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Doutorado - Carlos Lange Bassani

por dirppg-ct publicado 11/12/2020 10h46, última modificação 11/12/2020 10h46
Abordagem Multiescala de Hidratos de Gás considerando Estrutura, Cinética de Crescimento, Aglomeração e Transportabilidade em Condições de Escoamento Multifásico
Quando
17/12/2020
de 11h00 até 15h00
(America/Sao_Paulo / UTC-300)
Onde
Via videoconferência
Pessoa de contato
Prof. Rigoberto Eleazar Melgarejo Morales, Dr. - UTFPR
Participantes
Orientador(a): Prof. Rigoberto Eleazar Melgarejo Morales, Dr. - UTFPR
Orientador(a): Profa. Ana Cameirão, Dra. - MSE
Banca examinadora:
Presidente: Prof. Rigoberto E.M. Morales, Dr. - UTFPR
Ana Cameirão, Dr. - MSE
Prof. Helcio Rangel Barreto Orlande, Dr. - UFRJ
Prof. Omar Kamal Matar, Dr. - Imperial College London
Prof. Moisés Alves Marcelino Neto, Dr. -UTFPR
Eng. Thierry Palermo Dr. - Total S/A
Eng. Ricardo Marques de Toledo Camargo, Dr. - Petrobras
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Resumo: Um problema reportado mundialmente pelas companhias de petróleo é a obstrução das linhas de produção devido à formação de hidratos de gás, um cristal que se forma e aglomera ocasionando restrições parciais ou totais. Isso leva à perda de ganho de capitais devido à parada de produção, e também pode ocasionar riscos ambientais e de segurança. A principal estratégia de produção consiste em evitar a formação de hidratos pela injeção de um volume consideravelmente grande de inibidores químicos. Visando a redução dos custos de produção, uma nova estratégia está em pesquisa, chamada de gerenciamento de hidratos (hydrate management). Esta consiste em deixar os hidratos se formar, porém em garantir (gerenciar) o seu escoamento estável sem nenhuma obstrução. Esta estratégia necessita de um conhecimento mais aprofundado dos processos fora do equilíbrio, tais como a cinética de crescimento, a aglomeração e a transportabilidade dos cristais. Esta tese descreve de uma maneira quantitativa parte destes processos. Vários conceitos multidisciplinares (transferência de calor e massa, cristalização, meio poroso, escoamento multifásico) e provenientes de diferentes escalas são explorados nesta tese, o que leva a novas interpretações dos fenômenos físicos. Os cristais de hidratos são porosos e hidrofílicos e portanto atuam como esponjas que aprisionam água, sendo que a cristalização ocorre principalmente nas paredes dos seus capilares (1ª nova consideração). A permeabilidade através da partícula porosa fornece água à sua superfície externa, promovendo a formação de pontes de líquido após a colisão entre partículas, o que leva à aglomeração (2ª nova consideração). Subresfriamentos mais altos se mostram capazes de promover um selamento rápido das partículas, diminuindo a taxa de permeabilidade e promovendo partículas inertes à aglomeração, chamadas partículas secas (dry particles). Além disso, aditivos com propriedades surfactantes diminuem a taxa de permeabilidade, o que explica o efeito anti-aglomerante dos mesmos. Diversos mecanismos são discutidos a partir da modelagem da cinética de crescimento e da aglomeração de hidratos a partir de um balanço populacional acoplado a um modelo de escoamento multifásico em regime permanente. Testes de sensibilidade do modelo evidenciam uma classificação geral dos sistemas em função de quatro tipos de processos de limitação da cristalização: sistemas limitados pelo decrescimento da superfície ativa de cristalização, pela dissolução de gás, pela transferência de calor, ou pela queda de pressão. Para aplicações de engenharia, o modelo é simplificado a um critério adimensional que determina a produção estável em sistema óleo-dominante, possuindo a forma Ba ~ Da/Re^n, que relaciona os números de Damköhler e Reynolds (resumo gráfico). Esta expressão ainda necessita de mais testes para determinar o formato exato dos grupos adimensionais. Porém, uma forma absoluta (dimensional) para este critério é proposta em função do subresfriamento, da fração de água, da velocidade da mistura e das propriedades interfaciais, e apresenta concordância em comparações preliminares com dados experimentais. Este critério evidencia que, quando os hidratos de gás se formam em sistemas óleo-dominante, quanto mais rápido for o selamento da partícula, mais rápido a mesma se tornará seca, promovendo aglomerados menores e, portanto, requerendo menores velocidades para estabilizar a suspensão. Outro grupo adimensional La ~f(Da,Re) é proposto para explicar interações entre partícula e parede e com aplicação para modelagem de deposição de hidratos em trabalhos futuros. Se o uso destes dois novos grupos adimensionais se mostrar consistente quando comparados e regredidos com bases de dados mias extensas, espera-se atingir um novo marco em como as linhas de produção de óleo e gás são projetadas.
Palavras-chave: garantia de escoamento, gerenciamento de hidratos, hidratos de gás, escoamento multifásico, cristalização, cinética de crescimento, aglomeração

