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Processamento primário de petróleo — Visão geral dos processos Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Porque é necessário processar o petróleo? — Como vimos anteriormente, não é possível a produção de um fluido do reservatório isoladamente. Em função da forte agitação imposta ao longo do processo de elevação e do intenso cisalhamento causado pela forte despressurização através da válvula choke, podem-se formar emulsões do tipo água em óleo. A separação da água produzida com o petróleo faz-se necessária, pois, além de não apresentar valor econômico, a água apresenta sais em sua composição, tais como cloretos, sulfatos e carbonatos de sódio, cálcio, bário e magnésio, dentre outras espécies químicas, que podem provocar a corrosão e a formação de depósitos inorgânicos nas instalações de produção, transporte e refino. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Porque é necessário processar o petróleo? — Todo o processamento na instalação de produção visa a atender aos requisitos de exportação do gás e do óleo, bem como aos requisitos de descarte da água produzida, de forma que: • O gás natural úmido deve estar disponível em uma pressão especificada para exportação e não deve conter teores excessivos de H2S, CO2 e H2O (vapor); • O petróleo não pode conter mais do que 1% de BSW e o teor de sais dissolvidos na água deve ser de, no máximo, 285 mg/L de óleo; • A água produzida deve ser tratada antes de ser descartada para atender às regulamentações ambientais vigentes; • O fluido utilizado para a recuperação secundária atenda as especificações necessárias para injeção no reservatório. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Porque é necessário processar o petróleo? — Segue abaixo a tabela com algumas especificações necessárias para cada fluido produzido: PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Fluxogramas típicos do PPP — Esquemático do processamento primário em uma plataforma de produção. Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Petróleo Gás Água Fluxogramas típicos do PPP — Esquemático do processamento do óleo e água produzida em uma plataforma de produção. Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Fluxogramas típicos do PPP — O petróleo chega na plataforma através de risers, passa pelos manifolds, pré-aquecedores e aquecedores, e é encaminhado ao separador de produção. No manifold há injeção de produtos químicos, geralmente desemulsificante e antiespumante. No primeiro separador, chamado separador de produção ou de primeiro estágio, o óleo, a água e o gás são separados e encaminhados, cada um deles, para os respectivos tratamentos. Este primeiro separador opera a uma alta pressão, por isso ele pode ser chamado também de separador HP (High Pressure). PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Fluxogramas típicos do PPP — O óleo segue para o segundo separador, onde um pouco mais de água e gás são separados do mesmo. Este separador opera a uma pressão menor, por isso é também conhecido como separador LP (Low Pressure). Em seguida o óleo passa no separador eletrostático, para se enquadrar no teor de BSW. Este separador tem a função de aumentar a coalescência das gotículas d’água, para que seu teor no óleo seja o menor possível. Finalmente o petróleo é resfriado e enviado aos tanques de estocagem para posterior transferência para os navios petroleiros. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Fluxogramas típicos do PPP — A água retirada nestes processos segue para o tratamento de água produzida, com a finalidade de reduzir ao máximo o teor de óleo residual na água e torna-la própria para descarte. A água é tratada primeiro em uma bateria de hidrociclones, onde a gira a uma alta velocidade gerando um campo centrífugo. As gotículas de óleo se aglomeram no interior e a água nas paredes do hidrociclone e, por diferença de densidade, esta desce e aquele sobe. Posteriormente, a água chega ao flotador, onde ocorre o “polimento” final, para se enquadrar no TOG. Por fim a água é descartada ou reinjetada no reservatório. O óleo efluente destes processos é reaproveitado e volta para o separador de produção. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Fluxogramas típicos do PPP — Esquemático do processamento do gás em uma plataforma de produção. Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Fluxogramas típicos do PPP — Os gases do separador HP e LP são enviados para o tratamento. Primeiro passam por vasos chamados “Safetys K.O.”, onde o pouco de líquido é separado do gás, para que não prejudique a compressão do gás. O gás, então passa por turbo (ou moto) compressores, onde são comprimidos a altas pressões. Sempre após a compressão existem resfriadores e vasos depuradores para retirar o condensado formado. Se o gás for “doce” ele é enviado para o módulo de desidratação. Caso contrário é necessário retirar os gases ácidos (CO2 e H2S) através de tratamento em torres de Amina. Para evitar a formação de hidratos no(s) duto(s) de exportação, o gás passa por uma torre de desidratação, onde geralmente são usados glicóis como líquidos absorventes. O mais comum é o trietilenoglicol (TEG). PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Fluxogramas típicos do PPP — Esquemático do processamento de água de injeção. Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO compressor booster Biocida Contínuo teor máximo de oxigênio residual: 10ppb Biocida Choque CAIXA DE MAR filtro cesto de 500m eletroclorador água para usos diversos filtros cartucho 5 m seqüestrante de oxigênio bomba de injeção de água gás de stripping pré-filtro de 25 um permutador de placas seqüestrante de oxigênio flare Hipoclorito (NaClO) água para sistema de água potável bomba booste r desaeradora Fluxogramas típicos do PPP — A água é captada na caixa de mar ou caison (tubulão) e enviada para o topside da plataforma através de bombas centrífugas de alta capacidade de vazão. Antes das bombas sempre há filtros de tela com uma “micragem” alta para evitar a sucção da vida marinha pelas bombas. A água captada passa por trocadores de calor (geralmente de placas) para resfriar outras correntes do processo. A água segue para a filtração, passando por filtros grossos (coarse filters) e filtros cartucho. Após isso a água do mar é enviada para a desaeradora para retirada do oxigênio dissolvido. Dependendo do projeto, podemos ter arranjos com ou sem plantas de dessulfatação, com desaeradora montante ou jusante. Os projetos mais novos geralmente possuem dessulfatação e desaeradora a jusante. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Equipamentos de separação — O Processamento Primário de Petróleo (PPP) utiliza em larga escala a separação gravitacional, embora outras tecnologias de separação mais eficientes estejam sendo desenvolvidas. Devido à diferença de massa específica entre os fluidos produzidos, esse tipo de separação é preponderante no PPP por sua simplicidade. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Equipamentos de separação — Os separadores gravitacionais podem ser classificados da seguinte forma: Quanto aonúmero de fases: bifásicos ou trifásicos; Quanto ao arranjo físico: horizontal ou vertical; Quanto à função: separador de água livre, separador de produção, separador de teste, separador atmosférico, depurador de gás (scrubber), etc. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Equipamentos de separação – separadores bifásicos — Promove a separação vapor-líquido e pode ser vertical ou horizontal. Quando presente, normalmente está em plataformas-satélite que enviam a fase líquida para uma plataforma central para separação e tratamento. Outra aplicação frequente é como depurador de líquido ou condensados em uma linha de gás (scrubber). PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Equipamentos de separação – separadores trifásicos — Promove a separação água-óleo-vapor de uma corrente multifásica proveniente dos poços de produção. Deve fornecer um tempo de residência maior ao líquido, de forma que haja uma separação líquido-líquido. A separação líquido-líquido ocorre através do transbordamento da fase superior (óleo) por sobre um vertedouro, acumulando-se em um compartimento de óleo. Por esta razão, há necessidade de um controle do nível da interface óleo-água. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Equipamentos de separação – separadores trifásicos — Separadores trifásicos horizontal e vertical. Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Equipamentos de separação – separadores verticais — Nesse tipo de separador a capacidade para o gás não é influenciada pelo volume (altura de interface) da fase líquida. Necessita de menor área disponível para instalação. Em sistemas flutuantes de produção há um menor efeito dos movimentos da unidade na estabilidade das fases líquidas no interior do vaso. Quando empregado como separador trifásico tem como única vantagem significativa maior facilidade de remoção dos sólidos eventualmente acumulados. Normalmente não é vantajoso como separador trifásico, devido à área de contato relativamente pequena entre as fases. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Equipamentos de separação – separadores horizontais — Esses separadores podem ser bifásicos ou trifásicos e são preferencialmente utilizados quando a ênfase da separação está na fase líquida (prioridade na especificação do líquido). PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Equipamentos de separação – separadores horizontais — Apresentam as seguintes vantagens em relação aos verticais: A direção de escoamento dos fluidos é normal à direção do campo gravitacional que promove a separação e, portanto, a velocidade da fase contínua não se opõe à velocidade de migração da fase dispersa; Para um mesmo volume de líquido apresenta uma superfície maior de contato entre os fluidos, o que favorece a separação das fases; Esta disposição física propicia menor variação do nível de interface com as flutuações de carga, inerentes, aos processos produtivos (golfadas). Porém, em havendo variação de nível, a área disponível para o escoamento do gás é afetada. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos — O Processamento Primário de Petróleo (PPP) utiliza em larga escala a separação gravitacional. Ao se estudar as separações gás-líquido e óleo-água há duas abordagens teóricas complementares a serem adotadas: • Abordagem Termodinâmica (estado de equilíbrio): Permite prever, para uma dada carga de processo bem caracterizada (Composição, T, P), quais serão volumes (massas) e composições das fases líquida e vapor obtidas nas condições de separação. Essa abordagem é relevante principalmente na separação gás-líquido. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos — • Abordagem Fluidodinâmica (físico química): Leva em consideração as interações entre as partículas (gotícula ou bolha dispersa) com o fluido que a cerca (fase contínua) e os fenômenos interfaciais envolvidos. Baseia-se no estudo do escoamento de sistemas particulados. Permite otimizar a separação das fases reduzindo a contaminação de uma fase com outra devido ao carreamento cruzado entre as fases. É relevante tanto na separação gás-líquido (névoas) quanto na separação óleo-água (dispersões). PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — Separação flash e diferencial: Dois casos diferentes podem ser estabelecidos para a separação gás- líquido: • Separação flash: o gás liberado do óleo à medida que a pressão é reduzida é mantido em contato com o óleo. a composição total do sistema permanece constante; assume-se que o equilíbrio termodinâmico é atingido todo o vapor dissolvido passa para a fase gasosa. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 • Separação diferencial: O gás liberado do óleo à medida que a pressão é reduzida vai sendo retirado do contato com o óleo. a composição da mistura sob separação vai se alterando; não se estabelece equilíbrio termodinâmico entre as fases; parte dos vapores permanecem dissolvidos; o processo pode ser levado até a pressão atmosférica. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — • Separação flash e diferencial: Os dois processos citados levam a resultados diferentes no que diz respeito à quantidade total de líquido e gás produzido. Separação flash => maximiza a produção de gás (maior Bo). Separação diferencial => maximiza a produção de líquido (menor Bo). Em um sistema de produção real, o processo situa-se em um ponto intermediário entre o caso puramente flash e puramente diferencial. Durante o processamento primário na planta de processo o sistema pode se aproximar mais ou menos de uma separação diferencial, a depender do número de estágios de separação empregados. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Etapa de remoção do vapor em contato com o líquido após uma etapa de redução da pressão. Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — • O que se pode afirmar com certeza é: Os dois processos citados levam a resultados diferentes no que diz Mais estágios de separação => mais próximo da separação diferencial => maior volume de óleo recuperado Como a proporção entre óleo e gás produzido muda em função da forma de descompressão(flash ou diferencial), uma análise econômica é necessária para se avaliar a melhor configuração da separação. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — • Condições ótimas de separação: Um estudo termodinâmico do sistema de produção permite a determinação das condições ótimas de separação. As condições de separação mais importantes a serem determinadas são: Pressão ótima de separação Número de estágios de separação Temperatura de separação PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — • IMPORTANTE: Tanto pressão, como temperatura, como número de estágios de separação normalmente não são variáveis operacionais. São características definidas no projeto da unidade, através de simuladores de processo e análise econômica. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão:01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — • Pressão ótima de separação: Em princípio, a pressão ótima de separação é aquela que fornece uma maior quantidade de hidrocarboneto líquido (maior volume de óleo). Como a separação ocorre normalmente em mais de um estágio, a pressão ótima de separação é, na verdade, o conjunto de pressões nos separadores que maximiza a produção de óleo. Pressão ótima de separação = menor encolhimento do óleo PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — Estudo da pressão ótima de separação. Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO • Número de estágios de separação: Como visto anteriormente, com um maior número de estágios de separação, maior é a semelhança com uma separação diferencial => maior volume de óleo no tanque. Além disso, um maior número de estágios de separação tende a diminuir os gastos de energia na compressão do gás pois: Reduz a quantidade de gás a comprimir; Parte do gás que seria separado em baixa pressão passa a ser separado em pressões intermediárias; Reduz as frações pesadas do gás que são condensadas e recicladas nos depuradores entre os estágios de compressão. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — Número de estágios de separação. Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Entretanto, um maior número de estágios significa também: Maior investimento (vaso do separador, instrumentação, linhas, etc.); Maior custo operacional; Maior espaço e peso ocupado na plataforma. Assim, é necessário um estudo econômico baseado em simulações de processo para verificar se o volume adicional de óleo recuperado justifica os custos associados. • Temperatura de separação: A temperatura de separação é normalmente definida em função da viscosidade da fase óleo necessária para uma velocidade adequada de decantação das gotas d’água dispersas no óleo. Portanto, diz respeito a um aspecto fluidodinâmico da separação. Por outro lado, afeta sensivelmente a quantidade e composição do gás separado nos separadores gravitacionais, influenciando portanto os aspectos termodinâmicos da separação. Em campos marítimos, normalmente é necessário o aquecimento do petróleo antes da separação das fases. Isso ocorre devido ao resfriamento do petróleo nas linhas submarinas e risers. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — • Temperatura de separação: Com uma elevação da temperatura ocorre: Menor risco de parafinação dos internos; Menor formação de espuma; Maior facilidade de desemulsificação; Maior eficiência na dispersão dos produtos químicos adicionados. Entretanto, temperaturas elevadas também causam: Maior consumo de energia (para aquecimento e resfriamento); Necessidade de permutadores de maior capacidade; Maiores taxas de corrosão; Maior perda de compostos leves do óleo. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos - abordagem termodinâmica — Separação dos fluidos – abordagem fluidodinâmica — No Processamento Primário de Petróleo o princípio geral de separação de fases é o gravitacional, baseado na segregação de fases por diferença de massa específica. De um modo geral, tanto a decantação das gotas de água no óleo como a decantação de gotas de líquido no gás podem ser aproximadas pela decantação de uma partícula sólida em um fluido sob efeito da força gravitacional. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos – abordagem fluidodinâmica — Nessas condições, a partícula será acelerada pela força da gravidade, à qual se opõe uma força de arrasto devida ao fluido. A força de arrasto é dependente da velocidade relativa entre a partícula e o fluido. Assim, a partícula será acelerada até que a força de arrasto contrabalance a força gravitacional, após esse ponto a partícula cairá com uma certa velocidade terminal constante. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos – abordagem fluidodinâmica — Assim, no caso específico de uma partícula rígida, esférica, sem interação com partículas vizinhas e em condições de baixo número de Reynolds para a partícula o fenômeno de decantação é regido pela Equação de Stokes: PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos – abordagem fluidodinâmica — No caso de um separador vertical a velocidade terminal de uma partícula líquida é equivalente à velocidade de escoamento do gás na qual uma partícula de diâmetro característico permanece suspensa no gás sem se movimentar nem para cima nem para baixo. Os princípios básicos da separação água-óleo são regidos pela Eq. de Stokes. Entretanto esta equação assume que não há interferência entre as partículas, o que normalmente não ocorre na prática. Assim, o dimensionamento de equipamentos de separação óleo-água deve ser feito a partir de dados experimentais (quando possível) ou a partir de correções do modelo teórico a partir de dados experimentais. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Separação dos fluidos – abordagem fluidodinâmica — Além disso, para gotículas muito pequenas o movimento browniano torna-se significativo (efeito do movimento browniano predomina sobre o efeito gravitacional) Isto implica que a separação gravitacional, por si só, é inadequada para a separação de sistemas particulados com gotículas muito pequenas (emulsões). Para a separação da água emulsionada ao óleo se faz necessário induzir o processo de coalescência, de forma a aumentar o diâmetro médio das gotículas, acelerando assim as velocidades de separação gravitacional. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014 Visão geral dos processos — FIM Guilbert Lima Ayub: Versão: 01 23/09/2014
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