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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2022.tde-08062022-074535
Document
Auteur
Nom complet
Carlos Mario Giraldo Atehortua
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2022
Directeur
Jury
Adamowski, Julio Cezar (Président)
Silva, Emilio Carlos Nelli
Alvarez, Nicolás Leonardo Pérez
Andrade, José Henrique Araújo Lopes de
Higuti, Ricardo Tokio
Titre en portugais
Estudo microscópico e macroscópico da utilização de ultrassom para quebra de emulsões de água e óleo.
Mots-clés en portugais
Atuadores piezelétricos
Processo de separação
Ultrassom
Resumé en portugais
As emulsões de água em óleo cru geradas no processo de extração de petróleo possuem um filme interfacial que encapsula as gotas de água. Esse filme, constituído em parte por asfaltenos e/ou resinas, gera impermeabilidade entre as gotículas evitando a sua coalescência espontânea e, produzindo emulsões altamente estáveis. Para recuperar esse óleo emulsionado, existe um estágio denominado processamento primário no qual visa atingir as especificações técnicas referentes à máxima quantidade de água permitida no óleo para, então, poder ser encaminhado à refinaria. Em tal estágio, são empregadas diversas técnicas para realizar a recuperação do óleo, algumas com limitantes operacionais, e geralmente faz-se necessária a adição de desemulsificante químico para reduzir a estabilidade da emulsão. A utilização da tecnologia de ondas estacionárias de ultrassom em altas frequências, em torno de 1 MHz, poderia ser empregada neste estágio para realizar a quebra de emulsões assistida acusticamente. Com o objetivo de melhor compreender o processo de separação assistido acusticamente, foram realizados estudos microscópicos e macroscópicos na separação de emulsões. Na etapa microscópica são apresentadas simulações do comportamento de uma partícula em um canal deslocada pela força de radiação acústica e do aprisionamento e manipulação de partículas, segundo o fator de contraste, mediante a alteração da fase da tensão elétrica de excitação de um transdutor piezelétrico. Igualmente é apresentada a fabricação de duas células ultrassônica de alta frequência (2 e 4 MHz) para manipulação de partículas em duas dimensões. Em tais células, foi observado o aprisionamento de partículas de uma suspensão de amido de milho, a coalescência e a trajetória de gotas de petróleo quando submetidas a um campo acústico estacionário. Além disso, a simulação e representação com imagens, obtidas em experimentos de laboratório, do potencial de radiação e da força de radiação acústica secundária para duas gotas de óleo, imersas em um campo acústico estacionário em água, são apresentados. A caracterização de emulsões sintéticas de água em óleo segundo o tamanho e a distribuição das gotas de água também é apresentada. Já na etapa macroscópica, é apresentada a separação de emulsões sintéticas de água em óleo empregando uma célula de coalescência com a geração de onda estacionária, além de testes de variação da amplitude da condutância elétrica e da frequência para os picos das ressonâncias de uma célula de separação acústica em função da temperatura. Também é apresentada a simulação e comparação com observações experimentais, em laboratório, da pressão de radiação acústica. Além disso, é apresentada no apêndice uma análise preliminar da eficiência da separação acusticamente assistida de emulsões sintéticas de água em óleo usando células de ultrassom de baixa frequência, entre 20 e 60 kHz, em função da quantidade de desemulsificante, o tempo de residência, a potência excitação aplicada e o teor de água inicial da emulsão.
Titre en anglais
Microscopic and macroscopic study of the use of ultrasound to break water and oil emulsions.
Mots-clés en anglais
Piezoelectric actuators
Separation process
Ultrasound
Resumé en anglais
Water-in-oil emulsions generated in the oil extraction process have an interfacial film that encapsulates the water droplets. This film, formed in part by asphaltenes and/or resins, generates impermeability between the droplets, avoiding their spontaneous coalescence and producing highly stable emulsions. In order to recover this emulsified oil, there is a stage called primary processing in which it is aimed to achieve the technical specifications referring to the maximum amount of water allowed in the oil to be able to be sent to the refinery. At such stage, various techniques are employed to perform the oil recovery, some with operational limitations, but it is generally necessary to add a chemical demulsifier to break down the stability of the emulsion. The use of the stationary ultrasonic wave technology at high frequencies, around 1 MHz, could be employed at this stage to perform the breaking of emulsions acoustically assisted. In order to better understand the process of acoustically assisted separation, a microscopic and a macroscopic studies on the separation of emulsions are carried out. In the microscopic study, it is presented simulations of tracking, trapping and manipulation of particles in a channel displaced by the acoustic radiation force, according to their acoustic contrast factor, by changing the excitation voltage phase in a piezoelectric transducer. Likewise, the fabrication of two high frequency ultrasonic chambers (2 and 4 MHz) for manipulating particles in two dimensions is presented. In such chamber, it was observed the particles entrapment of a corn starch suspension, also the coalescence and the trajectory detection of oil droplets when submitted to a stationary acoustic field. Furthermore, the simulation and representation on images, obtained in laboratory experiments, of the radiation potential and the secondary acoustic radiation force for two oil drops, immersed in a stationary acoustic field in water, are presented. It is also presented the characterization of synthetic water in oil emulsions according to the size and distribution of water droplets. In the macroscopic study, the separation of synthetic water-in-oil emulsions is presented using a coalescence chamber with the generation of a standing wave, in addition to electrical conductance amplitude variation and frequency variation test for the resonance peaks of an acoustic separation chamber as a function of temperature are presented. Simulation and comparison with experimental observations, in the laboratory, of the acoustic radiation pressure is also presented. In addition, the appendix presents a preliminary analysis of the efficiency of the acoustically assisted separation of synthetic water-in-oil emulsions using low-frequency ultrasound chambers, between 20 and 60 kHz, according to the amount of chemical demulsifier, the residence time, the electrical power supplied and the initial water content of the emulsion.
 
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Date de Publication
2022-06-08
 
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