Quando a fase única se torna multifásica: os desafios para a simulação de dutos
Vários dutos monofásicos passam por operações de fluxo multifásico, por exemplo, fluxo frouxo em dutos de líquidos quando bolsões de vapor se formam em pontos altos.1 A maioria dos simuladores de dutos monofásicos não tem os avanços necessários para modelar nada além de uma única fase. Para os especialistas da área, os dutos que operam em um fluxo multifásico podem dificultar até mesmo um cálculo de estado estável.
Às vezes, os dutos de líquidos operam em linha frouxa em vez de serem mantidos consistentemente apertados, enquanto em outros dutos a separação de colunas pode não ser tão frequente. Os dutos de gás úmido podem apresentar perda de líquido quando a taxa de fluxo é reduzida.
Evitar a perda de líquido
Figura 1: Um exemplo de queda de líquido em uma seção transversal de um duto de gás. Durante os incrementos de alto fluxo, o combustível formará um spray no centro da linha e um filme líquido em torno de sua circunferência, com o filme se tornando mais espesso na parte inferior da circunferência do tubo
Quando o gás natural flui em um duto, há uma perda por atrito que causa uma queda de pressão. Isso causa o efeito Joule-Thomson e o gás começa a esfriar ao longo do percurso do duto. A diminuição da temperatura pode resultar em perda de líquido.
Uma grande mudança de estado de um vapor para um líquido é um evento maciço para as moléculas no duto e pode causar efeitos indiretos. Em um duto de gás natural, por exemplo, a água e alguns dos hidrocarbonetos mais pesados podem cair, reduzindo o volume ocupado pelo fluido e acarretando o risco de formação de hidratos. Transientes violentos também podem aparecer se ocorrer slugging.
Como os líquidos saem de um gás em taxas diferentes devido a fatores como temperatura e condensação retrógrada, os operadores de dutos de gás natural precisam considerar a saída de líquidos como parte de suas operações. O gás rico está particularmente em risco nesse caso, enquanto os dutos das cabeças de poço até uma usina de processamento de gás têm instalações para lidar com líquidos.
Dutos de gás úmido: simulação multifásica usando um modelo monofásico
Em um duto de gás úmido, várias condições operacionais podem fazer com que o fluido seja separado em três fases: gás, condensado e água. Embora uma simulação multifásica completa possa rastrear esses elementos separadamente, um modelo monofásico pode ser usado com eficácia para simular com precisão a pressão, o fluxo e a temperatura.
Figura 2: Volume de líquido (m3) em um duto de gás úmido ao longo do tempo, estimado pelo modelo de acumulador do Atmos SIM (azul) e comparado com a previsão do modelo multifásico (vermelho)2
Para simular com eficácia um duto de gás úmido usando a retenção de líquido como na Figura 2, o líquido precisa permanecer estratificado, evitando a formação de slugging ou acúmulo em pontos baixos, e não deve haver mudanças repentinas na operação. Se essas condições forem atendidas, a retenção de líquido pode ser simulada sem cálculos de equilíbrio vapor-líquido.
Equilíbrio vapor-líquido
Figura 3: Diagrama que ilustra o processo pelo qual passa um duto multifásico de gás natural. Ele inclui uma fase líquida, uma fase de vapor (fase gasosa), uma fase supercrítica (fase densa) e um envelope de fase (uma etapa de duas fases sinalizada pela linha do ponto de bolha e pela linha do ponto de orvalho)
A maioria dos dutos funciona nas condições de fase líquida, fase gasosa ou fase de vapor, mas sempre há exceções.
A fase supercrítica
A fase densa, às vezes entendida pelo nome de fase supercrítica, é um ponto onde o duto está operando a uma pressão e temperatura acima do ponto crítico. Os dutos de etileno e dióxido de carbono são exemplos comuns que operam na fase supercrítica.
Mudanças de fase
Dois fenômenos comuns podem ocorrer em um duto resultantes em mudanças parciais de fase. Por exemplo, a folga em líquidos pode evaporar parte do produto líquido para a fase de vapor e a queda em um produto gasoso pode condensar o gás na fase líquida.
Simulação de slack em um duto de líquido
Basta tirar o polegar da borda de um canudo para drenar o líquido e ver a rapidez com que ele se mistura com o ar e, se substituirmos o canudo nesse cenário por um duto, os resultados serão semelhantes.
Bolsões de ar são uma ocorrência comum em dutos de água, portanto, é quase uma garantia de que haverá gases dissolvidos na água que passa por um duto. Os respiradouros são frequentemente instalados ao longo de um duto de água para liberar o ar da solução em grandes quantidades.
Figura 4: Um cenário em um duto de água no qual é provável que o ar aumente (um ponto alto isolado)
Se o mesmo processo ocorrer com um líquido de hidrocarboneto, como um produto refinado ou petróleo bruto, e ele tiver sido exposto ao ar, haverá ar dissolvido no produto e ele se comportará de maneira semelhante à água com ar.
O próprio fluido também pode mudar de fase, com uma parte dele passando para a fase de vapor. A análise da pressão de vapor reid (RVP) de um hidrocarboneto pode ajudar a modelar o fluxo multifásico em um duto em condições específicas. A pressão de vapor verdadeira (TVP) das mesmas misturas de líquidos pode ser diferente por vários motivos, como o fato de a pressão de vapor verdadeira ser uma função da temperatura, enquanto a RVP é uma medida fixa a 37,8 graus Celsius.
Simulação de fluxo multifásico
Os modelos de software de simulação de dutos de fluxos multifásicos devem ser precisos para a simulação ser correta. Trata-se de um tópico especializado comum em redes de coleta upstream.
Os fluxos multifásicos podem ser bifásicos e envolver óleo e água, óleo e gás ou água e gás ou trifásicos ou até mesmo quadrifásicos. Eles geralmente se estratificam em um padrão de camadas distintas e é provável precisarem de pigmentação de rotina para remover o acúmulo de cera e de líquido.
Figura 5: Os regimes de fluxo multifásico em um duto, incluindo segregado, intermitente e distribuído
Os regimes de fluxo multifásico são mais difíceis de medir do que o fluxo monofásico, porque pode haver uma interface estratificada, com slugging ou bolhas ocorrendo no duto a qualquer momento.
Embora um modelo monofásico bem ajustado realize a detecção de vazamentos eficazmente e incorrer em um custo menor, um modelo físico bifásico, trifásico ou mesmo quadrifásico tem o potencial de realizar melhor a detecção de vazamentos se for bem ajustado para corresponder às operações reais.
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Referências
1 “The Atmos book of pipeline simulation”
2 Modelling & Simulation of Gassco Wet Gas Pipelines PSIG 1604, Hanmer, Basnett, Issak, Rinde