Submitted by Ana Hilda Fonseca (anahilda@ufba.br) on 2016-03-14T14:39:42Z No. of bitstreams: 1 Tese versão para homologação (30.07.15).pdf: 2226080 bytes, checksum: c8b1fccaa6da441fc65b1fccc4411d92 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Hilda Fonseca (anahilda@ufba.br) on 2016-05-10T13:21:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese versão para homologação (30.07.15).pdf: 2226080 bytes, checksum: c8b1fccaa6da441fc65b1fccc4411d92 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-10T13:21:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese versão para homologação (30.07.15).pdf: 2226080 bytes, checksum: c8b1fccaa6da441fc65b1fccc4411d92 (MD5) / CNPq / Esta tese descreve o planejamento, construção, otimização e aplicação de um sistema experimental dedicado ao estudo do processo de dispersão de parafinas em microfluxos de petróleo. O sistema consiste na combinação das técnicas de Análise por Injeção em Fluxo (FIA), Fluorescência Induzida por Laser (LIF), Despolarização da Fluorescência Induzida por Laser (PLF) e Lente Térmica (LT), com alta resolução espacial. Um dispositivo de injeção em fluxo, baseado em micro válvulas solenóides controladas remotamente, foi construído para gerenciar o fluxo de amostra. Esta consiste de petróleo parafínico, proveniente da Bacia do Recôncavo da Bahia, dissolvido em óleo mineral. A amostra é analisada numa cela de fluxo com seção reta de 1mm2 disposta em um posicionador automático, de construção própria, capaz de varrer a zona de amostragem com resolução de 400 pontos/mm2. Um laser de Argônio é responsável por gerar, simultaneamente, os sinais LT e LIF/PLF, que são detectados em duas linhas de luz distintas. A rotina de aquisição de dados consistiu em sucessivas injeções de amostra num percurso analítico de 30cm. Após as injeções os perfis de dispersão são individualmente detectados em diferentes posições da cela de fluxo e interpolados numa matriz de dados, gerando um mapa bidimensional de dispersão. Foram adicionados padrões de 3 tipos diferentes de parafina à amostra com o objetivo de determinar a sensibilidade do sistema à concentração e ao tamanho da cadeia parafínica. Os resultados mostram que os sinais fototérmico e fluorescente revelam informações distintas acerca da amostra, mas que ao mesmo tempo são complementares. Nas condições descritas nesta tese, tanto a LT quanto o LIF variaram linearmente com a concentração de petróleo, apresentaram boa resolução temporal e alta resolução espacial. Os mapas LIF mostraram um perfil de distribuição de massa compatível com um fluxo laminar. Foi verificado uma clara modificação no comportamento do fluxo de petróleo, a nível molecular, em função do tamanho da cadeia das parafinas adicionadas e da concentração em que estas se encontravam na solução. Durante o desenvolvimento do sistema foi possível implementar uma metodologia para a determinação do grau de polarização/anisotropia da amostra de petróleo em fluxo por absorção, à partir dos dados LT. Enfim, não apenas foi demonstrada a viabilidade de se utilizar detecção fototérmica em amostras de petróleo, como também se mostrou possível a adaptação de um sistema FIA com detecção simultânea de fluorescência em tempo real. Além disto, o sistema se mostrou eficiente na observação da dinâmica molecular do fluxo permitindo verificar a influência de moléculas parafínicas no processo de dispersão molecular de amostras de petróleo injetadas em óleo mineral, bem como a influência do tamanho da cadeia parafínica na estrutura e nas propriedades fotofísicas do fluido em processo de escoamento / This thesis describes the planning, construction, optimization and application of an experimental system dedicated to the study of paraffin dispersion process in oil micro flows. The system consists of the combination of Flow Injection Analysis (FIA), Laser Induced Fluorescence (LIF), Polarized Laser Induced Fluorescence (PLF) and Thermal Lens (TL) techniques, with high spatial resolution. An flow injection device based on solenoid valves, controlled remotely, was built to manage the flow of sample. This consists of paraffinic oil, from the Recôncavo da Bahia Basin, dissolved in mineral oil. The sample is analyzed in a flow cell with 1mm2 cross section disposed in a homemade automatic positioner, able to scan the sample zone with a resolution of 400 dots/mm2. An Argon-ion laser is responsible for generating