Estudo de estabilidade de petróleos e modelagem do parâmetro de solubilidade de petróleos e asfaltenos

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Tipo do documento:	Tese
Título:	Estudo de estabilidade de petróleos e modelagem do parâmetro de solubilidade de petróleos e asfaltenos
Título(s) alternativo(s):	Study of petroleum stability and modeling of the solubility parameter of petroleum and asphaltenes
Autor:	Santos, David Caetano
Primeiro orientador:	Paredes, Marcio Luis Lyra
Primeiro coorientador:	Lima, Eduardo Rocha de Almeida
Primeiro membro da banca:	Dariva, Cláudio
Segundo membro da banca:	Cardoso, Felipe Mauro Rena
Terceiro membro da banca:	Ndiaye, Papa Mattar
Quarto membro da banca:	Figueiredo, Marco Antonio Gaya de
Quinto membro da banca:	Alijó, Pedro Henrique Rodrigues
Resumo:	O desenvolvimento de modelos para a previsão do parâmetro de solubilidade de petróleos e frações pesadas é o principal motivador deste estudo. Esta propriedade vem se tornando uma referência para inúmeras aplicações na indústria de petróleo e tem encontrado sua maior aplicação para previsão da compatibilidade e estabilidade de petróleos. O parâmetro de solubilidade é uma propriedade termodinâmica que nasce dentro da concepção de uma teoria de soluções - a chamada teoria das soluções regulares - idealizada por J. H. Hildebrand e pode ser facilmente calculada a partir da entalpia de vaporização e dados de composição de misturas. No entanto, a obtenção dos dados dessas duas propriedades para petróleos é uma etapa crítica, desde que são misturas extremamente complexas em termos composicionais e possuem frações que não vaporizam, as quais são justamente as principais responsáveis por problemas relacionados à incompatibilidade e instabilidade de misturas de petróleos. Desta forma, nesta tese, foram realizadas várias ratificações relacionadas a um método experimental para previsão do parâmetro de solubilidade de petróleos o qual é baseado em dados de floculação dos asfaltenos. O valor numérico obtido a partir desse método é considerado um dado pseudoexperimental e se tornou uma ferramenta útil para mensurar a qualidade dos resultados obtidos a partir dos novos modelos propostos nessa tese. A partir de então, exploraram-se as informações termodinâmicas existentes entre a energia coesiva e à pressão interna para calcular o parâmetro de solubilidade dos petróleos. Embora esta relação já tenha sido objeto de numerosos estudos, ainda não tinha sido explorada sistematicamente para petróleos. Dados de velocidade do som, densidade e capacidade calorífica a pressão constante de hidrocarbonetos puros foram utilizados para ajustar os modelos. Portanto, são propostos modelos para estimar o parâmetro de solubilidade de petróleos em uma forma termodinamicamente consistente usando apenas propriedades monofásicas ao invés dos dados usuais de vaporização. Novas correlações empíricas baseadas na relação da energia potencial e em simplificações da expressão analítica da pressão interna também são propostas. A modelagem termodinâmica dos dados experimentais de floculação dos asfaltenos foi realizada a partir de modificações dos chamados modelos de solubilidade . Como resultado, são demonstradas algumas modificações e estratégias numéricas para a utilização desses modelos que renderam bons resultados tanto qualitativos quanto quantitativos. Por fim, foi desenvolvida uma equação de estado cúbica parametrizada somente com dados de sistemas monofásicos mais o parâmetro de solubilidade. Com esta proposta, além do parâmetro de solubilidade, o coeficiente de compressibilidade isotérmica, o coeficiente de expansão térmica, a velocidade do som e a densidade de hidrocarbonetos tipicamente encontrados nas frações C7+ foram adequadamente modelados. Além disso, o modelo proposto prevê um fator de compressibilidade crítico dependente da substância. Na medida em que (até onde se pôde averiguar) nenhuma equação de estado cúbica disponível na literatura foi capaz de prever o parâmetro de solubilidade, mantendo uma descrição adequada das propriedades PVT (especialmente a compressibilidade de líquidos), esses resultados são importantes, pois demonstram que estratégias numéricas diferenciadas para a parametrização desse tipo de equação são eficazes e possibilitam avançar em aplicações em que as equações de estado cúbicas encontram dificuldades
Abstract:	The development of models for the prediction of the solubility parameter of crude oils and heavy oil fractions is the main motivator of this study. This property has become a reference for several applications in the petroleum industry and it has been applied mainly for the prediction of compatibility and stability of crude oils. The solubility parameter is a thermodynamic property that is originated from the solution theory - the so-called Regular Solution Theory - idealized by J. H. Hildebrand and it can be easily calculated from the enthalpy of vaporization and mixture composition data. However, obtaining data of these two properties for crude oils is a critical step since they are extremely complex mixtures in terms of their composition and have non-vaporizing species, which are precisely the main responsible for problems related to incompatibility and instability of crude oil mixtures. Thus, in this thesis, several ratifications were made related to an experimental method for predicting solubility parameter of crude oils, which is based on asphaltene flocculation data. The numerical value obtained from this method is considered a pseudo-experimental data, representing a useful tool to measure the quality results obtained from the new models proposed in this thesis. Thereby, the thermodynamic information between the cohesive energy and the internal pressure was used to calculate the solubility parameter of crude oils. Although this relationship has already been addressed by several works, it has not yet been systematically explored for crude oils. Speed of sound, density and heat capacity at constant pressure data of pure hydrocarbons were used to adjust the models. Therefore, thermodynamically consistent models are proposed to estimate the solubility parameter of crude oils using only single-phase properties rather than the usual vaporization data. New empirical correlations based on the relation of potential energy and on simplifications of the analytical expression of internal pressure are also proposed. The thermodynamic modeling of experimental asphaltene flocculation data was performed from modifications on the so-called solubility models . As a result, these modifications coupled with adequate numerical strategies yielded good qualitative and quantitative results that had not yet been demonstrated in the literature. Finally, a cubic equation of state parameterized only with data from single-phase properties plus the solubility parameter data was developed. From this Equation, in addition to the solubility parameter, the coefficient of isothermal compressibility, coefficient of thermal expansion, speed of sound and density data of heavy and complex hydrocarbons were adequately fitted. In addition, the proposed cubic equation predicts a substance-dependent critical compressibility factor. As far as it can be ascertained, no cubic equation of state available in the literature was able to predict the solubility parameter, while maintaining an adequate description of the PVT properties, especially the compressibility of liquids. These results are important because they demonstrate that differentiated parameterization strategies for this type of equation are effective to advance in applications in which cubic equations of state have several limitations
Palavras-chave:	Crude oil, asphaltene solubility parameter internal pressure Petróleo asfalteno parâmetro de solubilidade pressão interna
Área(s) do CNPq:	CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA
Idioma:	por
País:	BR
Instituição:	Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição:	UERJ
Departamento:	Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa:	Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação:	SANTOS, David Caetano. Estudo de estabilidade de petróleos e modelagem do parâmetro de solubilidade de petróleos e asfaltenos. 2017. 286 f. Tese (Doutorado em Processos Químicos e Meio Ambiente) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2017.
Tipo de acesso:	Acesso Aberto
URI:	http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11884
Data de defesa:	16-Out-2017
Aparece nas coleções:	Doutorado em Engenharia Química

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