Durant ces dernières années les contraintes environnementales, au niveau national et international, obligent les industriels à maitriser leurs rejets d’effluents liquides et gazeux notamment leurs émissions de Composés Organiques Volatils (COV). Les COV sont des composés dangereux pour la santé de l’homme et pour son environnement à cause de leur persistance dans l’air et de leur capacité à se transformer en d’autres molécules encore plus dangereuses. Ils sont également classés comme gaz à effet de serre directs et indirects (précurseurs d’ozone). L’oxydation catalytique est un procédé destructif très intéressant et largement employé pour l’élimination des COV, il présente plusieurs avantages telles qu’une conversion élevée et une grande sélectivité par rapport au CO2. De plus, les températures de fonctionnement sont très modérées par rapport à la combustion thermique. Cependant, cette réaction fortement exothermique, extrêmement rapide, est généralement mise en œuvre dans des réacteurs à lits fixes conventionnels, et se déroule en présence de fortes limitations par le transfert de matière. Ce procédé est donc très demandeur en termes de conception de nouveaux réacteurs qui peuvent permettre d’intensifier les transferts pour atteindre l’efficacité requise au moindre coût. Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent ainsi la conception et le développement de microréacteurs pour la dégradation des COV, trois molécules ont été étudiées : l’acétone, la méthyléthylcétone et le toluène. Les microréacteurs développés dans cette étude sont des réacteurs microstructurés à multiples canaux parallèles, basés sur le principe d’empilement de plaques en silicium recouvertes du catalyseur (platine). Les microréacteurs possèdent de part leurs dimensions micrométriques, des ratios S/V très élevés par rapport aux réacteurs conventionnels. Les ratios S/V des quatre microréacteurs, conçus dans ces travaux, varient de 14000 à 60000 m2/m3 alors qu’à titre d’exemple, la cuve agitée possède des ratios de 100-1000 m2/m3. Les microréacteurs étudiés se distinguent par leur conception. Les microréacteurs de 1re génération, dont le chauffage se fait par conduction avec des cartouches résistives insérées dans une enceinte métallique (acier INOX), se différencient par les dimensions de leurs microcanaux (200x500, 200x100 et 100x50 µm2). L’originalité du microréacteur de 2e génération (200x100 µm2) est liée à son système d’alimentation mais surtout à son mode de chauffage intégré constitué d’une plaque en silicium, comportant résistance et capteurs de température, insérée au milieu des plaques catalytiques. Les résultats obtenus en termes de performance catalytique sont très prometteurs (65-100 % de conversion) sur une large gamme de concentration des COV (250-11700 ppmV) et des GHSV très élevées (18700-314000 h-1). Il a également été constaté que, outre la température, les conditions opératoires (GHSV et concentration) avaient une influence importante sur les performances catalytiques. Le microréacteur de 2e génération a conduit à de meilleures conversions que les microréacteurs de 1re génération, en particulier aux températures élevées. Un ordre de réactivité entre les molécules qui dépend de leurs concentrations a également été établi. Concernant la caractérisation des écoulements dans les microréacteurs, les écoulements observés sont laminaires dans les microcanaux et les écoulements dans les microréacteurs correspondent probablement à un modèle piston à dispersion axiale malgré des valeurs du nombre de Bodenstein trés élevées. La continuité du milieu fluide a été étudiée dans les microréacteurs et un éventuel effet de raréfaction a été relevé dans le plus petit réacteur (100x50 µm2). Finalement, une étude des limitations par le transfert de matière a permis d’écarter d’éventuelles limitations dues au transfert de matière interne et de mettre en évidence la difficulté d’évaluer les limitations par le transfert de matière externe. / During last years the environmental constraints applied at national and international level, have led the manufacturers to control their pollutants released into atmosphere especially the Volatiles Organic Compounds (VOCs). The VOCs are harmful to human health and environment because of their persistence in air and their ability to be transformed to more dangerous molecules. They are also recognized as direct and indirect greenhouse gases as ozone precursors. Catalytic oxidation is a very interesting destructive process for VOCs removal. It presents a lot of advantages like high combustion efficiency (high conversion and CO2 selectivity). Furthermore, this process occurs at lower temperatures than the combustion. However, this very exothermic and very fast reaction, generally implemented in conventional fixed bed reactors exhibits strong mass transfer limitations. This process is consequently very demanding in terms of design of reactors with transfer intensification ability in order to achieve the required efficiency as well as lower the costs of the process. The present research works concern the design and the development of microreactors for VOCs removal and three molecules were tested: acetone, methyl-ethyl-ketone and toluene. The microreactors developed in this study, are parallel multichannel structured reactors, based on stacking of silicon platelets coated by the catalyst (platinum). The micrometric dimensions confer to microreactors much higher S/V ratios than conventional reactors with an important potential of transfer intensification as a consequence. The four microreactors exhibit S/V ratios with a range of 14000 to 60000 m2/m3, in comparison the S/V ratios of the stirred tank do not exceed 1000 m2/m3. These microreactors are distinguished in terms of design as 1st and 2nd generation reactors. The 1st generation ones present the same stainless steel housing equipped with four resistive cartridge heaters but the microchannels dimensions are different (200x500, 200x100 and 100x50 μm2). The 2nd generation microreactor (200x100 μm2) has the particularity to integrate platinum electrical heating resistance and sensors between the catalytic platelets. The results of the study in terms of catalytic performances are very promising (65 to 100 % of conversion) in a large scale of VOCs concentration (250-11700 Vppm) and very high space velocities (18700-314000 h-1). It was observed that not only temperature but also experimental parameters (GHSV and concentration) have an important effect on catalytic performances. However, it was shown that the 2nd generation microreactor is more efficient than the 1st generation ones in particular at high temperatures. An order of molecules reactivity was also established according to their concentrations. Regarding the gas flow in the microreactors, the flow laminarity in microchannels has been confirmed and the flow through the microreactors follows probably a plug-flow axial-dispersion model in spite of high Bodenstein numbers. The continuity of the gas flow was also investigated and an eventual rarefaction effect was noticed on the smallest microreactor (100x50 μm2). Finally, a transfer limitation study allowed dismissing the control of the reaction by internal diffusion and highlighted difficulties to evaluate the external mass transfer limitations.

