Contribuições a análise e modelagem de operações transientes de colunas de destilação

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaA modelagem dinâmica é hoje uma ferramenta importante na análise de processos. De posse de um modelo dinâmico é possível determinar e avaliar o comportamento de determinadas variáveis de interesse. O modelo disponibiliza tanto variáveis internas do processo, que dificilmente seriam medidas, como variáveis facilmente mensuráveis. É também possível realizar pertubações que dificilmente seriam realizadas em uma unidade industrial ou piloto, tanto devido a fatores economicos como de segurança. A partida de colunas de destilação é uma das operações mais difíceis na indústria química. O procedimento de partida, devido ao seu elevado período de tempo, possui tanto problemas de produtos fora de especificação quanto elevado gasto de energia. De posse de um modelo dinâmico diferentes condições e ações podem ser testadas e o procedimento pode ser otimizado. Entretanto, os modelos de colunas de destilação são representados por um sistema de equações algébrico-diferenciais de índice superior, e são escritos de forma a serem resolvidos sequencialmente. Este trabalho de tese implementa um modelo dinâmico de uma coluna de destilação para representar sua partida e operação. São analisados os resultados do estado estacionário, da dinâmica do processo quando submetido a perturbações e os perfis obtidos no procedimento de partida. O trabalho também apresenta uma forma diferenciada de escrever o modelo, forma simultânea e, utiliza um pacote de integração (PSIDE), até então não empregado em colunas de destilação. Este resolve o sistema de equações sem redução de índice. Como um trabalho complementar, foi proposta a utilização de uma rede neural wavelet para ser utilizada como sensor por software. A proposta basea-se no fato de que em problemas de grande porte pode não ser viável utilizar um modelo fenomenológico. Comuns são os problemas de inicializar todas as variáveis desejadas pois, pode não haver disponibilidade destes valores e o tempo de resolução do modelo pode ser elevado devido ao grande conjunto de equações algébrico-diferenciais. A rede neural, uma vez bem treinada, é capaz de fornecer os resultados sem os problemas citados acima

Modelagem e simulação de reator de polimerização em regime semibatelada

Orientador: Liliane Maria Ferrareso LonaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuimicaResumo: Realizou-se o desenvolvimento de um modelo matemático rigoroso para predição do comportamento de um reator de polimerização operando em regime batelada e semibatelada. O software considera três correlações para os efeitos de difusão causados no metacrilato de metila e uma correlação para os mesmos efeitos que ocorrem no estireno. Tem-se também a possibilidade de trabalhar com três solventes diferentes sendo; acetato de etila, benzeno e tolueno, caso a polimerização seja conduzida em solução, além da possibilidade da consideração ou não do estado estacionário para o radical. O modelo desenvolvido ajustou os dados experimentais encontrados na literatura de forma desejável. Como resposta, o programa prevê valores de conversão de monômero, pesos moleculares, além da polidispersão, parâmetro importante na caracterização do polímeroAbstract: In the present work the development of a rigorous mathematical model was taken into account in order to predict the polymerization reactor behavior in batch and semibatch regime. The final software consider three correlations to describe the gel effect due diffusion in the methylmetacrylate case and one correlation for the same effects to styrene. In this software, it is possible to work with three different solvents, in the case of polymerization in solution. These solvents are: ethyl acetate, benzene, toluene. The radical steady state can be considered or not, i.e., the user can choose if the radical concentration follows a differential equation (dynamic) or a algebraic equation (steady state). The developed model fit well the experimental data from literature. Monomer conversion, molecular weight and polidispersion are the software output. These output are the necessary variables to caracterize the quality of final polymerMestradoDesenvolvimento de Processos QuímicosMestre em Engenharia Químic

Análisis bibliométrico y bibliográfico sobre el uso de técnicas de tratamiento/recuperación de aceite crudo a partir de residuos sólidos producidos por la cadena de producción de petróleo

