Método de Análise Exergética no Processamento Primário de Petróleo

184 Pages·2017·3.35 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

TESE DE DOUTORADO

Método de Análise Exergética no Processamento
Primário de Petróleo

Autor: Túlio André Paiva
Orientador: Prof. Dr. Rogério José da Silva
Co-Orientador: Prof. Dr. Marcelo José Pirani

Itajubá, Outubro de 2017.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Túlio André Paiva

Método de Análise Exergética no Processamento
Primário de Petróleo

Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica como parte dos requisitos para obtenção
do Título de Doutor em Engenharia Mecânica

Área de Concentração: Térmica, Fluidos e Máquinas de Fluxos.
Orientador: Prof. Dr. Rogério José da Silva
Co-Orientador: Prof. Dr. Marcelo José Pirani

Itajubá, Outubro de 2017.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA

Túlio André Paiva

Método de Análise Exergética no Processamento
Primário de Petróleo

Banca Examinadora:
Prof. Dr. Aldo Ramos Santos (UNISANTA)
Prof. Dr. Luciano Fernando dos Santos Rossi (UTFPR)
Prof. Dr. Genésio José Menon (UNIFEI)
Profa. Dra. Maria Luiza Grillo Renó (UNIFEI)
Prof. Dr. Marcelo José Pirani (UNIFEI)
Prof. Dr. Rogério José da Silva (UNIFEI)

Itajubá – MG
2017
Dedicatória

Dedico este trabalho aos meus Pais, Paulo Roberto Paiva e Terezinha das Graças
Paiva, pelo apoio em todos os aspectos de minha vida, e a minha adorável Shirley Castro pelo
constante incentivo.
Agradecimentos
Primeiramente agradeço a Deus, por sua imensa bondade e misericórdia, sem o qual
nada disto seria possível.
Ao professor Dr. Rogério José da Silva, que me acolheu, acreditou no meu potencial,
orientou e promoveu as discussões e ensinamentos necessários para realização de meu
trabalho.
Ao professor Dr. Marcelo José Pirani, que me apoiou e ajudou em todas as etapas de
meu processo de Doutorado.
Ao meu pai, Paulo Roberto Paiva, que nos momentos fáceis e difíceis sempre teve
palavras de incentivo e apoio às decisões que tomei em minha vida.
À minha mãe, Terezinha das Graças Paiva, que independente de tudo sempre me
apoiou e torceu pelo meu sucesso.
À minha Shirley Mara Passos de Castro, que ao meu lado me mostrou que, mesmo
em tempos difíceis, sempre podemos tirar algo de positivo da situação.
Aos colegas Diana Silva Siqueira, Josué de Almeida Meystre, Maicon Queiroz
Hilário entre outros que contribuíram e ajudaram no período de trabalho.
E aos demais professores, funcionários e colegas do programa de pós-graduação em
Engenharia Mecânica que direta ou indiretamente contribuíram para o cumprimento deste
trabalho.
Resumo

PAIVA, T. A. (2017). Método de Análise Exergética no Processamento Primário do
Petróleo. Itajubá, 184 p. Tese (Doutorado em Conversão de Energia) - Instituto de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal de Itajubá.

O presente trabalho visou o desenvolvimento um método de análise exergética para plantas de
processamento primário de petróleo. A análise exergética se apresenta como uma ferramenta
eficaz em relação aos conceitos de termodinâmica, econômicos, ambientais para os processos
termodinâmicos reais. O diferencial apresentado por este tipo de análise está no tratamento
em relação às formas tradicionais da análise energética comumente utilizada, onde foram
consideradas as gerações de entropias, as irreversibilidades que estão associadas aos
processos termodinâmicos como um todo nos casos reais. As ocorrências de irreversibilidades
restringem a disponibilidade (energia) real de transformação da energia em um determinado
processo onde em dois diferentes sistemas avaliados podem apresentar a mesma quantidade
de energia interna, porém com diferentes graus de entropia, que estão diretamente ligados aos
diferentes processos de transformações aos quais foram submetidos. A análise energética
proposta neste trabalho considerou duas plantas de processamento primário de petróleo
primário sendo avaliado o quanto as irreversibilidades associadas aos processos de separação
das fases afetam o resultado final. Conclui-se que os comportamentos exergéticos das duas
plantas foram semelhantes dadas às diferenças entre os petróleos produzidos, apontando o
acréscimo de irreversibilidade associado ao aumento de água produzida nas duas plantas de
processamento primário de petróleo. As análises energéticas realizadas neste trabalho e a
demonstração da metodologia aplicada no estudo do processamento primário de petróleo
trazem como contribuição na utilização da Segunda Lei da Termodinâmica a abordagem dos
diferentes constituintes do petróleo, tipo de petróleos além da diferenciação dos componentes
em líquidos e gasosos.