No Brasil, se espera ter até 2014, de acordo com o prazo da Política Nacional de Resíduos Sólidos, todos os lixões erradicados e os resíduos sólidos urbanos gerados depositados em aterros sanitários. Atualmente, os projetos de aterros sanitários dão oportunidade para um nicho de mercado, o da fonte de geração de energia. Um parâmetro de controle da poluição do ar causada pelos aterros sanitários são as chamadas camadas de cobertura. Nesse contexto, é de fundamental importância o estudo de camadas de cobertura de resíduos por ser um importante elemento de projeto para evitar ou minimizar a poluição do ar devido aos gases gerados em aterros sanitários de resíduos sólidos, já que é o elo existente entre o ambiente interno dos resíduos e a atmosfera. A presente pesquisa aborda o comportamento dos gases em relação à camada de cobertura existentes na CTR de Nova Iguaçu e no Lixão remediado de Seropédica. Foram realizados ensaios de Placa de Fluxo, medição de pressão e concentração dos gases no contato solo-resíduo e emissões dos gases pelos drenos, além das análises de solo in situ e em laboratório. Os ensaios foram realizados de outubro a novembro de 2012. Os resultados indicaram uma inexistência de fluxo de gases pela camada de cobertura, que possui 1,10 m de espessura, do lixão de Seropédica, sendo encontrado apenas fluxo nos drenos. Na CTR Nova Iguaçu, foi verificada que praticamente a inexistência de fluxo de gases com o sistema de gás ligado, mesmo possuindo uma camada de cobertura de 0,8 m. / In Brazil, according to the timeframe given by the National Policy of Solid Waste, by 2014, every dump will be eradicated and every municipal solid waste generated will be deposited in landfills. Currently, the landfill projects provide an opportunity for the market, which is a source of energy. A parameter of control of the air pollution caused by landfills is called cover layers. In this context, it is important the study of the cover layers to avoid or minimized the air pollution due to gases generated in landfills, which is the link between the solid waste and the atmosphere. This research addresses the behavior of the gases in relation to the cover layers on the CTR Nova Iguaçu and Dump of Seropédica. Six test trials of the Flux chamber, pressure measurement and concentration of gases in the soil-residue contact and emissions of gases through the drains, in addition to in situ soil analysis and laboratory analysis. The tests trials were performed from October, 2012 to November, 2012. The results indicated no gas flow through the cover layer, which has a thickness of 1.10 m, of the dump of Seropédica, where the gas flow was only encountered through the drains. In CTR Nova Iguaçu, the gas flow was almost inexistent, even having a cover layer of thickness of 0.8 m.

