Computational fluid dynamics application to evaluate the influence of hydrocyclone geometrical parameters on the primary recovery of CO2 and CH4 hydrates produced in a NETmix reactor

Orientadores: José Roberto Nunhez, Diener Volpin Ribeiro FontouraDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Os hidratos de gases tem sido um grande problema nas indústrias de exploração e processamento de petróleo, pois a sua estrutura cristalina formada causa entupimento que pode levar a danos estruturais das tubulações que chegam nas profundezas do mar. Porém a comunidade científica vem pesquisando sobre esse sólido cristalino cada vez mais e tem-se descoberto um outro efeito completamente benéfico para os processos de gerenciamento de gases. Sua estrutura consegue capturar uma grande quantidade de gás, o que se torna interessante do ponto de vista de processos de armazenamento e transporte de gases em baixas temperaturas e pressões moderadas, evitando possíveis acidentes catastróficos nas estações de compressão de gasodutos, atualmente utilizados como meio de transporte de gases. O método mais usual de sintetização de hidratos de gases é via batelada em tanques de mistura a baixas temperaturas e altas pressões, porém esse método é ineficiente do ponto de vista da limitação da nucleação dos cristais de hidratos e da dificuldade de se arrefecer o processo, já que o mesmo é altamente exotérmico. Resolvendo esse gargalo, a tecnologia NETmix® patenteada pela Universidade do Porto, traz uma grande melhoria dos fenômenos de transporte de calor, massa e quantidade de movimento dos fluidos escoando em seu interior, aumentando assim sua eficiência de mistura e síntese dos hidratos. Porém, ainda há a presença de água e uma pequena fração de gases a serem separados do hidrato na saída do reator. Dessa maneira foi estudada a eficiência do hidrociclone na separação dos hidratos formados, assim como a influência dos parâmetros geométricos desse equipamento na recuperação dos hidratos. Foi utilizado a abordagem matemática multifásica Euler-Euler para descrever a dinâmica das fases, com o auxílio do modelo de turbulência RSM. O modelo fluidodinâmico proposto foi validado e mostrou ser adequado para simular o escoamento da suspensão água/hidrato. Foi observado nas simulações que a influência individual de cada parâmetro geométrico não alterou significativamente a performance de separação do hidrato por parte do hidrociclone, porém houve uma conformação geométrica específica em um dos hidrociclones simulados, na qual conseguiu concentrar a suspensão água/hidratos em 24.37% em massaAbstract: Gas hydrates have been a major problem in the oil exploration and processing industries because their crystalline structure causes clogging of pipes used to reach deep oil reservoirs. However, the scientific community has been increased its researching on this crystalline solid since its production may be a promising way to treat the gases stored in the marine wells. Its structure is able to capture a large amount of gas, which is interesting from the point of view of gas storage and transport processes at low temperatures and moderate pressures, avoiding possible catastrophic accidents in gas station compression stations, currently used as a means of transport of gases. The most common method of synthesizing gas hydrates is by batch in mixing tanks at low temperatures and high pressures, but this method is inefficient from the point of view of thermal exchange, since the process is highly exothermic. Experimental studies are being carried out with the use of NETmix®, patented technology by the Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, which brings a great improvement in the phenomena of heat transport, mass and momentum of the fluids within it, which increases the mixing efficiency and synthesis of gas hydrates. As there is in the process the presence of water and a small fraction of gases to be separated from the hydrate at the exit of the reactor, the efficiency of the hydrocyclone in the separation of the formed hydrates was studied, as well as the influence of the geometric parameters of this equipment in the hydrate recovery. The Euler-Euler multiphase mathematical approach was used to describe the dynamics of the phases, with the aid of the RSM turbulence model. The proposed fluid dynamics model was validated and shown to be adequate to simulate the flow of the water/hydrate suspension. It was observed in the simulations that the individual influence of each geometric parameter did not significantly improved the performance of the hydrocyclone to concentrate the hydrate suspention, but there was a specific geometric conformation in one of the simulated hydrocyclones, in which the water/hydrate suspension was concentrated in 24.37% w/wMestradoEngenharia QuímicaMestre em Engenharia Química132483/2017-3CNP