Em decorrência da intensa atividade de exploração e produção, a cadeia produtiva da indústria de petróleo tem sido responsável pela geração de grande parte de resíduos sólidos produzidos no mundo. Dentre estes resíduos, a borra oleosa (BO) encontra-se em lugar de destaque, visto que é produzida em quase todas as etapas de produção e refino do petróleo. Devido à elevada toxicidade destes materiais, o descarte inadequado é considerado um risco ao meio ambiente. Assim, o desenvolvimento de tecnologias capazes de recuperar o óleo presente na borra tem sido objeto de diversos estudos. Diante disso, este trabalho teve como objetivo investigar a produção científica relacionada ao tratamento/recuperação do óleo da borra de petróleo por meio da utilização de métodos de pirólise, extração por solvente e irradiação por micro-ondas. A análise dos resultados revelou que a China é o país que apresenta maior número de publicações a respeito das técnicas de tratamento de BO. Este fato pode estar relacionado ao volume significativo de BO gerada anualmente na China, tendo atingido 5 milhões de toneladas em 2018. Apesar de não haver uma tecnologia industrial pré-estabelecida para tratamento/recuperação de BO, os trabalhos publicados apontam a pirólise como rota eficiente, principalmente quando associada com o emprego de catalisadores (pirólise catalítica). A técnica de irradiação por micro-ondas também é destacada nos trabalhos como aliada da pirólise. Com o emprego conjunto foi possível obter melhores resultados de recuperação de óleo da BO em menores temperaturas. Já a técnica de extração por solvente apresentou a vantagem de se trabalhar em condições amenas de temperatura (25 oC a 80 oC), utilizando solventes como n-hexano, ciclohexano, xileno, tolueno, triclorometano, metiletilcetona, condensado de gás liquefeito de petróleo e Na-AES. Embora a técnica se mostre eficiente na remoção de óleo da borra, não é possível recuperar 100% do solvente no final do processo de extração. Isto tem sido apontado como uma desvantagem desta rota. De forma geral, observou-se que a heterogeneidade da BO é um dos fatores que dificulta tratamento/recuperação do óleo. O setor da cadeia produtiva de petróleo de onde a borra é extraída, bem como a sua manipulação e forma de condicionamento são fatores que poderão interferir em seu tratamento. Logo, a escolha de uma das rotas aqui apresentadas, bem como as condições operacionais a serem utilizadas estará condicionada não somente ao custo/benefício do processo como também às características intrínsecas e de armazenamento da borra.As a result of the intense exploration and production activity, the petrochemical industry has been responsible for the generation of most solid waste produced in the world. Among these residues, oily sludge (BO) is in a prominent place, since it is produced in almost all stages of oil production and refining. Due to the high toxicity of these materials, improper disposal is considered a risk to the environment. Thus, the development of technologies capable of recovering the oil present in the sludge has been the object of several studies. In view of the above, this study aimed to investigate the scientific production related to the treatment/recovery of petroleum oily sludge through the use of pyrolysis, solvent extraction and microwave irradiation methods. Analysis of the results revealed that China is the country with the largest number of publications on treatment BO techniques. This may be related to the significant volume of BO generated annually in China, reaching 5 million tons in 2018. Although there is no pre-established industrial technology for BO treatment/recovery, published works point to pyrolysis as an efficient route, especially when associated with the use of catalysts (catalytic pyrolysis). The technique of microwave irradiation is also highlighted in the works as an ally of pyrolysis. With the joint use it was possible to obtain better results of BO oil recovery at lower temperatures. The solvent extraction technique had the advantage of working under mild temperature conditions (25 oC to 80 oC), using solvents such as n-hexane, cyclohexane, xylene, toluene, trichloromethane, methyl ethyl ketone, liquefied petroleum gas condensate and Na-AES. Although the technique is effective in removing oil from sludge, 100% of the solvent cannot be recovered at the end of the extraction process. This has been pointed as a disadvantage of this route. In general, it was observed that BO heterogeneity is one of the factors that hinder oil treatment/ recovery. The sector of the oil production chain from which the sludge is extracted, as well as its handling and conditioning are factors that may interfere with its treatment. Thus, the choice of one of the routes presented here, as well as the operating conditions to be used will be conditioned not only to the cost/benefit of the process but also to the intrinsic and storage characteristics of the sludge.Como resultado de la intensa actividad de exploración y producción, la cadena de producción de la industria petrolera ha sido responsable de la generación de la mayoría de los residuos sólidos producidos en el mundo. Entre estos residuos, la borra de aceite crudo (BO) se encuentra en un lugar destacado, ya que se produce en casi todas las etapas de producción y refinación de petróleo. Debido a la alta toxicidad de estos materiales, la eliminación inadecuada se considera un riesgo para el medio ambiente. Así, el desarrollo de tecnologías capaces de recuperar el petróleo presente en la borra ha sido objeto de varios estudios. Por lo tanto, este trabajo tuvo como objetivo investigar la producción científica relacionada con el tratamiento/recuperación de borras de petróleo mediante el uso de métodos de pirólisis, extracción de solventes e irradiación de microondas. El análisis de los resultados reveló que China es el país con el mayor número de publicaciones sobre técnicas de tratamiento de BO. Este hecho puede estar relacionado con el volumen significativo de BO generado anualmente en China, habiendo alcanzado los 5 millones de toneladas en 2018. Aunque no existe una tecnología industrial preestablecida para el tratamiento/recuperación de BO, los trabajos publicados apuntan a la pirólisis como una ruta eficiente, especialmente cuando se asocia con el uso de catalizadores (pirólisis catalítica). La técnica de irradiación por microondas también se destaca en los trabajos como un aliado de la pirólisis. Con el uso conjunto fue posible obtener mejores resultados de recuperación de petróleo de la BO a temperaturas más bajas. La técnica de extracción con solvente ha presentado la ventaja de trabajar en condiciones de temperatura moderada (25 oC a 80 oC), usando solventes como n-hexano, ciclohexano, xileno, tolueno, triclorometano, metil etil cetona, condensado de gas de petróleo licuado y Na-AES. Aunque la técnica es efectiva para eliminar el aceite de la borra, el 100% del solvente no puede recuperarse al final del proceso de extracción. Esto se ha señalado como una desventaja de esta ruta. En general, se observó que la heterogeneidad de BO es uno de los factores que dificultan el tratamiento/recuperación de aceite. El sector de la cadena de producción de petróleo del que se extrae la borra, así como su manipulación y acondicionamiento son factores que pueden interferir con su tratamiento. Por lo tanto, la elección de una de las rutas presentadas aquí, así como las condiciones de operación que se utilizarán estarán condicionadas no solo al costo/beneficio del proceso, sino también a las características intrínsecas y de almacenamiento de la borra