Os problemas de garantia de escoamento em tubulações de óleo e gás associados a hidratos de gás têm sido resolvidos tradicionalmente pela implementação de estratégias de “prevenção de hidratos”, ou seja, técnicas de remoção de água, isolamento e injeção de inibidores termodinâmicos. Para reduzir os custos de desenvolvimento e de operação na indústria, a técnica conhecida como “gestão de hidratos” vem se tornando uma alternativa viável. As estratégias de “gestão de hidratos” diferem da usual “prevenção de hidratos” uma vez que, ao invés de focarem na prevenção da formação de hidratos, tais estratégias objetivam minimizar o risco de obstrução e garantir o escoamento utilizando técnicas que permitem o transporte de suspensões de hidrato estáveis com o óleo produzido em condições de escoamento multifásico. A fim de implantar com segurança estratégias de gestão de hidratos, é necessário compreender mecanismos e processos ligados à formação e acumulação de hidrato em diferentes sistemas multifásicos, compostos por gás, óleo e água. Diversos experimentos objetivando aumentar o conhecimento dos diferentes processos resultando resultantes em condições de formação de bloqueio foram realizados. Utilizou-se uma célula de balanço com janela de visualização para mensurar e observar os vários estágios de formação, deposição e acumulação de hidratos em situações de mistura e movimento contínuos induzidos pela oscilação da célula. Os experimentos foram realizados em um cenário de gás limitado, considerando combinações de fluidos provenientes de uma mistura de gases v metano e etano, água e óleo mineral ou condensado como hidrocarboneto líquido. Os efeitos da adição de monoetilenoglicol (MEG) e um antiaglomerante modelo (AA) também foram estudados em alguns dos experimentos. Foram mensurados e observados vários estágios de formação e acumulo de hidratos com mistura contínua como um fator de várias variáveis (temperatura, pressão, presença de inibidores termodinâmicos e antiaglomerantes). Foram identificados fenômenos como deposição, desprendimento, crescimento de partículas de hidrato, aglomeração e formação de leito poroso. Neste trabalho, observou-se uma menor tendência de deposição em superfícies molhadas com óleo mineral, em comparação com as superfícies expostas ao condensado ou à fase gasosa. Contudo, a deposição de hidrato também foi observada no sistema de óleo, principalmente em superfícies expostas à fase gasosa. A formação de hidrato em um experimento com óleo mineral, 30% água de volume liquido e antiaglomerante resultou em suspensão de hidratos transportável. Tanto o condensado como o óleo mineral não eram emulsionantes, mas a dispersão, estabilizada por cisalhamento das fases líquidas, foi criada antes da formação de hidrato, através da mistura induzida pelo movimento da célula. A dispersão das fases de óleo e água parecia estar completamente separada durante o escoamento constante devido ao início da formação de hidrato. Uma análise da porosidade foi realizada com base na avaliação visual da aparência de hidratos em imagens capturadas a partir das gravações de vídeo dos experimentos e da quantidade calculada de fase hidrato no sistema. Os depósitos de hidrato com alta porosidade formam-se em condições com um alto gradiente de temperatura entre os líquidos e a superfície, e condições de sub-resfriamento elevadas, sofrendo então desprendimento devido à absorção de água, ao peso do depósito e ao cisalhamento dos fluidos sobre depósito. No entanto, a análise dos experimentos com água pura demonstrou que o desprendimento não foi detectado em uma limitada janela operacional, definida por ambos o sub-resfriamento inferior a 4° C e o gradiente de temperatura na célula inferior a 1° C. A existência em potencial de uma janela operacional vi para condições sem desprendimento pode ser valiosa para o desenvolvimento de estratégias de gestão de hidratos para a produção sem ocorrência de bloqueios. Esta tese correlaciona os fenômenos observados (tais como deposição, desprendimento, aglomeração, leito poroso) com parâmetros como sub-resfriamento, porosidade e tipo de hidrocarboneto líquido no sistema. Um modelo conceitual revisado para a formação e acumulação de hidratos em sistemas não emulsionantes, que inclui mecanismos de separação de fases, aglomeração e deposição, foi desenvolvido com base nos resultados dos experimentos. / Potential flow assurance problems in oil and gas pipelines related to gas hydrates have traditionally been resolved by implementing hydrate avoidance strategies, such as water removal, insulation, and injection of thermodynamic inhibitors. As a means of lowering development and operational costs in the industry, hydrate management is becoming a more viable approach. “Hydrate Management” strategies differ from standard “Hydrate Avoidance” in the fact that, instead of focusing on preventing hydrate formation, these strategies focus on minimizing the risk of plugging and ensuring flow using methods that allow transportability of hydrate slurries with the hydrocarbon production fluids in multiphase flow conditions where hydrates are stable. In order to safely implement hydrate management strategies, it is required to understand mechanisms and processes connected to hydrate formation and accumulation in different multiphase systems involving gas, oil and water. A number of experiments have been performed using a visual rocking cell to measure and observe the various stages of hydrate formation, deposition and accumulation during continuous mixing and motion induced by the oscillation of the rocking cell to increase insight into the different processes leading to hydrate plug conditions. The experiments were performed in a gas-limited scenario considering the fluid combinations consisting of methaneethane gas mixture, water and mineral oil or condensate as hydrocarbon liquid. The effects of ii added monoethylene glycol (MEG) and a model anti-agglomerant (AA) were also studied in some of the experiments. Various stages of hydrate formation and accumulation were measured and observed under continuous mixing, as a function of several variables: temperature, pressure, presence of thermodynamic inhibitors and anti-agglomerants. Phenomena such as deposition, sloughing, hydrate particle growth, agglomeration and bedding were identified. In this work, a lower tendency of the hydrate to deposit on mineral oil wetted surfaces was observed, as compared to surfaces exposed to the condensate or the gas phase. Nevertheless, hydrate deposition was also observed in the oil system, mainly at surfaces only exposed to the gas phase. Hydrate formation in an experiment with mineral oil, 30% water cut and anti-agglomerant resulted in transportable hydrate slurry. Both the condensate and mineral oil tested were non-emulsifying, but shear-stabilized dispersion of the liquid phases was created prior to hydrate formation by mixing induced by the motion of the cell. The dispersion of the oil and water phases appeared to completely phase-separate during constant flow due to the incipient hydrate formation. A porosity analysis was performed based on analysis of visual appearance of hydrates in images captured from the video recordings of the experiments and calculated amount of hydrate phase in the system. Highly porous hydrate deposits formed in conditions with a large temperature gradient between the bulk and the surface, and high subcooling conditions, then suffering from sloughing due to the wetting and weight of the deposit and the shear of the fluids on the deposit. However, analysis of the experiments with fresh water demonstrated that sloughing was not detected in a narrow operational window defined by both subcooling lower than 4 °C and temperature gradient in the cell lower than 1 °C. The potential existence of an operational window for conditions without sloughing might be valuable for development of hydrate management strategies for blockage-free production. iii This thesis presents relationships between the phenomena observed (such as deposition, sloughing, glomeration, bedding) and parameters, such as subcooling, porosity and type of liquid hydrocarbon in the system. A revised conceptual model for hydrate formation and accumulation in non-emulsifying systems, which includes phase separation, agglomeration and deposition related mechanisms, has been developed based on the results from the experiments.

