Hidrociclone

Universidade Federal do Ceará

Centro de Tecnologia

Engenharia de Petróleo

Operações Unitárias

HIDROCICLONE

Teoria e Aplicação na Indústria do Petróleo

Grupo:  Lucas Ribeiro Timbó

               Stephanie de Oliveira Souza

               Vanessa Cavalcante Maia Alves

               Vanessa Salomão de Santiago

Fortaleza – CE

2015

HIDROCICLONE

Hidrociclones são dispositivos mecânicos simples, sem partes móveis, o que se movimenta é a mistura que está em seu interior. São projetados para acelerar o processo de sedimentação. Consiste de uma seção cônica acoplada a uma seção cilíndrica, na qual se encaixa a entrada tangencial que alimenta o equipamento. Na parte superior do hidrociclone há um tubo de saída denominado overflow, com um alongamento axial para dentro do equipamento (vortexfinder). O vortexfinder é o tubo de saída estendido, e serve para minimizar o by-pass de ar da alimentação para o overflow. Na parte inferior há um orifício de saída denominado underflow. A energia hidráulica na alimentação é transformada em força centrífuga dentro do hidrociclone para acelerar a sedimentação de partícula de acordo com a lei de Stokes.

Em essência, o hidrociclone é um tanque de decantação em miniatura que permite uma rápida sedimentação de sólidos sob condições controladas. Os hidrociclones exercem um papel importante no sistema de separação de sólidos por causa da habilidade em remover eficientemente partículas menores do que as telas finas de peneira. Eles também são equipamentos descomplicados na sua utilização, por causa da sua simplicidade de construção, do baixo custo de instalação e operação, da versatilidade de aplicação, e do seu pequeno tamanho quando comparados a outros equipamentos de separação, o que os torna simples de utilizar e manter.

O fluido de perfuração entra no hidrociclone utilizando a energia criada pela bomba centrífuga de alimentação. A força centrífuga desenvolvida no interior do equipamento tende a mover os sólidos pesados mais grosseiros radialmente, em direção à parede, e os que conseguem atingir a parede vão deslizando pela seção cônica até serem coletadas no underflow. Os sólidos mais finos e mais leves juntamente com a fase líquida do fluido tendem a se mover radialmente, em direção ao eixo central, em outra espiral para dentro e para cima em direção à descarga de líquidos (overflow).

        

APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO:

A perfuração de poços de petróleo em alto-mar tem se expandido gradativamente para águas cada vez mais profundas. Em perfurações sob grandes lâminas d'água torna a operação cara e complicada. Uma forma de minimizar este problema é através da redução da pressão exercida pelo fluido de perfuração na base do riser, de modo a originar a condição denominada de duplo gradiente de perfuração. O duplo gradiente de perfuração tem por objetivo reduzir a pressão na base do riser para, idealmente, atingir uma pressão menor ou igual àquela que seria obtida se o riser estivesse cheio apenas com água do mar. O gradiente duplo de perfuração simula uma situação que seria obtida se a plataforma estivesse no leito marinho.

[pic 1]

A injeção de um fluido de perfuração com menor densidade na base do riser é uma possível alternativa capaz de gerar esta redução de pressão. Nessa aplicação, o fluido de perfuração seria dividido em duas correntes, uma mais concentrada em barita para re-injeção na coluna de perfuração e outra mais diluída para injeção na base do riser. Neste trabalho, foi calculado qual tipo de hidrociclone teria mais eficiência individual de coleta relativa à partícula com diâmetro Di, e conhecida à distribuição granulométrica das partículas qual seria o valor da eficiência de coleta no campo centrifugo para separação de barita do fluido de perfuração.

Uma das vantagens dessa nova configuração é redução do número de fases na perfuração o que, consequentemente, reduzirá o número de camadas de revestimento necessárias na perfuração de um poço. Isto ocorre porque, como se obtém um efeito similar ao de equipamentos instalados no fundo do mar, as curvas de pressão de poros e de fratura têm uma margem menos estreita, pois sua referência agora é o leito do fundo do mar. Assim, a idéia básica da aplicação é dividir o fluido de perfuração em duas correntes, uma mais concentrada em sólidos particulados e outra mais diluída. Hidrociclones podem ser utilizados para separar a barita do fluido de perfuração, de modo a gerar duas correntes com densidades médias diferentes: a primeira com maior teor de barita e, portanto, mais densa, para injeção na coluna de perfuração e a segunda, menos densa, para injeção na base do riser.

Para tal, utilizou-se de um planejamento experimental onde foram variados quatro parâmetros geométricos do hidrociclone: os diâmetros de entrada da alimentação, de saída da suspensão concentrada (underflow) e de saída da suspensão diluída (overflow) e o comprimento da projeção do tubo de saída do diluído no interior do corpo cilíndrico (vortexfinder). As proporções geométricas do hidrociclone simulado neste trabalho foram obtidas através de otimização da sua performance visando a maximização da eficiência de separação da barita.

Parâmetro	Valor (cm)
D	5,00
Do	0,79
De	1,70
B	0,73
S	0,90

Destas dimensões, apenas os valores de B/D aproximam do hidrociclone do modelo Bradley, sendo que todos os outros ou são iguais para os modelos Bradley e Rietema ou são mais próximos dos valores do hidrociclone Rietema, portanto para efeitos de cálculo, considerou-se o hidrociclone sendo do tipo Rietema.

[pic 2]

O fluido de perfuração utilizado nas simulações tem densidade de 1,25 g/cm³, viscosidade 24 cp e concentração volumétrica de barita igual a 1,5%. A barita tem densidade de 4,23 g/cm³, e os diâmetros de partícula escolhidos nas simulações para o cálculo das eficiências granulométricas foram os de 20, 40, 60, 80, 100 e 120 µm. A vazão de entrada foi mantida constante e igual a 3.000 cm³/ s. A granulometria recomendada para baritas utilizadas em fluidos de perfuração é tal que no mínimo 5 % das partículas devem ser maiores que 44 µm e no máximo 3% delas podem ter maiores que 74 µm.