Subsea processing as a tool for cost reduction of deepwater projects

Para que a produção e os lucros das empresas de petróleo não diminuam, novos campos de precisam ser descobertos e explorados. Muitas dessas novas descobertas são campos offshore em águas profundas. No entanto, a queda nos preços do petróleo nos últimos anos fez com que esse tipo de exploração, que já é um desafio em si, seja ainda mais difícil, de modo que as empresas estão postergando ou até mesmo cancelando vários projetos em águas profundas. Inovação, novas tecnologias e novos conceitos de produção e processamento de petróleo e gás são necessários para viabilizar projetos em águas profundas e aumentar sua competitividade. O objetivo do presente artigo foi analisar o processamento submarino da produção de petróleo como uma estratégia para reduzir custos, tanto de capital quanto de operação, para viabilizar a exploração de campos offshore remotos. Além disso, uma discussão sobre os benefícios e desafios dessa estratégia também foi realizada. Também inclui um estudo de caso no campo de Lula, no pré-sal brasileiro. Os resultados demonstram que o uso de separação submarina tem grande potencial para reduzir o OPEX e o CAPEX em projetos offshore. O presente estudo de caso demonstra uma redução de custos devido ao investimento nos separadores de cerca de US $6,1 bilhões, uma redução de cerca de 6 a 12 vezes na energia necessária para elevar a produção e uma redução de cerca de 5 a 7 vezes nos gastos com gás natural como combustível para os cenários avaliados.Para que la producción y los beneficios de las compañías petroleras no disminuyan, es necesario descubrir y explotar un nuevo campo petrolero. Muchos de estos nuevos descubrimientos son campos de aguas profundas en alta mar. Sin embargo, la caída de los precios del petróleo en los últimos años ha hecho que este tipo de exploración, que ya es un desafío en sí mismo, sea aún más difícil, por lo que las empresas posponen o incluso cancelan varios proyectos de aguas profundas. La innovación, las nuevas tecnologías y los nuevos conceptos de producción y procesamiento de petróleo y gas son necesarios para hacer factibles los proyectos de aguas profundas y aumentar su competitividad. El objetivo de este documento fue analizar el procesamiento submarino de la producción de petróleo como una estrategia para reducir los costos de capital y operativos para permitir la exploración remota en alta mar. Además, también se realizó una discusión sobre los beneficios y desafíos de esta estrategia. También incluye un estudio de caso en el campo de Lula, en pre-sal brasileña. Los resultados demuestran que el uso de la separación submarina tiene un gran potencial para reducir OPEX y CAPEX en proyectos offshore. El estudio de caso actual demuestra una reducción de costos debido a la inversión en los separadores de alrededor de US$ 6,1 mil millones, una reducción de aproximadamente 6 a 12 veces en la potencia necesaria para elevar la producción y una reducción de aproximadamente 5 a 7 veces en los gastos con gas natural como combustible para los escenarios evaluados.In order that the production and profits of petroleum companies do not decline, new oil field need to be discovered and exploited. Many of these new discoveries are offshore deepwater fields. However, the drop in oil prices in the last few years has made this type of exploration, which is already challenging in itself, even more difficult, so that companies are postponing or even canceling several deepwater projects. Innovation, new technologies and new concepts of oil and gas production and processing are necessary to make deepwater projects feasible and increase their competitiveness. The aim of this paper was to analyze the subsea processing of oil production as a strategy to reduce both capital and operating costs to enable remote offshore exploration. In addition, a discussion of the benefits and challenges of this strategy was also presented. It also includes a case study at the Lula field, in Brazilian pre-salt. Results demonstrate that the use of subsea separation has great potential to reduce OPEX and CAPEX on offshore projects. The current case study demonstrates a cost reduction due to the investment in the separators of around US$ 6.1 billion, a reduction about 6 to 12 times in the power needed to lift the production and a reduction of about 5 to 7 times in the expenditures with natural gas as fuel for the evaluated scenarios