PETROBRAS / Dentre os desafios no processo de produção de hidrocarbonetos na indústria de óleo e gás, uma área em destaque nos últimos anos é conhecida como garantia de escoamento, a qual envolve assegurar de forma contínua que os fluidos (óleo ou gás) escoem pelas tubulações que conectam o poço aos sistemas de separação na superfície. Um dos principais problemas enfrentados está ligado à deposição de hidratos de gás em tubulações, podendo estes diminuir o diâmetro útil ou até obstruir as tubulações, gerando perdas financeiras consideráveis devido a, principalmente, parada de produção. Hidratos de gás ou clatratos são estruturas cristalinas sólidas semelhantes ao gelo, normalmente formados por moléculas de água e gás em determinadas condições de pressão e temperatura. Atualmente não existe uma técnica de medição estabelecida para monitoração da formação de hidratos em tubulações. Uma técnica candidata é a medição da impedância (ou o espectro de impedância) dos fluidos, pois se trata de uma técnica simples, robusta e de baixo custo. Com o objetivo de investigar o processo de formação de hidratos de forma controlada, foram realizados e analisados diversos experimentos com três sistemas de medição diferentes operando três células de medição distintas. Um sistema totalmente comercial, um sistema misto e um sistema dedicado foram utilizados para realizar medidas de impedância do processo de formação de hidratos. Os testes foram realizados com uma substância modelo (tetrahidrofurano – THF) em mistura com água, com a qual é possível a formação de hidratos sem a necessidade do uso de uma célula pressurizada. Os dois primeiros sistemas (comercial e misto) são capazes de medir o espectro de impedância na faixa 101 Hz até 107 Hz. Já o sistema dedicado opera em frequência fixa (tipicamente 5 MHz). Os resultados mostraram-se promissores no que diz respeito à monitoração da formação de hidratos, já que diferenças consideráveis nos valores de impedância são observadas para a mistura de THF-água em estado líquido e com a presença de hidratos. Dessa maneira, o sistema desenvolvido aliado ao processamento dos dados experimentais pode ser empregado em trabalhos futuros como ferramenta simples para monitorar a formação de hidratos em tubulações. / Among the challenges in the oil and gas industry for hydrocarbon production, a featured area in recent years is known as flow assurance, which involves to guarantee the continuously stream of fluids (oil or gas) through pipelines connecting wellhead to separation systems at topside. One of the main problems is related to the deposition of gas hydrates in pipelines, since these deposits may reduce the effective pipe diameter or even clog pipelines, causing considerable financial losses mainly due to production stop. Gas hydrates or clathrates are crystalline solid ice-like structures, typically formed by water and gas molecules under certain conditions of pressure and temperature. Currently there is no established measurement technique for monitoring the hydrate formation in pipelines. One candidate technique is impedance (or impedance spectrum) measurement of fluids, since it is simple, robust and low cost. With the objective of investigating hydrate formation in a controlled environment, several experiments with three different measuring systems operating three different measuring cells have been performed and evaluated. A fully commercial, a mixed, and a dedicated measuring system were applied for obtaining impedance data of hydrates formation. The experimental tests were performed with a model substance (tetrahydrofuran - THF) in mixture with water which allows the monitoring of hydrates formation at ambient pressures (i.e. no need to use a pressurized cell). The first two systems (commercial and mixed) are able to measure the impedance spectrum in the range 10 Hz to 10 MHz. The dedicated system operates at a fixed frequency (typically 5 MHz). The results show that considerable differences in impedance values are observed for the THF-water mixture in liquid conditions and with the presence of hydrates, hence being promising in hydrates formation monitoring. In this way, the developed measurement system allied to appropriated data processing routines has the potential to be applied as simple tool to monitor hydrate formation in pipes.