A Multiscale Approach for Gas Hydrates considering Structure, Growth Kinetics, Agglomeration and Transportability under Multiphase Flow Conditions
Abstract: A worldwide problem reported by oil companies is the plugging of flowlines because of gas hydrates, a crystal that forms and agglomerates causing partial or complete obstructions. This incurs in revenue losses because of production stop, and also relates to safety and environmental risks. The main production strategy consists in avoiding gas hydrates by, e.g., injecting a high volume of chemical inhibitors. In order to reduce production costs, a new strategy called hydrate management is at research, where hydrates are let form, but its stable flow needs to be assured. In this sense, a deep knowledge on non-equilibrium processes such as growth kinetics, agglomeration and transportability is required to design and manage pipelines. This thesis quantitatively describes part of these processes. Several multiscale concepts are gathered from multidisciplinary fields (heat and mass transfer, crystallization, porous media, multiphase flow), leading to new interpretations. Hydrates are porous, hydrophilic particles that act as sponges entrapping water, where crystallization occurs mainly in the capillary walls (1st new assumption). Permeation through the porous particles furnishes water to its outer surface, promoting liquid bridge formation after particles’ collision, which leads to agglomeration (2nd new assumption). Higher subcoolings are shown to promote faster sealing-up of the particles, decreasing permeation rates and causing the particles to be inert in the agglomeration-sense (called dry particles). Furthermore, additives with surfactant properties decrease the permeation rate, which explains their anti-agglomerant effects. Several mechanisms are discussed upon modeling growth kinetics and agglomeration using population balance and further coupling with a steady-state multiphase flow model. The model sensitivity evidences that a general classification of the system can be done in four distinct types of limiting phenomena: active surface-limited, dissolution-limited, heat transfer-limited, and pressure drop-limited. For engineering purposes, the model is simplified into a dimensionless criterion that determines stable production in oil-dominant systems, having the shape of Ba ~ Da/Re^n, which relates the Damköhler and Reynolds dimensionless groups. This expression still needs future testing in order to retrieve the exact shape of the dimensionless groups. An absolute form that depends on subcooling, water cut, mixture velocity and interfacial properties is nevertheless proposed and preliminary test shows agreement with experimental results. This criterion evidences that, once hydrates form in oil-continuous systems, the faster the particles seal-up, the quicker the particles turn dry, and the smaller the stable agglomerate size, thus requiring smaller mixture velocities in order for particles to remain suspended. Another dimensionless group La ~ f(Da,Re) is proposed to further explain particle-wall interactions into predicting deposition for future studies. If ever these two new dimensionless groups show consistent in future testing and fitting against larger databases, they will represent an important advance on how engineers design flowlines using the hydrate management strategy.
Keywords: flow assurance, hydrate management, gas hydrates, multiphase flow, crystallization, growth kinetics, agglomeration


Lista de publicações:
BASSANI, CARLOS L.; MELCHUNA, ALINE M.; CAMEIRÃO, ANA; HERRI, JEAN-MICHEL; MORALES, RIGOBERTO E.M.; SUM, AMADEU K. A. Multiscale Approach for Gas Hydrates Considering Structure, Agglomeration, and Transportability under Multiphase Flow Conditions: I. Phenomenological Model. INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH. Fator de Impacto (2019 JCR): 3,5730, v.58, p.14446 - 14461, 2019.
BASSANI, CARLOS L.; SUM, AMADEU K.; HERRI, JEAN-MICHEL; MORALES, RIGOBERTO E. M.; CAMEIRÃO, ANA. A Multiscale Approach for Gas Hydrates Considering Structure, Agglomeration, and Transportability under Multiphase Flow Conditions: II. Growth Kinetic Model. INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH. Fator de Impacto (2019 JCR): 3,5730, v.59, p.2123 - 2144, 2020.
BASSANI, CARLOS L.; KAKITANI, CELINA; HERRI, JEAN-MICHEL; SUM, AMADEU K.; MORALES, RIGOBERTO E. M.; CAMEIRÃO, ANA. A Multiscale Approach for Gas Hydrates Considering Structure, Agglomeration, and Transportability under Multiphase Flow Conditions: III. Agglomeration Model. INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH. Fator de Impacto (2019 JCR): 3,5730, v.59, p.15357 - 15377, 2020.
BASSANI, C. L.; BARBUTO, FAUSTO A.A.; Vinicius R. de Almeida; HERRI, J.; SUM, A. K.; CAMEIRAO, A.; MORALES, R. E. M. Coupling of a Growth Kinetic Model of Gas Hydrate Formation With Gas-(Water-in-Oil) Slug Flow In: 10th International Conference on Multiphase Flow, 2019, Rio de Janeiro.
BASSANI, CARLOS L.; BARBUTO, FAUSTO A.A.; MORALES, RIGOBERTO E.M.; CAMEIRAO, A.; HERRI, J.; SUM, A. K. Modeling Heat and Mass Transfer Limitation Processes of Gas Hydrate Formation under Slug Flow In: 25th ABCM International Congress of Mechanical Engineering, 2019, Uberlândia.
BASSANI, CARLOS L.; BARBUTO, FAUSTO A.A.; MORALES, RIGOBERTO E. M.; CAMEIRAO, A.; HERRI, J.; SUM, A. K. Predicting gas hydrate formation during three-phase gas-(water-in-oil) flow In: 20th Multiphase Production Technology Conference, 2019, Cannes.
BASSANI, C. L.; HERRI, J.; SUM, A. K.; MORALES, R. E. M.; CAMEIRAO, A. A Growth Model of Gas Hydrates in Water-in-Oil Emulsion Flow In: 25th International Workshop on Industrial Crystallization, 2018, Rouen, France.
BASSANI, C. L.; CAMEIRAO, A.; HERRI, J.; SUM, A. K.; MORALES, R. E. M. Revisited Model for Inward and Outward Growth of Gas Hydrate Particles in Water-in-Oil Emulsion In: 17th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, 2018, Águas de Lindóia, Brazil.
BASSANI, CARLOS L.; CAMEIRAO, A.; MORALES, RIGOBERTO E. M.; HERRI, J. Modeling Gas Hydrate Growth Kinetics in Water-in-Oil Emulsion for Offshore Petroleum Production Applications. Prêmio de melhor pôster na Journée Scientifique Codegepra, 2017, Bourget du Lac, França.

Obs: Link para defesa

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