both TL and LIF/PLF signals, which are detected in two different lines of light. The data acquisition routine consisted of successive injections of sample in a 30cm analytical path. After injections the dispersion profiles are individually detected at different positions of the flow cell and interpolated in a data matrix, generating a two-dimensional dispersion map. 3 different types of paraffin standards were added in to the sample in order to determine the sensitivity of the system to the concentration and size of the paraffinic chain. The results show that the photothermal and fluorescent signals show different information about the sample, but at the same time are complementary. Under the conditions described in this thesis, both the TL and the LIF varied linearly with oil concentration, showed good temporal resolution and high spatial resolution. The LIF maps showed a mass distribution profile compatible with a laminar flow. A clear change in the oil flow behavior was observed at the molecular level, depending on the size of the chain of added paraffins and concentration as they were in solution. During development of the system it was possible to implement a methodology for determining the degree of polarization/anisotropy of the oil sample in flow by absorption, starting by TL data. Finally, not only been demonstrated the feasibility of using photothermal detection on oil samples, such as adaptation of a FIA system with simultaneous detection of real-time fluorescence was also possible. In addition, the system was efficient in the observation of molecular dynamics flow allowing verifying the influence of paraffinic molecules in the molecular dispersion process of oil samples injected in mineral oil, as well as the influence of the size of the paraffin chain on the structure and photophysical properties of the fluid.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo. / The objective of this work is to develop robust and computationally efficient frameworks devoted to the solution of the problem of paraffin deposition, from the point of view of the solid-liquid equilibrium. In this scenario, several thermodynamic models will be evaluated to the description of the behavior of the liquid phase: the Peng-Robinson cubic equation of state and the activity coefficient models of Ideal Solution, Wilson, UNIQUAC and UNIFAC. The solid phase is characterized by the Multisolid model. The formation of the solid phase is initially predicted by a thermodynamic stability test. Subsequently, the nonlinear algebraic system that describes the thermodynamic equilibrium and the material balance equations is solved by three numerical approaches: the multivariable Newton method, the Broyden method and the Newton-Armijo method. Several numerical experiments were conducted in order to evaluate computation times and robustness facing several scenarios of initial estimates of the numerical methods for various models and mixtures. The results indicate the possibility of construction of efficient and robust computational frameworks which can be used coupled with fluid flow simulators, for instance.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo. / The objective of this work is to develop robust and computationally efficient frameworks devoted to the solution of the problem of paraffin deposition, from the point of view of the solid-liquid equilibrium. In this scenario, several thermodynamic models will be evaluated to the description of the behavior of the liquid phase: the Peng-Robinson cubic equation of state and the activity coefficient models of Ideal Solution, Wilson, UNIQUAC and UNIFAC. The solid phase is characterized by the Multisolid model. The formation of the solid phase is initially predicted by a thermodynamic stability test. Subsequently, the nonlinear algebraic system that describes the thermodynamic equilibrium and the material balance equations is solved by three numerical approaches: the multivariable Newton method, the Broyden method and the Newton-Armijo method. Several numerical experiments were conducted in order to evaluate computation times and robustness facing several scenarios of initial estimates of the numerical methods for various models and mixtures. The results indicate the possibility of construction of efficient and robust computational frameworks which can be used coupled with fluid flow simulators, for instance.