LACIT / Escoamentos bifásicos gás-líquido estão presentes em inúmeras aplicações de engenharia, como por exemplo, na produção de petróleo, onde óleo e gás escoam nas linhas de produção. A monitoração online do escoamento bifásico é de grande importância para operação segura e eficiente dos processos de produção. Assim, nos últimos anos tem-se buscando o desenvolvimento de técnicas simples e de baixo custo para monitoração do escoamento da produção. Das diversas formas que um escoamento bifásico se apresenta, o padrão de escoamento em golfadas é o mais comum nas linhas de produção. Este trabalho apresenta um sistema óptico infravermelho que mede especificamente a velocidade das bolhas de gás em um escoamento em golfadas. Esse sistema emprega componentes optoeletrônicos operando a 950 nm juntamente com uma peça adutora utilizada para manter estáticos o emissor e receptor de luz. O circuito eletrônico responsável pelo funcionamento do sensor é composto por três canais de medição modulados em frequências diferentes. Dessa forma pelo tempo de trânsito que uma bolha leva no percurso entre os canais, pode-se calcular a velocidade da bolha. Essa técnica óptica traz a vantagem de ser um sistema de medição não invasivo e pode ser utilizado para outros fluidos, mas é necessário adaptar o comprimento de onda de trabalho de acordo com as características do fluido a ser detectado. O sistema desenvolvido foi testado em uma planta piloto sob diversas condições operacionais e comparado com sensores de referência (wire-mesh e câmera de alta velocidade). Resultados obtidos mostram o bom desempenho do sistema com relação aos sensores de referência. / Gas-liquid two-phase flows are present in many engineering applications such as in petroleum production, where oil and gas stream in the production lines. The online monitoring of two-phase flow is of great importance for safe and efficient operation of production processes. Thus, in recent years there has been an attempt to develop simple and low cost techniques for flow production monitoring. Among the various ways a two-phase flow may occur in a pipe, the flow pattern known as slug flow is the most common in production lines. This work presents an infrared optical system that specifically measures the translational speed of gas bubbles in slugs flow. This system employs optoelectronic components operating at 950 nm along with a mechanical assembly used to assure optical alignment of light emitters and receivers. The electronic circuitry responsible for operating the sensor consists of three measuring channels modulated at different frequencies, thus by measuring the time lag a gas bubble needs to travel from one channel to another, one can calculate speed of gas bubble. This optical technique has the advantage of being a noninvasive measurement system and can be used for other fluids, but it is necessary to adapt the working wavelength according to the characteristics of the fluid to be detected. The developed system was tested in a pilot plant under various operating conditions and compared with reference sensors (wire-mesh and high-speed camera). Results show the good performance of the system with respect to the reference sensors.

Os problemas de garantia de escoamento em tubulações de óleo e gás associados a hidratos de gás têm sido resolvidos tradicionalmente pela implementação de estratégias de “prevenção de hidratos”, ou seja, técnicas de remoção de água, isolamento e injeção de inibidores termodinâmicos. Para reduzir os custos de desenvolvimento e de operação na indústria, a técnica conhecida como “gestão de hidratos” vem se tornando uma alternativa viável. As estratégias de “gestão de hidratos” diferem da usual “prevenção de hidratos” uma vez que, ao invés de focarem na prevenção da formação de hidratos, tais estratégias objetivam minimizar o risco de obstrução e garantir o escoamento utilizando técnicas que permitem o transporte de suspensões de hidrato estáveis com o óleo produzido em condições de escoamento multifásico. A fim de implantar com segurança estratégias de gestão de hidratos, é necessário compreender mecanismos e processos ligados à formação e acumulação de hidrato em diferentes sistemas multifásicos, compostos por gás, óleo e água. Diversos experimentos objetivando aumentar o conhecimento dos diferentes processos resultando resultantes em condições de formação de bloqueio foram realizados. Utilizou-se uma célula de balanço com janela de visualização para mensurar e observar os vários estágios de formação, deposição e acumulação de hidratos em situações de mistura e movimento contínuos induzidos pela oscilação da célula. Os experimentos foram realizados em um cenário de gás limitado, considerando combinações de fluidos provenientes de uma mistura de gases v metano e etano, água e óleo mineral ou condensado como hidrocarboneto líquido. Os efeitos da adição de monoetilenoglicol (MEG) e um antiaglomerante modelo (AA) também foram estudados em alguns dos experimentos. Foram mensurados e observados vários estágios de formação e acumulo de hidratos com mistura contínua como um fator de várias variáveis (temperatura, pressão, presença de inibidores termodinâmicos e antiaglomerantes). Foram identificados fenômenos como deposição, desprendimento, crescimento de partículas de hidrato, aglomeração e formação de leito poroso. Neste trabalho, observou-se uma menor tendência de deposição em superfícies molhadas com óleo mineral, em comparação com as superfícies expostas ao condensado ou à fase gasosa. Contudo, a deposição de hidrato também foi observada no sistema de óleo, principalmente em superfícies expostas à fase gasosa. A formação de hidrato em um experimento com óleo mineral, 30% água de volume liquido e antiaglomerante resultou em suspensão de hidratos transportável. Tanto o