Gratings in Many-layered Photonic Crystal Fibers, MOMAG, João Pessoa-PB, 2012.

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V. H. V. Baroncini, C. Martelli, R. L. Patyk,M. S. Milcsewski, E. N. Santos, C. E. F. Amaral, M. J. Silva, C. Cozin, R. E. M. Morales, . Characterisation of air-water slug flow using fiber bragg grating sensor. In: 14th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, 2012, Rio de Janeiro. Anais do 14th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, 2012.

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C. Martelli,M. J. da Silva, J. C. C. da Silva, R. E. Morales, D. R. Pipa, E. V. Silva, C. R. Zamarreño, V. H. V. Baroncini, F. Mezzadri, R. L. Patyk,G. Dutra, J. Bazzo, T. Vendruscolo. Photonic Sensors: From Crude Oil to Engine Monitoring. In: Latin America Optics and Photonics Conference, 2014, Cancun. Latin America Optics and Photonics Conference, 2014. p. LTu1A.4. (invited)

C. Martelli,M. J. da Silva, J. C. da Silva, R. E. Morales, E. W. Silva, C. Zamarreño, V. Baroncini, F. Mezzadri, R. L. Patyk, G. Dutra, J. P. Bazzo, T. P. Vendruscolo . Photonic Sensors as Imaging Tools for Industrial Monitoring. In: Optical Sensors, 2014, Barcelona. Advanced Photonics, 2014. p. SeW2C.2. (invited)

G. Dutra, C. Martelli, R. L. Patyk, M. J. da SILVA, T. P. Vendruscolo, R. E. Morales . Optical Imaging Through Crude Oil. In: Optical Sensors, 2014, Barcelona. Advanced Photonics. p. SeTh1C.4.

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C. Martelli, F. Mezzadri, J. C. SILVA, M. J. da Silva,D. R. Pipa, K. M. Souza, J. P. Bazzo,G. Dutra, T. P. Vendruscolo, U. J. Dreyer, J. R. Galvão, R. L. Patyk, R.E. R. Morales. Safety integrity level, fail safe, area zones etc, a difficult and expensive learning curve towards the real world. In: The 5th Asia Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2015), 2015, Jeju Island. The 5th Asia Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2015), 2015. (invited)

C. Martelli, J. C. C. da Silva, M. J. da Silva, D. R. Pipa, F. Mezzadri, K. M. Souza, J. P. Bazzo, G. Dutra, U. J. Dreyer, J. R. Galvão, R. L. Patyk, F. Moreira, P. Schaphauser, M. L. Silva, R. E. M. Morales. Optical fiber sensors: the last step towards mainstream. In: Advanced Photonics - Optical Sensors (Sensors), 2015, Boston. Proceedings of Advanced Photonics 2015.. Washington, DC: OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2015). v. único. (invited)

CANNING, JOHN ; KARIM, AKIB ; TZOUMIS, NIKKI ; TAN, YANZHEN ; PATYK, RODOLFO ; GIBSON, BRANT C. . Near orthogonal launch of SPR modes in Au films. Optics Letters, v. 39, p. 5038, 2014.

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