Análise bibliométrica e bibliográfica sobre técnicas de tratamento/recuperação de óleo cru de resíduos sólidos produzidos na cadeia produtiva do petróleo

As a result of the intense exploration and production activity, the petrochemical industry has been responsible for the generation of most solid waste produced in the world. Among these residues, oily sludge (BO) is in a prominent place, since it is produced in almost all stages of oil production and refining. Due to the high toxicity of these materials, improper disposal is considered a risk to the environment. Thus, the development of technologies capable of recovering the oil present in the sludge has been the object of several studies. In view of the above, this study aimed to investigate the scientific production related to the treatment/recovery of petroleum oily sludge through the use of pyrolysis, solvent extraction and microwave irradiation methods. Analysis of the results revealed that China is the country with the largest number of publications on treatment BO techniques. This may be related to the significant volume of BO generated annually in China, reaching 5 million tons in 2018. Although there is no pre-established industrial technology for BO treatment/recovery, published works point to pyrolysis as an efficient route, especially when associated with the use of catalysts (catalytic pyrolysis). The technique of microwave irradiation is also highlighted in the works as an ally of pyrolysis. With the joint use it was possible to obtain better results of BO oil recovery at lower temperatures. The solvent extraction technique had the advantage of working under mild temperature conditions (25 oC to 80 oC), using solvents such as n-hexane, cyclohexane, xylene, toluene, trichloromethane, methyl ethyl ketone, liquefied petroleum gas condensate and Na-AES. Although the technique is effective in removing oil from sludge, 100% of the solvent cannot be recovered at the end of the extraction process. This has been pointed as a disadvantage of this route. In general, it was observed that BO heterogeneity is one of the factors that hinder oil treatment/ recovery. The sector of the oil production chain from which the sludge is extracted, as well as its handling and conditioning are factors that may interfere with its treatment. Thus, the choice of one of the routes presented here, as well as the operating conditions to be used will be conditioned not only to the cost/benefit of the process but also to the intrinsic and storage characteristics of the sludge.Em decorrência da intensa atividade de exploração e produção, a cadeia produtiva da indústria de petróleo tem sido responsável pela geração de grande parte de resíduos sólidos produzidos no mundo. Dentre estes resíduos, a borra oleosa (BO) encontra-se em lugar de destaque, visto que é produzida em quase todas as etapas de produção e refino do petróleo. Devido à elevada toxicidade destes materiais, o descarte inadequado é considerado um risco ao meio ambiente. Assim, o desenvolvimento de tecnologias capazes de recuperar o óleo presente na borra tem sido objeto de diversos estudos. Diante disso, este trabalho teve como objetivo investigar a produção científica relacionada ao tratamento/recuperação do óleo da borra de petróleo por meio da utilização de métodos de pirólise, extração por solvente e irradiação por micro-ondas. A análise dos resultados revelou que a China é o país que apresenta maior número de publicações a respeito das técnicas de tratamento de BO. Este fato pode estar relacionado ao volume significativo de BO gerada anualmente na China, tendo atingido 5 milhões de toneladas em 2018. Apesar de não haver uma tecnologia industrial pré-estabelecida para tratamento/recuperação de BO, os trabalhos publicados apontam a pirólise como rota eficiente, principalmente quando associada com o emprego de catalisadores (pirólise catalítica). A técnica de irradiação por micro-ondas também é destacada nos trabalhos como aliada da pirólise. Com o emprego conjunto foi possível obter melhores resultados de recuperação de óleo da BO em menores temperaturas. Já a técnica de extração por solvente apresentou a vantagem de se trabalhar em condições amenas de temperatura (25 oC a 80 oC), utilizando solventes como n-hexano, ciclohexano, xileno, tolueno, triclorometano, metiletilcetona, condensado de gás liquefeito de petróleo e Na-AES. Embora a técnica se mostre eficiente na remoção de óleo da borra, não é possível recuperar 100% do solvente no final do processo de extração. Isto tem sido apontado como uma desvantagem desta rota. De forma geral, observou-se que a heterogeneidade da BO é um dos fatores que dificulta tratamento/recuperação do óleo. O setor da cadeia produtiva de petróleo de onde a borra é extraída, bem como a sua manipulação e forma de condicionamento são fatores que poderão interferir em seu tratamento. Logo, a escolha de uma das rotas aqui apresentadas, bem como as condições operacionais a serem utilizadas estará condicionada não somente ao custo/benefício do processo como também às características intrínsecas e de armazenamento da borra.Como resultado de la intensa actividad de exploración y producción, la cadena de producción de la industria petrolera ha sido responsable de la generación de la mayoría de los residuos sólidos producidos en el mundo. Entre estos residuos, la borra de aceite crudo (BO) se encuentra en un lugar destacado, ya que se produce en casi todas las etapas de producción y refinación de petróleo. Debido a la alta toxicidad de estos materiales, la eliminación inadecuada se considera un riesgo para el medio ambiente. Así, el desarrollo de tecnologías capaces de recuperar el petróleo presente en la borra ha sido objeto de varios estudios. Por lo tanto, este trabajo tuvo como objetivo investigar la producción científica relacionada con el tratamiento/recuperación de borras de petróleo mediante el uso de métodos de pirólisis, extracción de solventes e irradiación de microondas. El análisis de los resultados reveló que China es el país con el mayor número de publicaciones sobre técnicas de tratamiento de BO. Este hecho puede estar relacionado con el volumen significativo de BO generado anualmente en China, habiendo alcanzado los 5 millones de toneladas en 2018. Aunque no existe una tecnología industrial preestablecida para el tratamiento/recuperación de BO, los trabajos publicados apuntan a la pirólisis como una ruta eficiente, especialmente cuando se asocia con el uso de catalizadores (pirólisis catalítica). La técnica de irradiación por microondas también se destaca en los trabajos como un aliado de la pirólisis. Con el uso conjunto fue posible obtener mejores resultados de recuperación de petróleo de la BO a temperaturas más bajas. La técnica de extracción con solvente ha presentado la ventaja de trabajar en condiciones de temperatura moderada (25 oC a 80 oC), usando solventes como n-hexano, ciclohexano, xileno, tolueno, triclorometano, metil etil cetona, condensado de gas de petróleo licuado y Na-AES. Aunque la técnica es efectiva para eliminar el aceite de la borra, el 100% del solvente no puede recuperarse al final del proceso de extracción. Esto se ha señalado como una desventaja de esta ruta. En general, se observó que la heterogeneidad de BO es uno de los factores que dificultan el tratamiento/recuperación de aceite. El sector de la cadena de producción de petróleo del que se extrae la borra, así como su manipulación y acondicionamiento son factores que pueden interferir con su tratamiento. Por lo tanto, la elección de una de las rutas presentadas aquí, así como las condiciones de operación que se utilizarán estarán condicionadas no solo al costo/beneficio del proceso, sino también a las características intrínsecas y de almacenamiento de la borra