condensado como o óleo mineral não eram emulsionantes, mas a dispersão, estabilizada por cisalhamento das fases líquidas, foi criada antes da formação de hidrato, através da mistura induzida pelo movimento da célula. A dispersão das fases de óleo e água parecia estar completamente separada durante o escoamento constante devido ao início da formação de hidrato. Uma análise da porosidade foi realizada com base na avaliação visual da aparência de hidratos em imagens capturadas a partir das gravações de vídeo dos experimentos e da quantidade calculada de fase hidrato no sistema. Os depósitos de hidrato com alta porosidade formam-se em condições com um alto gradiente de temperatura entre os líquidos e a superfície, e condições de sub-resfriamento elevadas, sofrendo então desprendimento devido à absorção de água, ao peso do depósito e ao cisalhamento dos fluidos sobre depósito. No entanto, a análise dos experimentos com água pura demonstrou que o desprendimento não foi detectado em uma limitada janela operacional, definida por ambos o sub-resfriamento inferior a 4° C e o gradiente de temperatura na célula inferior a 1° C. A existência em potencial de uma janela operacional vi para condições sem desprendimento pode ser valiosa para o desenvolvimento de estratégias de gestão de hidratos para a produção sem ocorrência de bloqueios. Esta tese correlaciona os fenômenos observados (tais como deposição, desprendimento, aglomeração, leito poroso) com parâmetros como sub-resfriamento, porosidade e tipo de hidrocarboneto líquido no sistema. Um modelo conceitual revisado para a formação e acumulação de hidratos em sistemas não emulsionantes, que inclui mecanismos de separação de fases, aglomeração e deposição, foi desenvolvido com base nos resultados dos experimentos. / Potential flow assurance problems in oil and gas pipelines related to gas hydrates have traditionally been resolved by implementing hydrate avoidance strategies, such as water removal, insulation, and injection of thermodynamic inhibitors. As a means of lowering development and operational costs in the industry, hydrate management is becoming a more viable approach. “Hydrate Management” strategies differ from standard “Hydrate Avoidance” in the fact that, instead of focusing on preventing hydrate formation, these strategies focus on minimizing the risk of plugging and ensuring flow using methods that allow transportability of hydrate slurries with the hydrocarbon production fluids in multiphase flow conditions where hydrates are stable. In order to safely implement hydrate management strategies, it is required to understand mechanisms and processes connected to hydrate formation and accumulation in different multiphase systems involving gas, oil and water. A number of experiments have been performed using a visual rocking cell to measure and observe the various stages of hydrate formation, deposition and accumulation during continuous mixing and motion induced by the oscillation of the rocking cell to increase insight into the different processes leading to hydrate plug conditions. The experiments were performed in a gas-limited scenario considering the fluid combinations consisting of methaneethane gas mixture, water and mineral oil or condensate as hydrocarbon liquid. The effects of ii added monoethylene glycol (MEG) and a model anti-agglomerant (AA) were also studied in some of the experiments. Various stages of hydrate formation and accumulation were measured and observed under continuous mixing, as a function of several variables: temperature, pressure, presence of thermodynamic inhibitors and anti-agglomerants. Phenomena such as deposition, sloughing, hydrate particle growth, agglomeration and bedding were identified. In this work, a lower tendency of the hydrate to deposit on mineral oil wetted surfaces was observed, as compared to surfaces exposed to the condensate or the gas phase. Nevertheless, hydrate deposition was also observed in the oil system, mainly at surfaces only exposed to the gas phase. Hydrate formation in an experiment with mineral oil, 30% water cut and anti-agglomerant resulted in transportable hydrate slurry. Both the condensate and mineral oil tested were non-emulsifying, but shear-stabilized dispersion of the liquid phases was created prior to hydrate formation by mixing induced by the motion of the cell. The dispersion of the oil and water phases appeared to completely phase-separate during constant flow due to the incipient hydrate formation. A porosity analysis was performed based on analysis of visual appearance of hydrates in images captured from the video recordings of the experiments and calculated amount of hydrate phase in the system. Highly porous hydrate deposits formed in conditions with a large temperature gradient between the bulk and the surface, and high subcooling conditions, then suffering from sloughing due to the wetting and weight of the deposit and the shear of the fluids on the deposit. However, analysis of the experiments with fresh water demonstrated that sloughing was not detected in a narrow operational window defined by both subcooling lower than 4 °C and temperature gradient in the cell lower than 1 °C. The potential existence of an operational window for conditions without sloughing might be valuable for development of hydrate management strategies for blockage-free production. iii This thesis presents relationships between the phenomena observed (such as deposition, sloughing, glomeration, bedding) and parameters, such as subcooling, porosity and type of liquid hydrocarbon in the system. A revised conceptual model for hydrate formation and accumulation in non-emulsifying systems, which includes phase separation, agglomeration and deposition related mechanisms, has been developed based on the results from the experiments.

