Incrustação em trocador de calor Incrustação em tubulação PROJETO DE APARATO EXPERIMENTAL PARA AVALIAÇÃO DE INCRUSTAÇÕES EM TUBULAÇÕES HORIZONTAIS A incrustação de sais inorgânicos é o mecanismo de deposição de minerais sólidos sobre superfícies susceptíveis como metais, rochas etc. O processo resulta da precipitação de sais solúveis inorgânicos que se aderem a parede da tubulação e é influenciado por mudanças na temperatura e no pH, que alteram a solubilidade dos cristais incrustantes presentes no meio aquoso, ou ainda pela combinação dos fatores: mudança de pressão, impurezas, aditivos, variação da taxa de fluxo, expansão do fluido e evaporação de gás. O estudo pretende avaliar o efeito da incidência de um campo eletromagnético sobre trechos da tubulaçao como meio de mitigação da formação de incrustação. O experimento recria as situações de concentração de sais e pressão encontradas na industria de petróleo e leva em consideração o trabalho com o Carbonato de Cálcio (CaCO3) por ser um mineral inorgânico inerte encontrado facilmente na natureza e também um dos maiores causadores de incrustações salinas. Índice: 1. Instalações físicas 2. Estudo das incrustações 3. Procedimento experimental Instalações Físicas Associado ao projeto está a implantação no prédio do Laboratório de Tecnologia de Poços (LTP) uma infra-estrutura laboratorial dedicada ao atendimento de pesquisas nas áreas de perfuração, completação e intervenção de poços de petróleo. O projeto do aparato experimental foi concebido com parâmetros de operação abrangentes a fim de atender a diferentes cenários e necessidades de medição. O Rig Multipropósito, como é chamado, possui tubulações de 1” , 2” e 3” de diâmetro e comprimento total de até 300m. Sua configuração permite opera-lo em circuito aberto ou fechado com escoamentos monofásicos ou multifásicos água/óleo e, eventualmente, gás. Um sistema de bombeamento robusto é capaz de pressurizar a tubulação a até 260bar e permite vazões de 1 a 18m 3 /h. Medidores de temperatura e pressão a cada vinte metros acompanham as caracteristicas do escoamento e junto com medidores de fluxo mássico(coriolis) e ultrassônico compõem a intrumentação do equipamento. Os reagentes químicos que formam o carbonato de cálcio são bombeados individualmente para a tubulação a partir de dois tanques de 1m 3 . Um separador água/óleo é utilizado quando a mistura for bifásica(sem emulsões). Opera sobre pressão ambiente e vazão de até 1m 3 /h. Estudo das incrustações O estudo do processo físico-químico de formação das incrustações tem inicio na interação dos sais com seu solvente, usualmente água. O potencial de incrustação de uma solução está diretamente ligado a sua solubilidade. De fato, a deposição de sais inorgânicos só poderá ocorrer em soluções salinas de alta concentração. A alteração de propriedades como pressão e temperatura afeta o chamado índice de saturação. No caso do carbonato de cálcio(CaCO3) a variação de pressão está fortemente associada a sua solubilidade. Por esse motivo, esse tipo de incrustação ocorre com maior frequência em regiões onde há maior queda de pressão. O carbonato de cálcio aparece na natureza em três formas cristalinas diferentes: Calcita, Aragonita e Vaterita. - Calcita Trata-se da forma polimórfica de Carbonato de Cálcio mais estável da natureza. A Calcita apresenta a forma trigonal-romboédrica. Com relação à dureza, possui valor 3 na escala Mohs. - Aragonita É bem menos estável do que a Calcita. A Aragonita possui uma solubilidade maior e apresenta a forma ortorrômbica. Sua dureza na escala Mohs está entre 3,5 e 4 unidades. Ela é mais densa e aderente que a Calcita. - Vaterita A Vaterita é a forma polimórfica mais rara de Carbonato de Cálcio. Também é conhecida como μ-CaCO3. Assim como a Aragonita, ela é uma forma metaestável em condições ambientes. Possui a maior solubilidade das três formas. Quando exposta a água, a Vaterita pode se converter em Calcita (a baixas temperaturas) ou Aragonita (a temperaturas superiores a 60oC). Possui formato hexagonal. Figura 3 - Estruturas cristalinas de Calcita e Aragonita (Pengelly trust). Em tubulações pressurizadas, um mecanismo de incrustação importante ocorre devido perdas de carga localizadas e distribuídas que diminuem a pressão da linha acarretando então o desprendimento natural de gás carbônico da mistura, o que desloca o equilíbrio químico no sentido da produção de CO2 e, portanto, também de CaCO3. !" !! ! !!"