Palavras-chave: Exergia, Processamento Primário de Petróleo, Análise Exergética.
Abstract

PAIVA, T. A. (2017). Method of Exergetic Analysis in Primary Oil Processing. Itajubá, 184
p. Thesis (Doctorate in Energy Conversion) - Institute of Mechanical Engineering, Federal
University of Itajubá.

The follow academic research was aimed the development a method of energetic analysis to
plants in primary process of oil. Once the energetic analysis show in like an effective tool in
order to concepts of thermodynamic, economics, environmental for the real thermodynamics
process. The differential showed by that type of analysis is on treatment as regards to
traditional forms of energetic analysis commonly used, where were considered the
generations of entropy, the irreversibility that are associated to thermodynamic process on the
whole in the real cases. The cases of irreversibility limit the real availability (energy) of
transformation of energy in a determinated process where in two different systems evaluated
can show the same quantity of internal energy, however with different levels of entropy, that
are straightly connected to different process of transformation which were submitted. The
energetic analysis proposed in this academic research considered two plants of primary
process of primary oil being evaluated how much the irreversibility associated to process of
phase separation affect the final result. Concluding that the energetic behavior with two plants
were similar given the differences between the produced oils, pointing at addition of
irreversibility associated to increase water produced on the two plants of primary process of
oil. The energetic analysis realized in this academic research and a demonstration of applied
methodology on studies of primary process of oil brig as contribution on application of
Second Law of Thermodynamic and approach of different composes of oil, types of oils
besides of distinction of composes in liquids and gases.

Keyword: Exergy, Primary Oil Processing, Exergetic Analysis.
Lista de Figuras

Figura (1): Esquema de uma instalação de processamento primário. Fonte: Adaptado de Brasil
et al. (2014). .................................................................................................................... 27
Figura (2): Árvore de natal ou Manifold de produção. Fonte: TB Petroleum (2017). ............. 29
Figura (3): Arquitetura de um campo submarino. Fonte: Firdauzi (2017). .............................. 30
Figura (4): Sistema com separação bifásica. Fonte: Brasil et al. (2014). ................................. 35
Figura (5): Sistema com separação trifásica e tratamento de óleo. Fonte: Brasil et al. (2014).
......................................................................................................................................... 35
Figura (6): Representação esquemática de um separador bifásico horizontal. Fonte: Thomas
(2004). ............................................................................................................................. 37
Figura (7): Representação esquemática de um separador trifásico vertical. Fonte: Brasil et al.
(2014). ............................................................................................................................. 38
Figura (8): Fluxograma esquemático de um tanque de lavagem. Fonte: Cunha (2007). ......... 42
Figura (9): Representação do tratador eletrostático (vista frontal) e seus eletrodos. Fonte:
PETROBRAS (2007). ..................................................................................................... 43
Figura (10): Queimador do tipo Flare. Fonte: Firdauzi (2017) ................................................ 47
Figura (11): Sistema simples de tratamento de água oleosa. Fonte: Brasil et al., (2014). ....... 49
Figura (12): Desenho esquemático de uma unidade do tipo FPSO. Fonte: Adaptado de
Firdauzi (2017). ............................................................................................................... 50
Figura (13): Flotador de gás dissolvido. Fonte: Brasil et al., (2014). ...................................... 51
Figura (14): Liner de um hidrociclone e esquema de funcionamento. Fonte: PETROBRAS
(2007). ............................................................................................................................. 52
Figura (15): Diagrama esquemático do processamento primário no poço 9-BD-8HP-RJS.
Fonte: PETROBRAS (2007). .......................................................................................... 69
Figura (16): Diagrama esquemático do processamento primário do petróleo e gases. Fonte:
PETROBRAS (2007). ..................................................................................................... 71
Figura (17): Fluxograma simplificado do processo de separação e tratamento do óleo, água e
gás da unidade offshore Membro de Siri......................................................................... 74
Figura (18): Fluxos exergéticos da planta de processamento primário de Siri. ..................... 102
Figura (19): Irreversibilidades geradas no separador trifásico em função da quantidade de
água - Planta Siri. .......................................................................................................... 106
Figura (20): Diagrama esquemático simplificado do processamento primário do petróleo e
gases – Planta Jubarte. Fonte: Adaptado de PETROBRAS (2004). ............................ 108
Figura (21): Fluxograma simplificado do processo de separação e tratamento do óleo, água e
gás da unidade Jubarte. ................................................................................................. 110
Figura (22): Fluxos exergéticos da planta de processamento primário de Jubarte. ................ 113
Figura (23): Irreversibilidades geradas no separador trifásico em função da quantidade de
água - Planta Jubarte. .................................................................................................... 116
Figura (24): Representação dos fluxos de entrada e saída no primeiro pré-aquecedor. ......... 127
Figura (25): Representação dos fluxos de entrada e saída no segundo pré-aquecedor. ......... 130
Figura (26): Representação dos fluxos de entrada e saída no aquecedor a vapor. ................. 132
Figura (27): Representação dos fluxos de entrada e saída no separador trifásico. ................. 134
Figura (28): Representação dos fluxos de entrada e saída no tratador eletrostático. .............. 136
Figura (29): Representação dos fluxos de entrada e saída no hidrociclone. ........................... 139
Figura (30): Representação dos fluxos de entrada e saída do flotador. .................................. 141
Figura (31): Tanque de carga.................................................................................................. 142
Figura (32): Curva de produção de água e óleo na planta de processamento de Siri. ............ 147
Figura (33): Curva de produção de água e óleo na planta de processamento de Jubarte- Fase 1
Completa. ...................................................................................................................... 151
Figura (34): Curva de produção de água e óleo na planta de processamento de Jubarte- Fase 1
- Parcial. ........................................................................................................................ 153
Lista de Tabelas