PETROBRAS / Dentre os desafios no processo de produção de hidrocarbonetos na indústria de óleo e gás, uma área em destaque nos últimos anos é conhecida como garantia de escoamento, a qual envolve assegurar de forma contínua que os fluidos (óleo ou gás) escoem pelas tubulações que conectam o poço aos sistemas de separação na superfície. Um dos principais problemas enfrentados está ligado à deposição de hidratos de gás em tubulações, podendo estes diminuir o diâmetro útil ou até obstruir as tubulações, gerando perdas financeiras consideráveis devido a, principalmente, parada de produção. Hidratos de gás ou clatratos são estruturas cristalinas sólidas semelhantes ao gelo, normalmente formados por moléculas de água e gás em determinadas condições de pressão e temperatura. Atualmente não existe uma técnica de medição estabelecida para monitoração da formação de hidratos em tubulações. Uma técnica candidata é a medição da impedância (ou o espectro de impedância) dos fluidos, pois se trata de uma técnica simples, robusta e de baixo custo. Com o objetivo de investigar o processo de formação de hidratos de forma controlada, foram realizados e analisados diversos experimentos com três sistemas de medição diferentes operando três células de medição distintas. Um sistema totalmente comercial, um sistema misto e um sistema dedicado foram utilizados para realizar medidas de impedância do processo de formação de hidratos. Os testes foram realizados com uma substância modelo (tetrahidrofurano – THF) em mistura com água, com a qual é possível a formação de hidratos sem a necessidade do uso de uma célula pressurizada. Os dois primeiros sistemas (comercial e misto) são capazes de medir o espectro de impedância na faixa 101 Hz até 107 Hz. Já o sistema dedicado opera em frequência fixa (tipicamente 5 MHz). Os resultados mostraram-se promissores no que diz respeito à monitoração da formação de hidratos, já que diferenças consideráveis nos valores de impedância são observadas para a mistura de THF-água em estado líquido e com a presença de hidratos. Dessa maneira, o sistema desenvolvido aliado ao processamento dos dados experimentais pode ser empregado em trabalhos futuros como ferramenta simples para monitorar a formação de hidratos em tubulações. / Among the challenges in the oil and gas industry for hydrocarbon production, a featured area in recent years is known as flow assurance, which involves to guarantee the continuously stream of fluids (oil or gas) through pipelines connecting wellhead to separation systems at topside. One of the main problems is related to the deposition of gas hydrates in pipelines, since these deposits may reduce the effective pipe diameter or even clog pipelines, causing considerable financial losses mainly due to production stop. Gas hydrates or clathrates are crystalline solid ice-like structures, typically formed by water and gas molecules under certain conditions of pressure and temperature. Currently there is no established measurement technique for monitoring the hydrate formation in pipelines. One candidate technique is impedance (or impedance spectrum) measurement of fluids, since it is simple, robust and low cost. With the objective of investigating hydrate formation in a controlled environment, several experiments with three different measuring systems operating three different measuring cells have been performed and evaluated. A fully commercial, a mixed, and a dedicated measuring system were applied for obtaining impedance data of hydrates formation. The experimental tests were performed with a model substance (tetrahydrofuran - THF) in mixture with water which allows the monitoring of hydrates formation at ambient pressures (i.e. no need to use a pressurized cell). The first two systems (commercial and mixed) are able to measure the impedance spectrum in the range 10 Hz to 10 MHz. The dedicated system operates at a fixed frequency (typically 5 MHz). The results show that considerable differences in impedance values are observed for the THF-water mixture in liquid conditions and with the presence of hydrates, hence being promising in hydrates formation monitoring. In this way, the developed measurement system allied to appropriated data processing routines has the potential to be applied as simple tool to monitor hydrate formation in pipes.

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2016-11-11T13:03:47Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-11-11T13:03:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Este trabalho desenvolveu um novo método para a detecção de contornos em imagens digitais que apresentam objetos de interesse muito próximos e que contêm complexidades associadas ao fundo da imagem como variação abrupta de intensidade e oscilação de iluminação. O método desenvolvido utiliza lógicafuzzy e desvio padrão da declividade (Desvio padrão da declividade fuzzy - FuzDec) para o processamento de imagens e detecção de contorno. A detecção de contornos é uma tarefa importante para estimar características de escoamento bifásico através da segmentação da imagem das bolhas para obtenção de parâmetros como a fração de vazio e diâmetro de bolhas. FuzDec foi aplicado em imagens de instabilidades de circulação natural adquiridas experimentalmente. A aquisição das imagens foi feita utilizando o Circuito de Circulação Natural (CCN) do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). Este circuito é completamente constituído de tubos de vidro, o que permite a visualização e imageamento do escoamento monofásico e bifásico nos ciclos de circulação natural sob baixa pressão.Os resultados mostraram que o detector proposto conseguiu melhorar a identificação do contorno eficientemente em comparação aos detectores de contorno clássicos, sem a necessidade de fazer uso de algoritmos de suavização e sem intervenção humana. / t / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