# ! ! ! !"!# ! ! !!" ! ! !! ! ! ! Outra consequência da desassociação do gás carbônico é o aumento do pH da solução deixando o carbonato da cálcio ainda menos solúvel e, assim, aumentando a deposição desse mineral. O mecanismo de formação de incrustações é, em teoria, composto de 5 fases principais: nucleação, transporte para a superfície, adesão à superfície, remoção e envelhecimento. • Nucleação, fase inicial, quando nenhum sinal de material incrustado pode ser visto, mesmo após o início de funcionamento do circuito em questão. Essa fase pode chegar a durar algumas horas. • Transporte para a superfície , também citado na literatura como transporte de massa, essa fase é a mais compreendida hoje em dia. É nela que o movimento das partículas do centro do escoamento para as paredes da tubulação ocorre. • Adesão à superfície. Nem todo material transportado para a superfície se adere a ela. As forças que atuam no material enquanto ele se aproxima das paredes exerce um papel fundamental. Por outro lado, propriedades da partícula - densidade, elasticidade, superfície e estado, e da superfície - rugosidade e tipo de material, também afetam consideravelmente a adesão do material à superfície da tubulação. • Remoção. A remoção de material incrustado em paredes de tubos pode ou não começar logo que a deposição tem início. • Envelhecimento. A espessura de material incrustado em uma parede cresce com o tempo, até que atinge a estabilidade. A partir daí a força de deposição, que mantém o material incrustado, pode mudar com o tempo devido a mudanças na estrutura cristalina do sal depositado. Essas mudanças podem ocorrer devido a processos de desidratação ou polimerização dos grãos. Assim sendo, essa força do material incrustado pode aumentar ou diminuir com o passar do tempo. Procedimento experimental O planejamento experimental levou em conta parâmetros de outros trabalhos semelhantes disponíveis na literatura cientifica. Entre todos os artigos publicados nenhum se assemelha à escala aqui proposta, no entanto a tabela a seguir compara os parâmetros do Rig Multipropósito com os dos experimentos. Uma avaliação dos resultados obtidos em trabalhos anteriores indica de fato uma tendência na redução das incrustações. Quanto às resultados esperados com a incidência de um campo eletromagnético pode-se então dizer que as seguintes mudanças serão investigadas: 1. Formação de Calcita no lugar de Aragonita; 2. Crescimento dos cristais; 3. Retardo na precipitação de Carbonato de Cálcio 4. Menores espessuras de material incrustado; 5. Mudanças na dureza; 6. Mudanças no pH; 7. Mudanças na condutividade. A fim de validar os métodos de prevenção de incrustações e permitir o acompanhamento das mudanças estruturais do cristal depositado, serão utilizados equipamentos analíticos dentre os quais se destacam: ensaios de dureza, análise por microscópio eletrônico, teste de alcalinidade, análise do tamanho de partículas, teste de condutividade, pesagem de material incrustado, teste de difração por raio- X, entre outros. Medições são feitas tanto no material incrustado quanto em amostras de fluido obtidas durante o experimento. Efeito da aplicação de campo eletromagnético em função da frequência. 550 ppm de CaCO3.(Tijing, 2010) Efeito da aplicação de campo eletromagnético em função da velocidade de escoamento. 330ppm de CaCO3. (Tijing, 2010)