Depuis le début des années 1980, des efforts ont été déployés pour modéliser le phénomène complexe de dépôt de cire. Au fil des années, l'évaluation critique des mécanismes de dépôt de cire proposés initialement à travers un solide contexte physique commence à faire place à des algorithmes flexibles qui pourraient être adaptés à différents scénarios expérimentales. Dans une tentative d'étudier le phénomène de manière fondamentale, le travail actuel a proposé une stratégie de recherche qui permettrait d'évaluer chaque partie du modèle complexe de dépôt de cire et de garantir leur démarche dans des conditions optimales. Pour atteindre ce objectif, une nouvelle stratégie d'évaluation des modèles thermodynamiques des équilibre des phases solide-liquide a été développée. Les résultats ont montré que le modèle utilisé était suffisamment robuste pour décrire précisément le comportement de phase solide-liquide des mélanges des mélanges asymétriques aux pressions ordinaires et élevées, ainsi que pour décrire le comportement d’une mélange complexe comme les échantillons de Diesel. Pour assurer la base physique solide des modèles utilisés dans ce travail, la mesure de la conductivité thermique des n-alcanes lourds dans les phases liquides et solides a été réalisée et rapportée pour la première fois. Enfin, un modèle CFD drift flux solide-liquide a été proposé. Couplé à un modèle thermodynamique pour fournir des données sur les équilibres de phase et les propriétés, le modèle a été utilisé pour étudier les résultats expérimentaux disponibles.Le mécanisme de dépôt de cire évalué était celui proposé par Merino-Garcia. Les résultats ont montré un accord qualitatif entre le modèle et les résultats expérimentaux, mais le modèle sous estimait la largeur du dépôt. D'autre part, la conductivité thermique du dépôt correspond à la conductivité thermique expérimentale récemment disponible d'un tel dépôt mesurée dans des conditions d'écoulement réelles. Ce fait renforce les conclusions présentées que le dépôt de cire n'est pas un phénomène de mécanisme unique après tout. / Since the early 1980’s, efforts have been directed towards modeling the complex wax depositionphenomenon. Over the years, the critical evaluation of the wax deposition mechanisms proposedinitially through a solid physical background start to make room to flexible codes that could be tunedto different experiment scenarios. In an attempt to investigate the phenomenon in a fundamental way, the current work proposed a research strategy that would evaluate every single part of thecomplex wax deposition model under well-controlled optimal conditions. To achieve such a goal, anew strategy to evaluate solid-liquid thermodynamic models was developed. Results showed thatthe model used was robust enough to precisely describe the solid-liquid phase behavior ofasymmetric model mixtures at both ordinary and high pressures, as well as to describe the behaviorof complex mixture like Diesel fuel samples. To assure the solid physical basis of the models beingemployed in this work, the thermal conductivity measurement of heavy n-alkanes in both liquid andsolid phases was carried out and reported for the first time in the literature. At last, a drift flux solidliquidCFD model was proposed. Coupled with a thermodynamic model to supply the model withphase equilibria and properties data, the model was used to investigate the experimental resultsavailable. The wax deposition mechanism evaluated was the one proposed by Merino-Garcia. Theresults showed that although a qualitative agreement between the model and experimental resultswere obtained, the model underestimated the thickness of the deposit. On the other hand, thethermal conductivity of the deposit matched the recently available experimental data on the thermalconductivity of such a deposit measured under flowing conditions. This fact strengthens thepresented conclusions that wax deposition is not a single mechanism phenomenon after all. / Desde o início dos anos 1980, esforços foram direcionados para modelar o fenômeno de deposiçãode parafinas. Ao longo dos anos, a avaliação crítica dos mecanismos da deposição de parafinas vemcedendo espaço ao desenvolvimento de correlações flexíveis capazes de acomodar diferentessituações testadas no laboratório. Numa tentativa de investigar o fenômeno em uma abordagemfundamental, o presente trabalho propôs uma estratégia de pesquisa que envolve avaliar cadapedaço do fenômeno de deposição de parafinas e garantir seus resultados ótimos. Para alcançar talobjetivo, uma nova estratégia para se avaliar modelos termodinâmicos de equilíbrio de fases sólidolíquidofoi desenvolvida. Os resultados mostram que o modelo utilizado é robusto e preciso osuficiente para descrever tais fenômenos para misturas assimétricas em pressões ordinárias e altas,assim como descrever o comportamento de misturas complexas como amostras de óleo Diesel. Paragarantir uma base física sólida dos resultados, a condutividade térmica de n-alcanos pesados forammedidos na fase líquida e na fase sólida e reportados na literatura pela primeira vez. Por fim, ummodelo de escoamento de escorregamento sólido-líquido foi proposto. Acoplado a um modelotermodinâmico capaz de gerar dados de equilíbrio de fases sólido-líquido e propriedades dessasfases, assim como combiná-las em propriedades da mistura, o modelo foi utilizado para descrever osresultados disponíveis. O mecanismo de deposição de parafinas avaliado foi o proposto por Merino-Garcia. Os resultados mostraram que embora houvesse um acordo qualitativo entre os resultadosexperimentais e os simulados, o modelo subestimou a espessura do depósito de parafinas. Por outrolado, o modelo foi capaz de descrever a condutividade térmica do depósito de acordo com os dadosmedidos experimentalmente para um depósito similar. Tal fato reforça as conclusões finais e indicaque a deposição de parafinas parece não ser um fenômeno regido apenas por um mecanismo.