BaSO_4 Precipitation Impact on the Permeability of a Pressure Porous Medium/ BaSO 4 Impacto da Precipitação sobre a Permeabilidade de um Meio Poroso de Pressão

Currently, the petroleum sector is facing new challenges like ultra-profound waters and thick pre salt layers. One of the main concerns is the inorganic scale in production equipment. Scales can occur throughout the chain of petroleum production, from the reservoir until the surface facilities. Its occurrence in the near well region of the reservoir generates a greater impact on the fluids production, where the removal or inhibition of the salt became more complex. The most common scale in the near well region is barium sulfate BaSO4 because its low solubility. This work proposes an experimental study that aims to monitor the effect of BaSO4 precipitation on sandstone porous medium pressure drop using a core holder. Distinctly from others works in the area, this study used a simpler solution to observe the impact of precipitation reaction. The porous medium was saturated with a solution of barium chloride (BaCl2) at 250ppm and afterwards was injected a solution of sodium sulfate (NaSO4) at 2750 ppm. The injection rate was 5 x10-8 m³/s for two hours under a pressure of 6.985MPa. During the precipitation reaction was observed an increase in the pressure of the system. This increase of pressure is a consequence of permeability reduction occasioned by the deposition of barium sulfate. The effect of precipitation can be observed more significantly at the first twenty minutes of reaction. At the end of experiment was observed a permeability reduction of more than 60% in the porous medium. The properties of the porous medium was measure, however this methodology could not estimate the rate of barium sulfate scal