O trabalho aborda a aplicação da técnica de reconciliação de dados para o balanço da movimentação de gás natural em uma malha de escoamento de gás não processado, elaborando também um método de cálculo rápido de inventário de um duto. Foram aplicadas, separadamente, a reconciliação volumétrica à condição padrão de medição e a reconciliação mássica, bem como realizadas comparações dos resultados em relação ao balanço original e verificação do balanço resultante de energia em termos de poder calorífico superior. Dois conjuntos de pesos foram aplicados, um arbitrado de acordo com o conhecimento prévio da qualidade do sistema de medição de cada um dos pontos, outro baseado no inverso da variância dos volumes diários apurados no período. Ambos apresentaram bons resultados e o segundo foi considerado o mais apropriado. Por meio de uma abordagem termodinâmica, foi avaliado o potencial impacto, ao balanço, da condensação de parte da fase gás ao longo do escoamento e a injeção de um condensado de gás natural não estabilizado por uma das fontes. Ambos tendem a impactar o balanço, sendo o resultado esperado um menor volume, massa e energia de fase gás na saída. Outros fatores de considerável impacto na qualidade dos dados e no resultado final da reconciliação são a qualidade da medição de saída do sistema e a representatividade da composição do gás neste ponto. O inventário é calculado a partir de uma regressão que se baseia em um regime permanente de escoamento, o que pode apresentar maior desvio quando fortes transientes estão ocorrendo no último dia do mês, porém a variação de inventário ao longo do mês possui baixo impacto no balanço. Concluiu-se que a reconciliação volumétrica é a mais apropriada para este sistema, pois os dados reconciliados levam os balanços mássicos e de energia em termos de poder calorífico, ambos na fase gás, para dentro do perfil esperado de comportamento. Embora um balanço volumétrico nulo apenas da fase gás não seja por si só o comportamento esperado quando se considera os efeitos descritos, para desenvolver um balanço mais robusto é necessário considerar as frações líquidas presentes no sistema, agregando maior dificuldade na aquisição e qualidade dos dados. / This purpose of this study is the application of data reconciliation to the balancing of a wet natural gas network and to develop a quick approach to calculate the gas linepack. Volumetric reconciliation, measured at standard conditions, and mass reconciliation were applied separately, the results were compared to the original balance and the energy balance in terms of gross calorific value was verified. Two sets of weights have been applied, one arbitrated according to the previous knowledge on the quality of the measurement system of each point, another based on the inverse of the variance of the daily volumes in the period. Both showed good results and the second was considered the most appropriate because of its adherence to the literature. Through a thermodynamic approach, the potential impact on the balance of the condensation of the gas phase along the flow and the injection of a not stabilized gas condensate by one of the sources have been evaluated. Both tend to impact the balance, resulting in smaller volume, mass and energy in the gas phase output. Others factors of significant impact in data quality and in the reconciliation results are the quality of the outlet flow measurement and the representativeness of the gas composition at this point. The linepack is calculated from a regression that relies on a steady flow approach, which can present a higher deviation when strong transients are taking place in that period, but the linepack variation over the month has showed low impact on the balance. The study concludes that the volumetric reconciliation is the most suitable for this system, as reconciled data lead the mass and energy balances, both in the gas phase, into the expected pattern of behavior, according to the thermodynamic evaluation. Although a volume balance reaching zero for the gas phase is not the expected behavior when taking into account the effects described, developing a more robust balance would demand to consider the liquid fractions present in the system, which may add more difficulty in the data acquisition and in guarantying its quality.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pedro Augusto Lopes Abreu.pdf: 1389353 bytes, checksum: 81ce9ae4d3b6d093a60100d28069418b (MD5) Previous issue date: 2011-03-16 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A system for measuring low rates of gas flow has great importance for some industrial and especially for scientific applications where usually high accuracy and low uncertainty are required. This type of measurement systems have undergone a great development in recent years primarily due to the concern with the release of gases in natural processes occurring in the environment, such as anaerobic biodegradation process which releases methane and the use in the production of biogas. In this work, the development of low-volume gas flow rate measurement system using the method of pressure difference in a container of known volume is presented. A microcontroller is used to control two valves located one gas inlet and the other at the gas outlet of the container. Appropriate analysis of uncertainty propagation is carried out, and components suitable are selected for the development of the meter in order to perform the measurement with low uncertainty. Simulations and experimental tests are presented for validating the proposed system. / Os sistemas de medição de pequenas taxas de fluxo de gás tem grande relevância nos âmbitos industriais e científicos, nos quais suas aplicações exigem geralmente medições com baixa incerteza. Esses sistemas de medição tem tido uma grande evolução ultimamente. Isso se deve, principalmente, à preocupação com a liberação de gases em processos biológicos naturais como, por exemplo, o gás metano liberado no processo de biodegradação anaeróbio, e que também é aproveitado como biogás. Neste trabalho, apresenta-se o desenvolvimento de um medidor para pequenos volumes de gases utilizando o método de diferença de pressão em um recipiente de volume conhecido. Um microcontrolador é utilizado no controle das duas válvulas localizadas na entrada e na saída do recipiente. São realizados estudos apropriados de análise e propagação de incertezas, e são escolhidos componentes adequados para o desenvolvimento e construção do medidor, de modo a realizar a medição com boa exatidão e baixa incerteza. Simulações e testes experimentais são apresentados para validação do sistema proposto.