Tabela (1): Classificação dos petróleos. Fonte: Meyer & Athanasi, (2003). ..................................... 33
Tabela (2): Condições operacionais dos principais equipamentos utilizados para o caso analisado. 73
Tabela (3): Dados operacionais para o Fluxo 01. .............................................................................. 75
Tabela (4): Composição do óleo no poço 9-BD-18HP-RJS. ............................................................. 78
Tabela (5): Fração molar sem água dos componentes presentes na mistura oleosa. ......................... 79
Tabela (6): Volume específico, massa molar e volume específico molar dos elementos na mistura
oleosa. ....................................................................................................................................... 80
Tabela (7): Quantidade molar de cada uma das substâncias presentes na mistura oleosa. ................ 81
Tabela (8): Vazão molar de cada um dos componentes presentes na mistura oleosa. ....................... 83
Tabela (9): Vazão mássica de todos os 25 elementos presentes na mistura oleosa. .......................... 84
Tabela (10): Componentes no estado gasoso após separador trifásico. ............................................. 86
Tabela (11): Componentes (hidrocarbonetos) no estado líquido da mistura oleosa. ......................... 86
Tabela (12): Constantes para calcular os calores específicos dos elementos da mistura. .................. 87
Tabela (13): Variações de entalpia e entropia dos componente da mistura oleosa. ........................... 89
Tabela (14): Exergia física dos dez componentes gasosos da mistura oleosa no Fluxo 01. .............. 90
Tabela (15): Exergia física dos 15 componentes líquidos da mistura oleosa no Fluxo 01. ............... 91
Tabela (16): Exergia química padrão dos componentes da mistura oleosa. ...................................... 92
Tabela (17): Relações atômicas para os seis componentes presentes na mistura oleosa. .................. 93
Tabela (18): Poder calorifico inferior para os seis componentes presentes na mistura oleosa. ......... 94
Tabela (19): Exergia química padrão para os seis componentes presentes na mistura oleosa. ......... 94
Tabela (20): Comparação das exergias químicas calculadas em relação com as referências. ........... 95
Tabela (21): Exergias totais calculadas para todos os fluxos da planta de processamento. .............. 96
Tabela (22): Irreversibilidade e Eficiência exergética dos equipamentos da planta de Siri. ............. 97
Tabela (23): Exergias dos fluxos que compõe a planta de processamento primário de Siri. ............. 99
Tabela (24): Transferência de exergia nos trocadores de calor - Siri. ............................................. 100
Tabela (25): Irreversibilidade e Eficiência exergética dos equipamentos da planta de Siri. ........... 101
Tabela (26): Variação de exergia devida aos fluxos. ....................................................................... 103
Tabela (27): Curva de Irreversibilidade em função da quantidade de água produzida do poço - Siri.
................................................................................................................................................ 105
Tabela (28): Exergias dos fluxos que compõe a planta de processamento primário de Jubarte. ..... 111